Встроенные и распределенные системы контроля и управления

Бакалавриат 2020/2021

Статус: Курс по выбору (Информатика и вычислительная техника)

Направление: 09.03.01. Информатика и вычислительная техника

Кто читает: Департамент компьютерной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 4-й курс, 1-3 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Тув Александр Леонидович

Язык: русский

Кредиты: 8

Контактные часы: 92

Полная версия программы учебной дисциплины Задать вопрос

Аннотация

Курс посвящен техническим аспектам организации автоматических и автоматизированных систем управления. Цель курса - усвоение студентами задач систем контроля и управления, их состава и характеристик, понимание принципов построения, функционального назначения технических средств систем, изучение архитектуры, получение практики программирования микроконтроллеров ARM, получение знаний и навыков в области встраиваемых систем. На занятиях изучается работа устройств связи с объектом, элементы теории управления и регулирования, использование каналов передачи данных для построения распределенных систем. Курс углубляет знания, полученные студентами в курсах «Микроконтроллерные системы», «Схемотехника», «Функциональные узлы и компоненты систем управления». Полученные при изучении курса знания применяются при прохождении практики, в работе над проектами, выполнении ВКР.

Цель освоения дисциплины

Усвоение студентами задач систем контроля и управления, их состава и характеристик.
Понимание принципов построения, функционального назначения, архитектуры технических средств систем контроля и управления.
Получение знаний и навыков в области встраиваемых систем, изучение архитектуры микроконтроллеров ARM, приобретение опыта программирования контроллеров.
Изучение работы устройств связи с объектом, элементов управления и регулирования систем контроля и управления, а также средств связи и каналов передачи данных.
Получение навыков разработки и программирования элементов систем.

Планируемые результаты обучения

Знание возможных вариантов организации систем контроля и управления. Понимание назначения компонентов типовых систем. Умение выбирать наиболее оптимальную в конкретных условиях организацию системы
Знание состава компонентов типовых систем контроля и управления.
Навыки самостоятельной работы с инструментальными средствами разработки программного обеспечения и схемотехнического моделирования.
Навыки разработки и отладки компонентов систем сбора данных и управления

Содержание учебной дисциплины

Вводная лекция. Основы теории систем автоматического управления (САУ), типы и конструктивные элементы
Введение. Открытые и замкнутые САУ. Динамические системы. Основы математического моделирования САУ. Мотивация и концепция использования математических подходов и моделей в ТАУ. Классификация формальных моделей САУ. Aрхитектуры различных систем управления. Централизованные и распределенные САУ. Структура и компоненты распределенных систем.
Основы моделирования в САУ пространстве состояний и в частотной области
Переходные процессы в САУ. Передаточная функция системы. Системы первого порядка. Понятие устойчивости системы по Ляпунову. Пропорциональный регулятор. Системы второго и высших порядков. Основные критерии устойчивости САУ. Частотная Передаточная Функция и частотные характеристики системы. Устойчивость в частотной области.
Регулятор, осуществляющий пропорциональное, интегрирующее и дифференциальное (ПИД) управление.
ПИД регулятор и его характеристики. ПИД регулятор и оптимальные линейные системы.
Методы анализа САУ и измерительные системы
Анализ САУ в Пространстве Состояний и элементы анализа САУ в частотной области. Введение в дизайн САУ. Примеры нелинейных динамических систем. Оптимальность и Робастность. Примеры и основные направления развития современной ТАУ. Элементы современной теории измерений. Измерительные системы на основе использования виртуальных приборов.
Компоненты устройств связи с объектом (УСО).
ТПодключение датчиков к схемам последующей обработки. Двухпроводные и четырехпроводные схемы измерения. Мостовые измерительные схемы. Пример ввода данных с термопары и тензометрических преобразователей. Типы источников сигнала. Типы входов измерительных систем: дифференциальное подключение, подключение с общим заземленным и незаземленным проводом. Интегральный дифференциальный усилитель. Источники шумов в сигналах. Шумы аппаратуры и каналов данных. Наводки. Индустриальные помехи. Проникновение шумов. Технические методы устранения помех. Подавление помех
Применение микроконтроллеров во встраиваемых и распределённых системах.
Типовая архитектура системы управления на основе микроконтроллерной системы, модули ввода-вывода цифровой и аналоговой информации, организация многозадачности за счет использования прерываний. Прямой доступ к памяти. Контроллеры периферии. Сторожевые таймеры. Виды RAM: SRAM, EDORAM, SDRAM, EDORAM, DDR, DDR2, DDR3. Энергонезависимая FLASH и EEPROM память. Программное обеспечение и инструментальные средства встраиваемых систем. Особенности проектирования встраиваемых систем и распределённых систем на основе микроконтроллеров.
Операционные системы реального времени
Назначение, состав и функции операционных систем. Определение систем реального времени. Области применения систем реального времени. Функциональные требования к системам реального времени. Архитектуры ОСРВ. Монолитные ОС, клиент-серверные ОС. Стандарты на ОСРВ, .Обзор ОСРВ.
Программируемы логические контроллеры (ПЛК).
Программируемые логические контроллеры (ПЛК). Стандарты МЭК 6131 и МЭК 61499 .Программирование ПЛК. Языки программирования. Операторские панели. Промышленные сети.
Архитектуры, состав и принципы функционирования ПЛИС. Языки описания аппаратуры HDL.
Программируемая логическая матрица как основа ПЛИС и принципы реализации на ней простых цифровых устройств и схем управления. Основные архитектуры (CPLD, FPGA), состав и принципы функционирования составных частей ПЛИС. Языки Verilogи VHDL для описания системы контроля и управления на основе ПЛИС.
Реализация на ПЛИС встраиваемых систем контроля и управления с распределённой обработкой потоков данных.
Методы преобразования потоков данных без потери информации и их реализация на ПЛИС. Построение устройств с различным количеством синхронизированных каналов ввода-вывода. Универсальный преобразователь множества потоков данных от источников с различными скоростями и системой автоматического управления канальностью.
Реализация на ПЛИС контроллеров стандартных интерфейсов для связи с объектом и других решений для систем контроля и управления
Реализация на ПЛИС контроллеров интерфейсов RS232, 485., JTAG, 1-wire, I2C, CAN, SPI, многопортовой памяти. Селекция кадровых синхроимпульсов в цифровых информационных потоках. Схема селектора синхро-последовательностей и методы его реализация на ПЛИС. Синтез частоты и методы его реализации на ПЛИС. Прямой цифровой синтез. Синтезаторы частоты на основе накапливающего сумматора.

Элементы контроля

Домашнее задание
Стандартные задания лабораторного практикума
Активность на лекциях
Экзамен
Режим проведения экзамена определяется режимом обучения, действующим в НИУ ВШЭ на момент проведения экзамена. В оффлайн режиме обучения экзамен проводится в устной форме. В режиме обучения онлайн, экзамен проводится в письменной форме (компьютерный тест). Экзамен проводится на платформе Google Forms (https://docs.google.com/forms/). К экзамену необходимо подключиться за 15 минут до начала. Для участия в экзамене студент обязан: поставить на аватар свою фотографию, включить камеру. Во время экзамена студентам запрещено: пользоваться конспектами и подсказками. Процедура пересдачи подразумевает использование усложненных заданий.
Дополнительные задания к лабораторному практикуму

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (3 модуль)
0.12 * Активность на лекциях + 0.12 * Домашнее задание + 0.18 * Дополнительные задания к лабораторному практикуму + 0.29 * Стандартные задания лабораторного практикума + 0.29 * Экзамен

Программа дисциплины