Projektowanie i Prototypowanie Dedykowanych Układów Sterowania

(pieczęć wydziału)
KARTA PRZEDMIOTU
1. Nazwa przedmiotu: PROJEKTOWANIE I
2. Kod przedmiotu:
PROTOTYPOWANIE DEDYKOWANYCH UKŁADÓW
STEROWANIA
3. Karta przedmiotu ważna od roku akademickiego: 2012/2013
4. Forma kształcenia: studia pierwszego stopnia
5. Forma studiów: studia stacjonarne
6. Kierunek studiów: AUTOMATYKA I ROBOTYKA; WYDZIAŁ AEII
7. Profil studiów: ogólnoakademicki
8. Specjalność: Profil ogólny automatyka i robotyka
9. Semestr: 6
10. Jednostka prowadząca przedmiot: Instytut Automatyki, RAu1
11. Prowadzący przedmiot: dr inż. Roman Czyba
12. Przynależność do grupy przedmiotów: przedmioty specjalnościowe
13. Status przedmiotu: obowiązkowy
14. Język prowadzenia zajęć: polski
15. Przedmioty wprowadzające oraz wymagania wstępne: Zakłada się, że przed rozpoczęciem nauki
niniejszego przedmiotu student posiada przygotowanie w zakresie: algebry liniowej, analizy matematycznej,
przekształcenia Laplace’a i Z, metod numerycznych, mechaniki klasycznej, programowania w Matlab’ie
i języku C++, podstaw automatyki i robotyki, stosowania opisu matematycznego do procesów dynamicznych,
ciągłych i dyskretnych; projektowania prostych ciągłych i dyskretnych układów regulacji procesami ciągłymi ze
sprzężeniem od wyjścia lub stanu; tworzenia prostych modeli symulacyjnych.
16. Cel przedmiotu: Celem przedmiotu jest zapoznanie słuchaczy z podstawowymi zasadami efektywnego
projektowania i prototypowania systemów automatyki, z uwzględnieniem nowych możliwości w zakresie
zarządzania projektem oraz modelowania i szybkiego prototypowania. Znaczna część kursu poświęcona jest na
omówienie specjalizowanych bibliotek Matlab’a i Simulink’a, służących do komunikacji pakietu z urządzeniami
peryferyjnymi, co z kolei umożliwia szybkie prototypowanie i pracę w czasie rzeczywistym w trybie HiL.
17. Efekty kształcenia:
Nr
Opis efektu kształcenia
Metoda
sprawdzenia
efektu
kształcenia
Forma
Odniesienie
prowadzenia do efektów
zajęć
dla kierunku
studiów
W1
Zna podstawowe pojęcia z zakresu komputerowego
wspomagania projektowania układów regulacji.
SP, CL, PS
WM
W2
Ma wiedzę w zakresie szybkiego prototypowania układów
regulacji i stosowanych metod prototypowania: SiL, MiL,
PiL, HiL.
SP, CL, PS
WM
W3
Zna rozwiązania programowe wspomagające szybkie
prototypowania.
SP, CL, PS
WM
W4
Zna rozwiązania sprzętowe wspomagające szybkie
prototypowanie.
SP, CL, PS
WM
W5
Zna postać ciągłą i dyskretną regulatora PID, sposoby jego
realizacji, własności oraz praktyczne metody doboru
parametrów.
SP, CL, PS
WM
K_W11/3;
W5/2;W10/2;
W12/2;W13/
2;W17/1
K_W11/3;
W5/2;W12/2;
W13/2;
W17/1
K_W11/3;
W5/2;W12/2;
W13/2;
W17/1
K_W11/3;
W5/2;W12/2;
W13/2;
W17/1
K_W11/3;
W5/2;W12/2;
W13/2;
W17/1
Potrafi projektować i konstruować układy regulacji z
RP, PS
P
K_U11/3;
zastosowaniem programów typu CAD.
U16/3; U17/3
U2
Posiada umiejętności obsługi szeregowych interfejsów
RP
P
K_U11/2
komunikacyjnych.
U3
Potrafi przeprowadzić szybkie prototypowanie
RP
P
K_U10/3;
zaprojektowanego układu regulacji w różnych strukturach
U11/3
programowo-sprzętowych: SiL, MiL, PiL, HiL.
U4
Potrafi wykorzystać dedykowane biblioteki środowiska
RP
P
K_U10/3;
Matlab/Simulink w procesie prototypowania układu
U11/3
regulacji.
K1
Poprzez udział w zajęciach projektowych kształtuje
OP, OS
P
K_K03/2
umiejętność współdziałania w grupie, przyjmując w niej
różne role.
K2
Potrafi samodzielnie podejmować decyzje dotyczące
RP, PS
P
K_K05/2
optymalnych rozwiązań projektowych.
K3
Potrafi merytorycznie dyskutować na temat projektowania
OP, OS
P
K_K07/2
dedykowanych układów regulacji.
18. Formy zajęć dydaktycznych i ich wymiar (liczba godzin)
W. : 30 P.: 30
19. Treści kształcenia:
Wykład
1. Rys historyczny problematyki projektowania układów regulacji. Podstawowe pojęcia. Trendy rozwojowe
systemów wspomagania projektowania i symulacji: ewolucja narzędzi projektowych, przegląd pakietów i
środowisk zintegrowanych. Fazy procesu projektowania. Przykłady procesów projektowania.
2. Komputerowe wspomaganie projektowania i produkcji. Systemy CAD, CAM, CAE, PDM. Mechatronika 
projektowanie systemów mechatronicznych.
3. Projektowanie jako część cyklu życia produktu. Tradycyjny sposób projektowania wyrobów.
Mechatroniczne podejściwe do projektowania wyrobów. Zarządzanie projektem i etapy projektowania:
inicjowanie projektu, specyfikacja i analiza wymagań, faza projektowania wstępnego, projektowanie
szczegółowe podsystemów, szybkie prototypowanie i symulacja HiL układu sterowania, faza implementacji.
4. Oprogramowanie wspomagające modelowanie i symulację  Matlab/Simulink, LabView, Modelica,
Dymola, Psim, Simplorer, Plecs, Adams, Scilab, Scicos, Octave.
5. Sterowanie cyfrowe: charakterystyka sterowania cyfrowego, rozwój metod, urządzenia sterowania
cyfrowego, struktury systemów sterowania cyfrowego, metody projektowania układów sterowania
cyfrowego, algorytmy sterowania cyfrowego.
6. Protokoły komunikacyjne: CAN, RS232, SPI, I 2C.
7. Wybrane biblioteki Matlab’a i Simulink’a: Control System Toolbox, Robust Control Toolbox, Symbolic
Math Toolbox.
8. Wybrane biblioteki Matlab’a i Simulink’a: Nonlinear Control Design Blockset, Stateflow, Virtual Reality
Toolbox.
9. Zagadnienie grafiki w środowisku Matlab/Simulink - tworzenie interfejsów użytkownika GUI.
10. Szybkie prototypowanie układów sterowania. Symulacja komputerowa. Dostrajanie parametrów sterownika
wirtualnego. Przygotowanie modelu sterownika do symulacji w czasie rzeczywistym. Warianty
prototypowania i implementacji systemów automatyki z użyciem różnego sprzętu do prototypowania.
11. Testowanie w oparciu o modele matematyczne: MiL (ang. model in the loop), SiL (ang. software in the
loop), PiL (ang. processor in the loop), HiL (ang. hardware in the loop).
12. Automatyczne generowanie kodów regulatorów bezpośrednio ze środowiska CACSD. Symulacja w czasie
rzeczywistym.
13. Rozwiązania programowe wspomagające prototypowania – rozszerzenia Matlab’a: Real-Time Workshop,
Real-Time Workshop Embedded Coder, Real-Time Windows Tatget, xPC Target.
14. Rozwiązania sprzętowe wspomagające prototypowanie. Karty prototypowe. Karty pomiarowe.
Jednopłytowe komputery przemysłowe. Moduły specjalistyczne wykorzystujące mikrosterowniki
(Embedded Controller).
15. Struktury dedykowane Matlab’a: Embedded Target for Freescale, Embedded Target for TI DSP Platform,
Embedded Target for Infineon.
U1
Zajęcia projektowe
Celem zajęć projektowych jest praktyczne zapoznanie studentów z komercyjnymi pakietami oprogramowania
oraz z zagadnieniami komputerowo wspomaganego projektowania układów sterowania w strukturach
dedykowanych (ang. Embedded Systems). Do projektowania oraz symulacji układów sterowania korzysta się
z pakietu Matlab/Simulink oraz środowiska CodeWarrior. Projekt obejmuje 7 ćwiczeń podczas których studenci
zapoznają się z poszczególnymi etapami procesu projektowania i prototypowania układu sterowania. Wykonanie
projektu wspomagane jest konsultacjami z prowadzącymi zajęcia. Tematy poszczególnych ćwiczeń:
1. Konfiguracja środowisk Matlab/Simulink i CodeWarrior. Zasady programowania układu
2.
3.
4.
5.
6.
7.
mikroprocesorowego MPC555.
Transmisja danych RS 232.
Transmisja danych w sieci CAN.
Sterowanie metodą PWM. Odczyt wartości analogowych.
Modelowanie dynamiki silnika DC.
Regulacja dyskretna PID.
Prototypowanie układu sterowania.
20. Egzamin: nie
21. Literatura podstawowa:
1. Mrozek Z.: Komputerowo wspomagane projektowanie systemów mechatronicznych. Zeszyty Naukowe
Politechniki Krakowskiej, seria Inżynieria Elektryczna i Komputerowa, Kraków, 2002.
2. Osowski S., Cichocki A., Siwek K.: MATLAB w zastosowaniu do obliczeń obwodowych i przetwarzania
sygnałów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2006.
3. Szymkat M.: Komputerowe wspomaganie w projektowaniu układów regulacji. WNT, 1993.
4. Hristu-Varsakelis, Dimitrios, Levine, William: Handbook of networked and embedded control systems.
Springer, 2005.
5. Brzózka J.: Regulatory i układy automatyki. WNT, Warszawa, 2004.
22. Literatura uzupełniająca:
1. http://www.mathworks.com
2. http://www.ni.com
3. Gessing R.: Podstawy automatyki. Wyd. Pol. Śl., Gliwice, 2001.
4. Mrozek B., Mrozek Z.: Matlab i Simulink – poradnik użytkownika. Wydawnictwo Helion, Gliwice, 2004.
23. Nakład pracy studenta potrzebny do osiągnięcia efektów kształcenia
Lp.
Forma zajęć
Liczba godzin
kontaktowych / pracy studenta
1
Wykład
30/0
2
Ćwiczenia
0/0
3
Laboratorium
0/0
4
Projekt
30/30
5
Seminarium
0/0
6
Inne
0/0
Suma godzin
60/60
24. Suma wszystkich godzin: 90
25. Liczba punktów ECTS: 3
26. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach z bezpośrednim udziałem nauczyciela akademickiego: 2
27. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach o charakterze praktycznym (laboratoria, projekty): 2
26. Uwagi:
Zatwierdzono:
…………………………….
…………………………………………………
(data i podpis prowadzącego)
(data i podpis dyrektora instytutu/kierownika katedry/
Dyrektora Kolegium Języków Obcych/kierownika lub
dyrektora jednostki międzywydziałowej)