Элементы и устройства систем управления

УТВЕРЖДАЮ
Директор ИК
___________ М.А.Сонькин
«___»_____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 220400 Управление в технических системах
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: Управление и информатика в технических системах
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 3; СЕМЕСТР 5;
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 4
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Физика», «Математика», «Химия», «Теоретические основы электротехники», «Электроника», «Теория автоматического управления»
КОРЕКВИЗИТЫ: «Технические средства систем автоматики и управления», «Микропроцессорные системы управления», «Проектирование систем управления».
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
ЛЕКЦИИ
27
часов (ауд.)
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
45
(ауд.)
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
72
часа (ауд.)
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
72
часа
ИТОГО
144
часов
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ
очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: ЗАЧЕТ В 5 СЕМЕСТРЕ
ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ КАФЕДРА:
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ _________________________
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП
_________________________
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ
_________________________
Томск 2011 г.
АиКС
Цапко Г.П.
Коновалов В.И
Курганов В. В.
2
1. Рабочая программа составлена на основе учебного плана НИ ТПУ по подготовке бакалавров 220400 – Управление и информатика в технических системах
РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры Автоматики и
компьютерных систем
2. Разработчик
Доцент кафедры АиКС
__________________ В. В. Курганов
3. Зав. обеспечивающей кафедрой АиКС ___________________
Г. П. Цапко
4. Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с факультетом, выпускающими кафедрами специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.
Зав. выпускающей кафедрой АиКС ___________________
3
1. ЦЕЛЬ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Курс «Элементы и устройства систем управления» формирует у студентов основы комплексного подхода к вопросам автоматизации благодаря изучению принципов построения приборов, преобразователей и других элементов автоматики, наиболее часто используемых для автоматизации технологических процессов, даёт необходимые знания для правильного выбора и
принятия основных решений при создании систем управления различными технологическими
процессами.
2. МЕСТО МОДУЛЯ (ДИСЦИПЛИНЫ) В СТРУКТУРЕ ООП
Дисциплина относится к специальным дисциплинам профессионального цикла (М.2.В).
Она непосредственно связана с дисциплинами естественнонаучного и математического цикла
(физика, математика, теоретические основы электротехники, электроника, теория автоматического управления») и опирается на освоенные при изучении данных дисциплин знания и умения.
Знания и умения, полученные при изучении дисциплины «Элементы и устройства систем
управления», могут быть востребованы дисциплинами - кореквизитами специального цикла:
«Технические средства систем автоматики и управления», «Микропроцессорные системы управления», «Проектирование систем управления».
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
При изучении дисциплины «Элементы и устройства систем управления» бакалавры должны получить:
- необходимые теоретические знания;
- практические навыки по выбору и расчету элементов и устройств автоматики применительно к условиям их работы в системах управления.
Соответствие результатов освоения дисциплины «Элементы и устройства систем управления» формируемым компетенциям ООП представлено в таблице.
Формируемые
компетенции
в соответствии с
ООП*
З1.1, З1.2, З1.3,
У1.1, У1.2, У1.3
В1.1, В12, В1.3, В1.4
Результаты освоения дисциплины
Результаты освоения дисциплины позволят студенту знать:
 теоретические основы построения элементов СУ и принципы их
работы;
 физические явления, положенные в основу построения элементов
автоматики, их особенности;
 основные понятия и определения, области применения и структуру
систем, требования к элементам.
Результаты освоения дисциплины позволят студенту уметь:
 формализовывать задачи управления объектами и выбирать необходимые элементы автоматизации, в соответствии с поставленными задачами;
 «читать» исполнительные схемы измерения и управления;
 оценивать точность измерительных и управляющих каналов.
Результаты освоения дисциплины позволят студенту владеть:
 навыками работы с датчиками и исполнительными механизмами;
 навыками управления типовыми исполнительными устройствами;
 навыками построения систем и выбора оптимальных структур для
решения задач автоматизации;
4

навыками работы с локальными средствами систем управления.
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции.
Универсальные (общекультурные):
 способность совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень (ОК-1);
 способность на практике использовать знания и умения в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК-4);
 способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования, программных средств и приборов.
Профессиональные
 применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач
на основе знания мировых тенденций развития элементов и устройств автоматики (ПК-1);
 формировать технические задания и участвовать в разработке аппаратных и программных средств (ПК-4)
 выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления и проектирования объектов автоматизации (ПК-5);
 организовывать работу и руководить коллективами разработчиков программных и аппаратных средств автоматизированных и информационных систем (ПК-7).
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1. Содержание теоретического курса
Тема 1. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (4 часа)
Введение, Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации
Задачи и содержание курса. Общие сведения об элементах и устройствах систем управления. Классификация элементов и устройств по функциональному назначению. Государственная
система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Основные определения ГСП.
Средства измерения системы ГСП, структура средств измерения.
Основы построения средств ГСП. Принципы построения систем: агрегатирования, минимизации номенклатуры, реализации в изделиях рациональных эстетических и эргономических
требований. Основные характеристики средств ГСП: конструктивные, надёжностные, метрологические. Нормативно-техническая документация. (2 часа)
Первичные преобразователи информации. Классификация преобразователей. Погрешности преобразователей. Чувствительность. Характеристики преобразователей. Статические характеристики. Линеаризация характеристик. Входное и выходное сопротивление преобразователей.
Унификация выходных сигналов преобразователей. (2 часа)
Преобразователи (приборы) управляемых величин и физические явления, положенные в
основу их функционирования.
Тема 2. Давление (2 часа)
Средства и способы измерения. Виды давлений. Физические явления, положенные в основу измерения давлений. Жидкостные приборы измерения давления с гидростатическим уравновешиванием: поплавковые манометры и колокольные дифманометры. Деформационные манометры. Приборы с сильфонным измерительным элементом. Преобразователи давления. Деформационные измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобра-
5
зования: индуктивные, дифференциально- трансформаторные, емкостные, тензорезистивные,
пьезоэлектрические. (2 часа)
Тема 3. Температура (2 часа)
Средства и способы измерения. Физические явления, положенные в основу измерения
температуры. Термометры. Классификация термометров. Манометрические и термоэлектрические термометры. Способы компенсации термоЭДС холодных концов термоэлектрических термометров. Термопреобразователи сопротивления. Основные схемы измерения, работающие в
комплекте с термопреобразователями сопротивления. Пирометры. (2 часа)
Тема 4. Количества и расходы жидкости, газа, пара, уровня (4 часа)
Средства и способы измерения. Физические явления, положенные в основу измерения количества и расходов веществ. Основные понятия и определения. Счетчики и расходомеры. Счетчики с овальными шестернями, лопастные и скоростные счетчики. Расходомеры переменного
перепада давления (дроссельные расходомеры). Принцип действия и виды стандартных сужающих устройств. Электромагнитные расходомеры. (2 часа)
Средства и способы измерения уровня. Классификация средств измерения уровня и физические явления, положенные в основу измерения их функционирования. Поплавковые и буйковые уровнемеры. Гидростатические, электрические, акустические и радиоизотопные средства
измерения уровня. (2 часа)
Тема 5. Средства и способы измерения физико-химических свойств жидкостей и газов (2 часа)
Классификация физико-химических свойств. Средства измерения плотности. Плотномеры
и основные принципы, положенные в основу их функционирования. Средства измерения вязкости. Вискозиметры, основные принципы, положенные в основу их функционирования. Приборы
для анализа состава смесей (концентраций) жидкостей и газов – анализаторы. Теоретические основы и принцип действия анализаторов при измерении концентрации компонентов в бинарной и
псевдобинарной смеси. Термокондуктометрические, магнитные, диффузионные, сорбционные,
диэлькометрические, испарительные и конденсационные, оптические анализаторы. Хромотографы. Принцип действия хромотографических анализаторов. (2 часа)
Применение средств автоматизации во взрыво- и пожароопасных зонах (2 часа).
Тема 6. Электромагнитные устройства автоматики (4 час)
Основные сведения о теории магнетизма и магнитных материалах. Основные понятия и
определения. Внутренний и внешний магнитные моменты. Магнитные характеристики материалов (2 часа).
Магнитные усилители. Принцип действия магнитного усилителя (МУ), область его рационального применения. Идеальный нереверсивный МУ и его характеристики. Обратная связь в
МУ. Нереверсивные МУ с обратной связью, их статические характеристики. Реверсивные МУ с
обратной связью и выходом на переменном и постоянном токах. МУ в режиме бесконтактного
реле (2 часа).
Магнитные запоминающие устройства (2 часа).
Электромагнитные феррорезонансные стабилизаторы напряжения (2 часа)
Тема 7. Электромагнитные реле (3 часа)
Реле нейтральные и поляризованные, их характеристики. электромагнитные реле переменного тока. Динамические характеристики электромагнитных реле. Контакторы и пускатели.
Конструкции контакторов и контактных групп. Искрогашение. (3 часа)
6
4.2. Содержание практического раздела дисциплины
Перечень лабораторных работ по курсу «Элементы и устройства систем управления»
Наименование темы
Кол-во часов*
№
1
2
3
4
5
6
7
8
Электромагнитные реле. Способы измерения и коррекции временных характеристик.
Двухпозиционный регулятор температуры. Способы повышения качества двухпозиционного регулирования.
Датчики давления. Конструкция и принципы действия.
Измерение и преобразование сигналов
Программируемый преобразователь температуры
Моделирование источников электропитания в среде программирования PSpise.
Датчики уровня
Частотное управление трёхфазным асинхронным двигателем
Всего
7
6
5
5
4
6
5
7
45
4.3. Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения
Аудиторная работа (час)
Название раздела/темы
Тема 1.
Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации
Тема 2.
Давление
Тема 3.
Температура
Тема 4.
Тема 4. Количества и
расходы жидкости, газа,
пара, уровня
Тема 5.
Средства и способы измерения физикохимических свойств жидкостей и газов
Тема 6.
Электромагнитные
устройства автоматики
Тема 7.
Электромагнитные реле
Всего
Лекции
Практ. / сем.
занятия
Лабор.
занятия
4
СРС
(час)
Итого
10
14
2
10
12
24
6
10
10
26
4
5
10
19
12
14
2
4
6
10
20
3
14
10
27
27
45
72
144
7
При сдаче отчетов по лабораторным работам проводится устное собеседование.
4.4. Распределение компетенций по разделам дисциплины
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения
Формируемые
компетенции
1.
З1.1
2.
З1.2
3.
З1.3
4.
У1.1
5.
У1.2
6.
У1.3
7.
В1.1
8.
В1.2
9.
В1.3
10.
В1.4
Разделы дисциплины
3
4
1
2
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
5
6
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Достижение планируемых результатов освоения дисциплины обеспечивается образовательными технологиями, сочетание которых приведено в таблице 2.
Таблица 2.
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО
Лабораторные СамостоятельЛекции
работы
ная работа
Методы
IT-методы
+
+
+
Работа в команде
+
+
Case-study
Игра
Методы проблемного обучения.
Обучение на основе опыта
+
+
Опережающая самостоятельная работа
+
Проектный метод
+
Поисковый метод
+
Исследовательский метод
+
+
6. ОРГАНИЗАЦИЯ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
6.1 Текущая и опережающая СРС состоит в проработке лекционного материала, подготовке к лабораторным работам и контрольным работам. Она составляет 72 часов и включает:
- подготовку к лекционным занятиям (27 ч.);
8
-
подготовку к лабораторным работам (17 ч.);
работа с технической литературой по темам курса (28 ч.).
6.2 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР) состоит:
- в разработке оригинальных алгоритмов управления и реализация их при выполнении
лабораторных работ.
 участие в исследовательской работе, в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах по тематике.
6.3 Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм:
самоконтроль и контроль со стороны преподавателей. Оценка преподавателем самостоятельной
работы студентов отражена в Рейтинг-плане.
7. ТЕКУЩИЙ И ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ
7.1. Текущий контроль
Текущий контроль по усвоению студентами теоретического материала проводится в три
этапа после изучения наиболее крупных разделов курса:
- датчики;
- электромагнитные устройства автоматики.
Контроль заключается в ответе на вопросы не требующие длительной подготовки (время
ответа не более 1 мин.)
По первому разделу курса
1. Естественный сигнал.
2. Работоспособность устройства (графическое пояснение работоспособности).
3. Смысл принципа агрегатирования.
4. Примеры унифицированных сигналов тока и напряжения.
5. Как подразделяются средства ГСП в зависимости от окружающей среды?
6. 1 кгс/см2 = ______ кПа (допускается округление).
7. На чём основан принцип работы жидкостного манометра?
8. Перечислите чувствительные элементы деформационных манометров.
9. Какой вид имеет сечение манометрической трубки?
10. Назначение трибко-секторного механизма.
11. На чем основан принцип действия деформационного термометра?
12. В чем заключается термоэлектрический эффект?
13. Способы компенсации термоЭДС, создаваемой свободными концами термопары.
14. Что является мерой температуры при измерении её с помощью неуравновешенного
моста?
15. На чём основан принцип действия пирометров?
16. Как называются технические средства для измерения количества вещества?
17. Приведите примеры сужающих устройств.
18. Принцип действия кондуктометрических уровнемеров.
19. Как классифицируются смеси по количеству компонентов?
20. Какие смеси называются псевлобинарными?
21. На какие стадии разбивается процесс измерения состава многок5омпонентной газовой
смеси?
22. На чём основан принцип измерения частоты вращения в стробоскопическом методе?
9
По второму разделу курса
1. Чему равна напряженность Н в точке В, которая находится на расстоянии 10 см от линейного проводника с током 12,3 А?
2. Что показывает относительная магнитная проницаемость вещества?
3. Что характеризует намагниченность J?
4. Как классифицируются магнитные свойства веществ в зависимости от величины и
направления J?
5. Что называется индукцией насыщения ВS?
6. Что называется остаточной индукцией Вr?
7. Что называется коэрцитивной силой НС?
8. Приведите пример простейшего магнитного усилителя (МУ).
9. С какой целью в цепь управляющей обмотки включен дроссель?
10. Почему простейший МУ называют нереверсивным МУ?
11. Приведите графический вид зависимости тока в рабочей I~ обмотке от тока управления
Iy I~=f(Iy).
12. Приведите основное уравнение идеального МУ.
13. Приведите основное уравнение идеального МУ с положительной обратной связью.
14. При каких условиях МУ с обратной связью может работать как бесконтактное магнитное реле?
15. Какие МУ называются реверсивными?
16. На чём основан принцип действия магнитных запоминающих устройств?
17. Перечислите основные характеристики релейных элементов. (Оценка за ответ максимальная, если приведено не менее 7 характеристик).
18. Определение тяговой характеристики электромагнитного реле.
19. Определение механической характеристики электромагнитного реле.
20. Особенности реле переменного тока.
21. Поляризованные теле. Особенность конструкции реле.
22.
23. Поляризованные теле как трёхпозиционный релейный элемент. Особенности конструкции.
24. Контакты электромагнитных реле. Причины возникновения дуги и способы дугогашения.
25. Контакты электромагнитных реле. Причины возникновения искры и способы искрогашения.
26. Срабатывание реле происходит при величине тока в обмотке 10 мА, а отпускание при
2 мА. Чему равен коэффициент возврата.?
7.2. Итоговый контроль
Перечень вопросов, выносимых на итоговый контроль
1. ГСП. Основные понятия и определения.
2. Основы построения ГСП.
3. Основные характеристики средств ГСП.
4. Давление. Способы измерения. Жидкостные средства измерения давления с гидростатическим уравновешиванием.
5. Давление. Способы измерения. Деформационные манометры.
6. Давление. Способы измерения. Деформационные измерительные преобразователи, основанные на методе прямого преобразования.
7. Температура. Способы измерения. Манометрические термометры.
10
8. Термопреобразователи.
9. Количества и расходы вещества. Объёмные и скоростные счётчики.
10. Расходомеры переменного перепада давления.
11. Способы и средства измерения уровня.
12. Физико-химические измерения. Средства измерения плотности.
13. Физико-химические измерения. Средства измерения вязкости.
14. Концентрация. Теоретические основы измерения концентрации. Термокондуктометрические газоанализаторы.
15. Концентрация. Теоретические основы измерения концентрации. Магнитные газоанализаторы.
16. Концентрация. Теоретические основы измерения концентрации. Дилатометрический и
диэлькометрический газоанализаторы.
17. Анализ многокомпонентной смеси. Хромотографы.
18. Средства и способы измерения линейной скорости.
19. Средства и способы измерения скорости вращения.
20. Средства и способы измерения ускорения.
21. Основные магнитные величины теории магнетизма
22. Основные магнитные характеристики. Свойства ферромагнитных материалов.
23. Простейший нереверсивный магнитный усилитель.
24. Магнитные усилители с обратной связью.
25. Реверсивные МУ.
26. Электромагнитные реле постоянного тока. Конструкция и тяговые характеристики реле.
27. Электромагнитные реле постоянного тока. Конструкция и механические характеристики реле. Согласование тяговых и механических характеристик.
28. Реле переменного тока. Особенности реле переменного тока.
29. Поляризованные реле.
30. Контакты электромагнитных реле. Условия возникновения дуги. Дугогашение.
31. Контакты электромагнитных реле. Условия возникновения искры. Искрогашение.
32. Электроустановки во взрывоопасных зонах. Основные определения и термины.
33. Классификация взрывоопасных газов и паров ЛВЖ.
34. Классификация и маркировка взрывозащищенного оборудования
35. Классификация взрывоопасных зон.
36. Классификация пожароопасных зон и выбор оборудования для них.
11
8. ПЕРЕЧЕНЬ РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
1. Фарзане Н. Г., Илясов Л. В., Азим-Заде А. Ю. Технологические измерения и приборы:
Учебник для студентов по спец. «Автоматизация технологических процессов и производств». –
М.: Высшая школа, 1989. - 456 с., ил.
2. Иванова Г. М. и др. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов /Г. М.
Иванова, Н. Д. Кузнецов, В. С. Чистяков. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 232 с., ил.
3. Д. Э.Брускин, А. Е. Зохорович, В. С. Хвостов. Электрические машины и микромашины.
Учебное пособие для приборостроительных специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 1971. –
432 с., илл.
4. Миловзоров В. П. Электромагнитные устройства автоматики: Учебник для вузов. – 4-е
изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1983. – 408 с., ил.
Дополнительная
5. Боднер В. А., Алферов А. В. Измерительные приборы: Учебник для вузов: В 2 т. - М.:
Издательство стандартов, 1986.
6. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления /Книга 1.
Измерительные устройства, преобразующие элементы и устройства. /Под. Ред. В. В. Солодовникова – М.: Машиностроение. 1973 г.
7. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления /Книга 2.
Усилительные устройства, преобразующие элементы и устройства. /Под. Ред. В. В. Солодовникова – М.: Машиностроение. 1975 г.
8. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления /Книга 3.
Исполнительные устройства и сервомеханизмы. /Под. Ред. В. В. Солодовникова – М.: Машиностроение. 1976 г.
9. Монтаж средств измерений и автоматизации: Справочник /К. А. Алексеев, В. С. Антипин, А. Л. Галанин и др.; Под ред. А. С. Клюева. –3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат,
1988. – 488 с., ил.
10. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник /В. Я. Баранов, Т. Х.
Безновская, В. А. Бек и др.; Под общ. Ред. В. В. Черенкова. Л.: Машиностроение. Ленинградское
отделение. 1987. – 847 с., ил.
11. Розенблат М. П. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. – М.:
Наука, 1974 г.
12. Периодические издания, в т. ч. журналы: «Приборы и системы управления», «Метрология».
13. Нормативно-техническая документация, ГОСТы, РД.