Рабочая программа учебной дисциплины “Технические средства автоматизации и управления”

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (АВТИ) ___________________________________________________________________________________________________________

·  самостоятельно работать, принимать решения в рамках своей профессиональной деятельности (ОК-7);

·  учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3);

·  анализировать научно-техническую информацию, изучать отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования (ПК-6);

·  участвовать в подготовке технико-экономического обоснования проектов создания систем и средств автоматизации и управления (ПК-8);

·  осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования систем и средств автоматизации и управления (ПК-9);

·  производить расчёты и проектирование отдельных блоков и устройств систем автоматизации и управления и выбирать стандартные средства автоматики, измерительной и вычислительной техники для проектирования систем автоматизации и управления в соответствии с техническим заданием (ПК-10);

·  к участию в работах по изготовлению, отладке и сдаче в эксплуатацию систем и средств автоматизации и управления (ПК-15).

Задачами дисциплины являются:

·  познакомить обучающихся с принципами построения и настройки автоматизированных систем управления техническими объектами;

·  дать информацию о типовых аппаратных и программных средствах, включающих комплексы технических и программных средств, получения, обработки и визуализации информации о состоянии объекта автоматизации;

·  научить принимать и обосновывать конкретные технические решения при проектировании автоматизированных систем управления техническими объектами и их элементов.

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к циклу профессиональных дисциплин (модуль профессиональной подготовки) основной образовательной программы подготовки бакалавров по профилю "1. Управление и информатика в технических системах" направления 220400 Управление в технических системах.

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Информатика, «Программирование и основы алгоритмизации».

Знания, полученные при освоении дисциплины, необходимы при изучении дисциплин «Информационные технологии», "Теория автоматического управления",«Вычислительные машины, системы и сети». при выполнении бакалаврской выпускной квалификационной работы, а также программы магистерской подготовки.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины, обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:

Знать:

· современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности, (ПК-3);

· основные принципы и методологию разработки прикладного программного обеспечения, включая типовые способы организации данных и построения алгоритмов обработки данных, синтаксис и семантику универсального алгоритмического языка программирования высокого уровня; основные принципы организации и построения вычислительных машин (ПК-5);

· методы анализа научно-технической информации по техническим средствам автоматизированных систем (ПК-6);

· основные принципы организации и построения автоматизированных систем на основе универсальных ЭВМ и программируемых логических контроллеров (ПК-9);

· технологию работы на ПК в современных информационных средах, основные методы разработки алгоритмов и программ, типовые алгоритмы обработки данных (ПК-18, ПК-23).

Уметь:

· осуществлять поиск и анализ научно-технической информации о новых технологиях и технических средствах построения компонентов автоматизированных систем (ПК-6, ПК-17);

· использовать типовые технические средства и пакеты прикладных программ для решения практических задач управления объектом автоматизации (ПК-10);

·  использовать инструментальные программные средства в процессе разработки и эксплуатации автоматизированных систем управления (ПК-1).

Владеть:

·  навыками дискуссии по профессиональной тематике (ОК-12);

·  способностью стремиться к саморазвитию, повышению своей квалификации (ОК-6);

·  методами построения современных аппаратно-программных комплексов для решения задач автоматизации управления техническими объектами (ПК-3);

·  основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);

·  навыками поиска информации о свойствах компонентов автоматизированных систем (ПК-6);

·  информацией о технических параметрах оборудования для использования при проектировании и эксплуатации автоматизированных систем (ПК-17 );

·  способностью выполнять эксперименты на действующих объектах автоматизации и обрабатывать результаты с применением современных информационных технологий и технических средств (ПК-19);

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1 Структура дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 7 зачетных единиц, 220 часов.

4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения

4.2.1. Лекции

1. Типовые структуры и средства автоматизированных систем

Функциональные компоненты для автоматизации исследований технических объектов. Особенности проектирования и основные требования к автоматизированным системам. Принципы построения автоматизированных систем. Общая характеристика средств управления в автоматизированных системах, основные критерии выбора ЭВМ для построения автоматизированной системы. Архитектурные возможности ЭВМ в автоматизированных системах. Структура магистрали ЭВМ, назначение основных сигналов магистрали, принципы организации передачи данных по магистрали, функции интерфейса. Технические средства обработки, хранения, отображения информации и выработки командных воздействий. Технические средства получения информации о состоянии объекта управления, датчики, измерительные преобразователи. Технические средства использования командной информации и воздействия на объект управления, исполнительные устройства, регулирующие органы.

2. Методы и технические средства программного обмена данными между ЭВМ и устройствами управления объектом автоматизации.

Принципы организации программно–управляемого обмена данными между ЭВМ и ВУ. Общая методика программного управления внешними устройствами и оценки их состояния. Технические средства обработки, хранения, отображения информации и выработки командных воздействий. Технические средства получения информации о состоянии объекта управления. Технические средства использования командной информации и воздействия на объект управления. Алгоритмы одноканальных и многоканальных измерений входных сигналов по готовности устройства измерения.

3. Универсальные средства программирования систем автоматизированного управления техническими средствами. Язык С++.

Понятие о структурном программировании. Базовые средства языка C++. Состав языка. Типы данных C++. Переменные и выражения. Базовые конструкции структурного программирования. Указатели и массивы. Типы данных, определяемые пользователем. Модульное программирование. Функции. Объявление и определение функций. Возвращаемое значение. Параметры функций. Функция main(). Функции стандартной библиотеки. Директивы препроцессора. Области действия идентификаторов. Технология создания программ: кодирование и документирования программы; проектирование и тестирование программы. Динамические структуры данных: линейные списки, стеки, очереди, бинарные деревья. Реализация динамических структур на базе массива. Использование возможностей языка C++ в программировании элементов систем автоматизированного управления (САУ).

4. Пакеты прикладных программ (ПП) для моделирования систем автоматизированного управления техническими средствами. Часть 1: ПП MATLAB + SIMULINK.

Основные структуры данных и алгоритмов в MATLAB: массив как основная структура данных, основы программирования на встроенном языке MATLAB. Стандартные функции встроенного языка MATLAB. Специальные функции встроенного языка MATLAB (функции исследования систем управления). Базовые принципы моделирования систем управления в системе SIMULINK.

5. Пакеты прикладных программ (ПП) для моделирования систем автоматизированного управления техническими средствами. Часть 2: ПП MathCAD.

Введение в MathCAD: основные принципы работы. Понятие рабочего листа (worksheet), область видимости переменных рабочего листа. Вычисление по простым формулам. Встроенные переменные MathCAD. Программирование в среде MathCAD (с помощью вкладки Programming). Экспорт и импорт данных в среде MathCAD: работа с файлами (функции readprn, writeprn). Графические возможности среды: визуализация расчетов. Применение MathCAD для решения задач моделирования систем автоматизированного управления техническими средствами (САУ). Решение в среде MathCAD дифференциальных уравнений, описывающих линейные системы управления, и расчет динамических характеристик таких систем. Моделирование структурных схем систем управления средствами MathCAD. Оценка запаса устойчивости и робастности систем автоматического управления с помощью MathCAD. Расчет САУ при заданных условиях на управление и синтез алгоритмов сложных структур систем управления в среде MathCAD. Моделирование систем управления с цифровыми контроллерами. Адаптация систем управления на основе расчетов, выполненных в MathCAD.

6. Технические средства обмена данными между ЭВМ и внешними устройствами (ВУ) с прерыванием программы процессора

Обмен данными между ЭВМ и автоматизированной системой в режиме прерывания текущей программы процессора: идея метода, последовательность действий процессора при обмене, алгоритм, техническая реализация интерфейса автоматизированной системы, программирование интерфейса автоматизированной системы для обмена данными. Методы идентификации устройства, затребовавшего обслуживание и их техническая реализация. Принципы организации и техническая реализация многоуровневых векторных прерываний. Реализация приоритетных векторных прерываний в автоматизированной системе с программируемой логикой управления обслуживанием устройств. Архитектура, программная модель и методика программирования работы типовых программируемых контроллеров прерываний. Основные способы идентификации внешнего устройства затребовавшего прерывание программы процессора, их отличия, достоинства и недостатки. Основные функциональные элементы интерфейса ВУ для обмена данными с прерыванием программы процессора. Техническая реализация вложенных векторных прерываний текущей программы процессора при обмене данными. Схема каскадирования программируемого контроллера прерываний, алгоритмы работы ведущего и ведомых контроллеров. Методика программирования ввода-вывода данных с прерыванием программы

4. Технические средства синхронизации элементов автоматизированной системы. Программируемые интервальные таймеры–счетчики (ПИТ).

Назначение ПИТ, принципы работы, входные и выходные сигналы. схема подключения к магистрали автоматизи-рованной системы, к внешним устройствам. Программная модель канала ПИТ, возможные операции процессора с регистрами ПИТ.

Системный таймер–счетчик ЭВМ семейства IBM AT: схема включения таймера, назначение каналов, адресация регистров таймера, возможности программирования каналов. Методика инициализации канала ПИТ, режимы работы, варианты чтения содержимого счетного элемента, методика чтения состояния каналов ПИТ. Технические средства и методика синхронизации работы устройств в реальном времени: синхронизация ввода–вывода данных при достижении заданного момента времени, с прерыванием текущей программы процессора, синхронизация многоканального ввода-вывода данных.

5. Автоматизированные системы на основе унифицированных магистрально-модульных интерфейсов.

Принципы унификации средств сопряжения ЭВМ с экспериментальными установками.

Структуры функциональных и управляющих модулей и приборов на основе унифицированных средств сопряжения. Аппаратная реализация элементов систем. Методика программирования основных операций в системах на основе унифицированных средств. Архитектуры типовых системы сбора данных, управления объектом автоматизации и оперативной обработки информации. Аппаратная реализация типовых приборов для автоматического измерения и генерации сигналов с заданными амплитудно-частотными характеристиками.

6. Технические средства обмена данными между ОЗУ ЭВМ и объектом автоматизации в режиме прямого доступа устройства к оперативной памяти (ПДП).

Общая организация обмена данными в режиме ПДП. Алгоритм взаимодействия процессора, ОЗУ, контроллера ПДП и интерфейса внешнего устройства при обмене. Методика запуска обмена данными по каналу ПДП. Основные характеристики, режимы работы контроллера ПДП, схема связи контроллера с системной шиной и ВУ.

Технические средства обмена данными в режиме ПДП между ЭВМ и ВУ: основные характеристики, режимы работы контроллера ПДП, схема связи контроллера с системной шиной и ВУ.

Структура и аппаратная реализация однокристального микропроцессорного контроллера ПДП. Управление техническими объектами и измерения сигналов объекта в режиме ПДП. Каскадирование контроллеров ПДП, особенности работы основного и дополнительных контроллеров. Методика программирования канала контроллера ПДП для реализации обмена.

4.2.2. Практические занятия

Практические занятия учебным планом не предусмотрены.

4.3. Лабораторные работы

3 семестр

№ 1. Разработка и исследование аналогового канала управления техническими объектами. (Технические и программные средства реализации безусловного способа обмена данными между ЭВМ и внешними устройствами.)

№ 2. Разработка и исследование аналогового канала измерения параметров объекта. (Технические и программные средства реализации обмена данными между ЭВМ и внешними устройствами по готовности внешнего устройства.)

№ 3, 4. Разработка простых программ на языке C++ (1.Линейные программы, 2.Разветвляющиеся программы. Циклы.)

№ 5, 6, 7. Разработка программ на языке С++(1.Одномерные массивы и указатели, 2.Двумерные массивы, 3.Функции.)

№ 8, 9, 10, 11. Разработка программ в среде ПП MATLAB (1.Основные структуры данных и алгоритмов в MATLAB, 2.Стандартные функции встроенного языка MATLAB, 3.Специальные функции встроенного языка MATLAB (функции исследования систем управления), 4.Моделирование систем управления в системе SIMULINK.)

№ 12, 13, 14, 15. Разработка программ в среде ПП MathCAD (1.Структура рабочего листа MathCAD, основные типы данных. Пример программы, 2.Программирование средствами MathCAD (вкладка Programming), 3.Экспорт и импорт данных в MathCAD. Средства визуализации расчетов в MathCAD, 4.Стандартные функции MathCAD в моделировании систем управления.)

4 семестр

№ 1, 2. Исследование технических средств синхронизации процессов управления объектом и измерения характеристик объекта (системный таймер ЭВМ Intel 8254).

№ 3, 4. Исследование средств измерения характеристик объекта управления в режиме прерывания текущей задачи (программируемый контроллер прерываний Intel 8259A).

№ 5. Автоматизированная система на основе ЭВМ и интерфейса КАМАК.

№ 6. Разработка и исследование аппаратно-ориентированной библиотеки процедур для управления унифицированными аппаратными средствами системы КАМАК.

№ 7. Аппаратно-программная реализация каналов управления объектом автоматизации в автоматизированной системе на основе ЭВМ и унифицированных средств сопряжения с объектом.

№ 8. Аппаратно-программная реализация каналов измерения временных (частотных) параметров импульсных сигналов в автоматизированной системе на основе ЭВМ и унифицированных средств сопряжения с объектом автоматизации.

№ 9, 10. Разработка и исследование технических средств передачи информации от внешнего устройства в автоматизированную систему по каналу прямого доступа (ПДП).

4.4. Расчетные задания:

Расчетные задания учебным планом не предусмотрены.

4.5. Курсовые проекты и курсовые работы:

Курсовые проекты и курсовые работы учебным планом не предусмотрены.

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме традиционных лекций, лекций с использованием раздаточного материала, а также лекций в специально оборудованной аудитории (мультимедиа-проектор, радиомикрофон, интерактивная доска). На лекциях используются наглядные пособия в виде конкретных микропроцессорных элементов.

Самостоятельная работа включает подготовку к тестам и лабораторным работам, подготовку к зачету и экзамену.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Для текущего контроля успеваемости используются различные виды тестов, устный опрос, коллоквиум перед началом лабораторных работ.

Аттестация по дисциплине – экзамен.

Оценка за освоение дисциплины рассчитывается из условия: 0,6 * (среднеарифметическая оценка за контрольные и тесты) + 0,4 * (оценка на экзамене).

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

а) основная литература:

1.  Электронный конспект лекций по курсу "Технические средства автоматизации и управления" – МЭИ, 2008.

2. Есюткин компонентов автоматизированных систем. – М. Из-дательство МЭИ, 2000. – 20с.

3. Есюткин и технические средства программного обмена данными ЭВМ с техническими объектами. Лабораторные работы. Методическое пособие по курсу “Информационные технологии реального времени”. М.: Изд-во МЭИ, 2003.-20с.

4. Виноградова системы на основе интерфейса КАМАК. Лабораторные работы. Изд. МЭИ, 2006 гс.

5. Технические средства программного управления объектами автоматизации: Сборник лабораторных работ. Методическое пособие по курсу "Технические средства автоматизации и управления" - М.: Издательство МЭИ, 2010.- 36с.

6. . С/С++. Программирование на языке высокого уровня – СПб.: Питер, 2003. – 461с.

7. , . С/С++. Программирование на языке высокого уровня: Практикум – СПб.: Питер, 2003. – 240с.

8. MATLAB 7. Основы работы и программирования. Учебник. - Издательство "Бином. Лаборатория знаний", 20с.

9. , . Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB – СПб.: Наука, 2000. – 475с.

10. Д. Гурский, Е. Турбина. Вычисления в Mathcad 12 – СПб.: Питер, 2006. – 544с.

11. . Теория автоматического управления. – М.: Изд-во МЭИ, 2008.

б) дополнительная литература:

1. Финогенов измерительных систем реального времени: М.: Энергоатомиздат, 1990.-256с.

2. Есюткин данными между ЭВМ и внешними устройствами в режиме прямого доступа к памяти. Лабораторная работа по курсу “Программно–аппаратные средства автоматизации”- М.: Изд-во МЭИ, 1998.-8с.

3. 2B ProGroup: , , Спесивцев персональных компьютеров и ее программирование - М: Радио и связь, 19с.

4. , . Mathcad. Дифференциальные модели – М.: Изд-во МЭИ, 2008.

5. Черных электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. – 200с.

6. MATLAB 7. Самоучитель – Вильямс, 20с.

7.2. Электронные образовательные ресурсы:

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

www. *****; www. *****/education. php; digital. /worldwide/russia. nsf/web/;

decibel. /content/groups/ni-labs; decibel. /content/docs; http://twt. mpei. *****/ochkov/Rotach/noviyindex. html; www. *****; matlab. *****;

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной следующими техническими средствами:

·  ЭВМ семейства IBM, с установленными на них программными средствами Microsoft Visual C++ (v.6.0 и старше), PTC MathCAD (v.12 и старше), MATLAB (v.7 и старше).

·  интерфейсная плата ввода вывода, встроенная в системный блок ЭВМ, включающая цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), мультиплексор аналоговых сигналов, измерительный усилитель, программируемый интервальный таймер (ПИТ), регистры цифрового ввода вывода, для реализации каналов измерения и каналов управления,

·  унифицированная магистрально-модульная система (CAMAC, PXI, VXI, GPIB) в минимальной комплектации, для реализации типовых автоматизированных комплексов на её основе,

·  генератор типовых сигналов (синусоидального, треугольного, импульсного, стохастиче-ского с известными параметрами), для формирования сигналов управления и проверки параметров автоматизированной системы,

·  осциллограф, для контроля параметров управляющих воздействий на объект автоматизации.

В качестве интерфейсной платы ввода вывода, генератора типовых сигналов и осциллографа предлагается использовать комплект виртуальных измерительных приборов для учебных лабораторий NI ELVIS (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite), либо аналогичные приборы Российского производства.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 220400 «Управление в технических системах» и профилю «1. Управление и информатика в технических системах».

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

старший преподаватель

"УТВЕРЖДАЮ":

Директор ЦП «МЭИ-ФЕСТО»

д. т.н., профессор