МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Институт Энергомашиностроения и механики (ЭнМИ)
Направление подготовки: 221000 – Мехатроника и робототехника
Магистерская программа: Разработка компьютерных технологий управления и математического моделирования в робототехнике и мехатронике
Квалификация (степень) выпускника: магистр
Форма обучения: очная
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
“ЭЛЕКТРОПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ
МОДУЛИ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ”
Цикл: | Профессиональный | |
Часть цикла: | Вариативная | |
№ дисциплины по учебному плану: | M.2.6 | |
Часов (всего) по учебному плану: | 144 | |
Трудоёмкость в зачётных единицах: | 4 | 2 семестр – 4 |
Лекции | 36 часов | 2 семестр – 36 |
Практические занятия | 18 часов | 2 семестр – 18 |
Лабораторные работы | нет | нет |
Расчётные задания, рефераты | 18 час самостоят. работы | 2 семестр – 18 |
Объём самостоятельной работы по учебному плану (всего) | 90 часов | 2 семестр – 90 |
Экзамены | 2 семестр | |
Курсовые проекты (работы) | 2 з. е. (72 часа) | 2 семестр – 72 |
Москва - 2011
1.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью дисциплины является изучение автоматизированных электропневмогидравлических модулей (ЭЛПГМ), используемых в составе исполнительных частей современных мехатронных и робототехнических систем (РС), включая вопросы анализа условий применения, рационального структурирования и схемотехнического построения, выполнения необходимых расчётов, подбора модулей и их частей, а также экспертирования по совокупности назначенных показателей работоспособности и конкурентоспособности с учётом их весовых коэффициентов.
Дисциплина «Электропневмогидравлические модули робототехнических систем» является естественным продолжением дисциплины бакалавриата «Гидропневмопривод мехатронных и робототехнических устройств», и её изучение предполагает должную подготовку студентов по дисциплинам «Теоретическая механика», «Детали мехатронных модулей, роботов и их конструирование», «Механика жидкости и газа», «Метрология, стандартизация и сертификация», «Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем», «Электропривод мехатронных и робототехнических устройств», «Теория автоматического управления», «Динамика мехатронных систем», «Устойчивость и стабилизация движения динамических систем». Это обусловлено взаимосвязанной интеграцией разнородных аспектов разработки и грамотной эксплуатации ЭЛПГМ как комбинированных автоматических и автоматизированных модулей для робототехнических систем, от успешного системного решения которых в определяющей степени зависит функциональная пригодность и конкурентоспособность ЭЛПГМ как отдельно взятых устройств, так и гидрофицированных РС на рынке. Тем самым дисциплина оказывается одной из ведущих в программе подготовки магистров по мехатронике и робототехнике.
Освоение данной дисциплины вносит существенный вклад в формирование у студента следующих компетенций:
Общекультурные компетенции из ФГОС ВПО:
–способности совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень (ОК-1);
– способностью использовать на практике умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК-3);
– способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-4).
Дополнительные общекультурные компетенции:
– способности к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-5);
–способности иметь навыки работы с компьютером как средством получения, обработки информации (ОК-6);
– понимания роли и оценки автоматизированных артефактов в эволюционировании техноценозных образований современного социума как следствия исключительно функциональной обусловленности артефактов (ОК-7);
– способности рассматривать постановку и решение научно-технической задачи во взаимосвязанных аспектах, включающих не только технические, но и социо-экономические вопросы успешной бизнес-деятельности в условиях конкурентной среды общества с рыночными механизмами хозяйствования (ОК-8);
–способности использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-9);
–владения методами постановки и решения прямых (исследовательских) и обратных (расчётно-проектных) задач в оптимизационной постановке по Парето как частью профессиональной и общечеловеческой культуры (ОК-10);
–способности приобретать новые знания (в частности – в области использования и математического моделирования ЭЛПГМ), используя как традиционные, так и современные образовательные и информационные технологии (ОК-11);
–способности обосновывать свои рассуждения, логически верно, с привлечением убедительных аргументов и ясно строить устную и письменную речь, целенаправленно выявлять причинно-следственные связи между явлениями (ОК-12);
–готовности к самостоятельной, индивидуальной работе, принятию решений в рамках своей профессиональной компетенции (ОК-13);
–способности и готовности к публичным выступлениям, аргументации, ведению дискуссии и полемики в рамках своей профессиональной компетенции (ОК-14);
–настойчивости в достижении цели, терпения и выносливости, способности критически переосмысливать накопленный опыт (ОК-15).
Профессиональные компетенции из ФГОС ВПО:
–способности демонстрировать знания фундаментальных и стыковых прикладных разделов специальных дисциплин ООП магистратуры (ПК-1);
–способности использовать углублённые теоретические и практические знания в области мехатроники и робототехники, часть которых находится на передовом рубеже данной науки (ПК-2);
– способности самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и углублять своё научное мировоззрение (ПК-3);
– способности совершенствовать и развивать свой интеллектуальный уровень (ПК-6);
– способности проводить методами теории оптимизации сравнительный анализ вариантов возможных принципиальных решений по структуре, функционированию, конструкции, алгоритмическому и программному обеспечению мехатронных и робототехнических систем (ПК-7);
– способности выбирать общесистемные средства программного назначения (ПК-12);
–способности глубоко осмысливать и формировать диагностические решения проблем мехатроники путём интеграции фундаментальных разделов теории управления, электроники, микропроцессорной техники, проектирования систем и специализированных знаний в сфере профессиональной деятельности (в соответствии со своей магистерской программой) (ПК-18);
–способности свободно владеть и использовать в профессиональной сфере современные информационные технологии (ПК-19);
–способности использовать современные компьютерные сети, программные продукты и ресурсы Интернета для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящимися за пределами профильной подготовки (ПК-20);
–способности активно использовать знания современных проблем мехатроники и робототехники в своей научно-исследовательской и научно-производственной деятельности (ПК-21);
–способности проводить анализ состояния исследуемой проблемы и определять направления (методы) исследований (ПК-22);
–способности разрабатывать и реализовывать комплексные математические модели мехатронных и робототехнических систем (ПК-23);
Дополнительные профессиональные компетенции:
– способности использовать компьютер как универсальное вычислительное устройство в системе формирования информационных сигналов и обработки данных о функционировании электропневмогидравлических модулей РС (ПК-26);
– понимания принципов классификации и основных схемотехнических и конструкционных исполнений ЭЛПГМ как исполнительных мехатронных модулей для универсальной интеграции в составе технических объектов и применительно к РС (ПК-27);
– владения методами анализа сравнительных характеристик, преимуществ и недостатков, возможных и предпочтительных областей применения ЭЛПГМ в РС (ПК-28);
– понимания логики построения и способности формировать обобщённые алгоритмические последовательности пошагово-итерационного процесса решения прямых и обратных задач по тематике ЭЛПГМ (ПК-29);
– понимания принципов действия, устройства и знания основных характеристик устройств, входящих в состав ЭЛПГМ (ПК-30);
– осуществления расчёта статических и динамических характеристик машин и аппаратов, входящих в состав ЭЛПГМ как с помощью аналитических процедур, обеспечивающих наилучшую физико-математическую просматриваемость решения и дающих экономичные алгоритмы программной реализации на компьютере, так и с привлечением численных методов (ПК-31);
– составления спецификации и подбора комплектующих для ЭЛПГМ с учётом интенсивности эксплуатации РС, назначенного срока службы по совокупности технических, эксплуатационных, экономических соображений (ПК-32);
– понимания необходимости использования и строгого обоснования условий и допущений при формирования моделей пневмо - и гидроагрегатов с целью выполнения статических и динамических расчётов, установления границ применимости моделей (ПК-33);
– понимания принципов проведения экспериментальных испытаний ЭЛПГМ и обработки экспериментальных материалов с целью получения энергетических и регулировочных характеристик модулей и их составляющих частей (ПК-34);
– владения методами параметрического и структурного построения и совершенствования ЭЛПГМ и машинно-аппаратной базы данных комбинированных модулей, в том числе параметрического синтеза и структурной коррекции в оптимизационной постановке по Парето – Слейтеру (ПК-35);
– владения современными подходами и сценарно-содержательными процедурами генерирования и экспертирования схемотехнических решений по ЭЛПГМ на основе методов морфологической комбинаторики (ПК-36);
– выполнения комплексной оценки функциональной пригодности и конкурентоспособности ЭЛПГМ по совокупности технико-экономических, эксплуатационных и утилизационных показателей на основе обобщённых функционалов и в многомерном пространстве частных показателей Парето – Слейтера (ПК-37);
–способности использовать знания о преимуществах и недостатках, возможностях современной и перспективной машинно-аппаратной базы ЭЛПГМ для модернизации существующих и создания новых высокоэффективных электропневмогидравличеких модулей перспективных РС (ПК-38);
– возможности анализировать и использовать новые, нетрадиционные физические эффекты и построенные на них принципы действия функционально-технических частей, входящих в структуру ЭЛПГМ, для создания и оценки перспектив принципиально новых автоматизированных модулей с уникальным сочетанием характеристик (ПК-39).
Задачами дисциплины являются:
–познакомить обучающихся с назначением, структурой, терминологией, особенностями функционирования, основными характеристиками, условиями возможного, предпочтительного и безальтернативного использования ЭЛПГМ в составе РС;
– предоставить обучающимся информацию о назначении, основных видах, схемотехнических и конструкционных особенностях, условиях применения электропневматических и электрогидравлических агрегатов (машин, аппаратов), используемых в составе ЭЛПГМ;
– познакомить обучающихся с современными подходами и сценарно-содержательными процедурами генерирования и экспертирования схемотехнических решений по ЭЛПГМ на основе методов морфологической комбинаторики;
–научить обучающихся исследовать физические процессы, имеющие место в статических и динамических режимах работы ЭЛПГМ с пониманием взаимосвязи данных процессов;
– познакомить обучающихся с методами и сценарно-содержательными аспектами расчёта характеристик и подбора гидро - и пневмомашин и аппаратуры для формируемых ЭЛПГМ применительно к РС конкретного назначения;
– дать представление об основных методах экспериментального исследования характеристик машинно-аппаратной базы и ЭЛПГМ в целом с использованием современного стендового оборудования;
– сформировать у обучающихся устойчивые навыки анализа предпроектной ситуации при разработке ЭЛПГМ для конкретной РС с целью обеспечения корректной постановки расчётно-проектной задачи;
– познакомить с методами комплексной оценки и экспертирования ЭЛПГМ по совокупности частных показателей функциональности и конкурентоспособности на основе специально формируемых обобщённых функционалов конкурентоспособности, а также в многомерном пространстве Парето-Слейтера с учётом весовых коэффициентов отдельных частных показателей;
–предоставить информацию о современном состоянии и перспективах развития ЭЛПГМ, в том числе и прежде всего, применительно к гидрофицированным РС.
2.МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО
Дисциплина относится к вариативной части профессионального цикла М.2 основной образовательной программы подготовки магистров по магистерской программе «Разработка компьютерных технологий управления и математического моделирования в робототехнике и мехатронике» направления 221000 «Мехатроника и робототехника» и является дисциплиной по выбору студента.
Дисциплина базируется на следующих дисциплинах, изучаемых в бакалавриате: «Теоретическая механика», «Теория колебаний и динамика машин», «Детали мехатронных модулей, роботов и их конструирование», «Теория автоматического управления», «Механика жидкости и газа», «Метрология, стандартизация и сертификация», «Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем», «Электропривод мехатронных и робототехнических устройств», «Динамика мехатронных систем», а также в магистратуре: «Информационные системы в мехатронике и робототехнике», «Устойчивость и стабилизация движения динамических систем».
В результате изучения дисциплины «Электропневмогидравлические модули робототехнических систем» выпускник магистратуры приобретает способность самостоятельно определять целесообразность применения ЭЛПГМ соответствующего исполнения в составе РС, производить комплектацию модулей необходимыми устройствами, выполнять качественную и количественную оценку перспективности решений, осуществлять расчёт основных статических характеристик частей ЭЛПГМ и модулей в целом, формировать частные и обобщённые критерии оценки решений,
Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении магистерской выпускной квалификационной работы и могут использоваться в НИРС.
3.РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:
Знать:
– сравнительные характеристики, преимущества и недостатки, возможные и предпочтительные области применения ЭЛПГМ в РС (ПК-28,30,31,32,35,36,37,38);
– классификацию ЭЛПГМ (ПК-27,32);
– устройство, принцип действия и основные характеристики гидро - и пневмомашин, гидро - и пневмоаппаратов, применяемых в ЭЛПГМ РС (ПК-30,31, 32);
– особенности и условия использования для работы ЭЛПГМ предпочтительных временных законов существования и передачи информационных и диагностических сигналов, обработки непрерывных и дискретных (цифровых) сигналов с помощью типовых АЦ и ЦА-преобразователей (ПК-18,26);
– принципы анализа исходной силовой системы РС, приведения комплекса действующих нагружающих факторов и трансформации и законов движения объектов регулирования РС к выходным звеньям эквивалентных пневмо - и/или гидродвигателей ЭЛПГМ (ПК-30,31,32,34);
– преобразования исходных гидро - и пневмосхем ЭЛПГМ с целью получения расчётных схем замещения с эквивалентными функциональными элементами (ПК-30,31,33);
– принципы и основные методы экспериментального исследования ЭЛПГМ и основных функциональных частей модулей (ПК-34);
– основные методы расчёта характеристик и параметров электропневматических и электрогидравлических компонентов ЭЛПГМ, а также модулей в целом по критериям энергодостаточности, чувствительности, статической и динамической точности, быстродействию, статической и динамической жёсткости (ПК-28,29,31,33,35,37);
– назначение, схемные и конструкционные решения, области применения электропневматических и электрогидравлических усилителей мощности, их классификацию, схемы, принципы действия, статические характеристики (расходные, перепадные, расходно-перепад-ные), сущность и методы определения коэффициентов усиления по давлению и расходу, связь данных коэффициентов с функциональными свойствами и конструкционными особенностями данных устройств, передаточные функции усилителей (ПК-30,31,33);
– современную машинно-аппаратную и приборную базу комплектующих устройств для ЭЛПГМ РС (ПК-27,30,32,35,36,38);
– принцип действия, устройство, классификацию, типовые исполнения, штатные и предельные функциональные возможности и характеристики гидравлических следящих приводов с аналоговым и комбинированным информационным сигналом как исполнительных модулей высоконагруженных ЭЛПГМ ответственных РС (ПК-27,30,38);
– принцип действия, устройство, классификацию, типовые исполнения, штатные и предельные функциональные возможности и характеристики пневматических приводов с аналоговым, цифровым и комбинированным информационным сигналом как исполнительных модулей ЭЛПГМ РС (ПК-27,30,38);
– методы параметрической коррекции статических и динамических свойств ЭЛПГМ (ПК-7,35,37);
– методы структурной коррекции (синтеза) ЭЛПГМ с помощью обратных связей по динамическому давлению, расходу, перепрограммированию электронных блоков модулей, а также моделированию и технической реализации этих способов (ОК-9, ПК-7,18,26,35,37);
– формирование физических и математических моделей ЭЛПГМ, способов преобразования математических моделей, структурных схем, передаточных функций ГМСП/Д при наличии входных информационных сигналов от системы управления РС и динамическому силовому воздействию на исполнительные звенья модулей (ОК-9, ПК-18,23,31,33);
– методы комплексной оценки и экспертирования работоспособности и конкурентоспособности ЭЛПГМ по совокупности частных показателей технического, эксплуатационного, экономического характера в многомерной постановке Парето – Слейтера с учётом весовых коэффициентов показателей а также на основании обобщённых (интегральных) функционалов (ОК-7,8,10, ПК-22,23,36,37);
– современное состояние и перспективы развития ЭЛПГМ для РС (ПК-21,38,39).
Уметь:
–формировать частные и обобщённые критерии, а также показатели для оценки функциональной пригодности и конкурентоспособности схемотехнических и конструкционных решений ЭЛПГМ применительно к РС (ОК-7,8,10, ПК-32,36,37);
– выстраивать проектные и/или экспертируемые варианты ЭЛПГМ в ранжированный ряд по степени предпочтительности для РС конкретного назначения и анализировать конкурентоспособность конкурсных исполнений в многомерном пространстве частных показателей конкурентоспособности Парето – Слейтера (ОК-7,8,10, ПК-35,36,37);
– выполнять структурные преобразования ЭЛПГМ с целью получения расчётных схем эквивалентного замещения, формировать расчётные структуры модулей (ОК-9, ПК-22,23,31,33);
–анализировать условия функционирования ЭЛПГМ в составе РС и на этой основе формировать систему допущений для составления моделей, адекватно описывающих поведение модуля в статических и динамических режимах РС (ОК-9, ПК-22,23,33);
– составлять математические модели отдельных частей и ЭЛПГМ в целом, учитывающие основные физические процессы, происходящие в устройствах при их установившемся и нестационарном движении, сочетающие необходимую физико-математическую строгость и максимальную простоту для решения прямых и, тем более обратных задач (ОК-9,10, ПК-12,22,23,26,31,33);
–выполнять основные статические и динамические расчёты (энергетические, регулировочные, зоны нечувствительности, точности воспроизведения входного информационного сигнала, быстродействия, жёсткости), а также осуществлять стоимостные оценки машинно-аппаратной базы ЭЛПГМ (ОК-8,10, ПК-31,33, 34, 35,36,37);
–выстраивать рациональные алгоритмы реализации прямых и обратных задач с детализированной проработкой сценарно-содержательных процедур по тематике ЭЛПГМ с учётом целей исследования для конкретной РС, а также формирования конкурентоспособных проектных решений (ОК-7.8,10, ПК-7,29,31,35,36,37);
–самостоятельно осуществлять подбор необходимой машинно-аппаратной базы комплектующих ЭЛПГМ для конкретной РС, составлять спецификацию модуля (ПК-27,32,38);
–решать типовые задачи по основным разделам дисциплины (ПК-12,19,22,23,26,29,31,32,
33,35,37).
Владеть:
–навыками применения основных законов вычислительной механики и математического моделирования в важнейших практических приложениях применительно к машинно-аппаратной базе ЭЛПГМ (ОК-9, ПК-2,7,12,18,19,21,22,23,26,33);
–способами оценки работоспособности и конкурентоспособности ЭЛПГМ по совокупности частных, а также обобщённых показателей степени совершенства данных устройств для конкретной РС (ОК-8,10, ПК-36,37);
–методологией анализа схемотехнических построений ЭЛПГМ для РС с заданным перечнем показателей функциональной пригодности и конкурентоспособности (ОК-7,8,10, ПК-3,7,18,21,22,28,32,35,36,37,38,39);
–навыками построения функциональных и структурных схем ЭЛПГМ для РС (ПК-26,32);
– сценарно-содержательными аспектами процедур расчёта основных параметров, статических и динамических показателей и характеристик отдельных частей ЭЛПГМ и мехатронного модуля в целом на основании сформированных моделей и с применением компьютерной техники и специализированных программных средств (ОК-6,7,8,10, ПК-12,19,20,21,22,23,26,29,31,35,36,37);
– методами оптимального параметрического синтеза ЭЛПГМ и построения рациональной последовательности структурной коррекции ЭЛПГМ с целью достижения предельных функциональных показателей применительно к конкретной РС (ПК-7,35,36);
– навыками анализа технико-эксплуатационных и экономических показателей и характеристик серийно выпускаемых гидро - и пневмомашин, гидропневмоаппаратуры и приборов для рациональной комплектации данными устройствами ЭЛПГМ РС (ПК-28,32,38);
–навыками использования возможностей современных компьютеров и информационных технологий при численном исследования свойств математико-механических моделей ЭЛПГМ (ОК-4,5,6,11, ПК-3,12,19,20,26);
– методами перспективного анализа и прогностической оценки характеристик и предельных возможностей основных комплектующих устройств для построения высокоэффективных ЭЛПГМ с новыми и уникальными свойствами (ПК-18, 21,22,35,38,39);
–навыками устного и письменного аргументирования собственной точки зрения (ОК-1,3,12,14,15, ПК-3,6).
4.СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1.Структура дисциплины
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 4 зачётных единицы, 144 часа.
№ п/п | Раздел дисциплины. Форма промежуточной аттестации | Всего часов на раздел | Семестр | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и | Формы текущего контроля успеваемости (по разделам) | |||
лк | пр | лаб | сам. | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
1 | Структура, классификация и области применения ЭЛПГМ робототехнических систем. Морфологический метод генерирования и экспертирования схемотехнических вариантов ЭЛПГМ | 10 | 2 | 6 | 2 | – | 2 | Тест на знание терминологии и назначения подсистем в ЭЛПГМ. Тест-опрос по критериям применимости ЭПСП или ЭГСП в РС |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
2 | Функциональная и техническая структура ЭПСП и ЭГСП с дроссельным управлением. Элементная база автоматизированных приводов | 20 | 2 | 6 | 4 | 10 | Контроль выполнения курсовой работы | |
3 | Моделирование процессов в ЭПСП/Д и ЭГСП/Д. Статические и динамические характеристики автоматизированных приводов | 24 | 2 | 8 | 4 | 12 | Контроль выполнения темы №1 расчётного задания. (см. п.4.4). Контроль выполнения курсовой работы | |
4 | Моделирование процессов, статические и динамические характеристики ЭПСП и ЭГСП с машинным, электромашинным и комбинированным управлением | 20 | 2 | 6 | 4 | 10 | Контроль выполнения темы №2 расчётного задания (см. п.4.4). Контроль выполнения курсовой работы | |
5 | Принципы структурного синтеза и коррекции ЭЛПГМ для робототехнических систем | 20 | 2 | 6 | 2 | 12 | Контроль выполнения темы №3 расчётного задания (см. п.4.4). Контроль выполнения курсовой работы | |
6 | Современное состояние и перспективы развития автоматизированных комбинированных ЭЛПГМ для робототехнических систем | 12 | 2 | 4 | 2 | 6 | Защита всех тем расчётного задания, контроль выполнения курсовой работы | |
Зачёт | 2 | 2 | – | – | – | 2 | Презентация и защита курсовой работы | |
Экзамен | 36 | 2 | – | – | – | 36 | Устный | |
Итого: | 144 | 36 | 18 | – | 90 |
4.2.Содержание лекционно-практических форм обучения
4.2.1.Лекции
1. Структура, классификация и области применения электропневматических и электрогидравлических модулей робототехнических систем. Морфологический метод генерирования и экспертирования схемотехнических вариантов ЭЛПГМ
Роль и место автоматизированных ЭЛПГМ в силовых контурах мобильных и стационарных робототехнических систем различного вида, исполнения и назначения. Функциональная структура ЭЛПГМ. Декомпозиционное представление и классификация ЭЛПГМ. Понятие и назначение информационной (ИнПС), логико-вычислительной (ЛвПС) и исполнительной (ИсПС) подсистем модуля. Диалектическая взаимосвязь и проблематика решения прямых (исследовательских) и обратных (расчётно-проектных) задач по тематике ЭЛПГМ при наличии нескольких конфликтных показателей конкурентоспособности системы.
Системно-креативный подход (СКП) как современная методология решения прямых и обратных инновационных задач в условиях рыночного социума. Ресурсные факторы, частные показатели работоспособности (ПР) и конкурентоспособности (ПК) ЭЛПГМ. Постановка и общее решение задач структурно-параметрического синтеза ЭЛПГМ и его подсистем по совокупности статических, динамических, надёжностных, массогабаритных, стоимостных и пр. показателей.
Классификация и предпочтительные области применения электропневматических и электрогидравлических исполнительных модулей в РС. Принципы построения и технико-конструкционное исполнение ЭЛПГМ и его подсистем. Сценарно-содержательные аспекты морфологического метода при генерировании и экспертировании схемотехнических вариантов ЭЛПГМ и его подсистем.
Комбинированный электропневматический следящий (ЭПСП) и/или электрогидравлический привод (ЭГСП) как типовые исполнительные модули РС. ЭПСП и ЭГСП непрерывного и дискретного принципа действия с дроссельным, машинным, машинно-дроссельным, электромашинным и комбинированным управлением потоками энергии газа или жидкости. Понятие контура управления (КУ) и энергетического контура (ЭК) привода. Особенности построения КУ с АЦ - и ЦА преобразователями информационных сигналов.
2.Функциональная и техническая структура ЭПСП и ЭГСП с дроссельным управлением. Элементная база автоматизированных приводов
Назначение, классификация, структуры основных видов электропневматических и электрогидравлических усилителей и преобразователей мощности (ЭПУ и ЭГУ соответственно) как комплектующих систем ЭПСП и ЭГСП с дроссельным управлением (ЭПСП/Д и ЭГСП/Д соответственно), а также как усилительно-регулирующей комбинированной аппаратуры самостоятельного назначения. Массивы типовых ПР и ПК современных ЭПУ и ЭГУ. Функциональные и технико-конструкционные структуры и исполнения усилителей.
Электромеханические (ЭМП), оптомеханические (ЭМП), электрофлюидные (ЭФП) и оптофлюидные (ОФП) преобразователи информационных сигналов. Принцип действия преобразователей непрерывного и дискретного действия. Задачи декодирования сигнала при использовании цифровых преобразователей. Базовые схемные исполнения, преимущества и недостатки, предпочтительные области и условия применения. Математические модели, статические и динамические характеристики основных видов преобразователей. Классификация, исполнение, особенности обработки сигналов в КУ.
Датчики обратной связи, блоки электронной согласующей аппаратуры, электронные сумматоры - усилители информационных сигналов, частотно-избирательные фильтры. Использование встроенных контролеров для придания контуру управления ЭЛПГМ свойств структурной адаптивности.
Постановка и пути решения комплекса задач статико-динамического согласования характеристик КУ и ЭК комбинированного привода. Особенности решения данных задач для многоканальных приводов, а также приводов с пассивным и активным резервированием.
3. Моделирование процессов в ЭПСП/Д и ЭГСП/Д. Статические и динамические характеристики автоматизированных приводов
Функционирование ЭПСП/Д и ЭГСП/Д с жёсткой и адаптивной топологией при наличии непрерывного и дискретного (цифрового) информационного сигнала. Понятие эквивалентных моделей привода. Методы приведения комплекса нагружающих факторов органа регулирования (ОР) к выходному звену привода. Математические модели, статические и динамические характеристики приводов неизменной структуры с непрерывным информационным сигналом.
Моделирование стационарных и нестационарных процессов в контурах ЭГСП/Д с дискретным информационным сигналом с помощью z –преобразования и методами обработки сглаживающими сплайн-функциями. Алгоритм структурно-параметрического синтеза ЭГСП/Д неизменной (заданной) топологии с квазинепрерывным информационным сигналом. Особенности функционирования и математического описания нестационарных процессов в приводах с дискретными (шаговыми, импульсными и цифровыми) сигналами.
Специфика моделирования ЭПСП/Д при наличии непрерывного и дискретного информационного сигнала с учётом инерционности подвижных звеньев ЭК и сжимаемости рабочего тела (газа).
4. Моделирование процессов, статические и динамические характеристики ЭПСП и ЭГСП с машинным, электромашинным и комбинированным управлением
Базовые функциональные и технико-конструкционные структуры автоматизированных приводов с машинным (ЭПСП/М, ЭГСП/М), электромашинным (ЭПСП/ЭМ, ЭГСП/ЭМ) и комбинированным (машинно-дроссельным и др.) управлением потоками энергии рабочего тела (жидкости, газа). Математические модели приводов с условно короткими и длинными силовыми гидролиниями. Особенности моделирования стационарных и нестационарных процессов для различных случаев управления при наличии условно коротких и длинных силовых пневмо-и/или гидролиний. Статические (регулировочные и энергетические) и динамические характеристики приводов. Предельные структурные и параметрические возможности приводов как исполнительных модулей РС. Конфликтность базовых показателей конкурентоспособности автоматизированного привода исходной структуры. Постановка и возможные пути решения задачи параметрического синтеза при использовании обобщённого функционала конкурентоспособности и в многомерном пространстве Парето-Слейтера. Весовые коэффициенты и решение проблемы нормирования частных ПК.
5. Принципы структурного синтеза и коррекции электропневмогидравлических модулей для робототехнических систем
Постановка и принципиальное решение задачи создания автоматизированного электропневмогидравлического исполнительного модуля РС с адаптивной топологией и параметрией. Понятие иерархических уровней и матричного построения информационных и энергетических потоков. Наблюдаемость и управляемость системы. Ранжированные ряды «вложенных» циклов структурных и параметрических модификаций системы.
Коррекция автоматизированного привода как простейший случай структурно-параметрической адаптивности системы с неизменной базовой частью. Коррекция модели и реального изделия. Классификация и технико-конструкционная реализация параметрической коррекции системы за счёт изменения демпфирующих свойств, энергетических потоков и перераспределения параметрических компонент. Основные виды структурной коррекции: введение дополнительных позиционных, скоростных обратных связей, связей по ускорению, нагрузке, интегро-дифференцирующих звеньев в прямую цепь и обратную связь, установка частотно-избирательных фильтров Баттерворта – Чебышёва, КУ с перестраиваемыми наборами преобразующих модулей. Возможности микропроцессорного управления самодиагностики и самоуправления комбинированными ЭЛПГМ.
6.Современное состояние и перспективы развития автоматизированных комбинированных электропневмогидравлических модулей для робототехнических систем
Динамика эволюционирования базовых показателей ЭЛПГМ и современные структурные и параметрические возможности серийных устройств. Основные направления развития ЭЛПГМ и агрегатно-элементной базы модулей.
Современная концепция построения полностью электрифицированного объекта (ПЭО). Принципы создания исполнительной базы для ПЭО. Автономные моноблочные электропневматические (АМЭПП) и гидравлические приводы (АМЭГП) как эффективные помехозащищённые автоматизированные исполнительные модули РС в рамках концепции ПЭО. Требования, предъявляемые к автономным приводам, типовые структуры, проблемы математического моделирования. Решение задачи теплоотвода и рекуперации энергии в приводах. Основные статические (регулировочные и энергетические) и динамические характеристики. Сопоставление автономных приводов с приводами, имеющими централизованные системы пневмо - и гидропитания, а также с электромеханическими исполнительными модулями РС (электромеханическими приводами) по совокупности технических, эксплуатационных, экономических показателей.
Комбинированное построение двигательной части приводов на базе многомоторных систем с дифференциальными механическими редукторами или мультипликаторами.
Преимущества и недостатки перехода на повышенные рабочие давления в гидро - и пневмоприводах, использование цифровых ЭК на основе миниатюрных пневмо-и/или гидродвигательных капсул и пьезоэлементов, пресной деаэрированной воды в качестве рабочей жидкости, электро - и магнитореологических жидкостей, нетрадиционных физических эффектов прямого электрогидравлического преобразования управляемых потоков энергии.
4.2.2.Практические занятия
Практическое занятие 1. Анализ исходной информации инновационного проекта и составление содержательной части технического задания на разработку (проектирование) электропневмогидравлического исполнительного модуля для робототехнической системы конкретного назначения и исполнения. Формирование массивов ресурсных факторов, дестабилизирующих воздействий, показателей функциональной пригодности и конкурентоспособности. Исследование ПК на конфликтность и локализация массива ПК ограниченным набором базовых показателей. Решение задачи применимости ЭПСП или ЭГСП для РС.
Практическое занятие 2. Анализ законов движения органа регулирования конкретной РС и выходного звена ЭЛПГМ. Формирование структуры и расчёт приведённых составляющих нагрузки на выходное звено модуля. Расчёт диаграмм нагрузки и мощности. Установление желаемой механической характеристики, определение вида ЭЛПГМ и энергетический расчёт модуля. Принципы и методы подбора машинной базы для ЭЛПМ.
Практическое занятие 3. Исследование предельных энергетических, регулировочных и динамических характеристик ЭПУ и ЭГУ различного исполнения и неизменной структуры для конкретного ЭЛПГМ. Принципы и методы подбора комплектующей аппаратуры для ЭЛПГМ.
Практическое занятие 4. Математическое моделирование и получение динамических характеристик одноканального нерезервированного ЭГСП/Д. Аналитическое и численное исследование изменения статических и динамических показателей ЭГСП/Д разнесённого и моноблочного исполнений при конечной жёсткости узла закрепления привода на силовой станине РС.
Практическое занятие 5. Расчёт статических и динамических характеристик автоматизированного привода с заданными видами структурной коррекции. Исследование влияния дополнительной обратной связи по скорости, ускорению движения выходного звена привода и динамическому перепаду давлений в ЭК привода.
Практическое занятие 6. Расчёт и построение статических (регулировочных и энергетических) характеристик комбинированного следящего привода с машинным и электромашинным управлением. Специфика записи уравнений привода с разомкнутым и замкнутым контуром циркуляции, а также сжимаемости рабочего тела и деформации стенок конструкции привода.
Практическое занятие 7. Исследование границы математического описания привода с моторным управлением как минимально-фазовой динамической системы автоматического регулирования. Решение проблемы линеаризации уравнений нестационарного состояния привода с разомкнутым и замкнутым контуром циркуляции рабочего тела.
Практическое занятие 8. Принципы, критерии и методы структурирования исполнительных частей комбинированных приводов с машинным управлением за счёт использования нескольких двигателей с механическими редукторами или мультипликаторами.
Практическое занятие 9. Деловая игра по экспертированию представленных схемотехнических вариантов перспективного ЭЛПГМ для конкретной РС с применением метода морфологической комбинаторики. Анализ предпочтительности вариантов при различном назначении весовых коэффициентов, а также с учётом эволюции РС и ценностных ориентиров потребителей данной техники.
4.3.Лабораторные работы
Лабораторные работы учебным планом не предусмотрены.
4.4.Расчётные задания
Второй семестр
Индивидуальные задания сгруппированы по темам, соответствующим основным разделам изучения дисциплины.
Выполнение индивидуальных заданий по теме №1 «Анализ законов движения и расчёт диаграмм нагрузки и мощности регулирующих органов робототехнических систем».
Выполнение индивидуальных заданий по теме №2 «Расчёт энергетических характеристик, точности слежения и чувствительности электропневмогидравлических модулей РС ».
Выполнение индивидуальных заданий по теме №3 «Исследование динамики линейных моделей ЭЛПГМ частотными и временными методами».
Выполнение индивидуальных заданий по теме №4 «Синтез базовых параметров ЭЛПГМ по совокупности показателей энергодостаточности, чувствительности и динамических показателей».
Плановые сроки сдачи отдельных тем индивидуального задания указаны в п. 4.1 данной рабочей программы. Конкретные виды заданий по перечисленным выше темам строго индивидуальны и приведены в учебно-методическом комплексе дисциплины.
4.5. Курсовые проекты и курсовые работы
Второй семестр
Тематика задания курсовой работы посвящена решению комплексной задачи (или группы задач) расчёта одноканального электрогидравлического следящего привода неизменной структуры с дроссельным управлением (ЭГСП/Д) как характерного представителя ЭЛПГМ, предназначенного для установки в силовую подсистему РС ответственного назначения. В результате анализа законов движения органа регулирования и выходного звена привода, выполнения необходимых статических и динамических расчётов, оценки массогабаритных, стоимостных и надёжностных показателей проектных вариантов ЭГСП/Д должен быть сформирован структурно-параметрический облик привода, имеющего конкурентоспособные преимущества по совокупности заявленных показателей в сравнении с имеющимися аналогами и прототипами на отечественном и мировом рынках аналогичной продукции. Оценка уровня конкурентоспособности осуществляется по обобщённому аддитивному функционалу и в многомерном пространстве Парето-Слейтера с учётом весовых коэффициентов частных ПК.
Задания выдаются студентам на 4-й неделе 2-го семестра. Плановый срок выполнения курсовой работы и предъявления работы преподавателю для проверки – 15-я неделя 2-го семестра, плановый срок защиты курсовой работы – 16 неделя.
Структура и содержание текста задания едины. Индивидуальность задания определяется видом РС, структурой привода и механической силовой проводки, соединяющей выходное звено привода с ОР робототехнической системы, законами движения ОР, совокупностью частных показателей конкурентоспособности и специфичностью параметрического набора исходных данных.
Полный перечень тем заданий, варианты схем ЭГСП/Д, силовой проводки, законов движения ОР, выделенных частных показателей конкурентоспособности, а также численные значения параметрических констант приведены в учено-методическом комплексе дисциплины.
Ниже указаны отдельные примеры тем заданий для выполнения курсовой работы:
ЭГСП/Д рулевой системы подводного робототехнического комплекса для шельфовых исследований;
ЭГСП/Д подвижного лафета автомобильного шасси РС;
ЭГСП/Д манипулятора промышленного робота;
ЭГСП/Д системы автоматического сканирования пространства подвижной РС;
ЭГСП/Д системы управления и стабилизации по тангажу автоматического беспилотного летательного аппарата-робота;
ЭГСП/Д системы управления водоизмещением балластных цистерн статической устойчивости подводного робота.
5.ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Лекционные занятия проводятся с использованием различных образовательных технологий в зависимости от специфики изучаемых разделов и сложности материала с точки зрения усвоения его студентами:
- в традиционной форме с обязательным обсуждением трудных для понимания мест курса;
- с применением прозрачных картинок на плёнках формата А4 типа Profiline, Lomond и раздаточного материала, содержащего схемы и конструкции устройств ЭЛПГМ, внешний вид, необходимые справочные данные по серийно выпускаемым гидро - и пневмоагрегатам, датчикам и электронным блокам преобразования, усиления, кодирования информационных сигналов и фильтрации помех лучших мировых производителей данной техники;
- с использованием компьютерных презентаций в виде анимационных видео-рядов, демонстрирующих применение ЭЛПГМ в различных РС, раскрывающих сущность работы отдельных устройств, входящих в состав ЭЛПГМ, а также модулей в целом.
Практические занятия также проводятся с использованием различных образовательных технологий в зависимости от специфики изучаемых разделов и сложности материала с точки зрения усвоения его студентами:
- в традиционной форме и включают опрос знаний студентов по конкретной теме, в ряде случаев – тесты для проверки степени усвоения студентами основных положений соответствующего раздела дисциплины, решение и детальный анализ типовых задач по тематике отдельных разделов дисциплины, оформление и защиту индивидуальных заданий по отдельным темам с выставлением дифференцированной оценки по четырёхбалльной шкале;
- с применением прозрачных картинок на плёнках формата А4 типа Profiline, Lomond и раздаточного материала, содержащего схемы и конструкции устройств ГПА, внешний вид, необходимые справочные данные по серийно выпускаемым электропневматическим и электрогидравлическим автоматизированным приводам и комплексированным исполнительным модулям лучших мировых производителей данной техники;
- с использованием компьютерных презентаций в виде анимационных видео-рядов, раскрывающих как сущность работы отдельных входящих в состав ЭЛПГМ, а также модулей в целом;
- в виде деловой игры по экспертированию различных схемотехнических решений ЭЛПГМ для конкретной РС с применением метода морфологической комбинаторики.
Самостоятельная работа включает: повторение студентом изложенного на лекциях и закреплённого на практических занятиях учебного материала, решение задач по тематическим разделам дисциплины, выполнение индивидуальных расчётных заданий, курсовой работы, подготовку к тестам, зачёту и экзамену. При отработке студентами навыков, полученных на аудиторных занятиях, выполнении расчётного задания и курсовой работы, решении индивидуальных задач, оформлении результатов экспериментов, выполненных в ходе проведения лабораторных работ предусматривается использование пакетов MathCAD (в том числе версия Simulink), Maple и Mathematica.
6.ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Для текущего контроля используются: устный опрос, тест-проверки знаний при проведении практических занятий, контроль хода выполнения и защиты расчётного задания и курсовой работы.
Аттестация по дисциплине: зачёт, экзамен.
Оценка за освоение дисциплины определяется как оценка на экзамене.
В приложение к диплому выносится оценка экзамена за второй семестр.
7.УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
7.1.Литература:
а)основная литература:
Гидравлические приводы летательных аппаратов: учебник / , , ; Под общ. ред. . – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992. Гидроприводы и гидропневмоавтоматика станков: учеб. пособие / , , ; Под ред. . – К.: Вища школа, Головное изд-во, 1987. Гидромеханический привод с дроссельным управлением: учеб. пособие. – М.: Изд-во МЭИ, 1992. Зуев Ю.Ю. Гидропневмооборудование и гидропневмопривод роботов. Сборник задач с методическими указаниями и решениями: учеб. пособие / . – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. Основ создания конкурентоспособной техники и выработки эффективных решений: учеб. пособие. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. , Расчёт электрогидравлического следящего привода с позиций системного подхода: учеб. пособие. – М.: Изд-во МЭИ, 1998. Электрогидравлические мехатронные модули движения. Основы теории и системное проектирование: учеб. пособие. – М.: Радио и связь, 2001. Динамика и регулирование гидро - и пневмосистем: учебник. – М.: Изд-во машиностроение, 1987. Механика гидро - и пневмоприводов: учебник. – М.: Изд-во МГТУ им. , 2001. Электрогидравлические усилители мощности: учеб. пособие – М.: Изд-во МЭИ, 1981. Эксплуатация и надёжность гидро - и пневмоприводов. учебник. – М.: Машиностроение, 1990. Шумилов И.С. Системы управления рулями самолётов: учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. , 2009.б) дополнительная литература:
Аппаратура объёмных гидроприводов: Рабочие процессы и характеристики / , , . – М.: Машиностроение, 1990.2. Гидравлическое оборудование мобильных машин: Справочник. – М.: Машиностроение, 1983.
3. , Пневматические, гидравлические и электрические приводы летательных аппаратов на основе волновых исполнительных механизмов: Учеб. пособие; Под ред. . – М.: Машиностроение, 2006.
4. Основы проектирования следящих систем (Под ред. . – М.: Машиностроение, 1978.
, Цифровые датчики следящих систем. – М.: Изд-во МГТУ им. , 1990 г. Пневмогидравлические системы. Расчёт и проектирование: учеб. пособие / Н. М.Беляев, , ; Под ред. . – М.: Высш. школа, 1988. Пропорциональная техника и техника сервоклапанов: Учебный курс гидравлики. Т.2. Лор на Майне: Маннесман Рексрот (рус.), 1986. Повышение безотказности и улучшение характеристик электрогидравлических следящих приводов. – М.: Янус-К, 2002. Станочные гидроприводы: справочник. 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2008. Гидравлические и пневматические элементы и приводы промышленных роботов: учебник. – М.: Машиностроение, 1989. Схемотехническое проектирование резервированных гидравлических приводов. М.: Изд-во МАИ, 2002. Эксплуатация и надёжность гидро-и пневмоприводов: учебник для студентов ВУЗов по специальности «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика». – М.: Машиностроение, 1990.13. М. Конструирование функциональных узлов гидропривода. – М.: Изд-во МАИ, 1996.
Электромеханические преобразователи гидравлических и газовых приводов / , , и др. – М.: Машиностроение, 1982. Simulink 4/ Специальный справочник. – СПб, 2002. Matlab. Анализ, идентификация и моделирование систем/ Специальный справочник. – СПб, 2002.7.2.Электронные образовательные ресурсы:
а)лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
Сайт в Интернете: www.standards.ru (система обновляемых стандартов по терминологии, условным обозначениям гидравлических и пневматических устройств различных объектов).
б)другие:
Нет.
8.МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Для обеспечения освоения теоретических основ дисциплины необходимо наличие учебных аудиторий, оснащённых досками с фломастерами, проекционной техникой для демонстрации картинок на прозрачных плёнках, а также мультимедийным компьютерным оборудованием, требующимся при демонстрации видео-роликов принципов работы основных функциональных устройств ЭЛПГМ, в том числе, функционирования кодировщиков и декодеров информационных сигналов в цепях диагностики и управления модулей. Для проведения практических занятий необходима специализированная учебная лаборатория, имеющая наборы плакатов, препарированных устройств, входящих в состав ЭЛПГМ, демонстрационные стенды с размещёнными частями ЭЛПГМ.
Для выполнения расчётного задания требуется наличие компьютерных классов с надлежащим программным обеспечением.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учётом рекомендаций Примерной основной образовательной программы высшего профессионального образования по направлению подготовки 221000 «Мехатроника и робототехника» и магистерской программы «Разработка компьютерных технологий управления и математического моделирования в робототехнике и мехатронике».
ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:
к. т.н., доцент
СОГЛАСОВАНО:
Зав. кафедрой теоретической механики и мехатроники
д. т.н., профессор
УТВЕРЖДАЮ:
Зав. кафедрой гидромеханики
и гидравлических машин им.
к. т.н., доц.
