страница 1
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»
«Утверждаю»
И.о. декана факультета
компьютерного проектирования
_______________ Дик С.К.
"____" ________________ 2007 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине
«Управление в биологических и технических системах»
для специальности 39.02.03 «Медицинская электроника»
факультет компьютерного проектирования
кафедра электронной техники и технологии
курс 3
семестр 6
лекции 51 (часов) зачет 6 семестр
практические занятия 17 (часов)
лабораторные занятия 17 (часов)
всего часов 85
Минск, 2007
Рабочая программа составлена на основании образовательного стандарта РДРБ 02100.5.104-98 "Высшее образование. Специальность Т 07.03.00 "Медицинская электроника" и в соответствии с рабочим учебным планом специальности 39 02 03 "Медицинская электроника", утвержденного ученым советом УО БГУИР от "___" ________ 200__ г. (протокол № ___).
Составители:
С.В. Грушецкий, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры электронной техники и технологии Учреждения образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники".
С.М. Завадский, кандидат технических наук, доцент кафедры электронной техники и технологии Учреждения образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники".
Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры электронной техники и технологии (протокол № __ от «__» ________ 200__ г.).
Заведующий кафедрой А.П. Достанко _______________
Одобрена и рекомендована к утверждению методической комиссией факультета компьютерного проектирования (протокол №_ от «_» _____ 200_г.)
Председатель С.М. Боровиков _______________________
-
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
1.1. Цель преподавания дисциплины
Дисциплина «Управление в биологических и технических системах» является одной из дисциплин, завершающих подготовку радиоинженера в области разработки и исследования САУ для управления инструментами и приборами, поддерживающими или улучшающими жизнедеятельность организма. Целью преподавания дисциплины является изучение структуры и принципа действия биологических и технических систем регулирования
1.2. Задачи изучения дисциплины
В результате изучения дисциплины студенты должны:
- знать методы расчета отдельных элементов систем автоматического регулирования и всей системы в целом;
- уметь определять структуру устройств управления биологическими и техническими объектами и оценивать их характеристики;
- иметь представление о методах автоматического управления отдельных вегетативных функций в организме человека.
1.3. Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения
данной дисциплины
№
п/п
|
Название дисциплины
|
Раздел, тема
|
1.
|
Основы анатомии и физиологии человека
|
Функции системы кровообращения. Регуляция сердечной деятельности.
|
2.
|
Медицинская и биологическая физика
|
Электрические и магнитные явления в организме. Физические основы гемодинамики
|
2. Структура содержания дисциплины.
Программа дисциплины рассчитана на 85 часов учебных занятий, включая 51 часов лекций, 17 часов лабораторных занятий и 17 часов практических занятий. Планы - графики дисциплины на семестр и неделю представлены в таб.2.1., таб.2.2. Объем и структура курса приведены в табл.2.3.
Таблица 2.1.
План – график дисциплины на семестр
Семестр
|
Число недель
|
Число часов
|
ЛК
|
ЛБ
|
ПЗ
|
КР
|
Самостоятельная работа
|
6
|
17
|
51
|
17
|
17
|
–
|
28
|
Таблица 2.2
План – график дисциплины на неделю
Семестр
|
Число часов в неделю
|
Число часов
|
ЛК
|
ЛБ
|
ПЗ
|
Самостоятельная работа
|
6
|
5
|
3
|
1
|
1
|
2
|
Таблица 2.3
Распределение часов по разделам и видам занятий
№
п/п
|
Наименование раздела
|
Объем в часах
|
ЛК
|
ЛБ
|
ПЗ
|
Самост.
раб.
|
всего
|
1.
|
Введение. Живые организмы как кибернетическая система
|
2
|
-
|
-
|
4
|
2
|
2.
|
Управление в биокибернетических системах как целесообразное саморегулирование
|
4
|
-
|
-
|
4
|
4
|
3.
|
Сущность проблемы автоматического управления в биологических и технических системах
|
8
|
17
|
17
|
6
|
42
|
4.
|
Саморегуляция вегетативных функций организма
|
4
|
-
|
-
|
3
|
4
|
5.
|
Автоматическое управление кровообращением
|
10
|
-
|
-
|
5
|
10
|
6.
|
Регуляция в системах органов дыхания
|
4
|
-
|
-
|
2
|
4
|
7.
|
Терморегуляция
|
4
|
-
|
-
|
2
|
4
|
8.
|
Регуляция движения
|
8
|
-
|
-
|
4
|
8
|
9.
|
Гуморальное управление
|
4
|
-
|
-
|
2
|
4
|
10.
|
Система управления восприятия зрительного изображения
|
3
|
-
|
-
|
4
|
3
|
|
ИТОГО
|
51
|
17
|
17
|
34
|
85
|
2.1 Наименование тем, их содержание, объем в часах
2.1. Ведение. Живые организмы как кибернетическая система - 2 часа. Живая система. Система человек - машина. Структурные и функциональные особенности организации биологических систем. Самоорганизация и ее структурные основания. Обратные связи в живых системах. Р.л.[3.3]с.41-48
2.2. Управление в биокибернетических системах как целесообразное саморегулирование - 4 часа.
2.2.1. Структура биосистемы. Принцип биологического эпиморфизма. Устойчивое термодинамическое неравновесие. Активность живых систем. Р.л. [3.3] с.15-23, [3.4]
2.2.2. Механизмы эволюции и саморегуляции жизни - 2 часа. Классификация механизмов саморегуляции. Биокибернетическое определение
эволюции. Регулирование процесса онтогенеза. Проблема старения и смерти. Основные виды автоматического управления. Р.л. [3.3]с.54-66,[3.5]
2.3. Сущность проблемы автоматического управления вбиологических и технических системах 8 часов.
2.3.1. Основные принципы управления.
Основные виды управления. Математическая модель САУ. 2 часа. Р.л. [3.1]с13-36, [3.2]с.37-74
2.3.2. Математическое описание САУ.
Уравнения динамики и статики. Передаточные функции. Структурная схема. САУ и их преобразование. 2 часа. Р.л. [3.1]с.61-68,[3.2]
2.3.3. Элементарные звенья САУ и их характеристики.
Частотные характеристики звеньев. Типы звеньев и их передаточные функции. Обратная связь в системах управления. 2 часа Р.л. [3.1] с.52-64
2.3.4. Устойчивость линейных САУ.
Понятие устойчивости. Концевые критерии устойчивости. Частотные критерии устойчивости. Анализ устойчивости по логарифмическим частотным характеристикам. Построение переходной характеристики. Метод трапеций. 2 часа. Р.л. [3.1] с.127 – 157, с.180- 185, с.214-230.
2.4. Саморегуляция вегетативных функций организма - 4 часа.
2.4.1. Внутренняя среда организма - кибернетическая система. Особенности управления вегетативными функциями. Гормональная регуляция внутренней среды. 2 часа
Р.л. [3.3] с.108- 112, [3.5]
2.4.2. Уровни системы управления вегетативными функциями. Гомеостаз. Проблемы искусственного гомеостаза. 2 часа
Р.л. [3.3] с. 112 - 119, [3.5]
2.5. Автоматическое управление кровообращением - 10 часов.
2.5.1. Обобщенная схема сердечно-сосудистой хемостаты. Региональные хемостаты. Регуляция частоты сердечных сокращений. Кардиостимуляция. 2 часа.
Р.л. [3.3] сЛ19- 125, [3.5]2.5.7.
2.5.2. Управление аппаратом вспомогательного кровообращения. Баллонный метод. Мышечный насос. Биоэлектрическое управление инъектором при введении лекарственных веществ. 2 часа
Р.л. [3.5] с. 104 - 109, [3.5] с. 146 - 148
2.5.3. Регуляция артериального давления.
Дефибриляторы. Аппараты для измерения артериального давления. Управление системной гемодинамикой. Автоматизация управления артериального давления. Реакция организма на введение лекарственных препаратов. Структурная схема объекта регулирования и его передаточная функция. 2 часа.
Р.л. [3.3] с.125, [3.4], [3.5] с. 148 - 150
2.5.4. Моделирование деятельности сердечно - сосудистой системы. Управление аппаратом искусственного сердца. Водители сердечного ритма. Биоэлектрическое управление электростимулятором при атриовентикулярной блокаде. Использование кардиосинхронизатора для управления устройствами, обеспечивающими разгрузку сердца. 2 часа.
Р.л. [3.3] с.126 - 134 , [3.5] с. 144 - 146
2.5.5. Управление выведением из терминальных состояний.
Острая кровопотеря. Пептонный шок. Передозировка эфира. Структурная схема автоматического стимулятора и регулятора физиологических функций. 2 часа.
Р.л. [3.4] с.135 – 146
2.6. Регуляция в системах органов дыхания. 4 часа.
2.6.1. Дыхательные хемостаты. Модели дыхательного хемостата. Нервная регуляция дыхательных движений. 2 часа.
Р.л. [3.3] С.134- 143 , [3.4]
2.6.2. Управление аппаратом для искусственной вентиляции легких. Математические модели регуляции движения. Проблема управления искусственным дыханием. 2 часа.
Р.л. [3.3] с.134 - 143 , [3.4] с.123 - 127 , [3.5] с. 97 - 100
2.16. Терморегуляция - 4 часа.
2.7.1. Баланс тепла в организме. Общая структурная схема терморегуляции. Зоны теплового баланса и математические модели их взаимодействия. 2 часа.
Р.л. [3.3] с.153 - 159 , [3.5] 2 часа
2.7.2. Управление тепловым обменом. Биотермия. Тело как объект управления и исполнительные устройства Гипотермия. Схема работы автомата. Алгоритмы управления. Показатели управления. Реакция организма на охлаждение. 2 часа.
Р.л. [3.3] с.153 - 159, [3.5] с.126- 132
2.8. Регуляция движения - 8 часов.
2.8.1. Регуляция двигательных функций в мире живых существ. Регуляция амебоидной и мерцательной модели движения. Мышечное движения. Биоэнергетика мышечного сокращения. Некоторые общие принципы локомоций. 2 часа.
Р.л. [3.3] с.160 - 166, [3.5] с.88 - 96
2.8.2. Основные механизмы управления движением - 2 часа.
Уровни управления движением. Произвольные движения и их автоматизация. Регуляция позы человека. Структура двигательной регуляции при прослеживании сигналов. Система искусственного управлением движением. Р.л. [3.3] с.166 - 187, [3.5] с.106 - 115
2.8.3. Биопотенциал скелетных мышц - 2 часа.
Протезостроение и робототехника. Бионические принципы управления и модели кисти. Бионический анализ, принципы и модели управления кистью и свободной верхней конечностью. Микропроцессоры в управлении. Р.л. [3.3] с.107 - 115, [3.4]
2.8.4. Управление протезами конечностей - 2 часа.
Пояс верхних конечностей человека. Пояс нижних конечностей. Позвоночник. Комплексная двигательная структура. Следящая биоэлектрическая система управления верхних конечностей. Протез кисти. Очувствление протезов.
Р.л. [3.3] с.115 - 130, [3.4], [3.9]
2.9. Гуморальное управление - 4 часа.
2.9.1. Эволюция гуморального управления и его отношение к нервному управлению. Эндокринные регуляторы и виды регулирования. Способы действия эндокринных регуляторов. 2 часа
Р.л. [3.3] с.188- 192, [3.5]
2.9.2. Системы биоэлектрического управления и использованием электростимуляции. - 2 часа.
Многоконтурное управление на примере гомеостаза. Соотношение нервных и гуморальных контуров управления. Эндокринное регулирование развития и деятельности нервной системы. Управление ростом и некоторые нарушения гуморальной регуляции. Задачи электростимуляции. Многоканальная биоэлектрическая электростимуляция со следящими обратными связями.
Р.л. [3.3] с.193 - 203, [3.5] с.100 - 108
2.10. Система управления восприятия зрительного изображения - 3 часа. Система регуляции величины зрачка. Глазодвигательная система в целом. Следящая система скелетных мышц. Полукружный канал. Характеристики рецепторов. Распознавание объектов. Техника интерпретации. Интерпретация двухмерных трех мерных сцен. Стереоскопическое зрение. Р.л. [3.8]с.35-44
2.2 Практические занятия, их содержание и объем в часах
№
|
Название темы
|
Содержание
|
Объем в часах
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
Шестой семестр
|
|
|
1.
|
Передаточные характеристики линейных непрерывных САУ.
|
Получение передаточных характеристик и систем.
|
2
|
2.
|
Типовые динамические звенья. Их частотные характеристики.
|
Расчет и построение АЧХ, ФЧХ, АФЧХ, ЛАЧХ.
|
2
|
3.
|
Структурные схемы САУ.
Соединение звеньев.
|
Перестройка структурных схем. Получение
передаточных функций систем управления.
|
2
|
4.
|
Критерии устойчивости САУ.
|
Определение устой-чивости САУ. Расчет запасов устойчивости.
|
2
|
5.
|
Качественные показатели САУ.
Метод трапеций.
|
Построение вещественной частотной характерис-тики.
|
2
|
6.
|
Переходная характеристика САУ.
|
Построение переходной характеристики. Опреде-ление перерегулирования, времени регулирования.
|
2
|
7.
|
Дискретные САУ. Передаточные функции дискретных САУ и типовых динамических звеньев.
|
Получение передаточных характеристик звеньев и систем.
|
2
|
8.
|
Моделирование дискретных САУ. Программная реализация типовых динамических звеньев.
|
Составление программ для звеньев САУ.
|
2
|
|
|
Итого
|
17
|
2.4 -Лабораторные занятия, их наименования и объем в часах
№
|
Наименование лабораторной работы
|
Объем в часах
|
1.
|
Типовые звенья системы автоматического управления их соединения.
|
5
|
2.
|
Преобразование структурных схем системы автоматического управления и исследования устойчивости.
|
4
|
3.
|
Функционирование управляющих систем измерительной РЭА.
|
4
|
4.
|
Исследование динамических свойств линейных систем автоматического управления.
|
4
|
ИТОГО:
|
17
|
3. Учебно – методические материалы по дисциплине
3.1 Основная литература
№
|
Название
|
Год издания
|
1.
|
«Теория автоматического управления» под ред. А. А. Воронова, ч.1, Высшая школа.
|
1986
|
2.
|
Иващенко Н.Н. « Автоматическое регулирование» Машиностроение.
|
1978
|
3.
|
«Биологическая кибернетика», под ред. А.Б. Когана, Высшая школа.
|
1977
|
4.
|
«Инженерная физиология и моделирование систем организма», под ред. Новосельцева В. А., Наука.
|
1987
|
5.
|
Майстрах Е.В., Вайль Ю.С. «Автоматическое управление Физиологическими функциями организма в условиях потологии», Медицина, Л.О.
|
1978
|
3.2 Дополнительная литература
№
|
Название
|
Год издания
|
6.
|
Гурфенкель В.С, Моякин «Биоэлектрическое управление», Наука.
|
1972
|
7.
|
Кочан А.Б., Наумов Н.А., Ретабек Б.Г. и др. «Биологическая кибернетика», Наука.
|
1976
|
8.
|
Милсум Дж. «Анализ биологических систем управления», Мир.
|
1981
|
9.
|
«Биотехнические системы», под ред. Ахутина В.М., ЛГУ.
|
1981
|
10.
|
Алиев Л.С. и др. «Миотон» в управлении движения», Навуковая думка, Киев
|
1980
|
3.3 Технические средства обучения и контроля, учебные диа- и кинофильмы. Наглядные пособия.
Наименование
|
Тип
|
Аудит.
|
Кол-во
|
1. Учебная телевизионная система
|
АТК
|
139-1
|
1
|
2. МикроЭВМ и микроконтроллеры
|
Электроника - 60 МПК-40
|
139-1
|
1
|
3.Персональные ЭВМ
|
|
139-1
|
2
|
4. Макеты к лабораторным работам
|
|
139-1
|
4
|
5. Плакаты, заставки
|
|
139-1
|
6 плакатов 64 заставки
|
6. Обучающий тренажер
|
Микролаб
|
139-1
|
2
|
3.4. Перечень учебных теле- и кинофильмов.
1. Автоматизация процессов сборки, монтажа и контроля ЭВМ на печатных платах (цветной кинофильм) -1 часть.
2. Автоматизация! Автоматизация! (цветной телефильм) - 3 части.
4. УЧЕБНО – МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ
Номер недели
|
Номер темы (п.2.1)
|
Названия вопросов, которые изучаются на лекциях (п. 2.1)
|
Практические занятия
|
Лабораторные занятия (по п.2.2)
|
Литература
(по п. 3.1,3.2)
|
Наглядные и методические пособия (п. 3.3)
|
Самостоятельная работа студентов (часы)
|
Форма контроля знаний студентов
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
1
|
2.1
|
Введение. Живые организмы как кибернетические системы.
|
|
|
3
|
|
1
|
|
2
|
2.2.1
|
Структура биосистемы.
|
|
|
3,4
|
|
1
|
1,7
|
3
|
2.2.2
|
Механизмы эволюции и саморегуляции жизни
|
|
|
3,5
|
|
|
|
4
|
2.3.1
|
Основные принципы управления.
|
1
|
4
|
1,2
|
|
1
|
1,7
|
5
|
2.3.2
|
Математическое описание САУ.
|
2,3
|
1
|
1,2
|
|
2
|
1,3,7
|
6
|
2.3.3
|
Элементарные звенья САУ и их характеристики.
|
4
|
2
|
1
|
|
2
|
1,3,7
|
7
|
2.3.4
|
Устойчивость линейных САУ. Качественные методы оценки качества регулирования
|
5,6
|
3
|
1
|
|
2
|
1,5,7
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
8
|
2.4.1
|
Внутренняя среда организма - кибернетическая система.
|
|
|
3,5
|
|
1
|
1,5,7
|
9
|
2.4.2
|
Уровни системы управления вегетативными функциями.
|
|
|
3,5
|
|
|
|
10
|
2.5.1
|
Обобщенная схема сердечно-сосудистой хемостаты. Региональные хемостаты.
|
|
|
3,5
|
|
1
|
2,3,6
|
11
|
2.5.2
|
Управление аппаратом вспомогательного кровообращения.
|
|
|
3,5
|
|
1
|
2,3, 4,7
|
12
|
2.5.3
|
Регуляция артериального давления. Дефибриляторы. Аппараты для измерения артериального давления.
|
|
|
3,5
|
|
2
|
2,3,4
|
13
|
2.5.4
|
Моделирование деятельности сердечно-сосудистой системы. Управление аппаратом искусственного сердца. Водители сердечного ритма.
|
|
|
3,5
|
|
1
|
4,5,7
|
14
|
2.5.5
|
Управление выведением из терминальных состояний.
|
|
|
4
|
|
1
|
4,5,7
|
15
|
2.6.1
|
Дыхательные хемостаты. Модели дыхательного хемостата.
|
|
|
3,4
|
|
7
|
6,7
|
16
|
2.6.2
|
Управление аппаратом для искусственной вентиляции легких. Проблема управления искусственным дыханием.
|
|
|
3,4,5
|
|
1
|
1,6,7
|
17
|
2.7.1
|
Баланс тепла в организме. Общая структурная схема терморегуляции. Зоны теплового баланса и математические модели их взаимодействия.
|
|
|
3,5
|
|
1
|
|
|
2.7.2
|
Управление тепловым обменом. Биотермия. Тело как объект управления и исполнительные устройства.
|
|
|
3,5
|
|
1
|
|
|
2.8.1
|
Регуляция двигательных функций в мире живых существ. Регуляция амебоидной и мерцательной модели движения.
|
|
|
3,5
|
|
1
|
|
|
2.8.2
|
Основные механизмы управления движением. Уровни управления движением.
Произвольные движения и их автоматизация. Регуляция позы человека
|
|
|
3,5
|
|
1
|
|
|
2.8.3
|
Биопотенциал скелетных мышц. Протезостроение и робототехника. Бионические принципы Управления и модели кисти.
|
|
|
3,4
|
|
1
|
|
|
2.8.4
|
Управление протезами конечностей человека. Пояс нижних конечностей. Позвоночник. Комплексная двигательная структура.
|
|
|
3,4,9
|
|
1
|
|
|
2.9.1
|
Эволюция гуморального управления и его отношение к нервному управлению. Эндокринные регуляторы и виды регулирования.
|
|
|
3,5
|
|
1
|
|
|
2.9.2
|
Системы биоэлектрического управления с использованием электростимуляции.
|
|
|
3,5
|
|
1
|
|
|
2.10.1
|
Система управления восприятия зрительного изображения. Система регуляции величины зрачка.
|
|
|
8
|
|
1
|
|
-
Формы контроля (ФК)
-
Выборочный опрос на лекциях (ТО).
-
Проверка конспектов лекций (КЛ).
-
Опрос перед проведением лабораторных работ (К).
-
Собеседование при защите отчетов по лабораторным работам (ЭР).
-
Аттестация по индивидуальной работе (А).
-
Собеседование во время консультаций (С).
-
Проведение экзамена по курсу.
страница 1
|