Моделирование мехатронных, робототехнических систем

2
УТВЕРЖДАЮ
Директор ИК
__________А. А. Захарова
«___» ____________2015 г.
БАЗОВАЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАТРОННЫХ, РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Направление ООП: 15.03.06 «Мехатроника и робототехника»
Профиль подготовки: «Интеллектуальные робототехнические
и мехатронные системы»
Квалификация (степень): бакалавр
Базовый учебный план приема: 2015 г.
Курс 3 семестр 6
Количество кредитов 3
Код дисциплины Б1.ВМ4.16
Виды учебной деятельности
Лекции, ч
Практические занятия, ч
Лабораторные занятия, ч
Аудиторные занятия, ч
Самостоятельная работа, ч
ИТОГО, ч
Временной ресурс по очной форме обучения
16
16
32
76
108
Вид промежуточной аттестации: экзамен
Обеспечивающее подразделение: кафедра интегрированных компьютерных
систем управления (ИКСУ)
Заведующий кафедрой ИКСУ __________
А.В. Лиепиньш
(ФИО)
Руководитель ООП
___________
Т.Е. Мамонова
Преподаватель
___________
А.В. Воронин
2015 г.
(ФИО)
(ФИО)
3
1. Цели освоения дисциплины
В результате изучения дисциплины «Моделирование мехатронных робототехнических систем» студенты должны получить такую совокупность знаний и умений в области современных методов и средств моделирования систем различной физической природы, которые необходимы им для успешного решения задач разработки, исследования и эксплуатации мехатронных и
робототехнических систем, систем автоматического и автоматизированного
управления техническими объектами, технологическими линиями и автономными техническими системами.
Успешно изучивший дисциплину «Моделирование мехатронных робототехнических систем» студент должен знать:
– принципы математического и имитационного моделирования автоматических систем управления;
– методы получения и исследования математических моделей объектов
различной физической природы;
уметь:
– ставить задачу моделирования, выбирать структуру, а также алгоритмическую и программную реализацию имитационной модели сложного динамического объекта управления;
– получать математические модели динамики объектов с элементами
различной физической природы и оценивать их адекватность;
– планировать машинные эксперименты, получать и правильно интерпретировать их результаты ;
– пользоваться системами автоматизированного моделирования и исследования технических систем на ЭВМ.
Изучение дисциплины «Моделирование мехатронных робототехнических систем» направлено на достижение следующих целей ООП 15.03.06
«Мехатроника и робототехника»:
Ц2
Ц3
Подготовка выпускников к проектно-технологической деятельности в области создания средств и систем мехатроники и робототехники с использованием современных инструментальных средств и информационных
технологий.
Подготовка выпускников к комплексным инженерным исследованиям для
решения задач, связанных с разработкой аппаратных и программных
средств объектов мехатроники и робототехники.
4
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла дисциплин.
Пререквизитами дисциплины являются такие курсы как «Механика 1.3»,
«Электротехника» «Электроника», «Информатика», «Информационные технологии»
Кореквезитами являются «Теория автоматического управления», «Детали мехатронных модулей, роботов и их конструирование».
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоения дисциплины «Моделирование мехатронных робототехнических систем» направлено на формирование у студентов следующих компетенций, в том числе в соответствии с
ФГОС ВО:
Общекультурные компетенции (ОК):
способностью к самоорганизации и самообразованию (ОК-7);
Общепрофессиональные компетенции (ОПК):
владением физико-математическим аппаратом, необходимым для описания мехатронных и робототехнических систем (ОПК-2);
Профессиональные компетенции (ПК):
способностью составлять математические модели мехатронных и робототехнических систем, их подсистем и отдельных элементов и модулей,
включая информационные, электромеханические, гидравлические, электрогидравлические, электронные устройства и средства вычислительной техники (ПК-1);
способностью проводить вычислительные эксперименты с использованием стандартных программных пакетов с целью исследования математических моделей мехатронных и робототехнических систем (ПК-6);
готовностью участвовать в подготовке технико-экономического обоснования проектов создания мехатронных и робототехнических систем, их подсистем и отдельных модулей (ПК-9);
способностью разрабатывать конструкторскую и проектную документацию механических, электрических и электронных узлов мехатронных и робототехнических систем в соответствии с имеющимися стандартами и техническими условиями (ПК-11);
готовностью к организации и проведению разработки частей организационно-технической документации (графиков работ, инструкций, планов,
смет) и установленной отчетности по утвержденным формам (ПК-16).
5
Составляющие результатов обучения, которые будут достигнуты при
изучении дисциплины «Моделирование мехатронных, робототехнических
систем» представлены в таблице 1.
Таблица 1
Составляющие результатов обучения,
которые будут получены при изучении данной дисциплины
Результаты
обучения
(компетенции из
ФГОС)
Р1
Код
Знания
Составляющие результатов обучения
Код
Умения
Код
З.1.2
Р2
З.2.1
принципов действия и математического описания составных частей мехатронных
и робототехнических систем
(информационных, электромеханических,
электрогидравли-ческих, электронных элементов и
средств вычислительной техники)
– программнотехнических
средств, используемых для обработки информации робототехнических
систем
У.1.2
разрабатывать
математические
модели составных частей
объектов профессиональной деятельности
У.2.1
– использовать
программнотехнические средства для построения мехатронных
и робототехнических систем
В.2.1
У.2.2
применять передовой отечественный и зарубежный опыт в
области теории
производства и
его эксплуатации
В.2.2
Владение
опытом
– применения
программнотехнических
средств для построения мехатронных и робототехнических
систем
составления моделей производств как объектов управления их
техникоэкономические
показатели
- выполнения расчетов и обоснований при выборе
форм и методов
организации производства,
- выполнения
плановых расчетов, - организации
управления;
Р5
З.5.2
– современных
систем моделирования ме-
У.5.2
– разрабатывать
макеты информационных,
элек-
В.5.2
– применения
аналитических,
имитационных и
6
хатронных и
робототехнических систем
Р7
У.7.2
тромеханических,
электрогидравлических,
электронных и
микропроцессорных модулей
мехатронных и
робототехнических систем
работать в коллективе
экспериментальных инструментов при проектировании мехатронных и робототехнических
систем
Составляющие результатов обучения, которые будут достигнуты при
изучении дисциплины «Моделирование мехатронных, робототехнических
систем» представлены в таблице 2.
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины
№ п.п.
РД1
РД2
РД3
РД4
РД5
РД6
РД7
Результаты
Знать принципы математического и имитационного моделирования автоматических систем управления;
Знать методы получения и исследования математических моделей объектов
различной физической природы;
Уметь ставить задачу моделирования, выбирать структуру, а также алгоритмическую и программную реализацию имитационной модели сложного
динамического объекта управления;
Уметь получать математические модели динамики объектов с элементами
различной физической природы и оценивать их адекватность;
Уметь планировать машинные эксперименты, получать и правильно интерпретировать их результаты;
Уметь пользоваться системами автоматизированного моделирования и исследования технических систем на ЭВМ.
Иметь опыт использования систем автоматизированного моделирования и
исследования технических систем на ЭВМ
4. Структура и содержание дисциплины
МОДУЛЬ 1.
2.1. Общие понятия теории моделирования (4 часа)
Предмет и задача курса. Задача моделирования. Моделирование как
метод технической кибернетики. Методы моделирования – физическое,
натурное, математическое, на ЭВМ, ЦВМ, гибридных вычислительных комплексах.
Математическое моделирование и математические модели. Классификация методов математического моделирования применительно к этапу построения математической модели.
7
Основные положения теории подобия и подходы к построению математических моделей. Полнота модели. Адекватность модели. Классификация
моделей по характеру и способам использования. Типовые математические
модели.
Непрерывно-детерминированные
модели.
Дискретнодетерминированные модели. Непрерывно-стохастические модели. Дискретно-стохастические модели. Обобщенные модели.
Основы построения математических моделей на микроуровне. Основные особенности моделирования систем с распределенными параметрами.
Приближенные математические модели технических объектов на микроуровне.
2.2. Кинематика пространственных механизмов (6 часов)
Системы координат. Системы однородных координат. Обобщенные
координаты манипулятора. Преобразование декартовых координат. Преобразование однородных координат. Преобразование координат манипулятора.
Решение прямой задачи кинематики.
Решение обратной задачи кинематики.
Модели динамики пространственных механизмов. Принципы компонентного моделирования пространственных механизмов.
2.2. Топологические методы математического моделирования
динамических систем (10 часов)
Идеология топологических методов моделирования. Метод графов связей. Основные термины и определения графов связей. Физические интерпретации потоков и усилий, математических моделей компонентов.
Построение графов связей электрической схемы. Эквивалентные преобразования графа. Построение графа одномерной механической системы
для поступательного и вращательного движений. Моделирование электромеханических систем. Получение математической модели графа в форме системы дифференциальных и алгебраических уравнений.
Причинные отношения в графе, правила определения причинности.
Построение структурных схем по графу связей. Правило Мезона для получения передаточных функций. Пути и циклы в графе связей. Непосредственное
применение правила Мезона к графу связей.
Метод обобщенных цепей Основные понятия и определения. Типовые
компоненты механических цепей – твердые тела, кинематические узлы, динамические компоненты. Типовые компоненты силовых приводов и управляющих алгоритмов. Математические модели типовых компонентов для ре-
8
шения задач моделирования динамики пространственных механизмов. Модели систем с элементами различной физической природы.
МОДУЛЬ 2.
2.3. Численные методы моделирования динамических систем (6 часов)
Механизмы продвижения модельного времени.
Алгоритмы численного моделирования динамических систем. Методы
численного интегрирования – явные и неявные, одношаговые и многошаговые. Методы разных порядков. Алгебраизация и линеаризация дифференциальных уравнений. Процедуры численного моделирования с автоматическим
выбором шага. Рекомендации по выбору методов численного интегрирования.
Моделирование гибридных (событийно-управляемых) динамических
систем.
2.4. Методы и средства
автоматизированного моделирования систем (6 часов)
Системы автоматизированного моделирования и принципы их построения. Особенности и функциональные возможности современных систем автоматизированного моделирования. Иерархическое проектирование и многоуровневое моделирование мехатронных систем. Архитектура программ автоматизированного моделирования. Графический интерфейс программ математического моделирования динамических систем. Язык описания объекта,
транслятор, СУБД, монитор. Инструментальные средства моделирования.
Методы построения моделирующих программ. Решатели для структурного и мультидоменного моделирования
Классификация пакетов моделирования технических систем. Структура
алгоритмического и программного обеспечения задач моделирования и анализа в системах MATLAB/Simulink, MATLAB/Simulink/SimMechanics,
MATLAB/Simulink/SimPower.
2.5. Имитационное моделирование систем управления (4 часа)
Суть имитационного моделирования. Основные требования к имитационной модели. Этапы построения имитационной модели. Построение концептуальной модели и ее формализация. Структура имитационной модели.
Алгоритмизация модели системы и ее машинная реализация. Принципы построения моделирующих алгоритмов. Получение и интерпретация результатов моделирования. Построение имитационной модели системы управления
подвижным объектом.
9
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
1. Лабораторная работа 1. Работа с пакетом Simulink в среде Matlab. (2
часа).
2. Лабораторная работа 2. Исследование простых цепей в
SimPowerSystems (4 часа).
3. Лабораторная работа 3. Исследование трансформатора
SimPowerSystems (2 часа).
4. Лабораторная работа 4. Моделирование манипулятора в среде SimMechanics. (2 часа).
5. Лабораторная работа 5. Моделирование гироскопической системы ориентации ИСЗ в среде SimMechanics. (4 часа).
6. Лабораторная работа 6. Моделирование гексапода в среде SimMechanics. (4 часа).
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
1. Кинематика пространственных механизмов. Однородные координаты.
Преобразование декартовых координат. (2 часа)
2. Расстановка систем координат по Хартенбергу. Решение прямой задачи
кинематики. (2 часа)
3. Обратная задача кинематики. (2 часа)
4. Контрольная работа по задачам кинематики. (2 часа)
5. Графы связей. Построение графов связи электрических цепей. (2 часа)
6. Построение графов связи механических систем. (2 часа)
7. Построение операторно-структурных схем по графам связи. (2 часа)
8. Применение метода циклов к графу связи. (2 часа)
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
6.1. Виды и формы самостоятельной работы
Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента, развитие практических умений и включает:
1. Текущая проработка лекционного материала (20 часов),
2. Подготовка к лабораторным работам и написание отчетов (22 часа).
3.
Изучение
документов
по
пакетам
MATLAB
Simulink,
MATLAB/Simulink/SimMechanics, MATLAB/Simulink/SimPower (12 часов)
Творческая самостоятельная работа включает:
– поиск, анализ, структурирование и презентация информации;
10
– исследовательская работа и участие в научных студенческих конференциях, семинарах;
– анализ научных публикаций по заранее определенной преподавателем теме.
6.3. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим
образом:
– сдача контрольных работ по текущему материалу;
– защита лабораторных работ;
– результаты работы на практических занятиях;
– результаты участия студентов в олимпиадах.
При выполнении самостоятельной работы рекомендуется использовать:
– материалы, размещенные на персональном сайте преподавателя:
http://portal.tpu.ru/SHARED/v/VORONINAV
7. Средства текущей и промежуточной оценки качества
освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам
контролирующих мероприятий, представленных в таблице 3.
Таблица 3
Контролирующие мероприятия дисциплины
Контролирующие мероприятия
выполнение и защита лабораторных работ
выполнение контрольных работ
зачет
Результаты обучения по
дисциплине
РД3, РД5, РД6, РД7
РД1, РД2, РД3
РД1, РД2, РД3, РД4, РД5,
РД6, РД7
В комплект контролирующих материалов по дисциплине "Моделирование
мехатронных робототехнических систем" входят экзаменационные билеты и
набор экзаменационных контрольных задач.
Образцы экзаменационных билетов представлены в Приложении.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
Для текущего контроля при изучении курса "Моделирование мехатронных робототехнических систем" используется рейтинговая система
оценки знаний студентов, учитывающая результаты выполнения лабораторных работ в семестре. За выполнение лабораторных работ студент может получить максимум 60 баллов. Допуск к экзамену – 33 балла.
По результатам экзамена студент может получить до 40 баллов. Минимальная оценка, при которой экзамен считается сданным – 22 балла. Общая
11
оценка выставляется по сумме баллов, набранных в семестре и на экзамене.
Соответствие между оценкой и числом набранных баллов определяется таблицей 2.
Таблица 4
«Отлично»
«Хорошо»
«Удовл.»
ОЦЕНКИ
А+
А
В+
В
С+
С
Зачтено
D
Неудовлетворительно /
незачет
F
96 – 100 баллов
90 – 95 баллов
80 – 89 баллов
70 – 79 баллов
65 – 69 баллов
55 – 64 баллов
больше или равно 55
баллов
менее 55 баллов
Форма экзамена – письменный экзамен по билетам, содержащим два
теоретических вопроса и задачу.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Воронин А.В. Моделирование мехатронных систем: учебное пособие.
– Томский политехнич. ун-т. – Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та,
2007. – 120 с.
2. Гурский Д. Вычисления в Mathcad 12 / Д. А. Гурский, Е. Турбина. –
СПб.: Питер , 2006. – 544 с.
3. Дьяконов, В.П.MATLAB 7.*/R2006/R2007: Самоучитель / Дьяконов В.
П. – Москва: ДМК Пресс, 2009. – 768 с.
4. Морозов В. К. Моделирование информационных и динамических систем: учебное пособие / В. К. Морозов, Г. Н. Рогачев. – Москва: Академия,
2011. – 378 с.
Дополнительная литература
1. Глазырин А. С. Математическое моделирование электромеханических систем. Аналитические методы : учебное пособие для вузов / А. С. Глазырин; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). – Томск: Изд-во ТПУ, 2011. – 205 с.
2. Запорожец Е. П. Математическое моделирование: учебное пособие /
Е. П. Запорожец, А. М. Гапоненко, Е. И. Захарченко. – Краснодар: Издательский Дом - Юг, 2011. – 126 с.
3. Полунин А. И. Математическое моделирование динамики упругой
вращающейся оболочки с опорами / А. И. Полунин. – Белгород: БГТУ, 2008.
– 139 с.
12
4. Булавин Л. А. Компьютерное моделирование физических систем :
учебное пособие / Л. А. Булавин, Н. В. Выгорницкий, Н. И. Лебовка. — Долгопрудный: Интеллект, 2011. — 350 с.
Internet-источники
1. Дьяконов В.П. MATLAB 7.*/R2006/R2007: Самоучитель / Дьяконов
В. П. – Москва: ДМК Пресс, 2009. – 768 с. – ISBN 978-5-94074-424-5. URL:
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=1178
2. Терехин В. Б. Моделирование систем электропривода в Simulink
(Matlab 7. 0. 1) [Электронный ресурс]: учебное пособие / В. Б. Терехин;
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
(ТПУ). – 1 компьютерный файл (pdf; 19.4 MB). – Томск: Изд-во ТПУ, 2010. –
Заглавие с титульного экрана. – Электронная версия печатной публикации. –
Доступ из корпоративной сети ТПУ. – Системные требования: Adobe Reader.
URL: http://www.lib.tpu.ru/fulltext2/m/2011/m31.pdf
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Материально-техническое обеспечение дисциплины представлено в
табл. 4.
Таблица 4
Материально-техническое обеспечение дисциплины
№
п/п
Наименование (компьютерные классы, учебные лаборатории, оборудование)
1
2
3
4
Компьютерный класс
Компьютерный класс
Компьютерный класс с мультимедиа
Компьютерный класс с мультимедиа
Корпус, ауд., количество установок
к. 10, 115 ауд., 9
к. 10, 106 ауд., 9
к. 10, 415 ауд., 1
к. 10, 418 ауд., 1
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с
требованиями ФГОС ВО по направлению 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» и профилю подготовки «Интеллектуальные робототехнические и
мехатронные системы».
Программа одобрена на заседании кафедры ИКСУ
(протокол № 40 от «21» мая 2015 г.).
13
Автор:
доцент А.В. Воронин
Рецензент: доцент Т.Е. Мамонова
Приложение к рабочей программе по курсу
“Моделирование мехатронных робототехнических систем ”
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 1
По дисциплине
Моделирование мехатронных робототехнических
систем
Институт ИК
Курс
3
1. Методы моделирования технических систем.
2. Причинность в графах связей, что она определяет. Правила расстановки
причинных отношений на графах связей.
3. Задача.
СОСТАВИЛ
УТВЕРЖДАЮ: Зав. кафедрой
Воронин А.В.
А.В. Лиепиньш
“_____” ____________ 2015 г.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 2
По дисциплине
систем
Институт ИК
Моделирование мехатронных робототехнических
14
Курс
3
1. Понятие моделирования и модели. Адекватность модели. Цели и задачи
моделирования.
2. Эквивалентные преобразования графов связей.
3. Задача.
СОСТАВИЛ
УТВЕРЖДАЮ: Зав. кафедрой
“_____” ____________ 2015 г.
Воронин А.В.
А.В. Лиепиньш