автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Создание автоматизированного комплекса для исследования электротехнических устройств и систем

ГГЙ Ой

\ 2 ГСН 71П

На правах рукописи

С'ГАМКПВИЧ ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ

СОЗДАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование 05.13.16 - применение вычислительной техники, мате-

матического моделирования и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

Москпа - 2000

Работа выполнена на кафедре

"Электротехнические комплексы автономных объектов" Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель - канд. техн. наук, вед. научн. сотр.

АРБУЗОВ Ю.В.

Официальные оппоненты - доктор техн. наук, профессор

РОЗАНОВ Ю.К.

- канд. техн. наук, доцент НИКАНОРОВ В.Б.

Ведущая организация - Государственный научно-исследовательский институт системной интеграции (ГосНИИСИ)

Защита состоится " 14 " апреля 2000 г. а аудитории М-611 в м час на заседании диссертационного совета К053.16.04 в Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 13, корп. М.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направить по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан " •13 " л-со^тл^ 2000 г.

ИО ученого секретаря _ Беспалов В Я

Диссертационного совета К053.16.04

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В современных условиях реальное фииансирова-ние российской науки и образования продолжает сокращаться. Происходит старение материально-технической базы научных и образовательных учреждений. Сокращается потенциал и снижается уровень опытно-конструкторских разработок и производственных мощностей, способных удовлетворить хотя бы самые насущные потребности в средствах обучения и лабораторном оборудовании. В то же время, прогрессивные тенденции развития науки и техники объективно требуют качественно нового подхода к подготовке специалистов, способных создавать и эффективно применять конкурентоспособные образцы попой техники. Для разрешения указанного противоречия требуется принципиально новые технические решения, обеспечивающие более высокую эффектив-иость проведения исследований при значительном сокращении затрат, что возможно только при использовании современных средств автоматизации, интеллектуализации и телекоммуникации.

Разработанный в рамках диссертационной работы автоматизированным программно-технический и научно-методический комплекс лабораторного оборудования нового поколения имеет двойное назначение - для проведения научных исследований и обучения в области электротехники, основан на самых современных информационных и телекоммуникационных технологиях и способен работать в глобальной компьютерной сети internet.

Диссертационная работа соответствует приоритетным направлениям фундаментальных исследований: "Проблемы управления и автоматизации", "Интегрированные информационно - телекоммуникационные сети и системы", а также критическим технологиям "Системы искусственного интеллекта и виртуальной реальности", "Информационно - телекоммуникационные системы" и выполнялась в рамках следующих федеральных и межвузовских Программам (МНТП): "Учебная техника"; "Корпоративные сети"; "Анализ состояния и научно-техническая поддержка перспективных исследований высшей школы"; "Научно-методическое обеспечение дистанционного обучения"; Федеральная Программа "ИНТЕГРАЦИЯ".

Целью работы является повышение эффективности научных исследовании и образовательного процесса подготовки и переподготовки специалистов и области разработки, исследования и эксплуатации электротехнических комплексов и систем за счет создания и организации применения автоматизированных программно-технических и научно-методических комплексов поддержки учебного процесса и научных исследований нового поколения.

Для достижения поставленной цели необходимо последовательно решить следующие задачи:

" разработать концепцию создания лабораторного оборудования нового поколения, определяющую совокупность принципов и методов синтеза такого оборудования;

■ осуществить выбор или разработать необходимые компоненты лабораторного оборудования нового поколения;

• создать базовые комплексы лабораторного оборудования нового поколения в области •электротехники;

■ показать эффективность применения оборудования нового поколения в науке, промышленности, образовании.

Методы исследования. В процессе выполнения диссертационной работы были использованы современные методы и средства информационных и телекоммуникационных технологий применительно к организации коллективного доступа удаленных пользователей к единичному комплекту автоматизированного лабораторного оборудования; методы управления сложными электротехническими системами, включая частотное, адаптивное управление, а также управление с прогнозированием; методы математической обработки результатов моделирования и эксперимента, включая линейную и сплайн интерполяцию, среднеквадратичную аппроксимацию, спектральный анализ полигармонических сигналов и т.д. При разработке программного обеспечения были использованы современные лицензионные инструментальные средства: Borland См- Builder 4.0; National Instruments Component Works 1.0; National Instruments I .abWindows/CVI 4.01; IAR Systems Micro Series 8051 C-Compiler V4.02F:./OS2.

Научная новизна диссертационной работы заключается:

■ в определении принципов создания лабораторного оборудования нового поколения (принцип единства и комплексности объектов изучения, принцип интеллектуализации объекта и средств обучения, принцип распределения информационных и технических ресурсов);

■ в создании наукоемкого, интеллектуального электротехнического комплекса, предназначенного для исследования динамических процессов в сложных электротехнических системах в режиме многопользовательского телекоммуникационного доступа по локальным, корпоративным или глобальным компьютерным сетям (в том числе, Internet);

■ н разработке математической модели управления электрооборудованием в распределенной технологической системе бурения скважин, когда прогнозируется следующий шаг управления с учетом транспортной задержки.

Практическим значимость. Результаты диссертационной работы успешно используются в научных исследованиях, образовательном процессе и в промышленности:

■ Созданный научно-образовательный комплекс позволяет решать такие уникальные научные задачи, как многоканальный синхронный мониторинг динамических процессов, диагностика и прогнозирование технического состояния сложных технических систем, поиск алгоритмов эффективного управления техническими системами, идеи гификация параметров математических моделей.

• Использование созданного научно-образовательного комплекса в учебном процессе позволило многократно сократит!, клпитапьные и текущие затраты па со»дание и поддержание лабораторного оборудования, занимаемые нпощади. обслуживающий персонал при одновременном повышении качества обучения за счет применения комплекса средств обучения, открывающих

возможности индивидуализации и активизации учебного процесса. ■ Применение разработанной распределенной мультипроцессорной автоматизированной системы управления режимом бурения наклонных и горнзон-rajn.Ki.ix скважин покатало возможности значительного повышении информативности, надежности и качества выполнения технологических процессов в нефтегазовой отрасли на основе совокупности принципов информатизации и интеллектуализации технических систем, предложенных в работе.

Реализация результатов работы. Разработанный базовый программно-технический и научно-методический комплекс используется на кафедре «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского энергетического института (технического университета) при выполнении научных исследований и проведении учебных занятий. Макетный вариант комплекса находится в демонстрационном центре РИНО "Росучприбор" и применяется для демонстрации возможностей новых образовательных технологий. Опытный вариант разработанной мультипроцессорной автоматизированной системы управления режимом бурения неоднократно и успешно испытывапся на буровых установках треста ОренбургБурГаз.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и демонстрировались на 11-ти российских и международных выставках-семинарах, посвященных новым образовательным технологиям (г. Москва - 1996, 98, 99. 2000 гт, г.Нижний Новгород - 1996 г., г.Санкт-Петербург- 1997 г., г. Остин - США -1997г., г. Базель - Швейцария - 1998 г., г. Ростов на Дону - 1999 г., г. Орел 1999 г.). Был произведен ряд успешных сеансов экспериментальных исследований электротехнических устройств в рамках разработанных комплексов оборудования в режиме удаленного доступа. Доступ к оборудованию осуществлялся кпк по высокоскоростным линиям связи (оптоволокно, спутниковые каналы), гак и по медленным коммутируемым линиям. В целом, опыт показал достлюч-но высокую динамику проведения экспериментальных исследований. Даже с использованием линий связи со скоростью передачи информации до 9600 бит/с суммарное время проведения одного эксперимента с одного рабочею места не превышает 1-2 минут, из которых непосредственно использование объекта занимает единицы секунд, в зависимости от объекта исследования, а остальное время обусловлено транспортной задержкой передачи результатов эксперимента пользователю.

Публикации. 11о теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 10-ти приложений, имеет 184 страницы основного, 37 рисунков, список литературы из 67 наименований и три Акта об использовании результатов работы.

СОДНРЖЛПИЕРЛЬО гы

Во введении обосновывается актуальность постановки работы и дается ее общая краткая характеристика.

В первой главе рассмотрены особенност и электротехнических устройств и систем, объективно требующие проведения их экспериментальных исследований на качественно новом, преимущественно динамическом уровне.

Из анализа особенностей изучения электротехнических устройств и систем сформулированы современные задачи их научного исследования: многоканапь-ный синхронный мониторинг, поиск оптимальных алгоритмов управления, идентификация структур и параметров математических моделей, диагностика и прогнозирование технического состояния.

На основе анализа каждой их перечисленных научных задач сформулированы требования к программно-техническим и научно-методическим средствам разрабатываемого лабораторного оборудования:

• Определен основной перечень контролируемых показателей для подсистемы измерения - мгновенные значения фазных токов и напряжений, электромагнитный момент и частота вращения вала, температурные показатели и вибрация;

" Сформулированы требования к подсистеме управления объектом исследования, которая должна обеспечивать электропитание объекта с возможностью произвольного изменения амплитуды, частоты, фазы и формы напряжения, а также управление нагрузкой по любому заданному алгоритму;

■ Подсистема моделирования должна иметь открытую развиваемую библиотеку моделей различной структурной сложности для решения различных задач, при этом целесообразно использование единого универсального решателя и удобного пользовательского интерфейса для ввода и настройки моделей;

■ Подсистема математической обработки должна включать средства детерминированного и стохастического анализа массивов данных, в частности -корреляционный, регрессионный, спектральный анализ, линейную и сплайн интерполяцию.

11ровсдено технико-экономическое обоснование постановки диссертационной работы, сформулирована се цель и конкретизированы задачи.

Во второй главе проведен анализ предшествующих поколений лабораторного оборудования - индивидуальные стенды, стенды со сменными объектами и автоматизированные рабочие места. Рассмотрены их достоинства и недостатки, в частности, невозможность проведения сложных комплексных исследований статических и динамических процессов с использованием современных средств математического анализа и моделирования па стендах первого и второго поколения. Показано, что применение персонального компьютера на каждом лабораторном стенде третьего поколения является бесперспективным из-за своей дороговизны и избыточности при многократном тиражировании подобных установок для образовательного процесса.

Из анализа достоинстн и Iи*достатков лабораторного оборудования предыдущих поколений сделан вывод о необходимости разработки современного научно-образовательного оборудования с применением высокоэффективных средств вычислительной техники. Сформулированы основные принципы ст-дания лабораторного оборудования нового поколения:

■ Принцип "единства ч комплексности объектов ичучения": процесс исследования объекта рассматривается как единый во времени и пространстве и комплексный по содержанию, т.е. псе этапы изучения могут быть реализованы на одном рабочем месте без разрыва во времени, в составе программно-технических и научно-методических комплексов по направлениям подг отовки специалистов.

■ Принцип интеллектуаличации объекта и средств обучения, суть которого заключается во внедрении (интегрировании) средств микропроцессорной техники непосредственно и структуры объектов изучения: интеллектуальные датчики, исполнительные механизмы, программно-управляемые не I очники электропитания и т.д., что позволяет достичь предельной гибкости конфигурирования и управления сложных технических систем, что в наибольшей степени отвечает задачам изучения сложных алгоритмов управления.

■ Принцип распредечения информационных и технических ресурсов', информационные ресурсы предоставляются непосредственно в прямое пользование каждого исследователя (например, в виде лазерных компакт-дисков); технические ресурсы в виде дистанционно управляемых объектов исследования - через телекоммуникационную систему коллективного пользования.

Даны рекомендации по синтезу структуры лабораторного оборудования нового поколения. Структурно предлагаемый автоматизированный программно-технический и научно-методический комплекс представляет собою совокупность нескольких функционально-связанных подсистем (объектная, управляющая, моделирующая, программно-методическая, телекоммуникационная, пользовательская и пр.) - рис. 1.

Перечень объектов изучения рекомендуется делать открытым и последовательно развиваемым. И качестве объектов изучения предлагается рассматривать специально разработанные физические модели-аналоги, выполненные с измененисм геометрических и энергетических показателей, но с сохранением характера изучаемых процессов. Каждый объект изучения должен быть "информационно прозрачным" и "абсолютно управляемым". Для реализации такого подхода комплекс оснащается многоуровневой иерархической системой вычислительных средств:

• на объектном уровне - это, как правило, мультипроцессорная подсистема, построенная по идеологии цифровых сигнальных процессоров;

• на верхнем уровне - это сервер комплекса, выполняющий функции обслуживания внутренних и внешних связей.

Подсистема обучения

Подсистема | накопления и | хранения данных|

Подсистема мониторинга результатов

Подсистема Подсистема

регистрации и внешних

контроля телекоммуникаци

рлЬегчй ! Компьютерный класс удаленных пользователей

^—>-

N

в •• о СЕРВЕР

/ „

Рис. 1. Общая структура автоматизированного комплекса для исследования электротехнических устройств и систем

И целях повышения эффективности использования установленною оборудования каждый функциональный блок или модуль комплекса рассматривается в одном случае, как объект изучения, а в другом как tcxhojioi ичсское оборудование для изучения других объектов. I Три ">гом выбор конкретного обь екта изучения и режимов его работы должен производиться автоматически ни заданию удаленного исследователя.

Программное обеспечение (ГЮ) комплекса должно быть miioi оуровневым и включать ряд компонентов, выполняющих различные функции: • ПО объектного уровня - программы управления стандартными и специально разработанными средствами многоканального аналогового, цифрового и частотного измерения и управления.

■ ПО базового сервера - программы для реализации дноанционного обмена информацией между комплексом и рабочими местами удаленных попьюва-тслей.

■ ПО рабочего места удаленного пользователя - программы дня реализации на конкретном удаленном рабочем месте всех процедур подготовки и проведения исследования.

Методическое обеспечение комплекса должно содержать полную совокупность средств, необходимых и достаточных для использования комплекса как для исследования, так и для обучения: информационно-справочные средства, средства моделирования, подготовки и проведения натурных исследований различных режимов работы сложных технических устройств и систем в режиме удаленного доступа, а также средства обработки и анализа полученных модельных и экспериментальных данных.

Подсистема моделирования должна быть многоуровневой и включать совокупность математических моделей различного содержания и обеспечивать решение задач диагностики, управления и прогнозирования.

В третьей главе сформулированы основные требования к базовым программно-техническим средствам для создания автоматизированного лабораторного оборудования нового поколения, которые должны быть: " открытыми, т.е. допускать их свободное конфигурирование и развитие.

■ комплектными, т.е. обеспечивать согласование компонентов и допускать свободный обмен информацией it соотвстетпии с принятыми про юколами.

■ стандартными, т.е. выполненными на базе отечественных и международных стандартов;

■ гибкими, т.е. обеспечивать возможность автоматического перестроения ком-фигурации оборудования;

■ информационно, электрически и конструктивно-гг;«иег/»!мгм.ш/.

Проведен анализ и даны рекомендации по выбору средств телекоммуникационных технологий. Разработано оригинальное программное обеспечение для перенаправления информационных потоков в сети Internet, отличительная особенность которого заключается в возможности автоматической псрсадреса-ции пользователей на свободные или доступные н данный момент однотипные исследовательские комплексы независимо от места их размещения, т е рсали-

«уется свободный доступ к распределенным техническим ресурсам, что повы-niaei производительность исследований.

I !роведен анализ и даны рекомендации по выбору средств измерительно -управляющих технологий. Разработаны структуры и макетные образцы базовых элементов исследовательского комплекса (датчики, измерительные преобразователи, каналы ввода/вывода устройст в сопряжения ЭВМ с объектом, регуляторы, исполнительные механизмы).

При создании исследовательского комплекса предложена комбинированная структура с трехуровневым иерархическим распределением вычислитель-пых ресурсов, что позволяет за счет распараллеливания вычислительных процедур существенно повысить производительность системы в целом. Разработаны алгоритмы, протоколы и программы межпроцессорного обмена данными.

Даны рекомендации по составу, структуре и разработке программно-методического обеспечения научпо-образоватсльных комплексов, которые реализованы в следующих оригинальных программных продуктах:

■ информационно-справочные средства для изучения теоретических основ исследуемых физических процессов, базирующиеся на применении различных форм представления информации, включая приемы гипертекстового и полиэкранного структурирования, анимационного изображения изучаемых объектов и процессов для активизации формирования знаний и навыков;

■ программные средства для имитационного компьютерного моделирования динамических процессов в сложных технических системах;

■ средства для подготовки и проведения натурных исследований сложных технических систем и их компонентов в режиме удаленного доступа;

■ средства для обработки и анализа экспериментальных данных для практической проверки адекватности применяемых математических моделей;

• средства получения пользователями индивидуальных заданий, всесторонне охватывающих основные проблемы, характеризующие конкретное тематическое направление.

В качес тве средств разработки программного обеспечения комплекса рекомендовано использован, средства низкоуровневого программирования, основанные па языках программирования С и ассемблер, - для ПО объектного уровня и средства визуальною программирования типа Borland С++ Builder 4.0 - для ! К) сервера и рабочих мест пользователей.

В четвертой главе изложена концепция распределенной учебной лаборатории (РУЛ), как новой формы организации автоматизированных научно -<>П|1,|ювагсльпмх лаборатрий политехнического профиля различных уровней: факультетского, университетского, межвузовского, отраслевого, международною. Главная отличительная особенность предлагаемой структуры состоит в Юм. что каждое региональное отделение РУЛ поддерживает не полный набор технических средств, а только базовые средства фундаментальной подготовки и лучшие методические, дидактические и научно-технические прикладные разработки ведущих образовательных и академических учреждении данного региона. За счет средств телекоммуникации они становятся доступными для всех

пользователей этой структуры, что, в конечном итоге, позволяет наиболее эффективно их использовать п экономическом плане.

Для поддержки научно-образовательного процесса в структуре РУЛ разработаны опытные образцы лабораторных комплексов для изучения фундаментальных основ электротехники и электроники (рис. 2, 3).

Общая функциональная схема (рис. 4) созданного научно-образовательного комплекса включает в себя следующие составные части (подсистемы):

• Объектную подсистему в виде последовательно развиваемого набора функциональных модулей, включающего, в частности: модуль изучения электронных схем на основе операционных усилителей, модуль изучения микроконтроллеров, электромеханический модуль (рис. 3).

• Измерительно -управляющую подсистему, состоящую из интеллектуальных датчиков (ДТ, ДН, ДВ, ДЧВ, ДТ°, ДМ - датчики тока, напряжения, вибрации, частоты вращения, температуры, момента), средств обработ ки и преобразования измерительной и управляющей информации.

• Сервер стенда - персональный компьютер, предназначенный для реализации всех функций обслуживания объекта изучения и телекоммуникационного доступа удаленных пользователей к лабораторному оборудованию.

■ Технологическую подсистему - программно-управляемые источники питания и нагрузочные устройства. Так, комплекс по основам электротехники содержит универсальный преобразователь частоты и напряжения, предназначенный для преобразования однофазного сетевого напряжения 220 В, 50 Гц в трехфазное напряжение программно задаваемой формы, частоты (в диапазоне 0...1000 Гц) и уровня (в диапазоне 0...220 В) с предельной токовой нагрузкой до 10 А, управляемую электромеханическую нагрузку в диапазоне 0-5 Нм, предназначенную для дистанционного программного изменения режимов работы нагрузочной машины (генераторный режим, режим противовключения, режим подкрутки).

Разработанные комплексы "Основы электротехники" и "Основы электроники" позволяют изучать до 100 объектов различной сложности (элементы, устройства, системы и комплексы). При этом объектные подсистемы обоих комплексов открыты для дальнейшего развития. Проведена комплексная отладка разработанного исследовательского оборудования. Реализована процедура удаленного доступа, отличительной особенностью которой является возможность активного воздействия на объект со стороны удаленного пользователя.

В пятой главе отражены результаты использования разработанного оборудования нового поколения в науке, образовании, промышленности.

Рассмотрены функциональные возможности и примеры применения разработанного оборудования для научных исследований сложных электротехнических устройств и систем. Показана возможность решения таких важных научных задач, как многоканальный синхронный мониторинг, поиск оптимальных алгоритмов управления, диагностика н прогнозирование технического состояния, идентификация параметров математических моделей, достигнутая за счет следующих технических возможностей комплекса:

Входной Преобразователь Исследуемый Нагрузочная Аккумул.

активный фильтр частоты и напряжения Блок датчиков электродвигатель машина батарея

ф т i^T

№ 1 à 1ПК4 I

СЕРВЕР СТЕНДА

INTERNET

СЕРВЕР

Гдн| IÄSST |дтв

ДН |_дт Р

ДН ] ы

МПК2

ДЧВ

[ж)

ÎÊ^'ae I

ГдПГд?!

|Г7~Л

ЕЭ ... Q

! I Ethernet

Компьютерный класс удаленных пользователей

Многоканальный регулятор нагрузки

□ о о О

Рис. 4. Функциональная схема лабораторного комплекса для исследования электротехнических устройств и систем

Измерительная подсистема комплекса обеспечивает синхронный замер мгновенных значений шести энергетических каналов (3-х каналов тока в диапазоне 0-10 Л, ±1%, и 3-х каналов напряжения в диапазоне 0-220 В, ±1%) с дискретностью до 2000 замеров в секунду, частоты вращения вала электрической машины в диапазоне 0-6000 об/мин, ±0.1%, а также замер до 64 каналов аналоговых информационных сигналов в диапазоне +/- 10 В ±0.1% с дискретностью опроса до 1 микросекунды, что позволяет количественно анализировать высокоскоростные переходные процессы с высокой точностью но многим канавам одновременно.

Управляющая подсистема комплекса обеспечивает дистанционное программное управление 3-фаэным преобразователем частоты и напряжения (выходная мощность до 1 кВЛ) в диапазоне изменения выходного напряжения 0220 В с дискретностью 1 В, в диапазоне изменения частоты выходного напряжения 0-1000 Гц с дискретностью 1 Гц. При этом возможна реализация сложных алгоритмов частотного и векторного управления.

Дистанционное программное управление универсальным нагрузочным устройством (с электрической мощностью до 500 Вт и электромагнитным моментом - до 5 Им) позволяет задавать различные режимы работы и возмущения. Так, например, исследуемый электромеханический преобразователь может переводиться из двигательного режима в генераторный или в режим динамического торможения и т.д. Асинхронный электродвигатель может исследоваться в режиме идеального холостого хода за счет «подкручивания» его вала до синхронной скорости с помощью нафузочной электрической машины.

Программное обеспечение комплекса позволяет осуществлять прием, хранение и различные преобразования данных о мгновенных значениях наблюдаемых показателей объекта, в результате обработки которых могут быть получены, например, показатели энергопотребления:

где: и,. П - мгновенные значения напряжения и тока в каждой фазе,

N - число мгновенных значений на периоде основной частоты. Показано, что применяемый метод мгновенных значений позволяет получать действующие значения показателей с точностью десятых долей процента независимо от формы токов и напряжений, если число мгновенных значений на периоде основной частоты будет не менее 100, что обеспечивается техническими средствами комплекса. При этом коэффициент мощности рассчитывается с процентной точностью - путем определения моментов перехода через пуль массивов мгновенных значений тока и напряжения (с использованием процедуры линейной интерполяции).

Частота вращения ротора определяется импульсным датчиком Холла с погрешностью 0.1%. При этом используется перестраиваемый алгоритм обработки данных, когда на малых оборотах считаются импульсы кварцевого генератора между базовыми импульсами датчика Холла, а при больших оборотах -считаются сами базовые импульсы датчика Холла.

Электромагнитный момент с точностью единиц процентов определяется расчетным путем по замеренным значениям токов возбуждения и якоря нагрузочной машины при известности ее параметров.

На рис. 5. в качестве примера показаны результаты исследования асинхронного электродвигателя при ступенчатом частотном пуске. Технические возможности комплекса позволили синхронно зафиксировать и запомнить мгновенные значения фазных токов и напряжений (до 50 мгновенных значений на одном периоде) на протяжении нескольких десятков периодов переходного процесса ступенчатого частотного запуска. Возможности последующего математического анализа таковы, что можно детально проанализировать, например, изменение гармонического состава тока на каждом периоде и построить соответствующую зависимость._

ЕШЗ

О с? О За »а а.4 . |АЕЯ :

- - 3- уЮ 1-- г' 7 11 г п1г:

5- ч 1 „ -г

лет .'ахза - - ~

ЯСЕЗЗВ

оаа чч

зяж

ашш

о а в а у ца а ■

®1 фг-

-с^ 1

—1—— 1

10- Л- —^ —1—_ -1-

9- 7 - " 1

(о*«Г5 .=., Гетгю акт.. .

....' .. .. | !аюп~Г"

Рис. 5. Многоканальный синхронный мониторинг - ступенчатый пуск асинхронного двигателя УАД-72, обработка данных.

На рис. 6 дан пример исследования одного из базовых устройств систем автоматического управления - операционного усилителя. Исследователь имеет возможность выбрать одну из 15 типовых схем работы операционного усилителя, задать ее параметры, провести моделирование и экспериментальное исследование с последующим математическим анализом полученных результатов. На основе спектрального анализа входного (тестирующего) и выходного сигналов исследователь делает вывод о частотных свойствах исследуемого операционного усилителя. На основе среднеквадратического сравнения результатов

моделирования и экспериментальных данных делается вывод об адекватности используемой математической модели и принимается решение о ее уточнении (идентификации) в случае необходимости.

Эффективность применения разработанного лабораторного оборудования в системе современных образовательных технологий достигнута за счет рационализации представления учебного материала и активизации самостоятельной работы студентов.

Построение учебного процесса на универсальных лабораторных стендах нового поколения существенно сокращает затраты на изготовление и эксплуатацию лабораторной базы за счет сокращения их количества.

Рис. 6. Исследование операционных усилителей

Пропускная способность лабораторного оборудования нового поколения, доступного по компьютерным сетям, может быть реально повышена в 3 - 4 раза даже при его загрузке в одну рабочую смену. Повышение эффективности работы приводит к сокращению сроков окупаемости вновь разрабатываемого лабораторного оборудования, позволяя поддерживать образовательный процесс на высоком современном уровне.

Разработанная концепция интеллектуального электротехнического оборудования нового поколения была успешно апробирована в промышленных условиях в процессе отладки и опытной эксплуатации Автоматизированной Системы Управления Режимом Бурения (АСУРБ). Она содержит шесть территори-

ально удаленных друг от друга и максимально приближенных к соответствующему электрооборудованию основных микроконтроллерных блоков (рис. 7) и реализует достаточно сложный алгоритм адаптивного управления с прогнозированием следующего шага управления, учитывающим транспортную задержку системы и динамическое изменение условий и параметров процесса бурения.

Разработка и реализация модели технологического процесса бурения была проведена совместно со специалистами ГАНГ им. И.М. Губкина. Был применен косвенный способ определения нагрузки на долото по току якоря электродвигателя насоса, подающего буровой раствор на гидродвигатель. При этом используются до 25 параметров, учитывающих особенности технологического процесса на конкретной буровой установке. Этот способ выгодно отличается от других отсутствием необходимости размещения датчиков непосредственно в буровой колонне и проблемы передачи сигнала на поверхность земли.

ДЭП2 6

ил

ТВ2 —| БНА2

1 1

220/380 В I

ТВ1 ! -] БНА1

АСУПБ

ПЛК - программируемый логический контроллер ПОБ - пульт оператора буре ни« ДЭП1.2 - датчики энергетических параметров

ДСП - аашнк скорости проходки РНТ - регулятор напряжен« тормозе

Элементы бу ровоЯ установки: ТВ1,2 - тиристориые выпрямители БНА1.2 - буровые насосные агрегаты

ТР - тиристорный регулггср ПТ - порошковый тормоз

щ

ДЭП1 «Г

ПЛК

ПОБ

ТР

-220/380 В

ДСП

ПТ

Управление

РНТ

113-485

Диспетчерский компьютер

Рис. 7. Общая функциональная схема АСУРБ

Если в процессе бурения рабочий инструмент встречает тяжелый участок грунта, то это приводит к увеличению текущего момента нагрузки на гидродвигатель Мгд(т), приводящий бур во вращение. При этом возрастает гидравлическое сопротивление всего тракта подачи бурового раствора и через некоторое время транспортной задержки возрастет давление на выходе бурового насосного агрегата и, следовательно, увеличится ток электродвигателя насосного агрегата 1(т), который непосредственно контролируется измерительной подсистемой АСУРБ:

Мга(1) =

1

кгдОО

2 • гс • 1 • т] • с • 1(1)

Уа

Р0

О)

где кгд, у, л, Va, РО - параметры гидродвигателя. Для уменьшения нагрузки на бур следует уменьшить скорость его подачи, что осуществляется увеличением напряжения, подаваемого на порошковый электромагнитный тормоз, регулирующий подачу всей колонны труб. Разработан алгоритм ПИД-регулятора, обеспечивающий устойчивое управление и учитывающий транспортную задержку системы управления.

Уравнение процесса при бурении скважин в общем случае можно представить в виде:

1(1) 4- Т - ЧЧ1 - т) = к „ 1.1(1 - г), где Л

(2)

Ч' - возмущающее воздейс твие; и - управляющее воздействие;

т - время запаздывания при передаче сигналов по металлу (тм) и жидкости (тж):

т = тм +тж, т.

См аи(о=

Ь 1„+1м ,

, тж = --——. Ь - длина бурильнои колонны.

К.

Сг

«А0 + т) +А1(и-т)~

(3)

В первом приближении можно предсказать значение 1(И-А1) по характеру функции 1(1) из непрерывности производной функции 1(1) в момент времени I:

сЛ _ 3 В - 4А + А0 _ С - А 2ЛГ ~ 2Л1

(4)

С = 1(1+Д0, В = 1(0, А = Щ-ЛО, АО = 1(1-2Л» ),

Выразив получим основное выражение для управляющего воздействия:

<Ш(0 =

1

В - А + х(А - 2В + С)ч- [в - !ч;1л + т(С - В)]

,где

(5)

С=3(В-А)+А0, г= —, 1зад - Заданный ток электродвигателя для системы авто-Аг

матической стабилизации.

Применение разработанной системы в процессе испытаний показало повышение эффективности процесса бурения (равномерности подачи) в 2-3 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы заключаются в следующем: 1. Разработаны принципы и методы создания интеллектуального лабораторного оборудования нового поколения, обеспечивающего повышение эффективности научных и учебных исследований, промышленного применения при одновременном и значительном снижении затрат за счет использования современных информационных и телекоммуникационных технологий.

2. Разработан и создан универсальный базовый программно-технический и научно-методический комплекс, предназначенный для проведения научных и учебных исследований в области электротехники. Профаммные и технические средства комплекса позволяют эффективно изучать до 100 электротехнических объектов различной сложности (элементы, устройства, системы, комплексы), в том числе с использованием Internet.

3. Применительно к решению научных задач в области электротехники комплекс содержит: универсальный профаммно управляемый преобразователь частоты и напряжения (выходная мощность до 1 кВА, диапазон изменения выходного 3-фазного напряжения 0-220 В, диапазон изменения частоты выходного напряжения 0-1 ООО Гц); универсальное профаммно управляемое нафузочное устройство (с электрической мощностью до 500 Вт и механической - до 1 Нм); универсальный блок измерительных преобразователей с микропроцессорной обработкой и управлением (шесть синхронизированных каналов измерения мгновенных значений токов и напряжений, канал измерения частоты вращения, возможность наращивания до 64 каналов измерения аналоговых сигналов).

4. На различных электротехнических объектах показана возможность: многоканального исследования динамических процессов в миллисекундном диапазоне; исследования сложных алгоритмов управления (например, адаптивного с прогнозированием следующего шага управления); экспериментальной идентификации параметров математической модели объекта исследования; прогнозирования технического состояния объекта изучения.

5. Применительно к задачам обучения разработано профаммно-методическое обеспечение, позволяющее реализовать: входную регистрацию пользователей с последующим ведением электронного журнала действий обучаемого; выбор раздела курса, темы и конкретного объекта изучения; изучение теоретического материала по выбранному объекту изучения; контроль степени усвоения материала и допуск к выполнению индивидуального задания; получение индивидуального задания из общего перечня заданий по данной теме; поиск эффективного решения посредством моделирования; экспериментальная проверка найденного моделированием решения; математическая обработка результатов моделирования и эксперимента; оценка степени адекватности используемой математической модели и качества объекта изучения; получение итогового протокола выполнения индивидуального задания.

6. Применительно к задачам промышленного применения разработанного интеллектуального лабораторного оборудования показана эффективность использования распределенных мультипроцессорных средств для задач функционально сложного управления технологическим процессом бурения скважин. При этом было показано, что качество процесса бурения значительно улучшается.

Основное содержание диссертации отражено в следующих печатных работах:

1. Арбузов Ю.В., Маслов С.И., Станкевич И.В. Новые информационные технологии в исследовании и проектировании ЭМС. //Вентильные электро-

механические системы. Рынок. Наука. Производство: Доклады 6-го научно-практического семинара. - М.: МЭИ, 1996. 84 с. - С. 47-56.

2. Станкевич И.В. Управление электрооборудованием при бурении скважин. //Московская студенческая научно-техническая конференция "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве": Тезисы докладов. - М.: МЭИ (ТУ). 1997. 182 с. - С. 118.

3. Арбузов Ю.В., Балденко Ф.Д., Шмидт А.П., Стукалнн В.Н., Станкевич И.В. Автоматизированная система управления процессом бурения забойным гидродвигателем: выбор структурной схемы //2-я научно-техническая конференция, посвященная 850-летию г. Москвы. Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России: Тезисы докладов. - М. "Нефть и газ", 1997. 169 с. - С. 38-39.

4. Арбузов Ю.В., Станкевич И.В., Стукалнн В.Н. Распределенная мультипроцессорная система дистанционного мониторинга, диагностики и управления буровым электрооборудованием //Электротехнические комплексы автономных объектов. Наука, производство, образование: Тез. докл. науч.-техн. конф. - М.: Издательство МЭИ, 1997. 170 с. -С. 135-136.

5. Маслов С.И., Арбузов Ю.В., Станкевич И.В. и др. Индустрия средств поддержки новых образовательных технологий // Электротехнические комплексы автономных объектов/ Наука, производство, образование: Тез. докл. науч.-техн. конф. - М.: Издательство МЭИ, 1999. 152 с. -С. 137-138.

6. Станкевич И.В. Универсальный тиражируемый комплекс аппаратных, программных и методических средств для распределенных учебных лабораторий удаленного доступа. //Дистанционное образование в России: проблемы и перспективы.: Материалы шестой международной конференции по дистанционному образованию (Россия, Москва, 25-27 ноября 1998 г.). - М.: МЭСИ, 1998. 564 с. - С. 248-249.

псч д- /хГ Тпраж'00 Заказ *^

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА КАК ОБЪЕКТ РАЗРАБОТКИ И ИЗУЧЕНИЯ.

1.1. Современные тенденции стратегии создания образцов новой техники

1.2. Особенности изучения электротехнических устройств и систем.

1.3. Назначение создаваемого лабораторного оборудования.

1.4. Технико-экономическое обоснование постановки диссертационной работы.

1.5. Цель и задачи диссертационной работы.

Выводы.

2. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБУЧЕНИЯ.

2.1. Анализ предшествующих поколений лабораторного оборудования.

2.2. Принципы создания лаборАТорнрдо оборудования нового поколения

2.3. Рекомендации по синтезу стр^у№1:МЦё^Й'ОРНОГО оборудования нового поколения.

Выводы.

3. БАЗОВЫЕ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

3.1. Общие требования.

3.2. Средства телекоммуникационных технологий.

3.3. Средства измерительных и управляющих технологий.

3.4. Интерфейсные средства или устройства сопряжения с объектом.

3.5. Средства разработки программно-методического обеспечения.

Выводы.

4. ТИПОВОЙ КОМПЛЕКТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОСНАЩЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ УЧЕБНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ.

4.1. Распределенная учебная лаборатория как новая форма автоматизированных лабораторий политехнического профиля.

4.2. Программно-технический и научно-методический комплекс "Основы электротехники".

4.3. Программно-технический и научно-методический комплекс "Основы электроники".

Выводы.

5. НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОГО ОБОРУДОВАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ В НАУКЕ, ОБРАЗОВАНИИ, ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

5.1. Функциональные возможности использования разработанного оборудования при научных исследованиях сложных электротехнических устройств и систем.

5.2. Эффективность использования разработанного лабораторного оборудования в системе современных образовательных технологий.

5.3. Распределенная мультипроцессорная автоматизированная система управления режимом бурения наклонных и горизонтальных скважин . 173 Выводы.

Актуальность работы. В современных условиях реальное финансирование российской науки и образования продолжает сокращаться. Ускоренными темпами происходит старение материально-технической базы научных и образовательных учреждений. Сокращается потенциал и снижается уровень опытно-конструкторских разработок и производственных мощностей, способных удовлетворить хотя бы самые насущные потребности в средствах обучения и лабораторном оборудовании. В то же время, прогрессивные тенденции развития науки и техники объективно требуют качественно нового подхода к подготовке специалистов, способных создавать и эффективно применять конкурентоспособные образцы новой техники. Для разрешения указанного противоречия требуется принципиально другие технические решения, обеспечивающие более высокую эффективность проведения исследований при значительном сокращении затрат, что возможно только при использовании современных средств автоматизации, интеллектуализации и телекоммуникации.

Дистанционный контроль функционирования и дистанционное управление распределенным интеллектуальным оборудованием становится все более актуальным в современном автоматизированном промышленном производстве, оборонной технике, науке, а в последнее время - и в образовании.

Разработанный в рамках диссертационной работы автоматизированный программно-технический и научно-методический комплекс лабораторного оборудования нового поколения предназначен для проведения научных исследований и обучения в области электротехники, основан на самых современных информационных и телекоммуникационных технологиях и способен работать в глобальной компьютерной сети Internet.

Диссертационная работа соответствует приоритетным направлениям фундаментальных исследований "Проблемы управления и автоматизации", "Интегрированные информационно-телекоммуникационные сети и системы", а также 5 критическим технологиям "Системы искусственного интеллекта и виртуальной реальности", "Информационно-телекоммуникационные системы" и выполнялась в рамках следующих федеральных и межвузовских Программ:

1. МНТП "Учебная техника";

2. МНТП "Корпоративные сети";

3. МНТП "Анализ состояния и научно-техническая поддержка перспективных исследований высшей школы";

4. МННП "Научно-методическое обеспечение дистанционного обучения";

5. Федеральная Программа "ИНТЕГРАЦИЯ".

Диссертационная работа является частью комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых кафедрой «Электротехнические комплексы автономных объектов» и направленных на развитие методов и средств автоматизации исследования электромеханических устройств и систем различного назначения:

• № 1029990 "Разработка теоретических основ и создание научно-дидактического комплекса для изучения физических моделей электромеханических процессов";

• № 1164990 "Разработка структуры и информационно-методического обеспечения автоматизированного образовательного комплекса политехнического профиля для работы в корпоративных сетях"

• № 2075980 "Разработка экспериментального стенда для автоматизированного лабораторного практикума удаленного доступа в области электротехники, автоматики и вычислительной техники"

• № 2072980 "Разработка концепции создания распределенной лаборатории по специальностям электротехнического профиля"

• № 1028970 "Разработка лабораторного и научного оборудования нового поколения для исследования электромеханических систем и их компонентов с приме6 нением современных информационных технологий и средств телекоммуникаций".

Целью работы является повышение эффективности научных исследований и образовательного процесса подготовки и переподготовки специалистов в области разработки, исследования и эксплуатации электротехнических комплексов и компонентов за счет создания и организации применения автоматизированных программно-технических и научно-методических комплексов поддержки учебного процесса и научных исследований нового поколения.

Для достижения поставленной цели необходимо последовательно решить следующие задачи: разработать концепцию создания лабораторного оборудования нового поколения, определяющую совокупность принципов и методов синтеза такого оборудования; осуществить выбор или разработать необходимые компоненты лабораторного оборудования нового поколения; ■ создать базовые комплексы лабораторного оборудования нового поколения в области электротехники; ■показать эффективность применения оборудования нового поколения в науке, промышленности, образовании.

Согласно поставленным целям и задачам материал диссертационной работы представлен следующим образом.

В первой главе проведен анализ современных тенденций в области создания образцов новой техники. Рассмотрены особенности электротехнических устройств и систем, требующие проведения их экспериментальных исследований. Проведено технико-экономическое обоснование постановки диссертационной работы и сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе проведен анализ предшествующих поколений лабораторного оборудования и сформулированы основные принципы создания лаборатор7 ного оборудования нового поколения. Даны рекомендации по синтезу структуры лабораторного оборудования нового поколения.

В третьей главе сформулированы основные требования к базовым программно-техническим средствам для создания автоматизированного лабораторного оборудования нового поколения. Проведен анализ и даны рекомендации по выбору средств телекоммуникационных, измерительно-управляющих технологий. Даны рекомендации по разработке программно-методического обеспечения автоматизированных курсов и исследовательских комплексов, выбору средств разработки.

В четвертой главе раскрыта концепция распределенной учебной лаборатории, как новой формы автоматизированных лабораторий политехнического профиля. Описаны опытные образцы комплексов, предназначенных для изучения основ электротехники и электроники и созданных на основе принятых принципов и рекомендаций по синтезу исследовательского оборудования нового поколения.

В пятой главе отражены результаты использования разработанного оборудования нового поколения в науке, образовании, промышленности. Рассмотрены функциональные возможности и примеры применения разработанного оборудования для научных исследований сложных электротехнических устройств и систем. Описаны результаты применения разработанной концепции интеллектуального электротехнического оборудования нового поколения в процессе разработки, отладки и опытной эксплуатации в промышленных условиях Автоматизированной Системы Управления Режимом Бурения.

Методы исследования. В процессе выполнения диссертационной работы были использованы современные методы и средства информационных и телекоммуникационных технологий применительно к организации коллективного доступа удаленных пользователей к единичному комплекту автоматизированного лабораторного оборудования; методы управления сложными электротехническими системами, включая частотное, адаптивное управление, а также управле8 ние с прогнозированием; методы математической обработки результатов моделирования и эксперимента, включая линейную и сплайн интерполяцию, среднеквадратичную аппроксимацию, спектральный анализ полигармонических сигналов и т.д. При разработке программного обеспечения были использованы современные лицензионные инструментальные средства: Borland С++ Builder 4.0; National Instruments Component Works 1.0; National Instruments LabWindows/CVI 4.01; IAR Systems Micro Series 8051 C-Compiler V4.02E/OS2.

Научная новизна диссертационной работы заключается: в определении основополагающих принципов создания лабораторного обору

Г/ дования нового поколения (принцип единства и комплексности объектов изучения, принцип интеллектуализации объекта и средств обучения, принцип распределения информационных и технических ресурсов); в создании наукоемкого, интеллектуального электротехнического комплекса, предназначенного для исследования динамических процессов в сложных электротехнических системах в режиме многопользовательского телекоммуникационного доступа по локальным, корпоративным или глобальным компьютерным сетям (в том числе, Internet); в разработке математической модели управления электрооборудованием в распределенной технологической системе бурения скважин, когда прогнозируется следующий шаг управления с учетом транспортной задержки.

Практическая значимость. Результаты диссертационной работы успешно используются в научных исследованиях, образовательном процессе и в промышленности:

• Созданный научно-образовательный комплекс позволяет решать задачи многоканального синхронного мониторинга динамических процессов, диагностики и прогнозирования технического состояния сложных технических систем, поиска алгоритмов эффективного управления техническими системами, идентификации параметров математических моделей. 9

• Использование созданного научно-образовательного комплекса в учебном процессе позволило многократно сократить капитальные и текущие затраты на создание и поддержание лабораторного оборудования, занимаемые площади, обслуживающий персонал при одновременном повышении качества обучения за счет применения комплекса средств обучения, открывающих возможности индивидуализации и активизации учебного процесса.

• Применение разработанной распределенной мультипроцессорной автоматизированной системы управления режимом бурения наклонных и горизонтальных скважин показало возможности значительного повышения информативности, надежности и качества выполнения технологических процессов в нефтегазовой отрасли на основе совокупности принципов информатизации и интеллектуализации технических систем, предложенных в работе.

Реализация результатов работы. Разработанный базовый программно-технический и научно-методический комплекс используется на кафедре «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского энергетического института (технического университета) при выполнении научных исследований и проведении учебных занятий. Макетный вариант комплекса внедрен в демонстрационном центре РНПО "Росучприбор" и применяется для демонстрации возможностей новых образовательных технологий. Опытный вариант разработанной мультипроцессорной автоматизированной системы управления режимом бурения неоднократно и успешно испытывался на буровых установках треста Оренбург-БурГаз.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и демонстрировались на 11-ти российских и международных выставках-семинарах, посвященных новым образовательным технологиям (г. Москва - 1996, 98, 99, 2000 гг, г.Нижний Новгород - 1996 г., г.Санкт-Петербург - 1997 г., г.Остин - США - 1997г., г.Базель - Швейцария - 1998 г., г.Ростов на Дону - 1999 г., г.Орел - 1999 г.). Был произведен ряд успешных сеансов экспериментальных исследований электротех

10 нических устройств в рамках разработанных комплексов оборудования в режиме удаленного доступа. Доступ к оборудованию осуществлялся как по высокоскоростным линиям связи (оптоволокно, спутниковые каналы), так и по медленным коммутируемым линиям. В целом, опыт показал достаточно высокую динамику проведения экспериментальных исследований: даже с использованием плохих линий связи, со скоростью передачи информации до 9600 бит/с. Суммарное время проведения одного эксперимента с одного рабочего места не превышало 1-2 минут, из которых непосредственно использование объекта занимает единицы секунд, в зависимости от объекта исследования, а остальное время обусловлено транспортной задержкой передачи результатов эксперимента пользователю.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 9-ти приложений, имеет 184 страницы основного текста, 46 рисунков, список литературы из 76 наименований и три Акта об использовании результатов работы.

Выводы

• Базовые программно-технические средства для создания автоматизированного лабораторного оборудования нового поколения должны быть открытыми, комплектными, стандартными, гибкими, информационно, электрически и конструктивно-совместимыми.

• Измерительно-управляющие подсистемы комплекса лабораторного оборудования должны строиться по комбинированной идеологии с трехуровневым распределением вычислительных ресурсов: на объектном уровне - это мультипроцессорная система на основе специализированных микроконтроллерах, каждый значимый узел объекта (датчик или группа датчиков, регулятор, преобразователь, нагрузка и т. д.), снабженный отдельным микроконтроллером, становится "информационно прозрачным" и "абсолютно управляемым"; на промежуточном уровне — это сервер стенда; на пользовательском уровне — современные персональные компьютеры, способные воспроизводить все современные достижения компьютерных технологий: цвет, звук, трехмерную графику, анимацию, без чего эффективность процесса обучения была бы не столь высока.

• Программное обеспечение исследовательского комплекса должно включать в свой состав ряд компонентов, выполняющих различные функции:

ПО объектного уровня - драйверы компонентов стенда;

ПО компьютера-сервера - дистанционный обмен информацией между аппаратными средствами автоматизированных лабораторных стендов и рабочими местами пользователей

ПО рабочих мест пользователей - предоставление пользователю справочной информации об объекте, средства моделирования, подготовки и проведения эксперимента на удаленном оборудовании, средства обработки и анализа экспериментальных данных, средства получения обучаемым индивидуального задания.

• В качестве средств разработки программного обеспечения комплекса следует использовать средства низкоуровневого программирования, основанные на языках программирования С и ассемблер, - для ПО объектного уровня и средства визуального программирования типа Borland С++ Builder 4.0 - для ПО сервера и рабочих мест пользователей.

82

4. ТИПОВОЙ КОМПЛЕКТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОСНАЩЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ УЧЕБНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ

4.1. Распределенная учебная лаборатория как новая форма автоматизированных лабораторий политехнического профиля 9

В общем случае под РУЛ понимается территориально разнесенная, но организационно объединенная структура, позволяющая за счет использования средств телекоммуникаций коллективно использовать лучшие методические, дидактические и научно-технические разработки ведущих образовательных и академических учреждений и образующая в целом творческую лабораторию по созданию и реализации принципиально новых учебных курсов фундаментальной подготовки специалистов на базе новых образовательных технологий в каждом конкретном учебном направлении (Рис. 4.1).

Принцип "распределения" объективно диктуется необходимостью собрать в единую структуру именно лучшие и часто уникальные разработки (которые реально существуют либо могут быть созданы в различных регионах страны), с целью создания функционально полной обучающей системы. Существует несколько объективных предпосылок создания в системе образования сети распределенных учебных лабораторий, обеспечивающих наиболее экономически эффективную подготовку специалистов высокого уровня: В ряде направлений учебной подготовки в Вузах (например, машиностроение, энергетика, транспорт, металлургия, добыча нефти, газа, руды и пр.) в качестве объектов изучения выступают сравнительно громоздкие, энергоемкие и дорогостоящие системы (компрессорные установки, насосные агрегаты, прокатные станы, турбо- и гидрогенераторы, электро- и тепловозы и т.д.). Возникает экономическая проблема организации учебного процесса с возможностью фронтального выполнения практических работ при большой к тому же

84 вариантности базовых объектов изучения. Частичное решение этой проблемы обычно находят путем оснащения учебных лабораторий периферийных Вузов конкретной продукцией местных предприятий. Ограниченность такого подхода связана с тем, что номенклатура продукции местных предприятий достаточно ограничена, а типовой перечень объектов изучения, как правило, шире. Однако в другом регионе аналогичная структура Завод-ВУЗ построена уже на другой конкретной продукции. В целом же по стране исторически возникла распределенная сеть крупных предприятий (и, как правило, Вузов при них), каждое из которых ориентировано на конкретный вид промышленной продукции, а вместе они образуют взаимодополняющую систему типового набора объектов изучения. Целесообразно организационно объединить эту распределенную систему, сделав широко доступными уже имеющиеся базовые технические средства, например, на отраслевом уровне.

В структуре академической науки страны исторически сложились уникальные, хорошо оснащенные научные Центры (Академгородки), в которых создано уникальное оборудование и технологии. По известным причинам в настоящее время накопленный научный потенциал используется крайне неэффективно и уникальные научные Центры деструктуризируются. Использование этого потенциала в образовательном процессе на новой организационно-технической основе было бы экономически оправдано.

В структуре вузовской подготовки давно и успешно существует такое объединение, как факультет. При объединении кафедр внутри факультета применяется принцип взаимного дополнения, когда каждая тематическая кафедра, используя свой педагогический и методический потенциал, а также лабораторную базу, реализует для всего потока совокупность учебных курсов, образующих учебное направление. Это не что иное, как прообраз распределенной учебной лаборатории и удобный полигон для отработки всех ее организационных и технических аспектов. Существующий прототип факультетской распре

85 деленной учебной лаборатории имеет тот существенный недостаток, что каждая кафедра в настоящее время должна иметь ресурсы (кадры, оборудование, площади), рассчитанные на обслуживание всего потока обучаемых, что многократно увеличивает стоимость подготовки специалистов. Используя современ-*~ную концепцию автоматизированного лабораторного практикума удаленного доступа (АЛЛ УД) [39], можно значительно повысить качество подготовки специалистов при существенном сокращении затрат.

Назревшее реформирование и совершенствование российской системы образования в современных условиях невозможно проводить без учета стремительно развивающихся процессов информатизации практически всех сторон общественной и личной жизни. С появлением и широким распространением компьютерной техники становятся доступными мощные средства компактного хранения и обработки информации, представляемой в разнообразных формах. Возможности чрезвычайно быстрого доступа к территориально распределенным источникам информации открывают компьютерные сети, проникающие в самые отдаленные регионы благодаря системам телекоммуникаций, что особенно актуально для России с ее распределенными территориями и резкими различиями в социальном и экономическом развитии регионов.

Характерными особенностями применения распределенных учебных лабораторий являются: открывающееся многообразие выбора состава объектов изучения, заданий и форм обучения; принципиальная возможность применения в образовательном процессе наиболее современных и перспективных объектов, в том числе уникального оборудования, которое не поддается тиражированию, но оказывается доступным для изучения благодаря достигаемой информационной прозрачности и применяемым средствам телекоммуникации;

86 экономическая эффективность, обеспечиваемая исключением многократного дублирования лабораторного оборудования, минимизацией затрат на его размещение и обслуживание; активизация и повышение роли самостоятельной работы обучающихся за счет индивидуализации заданий на выполнение учебных исследований, а также органического объединения этих исследований с изучением основных теоретических положений, самоконтролем степени усвоения знаний, компьютерным моделированием, имитирующим условия проведения натурных экспериментов; обеспечение единых требований к содержанию, методической проработанности, уровню проведения лабораторных занятий и контролю качества получаемых при этом знаний и навыков; изменение роли преподавателей, основная работа которых сосредотачивается на создании учебно-методических материалов, включающих компьютерные модели изучаемых объектов, сценарии обучающих программ, вопросы для контроля знаний, индивидуальные задания для проведения лабораторных исследований, а также на консультировании и контроле знаний обучающихся в режиме удаленного доступа по компьютерным сетям.

Предлагается оснастить подобные автоматизированные распределенные учебные лаборатории типовыми программно-техническими и научно-методическими комплексами по базовым направлениям подготовки [67], примеры реализации которых приведены ниже.

4.2. Программно-технический и научно-методический комплекс "Основы электротехники"

4.2.1. Структура и содержание курса

Основы электротехники изучаются на различных этапах обучения: практически любого человека, начиная со школьного курса физики. Курс «Общая электро

87 техника» является обязательным для студентов вузов, обучающихся по неэлектротехническим направлениям и специальностям, а фундаментальный курс «Теоретические основы электротехники» изучается студентами, специализирующими в областях техники, связанных с разработками и применением электротехнических устройств, систем и комплексов.

Состав учебных материалов, включаемых в различные учебные издания по основам электротехники, весьма разнообразен. Столь же разнообразны трактовки отдельных разделов и тем, а также объемы учебного материала, отводимого для их изложения. Вместе с тем, авторы большинства существующих учебных изданий, посвященных изложению основ электротехники, уделяют неоправданно большое внимание рассмотрению различных математических методов анализа электрических и магнитных цепей, позволяющих определять режимы их работы, не прибегая к использованию каких-либо средств автоматизации расчетов кроме электронных калькуляторов. Ясно, что возможности аналитических методов анализа цепей, особенно нелинейных, весьма ограничены. Тем более это относится к задачам анализа переходных процессов.

Например, анализ переходных электромагнитных и электромеханических процессов, характеризующих работу электрических машин, даже в простейших случаях не может проводиться аналитическими методами. Аналогичное утверждение справедливо и для решения задач анализа разветвленных цепей, содержащих диоды, транзисторы и другие электронные приборы.

В результате авторы учебников и учебных пособий, как правило, ограничиваются рассмотрением и качественным анализом простейших цепей и эквивалентных схем электротехнических устройств. Например, при изучении электрических цепей много времени и внимания уделяется освоению формальных методов преобразования и упрощения сложных схем и приведения их к эквивалентным схемам, которые могут быть рассчитаны без применения вычислительной техники. Однако при переходе к простой эквивалентной схеме теряется инфор

88 мация о внутренних процессах, которые и представляют существенный интерес в процессе изучения. При этом тратится значительная часть времени на нетворческую работу вычислительного характера, которая не способствует достижению основной цели курса - формированию системы понятий, характеризующих изучаемый раздел науки, и умения применять эти понятия в решении практических задач.

Отличительная особенность предлагаемого автоматизированного курса заключается в сбалансированности изучаемого материала и в пересмотре значимости ряда исторически сложившихся разделов, которые в настоящее время потеряли свою актуальность в связи с применением компьютерных средств моделирования. Предлагаемые в рамках автоматизированного курса стандартные и специальные средства компьютерного моделирования позволяют изучать процессы в объектах практически любой сложности без каких-либо формальных преобразований и упрощений, что, в свою очередь, позволяет исключить из курса целый ряд разделов отнюдь не в ущерб качеству подготовки.

В предлагаемом автоматизированном учебном курсе по основам электротехники предусматривается изучение цепей постоянного и переменного тока на единой методической основе. Установившиеся процессы рассматриваются как частный случай переходных процессов, когда исследуемая система достигает равновесного состояния. Представляется также нецелесообразным выделение в особый раздел вопросов исследования нелинейных цепей. Кроме того, в отличие от традиционного курса, в составе которого отводится время на выполнение только восьми 4-х часовых лабораторных работ, автоматизированный учебный курс включает экспериментальные исследования как обязательный и неотъемлемый компонент выполнения практически каждого индивидуального задания наряду с компьютерным моделированием. Последующий строгий математический анализ полученных результатов моделирования и экспериментальных исследований

89 также является обязательным в предлагаемой стратегии изучения любого объекта.

Общее содержание курса разделяется на ряд крупных тематических разделов, посвященных изучению теоретических основ и базовых элементов электротехники, их возможных взаимосвязей, типовых электротехнических устройств и, наконец, электротехнических систем и комплексов. Таким образом, предусматривается последовательное наращивание сложности учебного материала. В составе каждого раздела выделяются темы, которые, в свою очередь, включают совокупности объектов изучения. Предлагаемая структура автоматизированного курса "Основы электротехники" представлена в Приложении 4.

Приведенная структура учебного курса в ряде случаев может оказаться избыточной. При этом некоторые темы или объекты изучения могут быть исключены из полного списка, в результате чего формируется некоторый конкретный курс, предназначенный, например, для индивидуального изучения или соответствующий потребностям определенного учебного заведения.

Характерно также, что предлагаемый автоматизированный учебный курс позволяет освоить фундаментальные понятия, которые в дальнейшем применяются и конкретизируются в таких учебных курсах специальной подготовки, как «Электрические машины», «Основы электропривода», «Системы электроснабжения» и др.

4.2.2. Особенности методики изучения курса

Предлагаемый автоматизированный курс «Основы электротехники» может быть использован в процессе фундаментальной подготовки в учебных заведениях различного уровня: общеобразовательных школах, лицеях, профессионально-технических училищах, техникумах, военных училищах, технических университетах и др.

90

При этом имеется возможность всякий раз формировать некоторые частные подмножества курса для различных уровней обучения за счет выбора не только конкретных перечней разделов, тем и объектов изучения, но и варьирования глубины проработки учебного материала. Это удается сделать путем подбора индивидуальных заданий определенной сложности по каждой теме, включенной в состав данного подмножества базового учебного курса. Подобная "настройка" варианта курса проводится ведущим преподавателем с использованием разработанной подпрограммы "менеджер курса", которая позволяет маскировать отдельные фрагменты общего курса.

По каждому объекту изучения, представленному в программе курса, или по теме (в зависимости от трудоемкости и объема учебного материала) предлагается выполнить индивидуальное задание, которое может состоять из нескольких пунктов и оцениваться, например, по десятибалльной шкале.

Поскольку, как отмечалось ранее, автоматизированный учебный курс предназначается для самостоятельного изучения, то все необходимые учебные и методические материалы предоставляются учащемуся на компьютерных носителях информации, которые могут быть сохранены и функционировать в составе компьютера на рабочем месте учащегося.

Новое содержание в процесс обучения призваны внести специально разрабатываемые прикладные программные системы, поддерживающие множество процедур обучения, реализуемых в рамках выполнения индивидуальных учебных заданий. Они рассматриваются как своеобразные методические инструментальные средства активизации познавательной деятельности.

Стратегия выполнения каждого индивидуального задания в рамках предлагаемого автоматизированного курса предполагает выполнение ряда обязательных процедур: регистрация обучаемого в базе данных, обучение, получение индивидуального задания, компьютерное моделирование, экспериментальные исследования, математическая обработка результатов, получение итогового протокола.

91

Использование предлагаемой стратегии учит будущего специалиста технологии получения новых знаний об объекте изучения: любые свои мысленные гипотезы (или результаты модельного анализа) в обязательном порядке проверять на опыте, чтобы избежать грубых ошибок и просчетов. При этом он учится понимать, что даже самая, казалось бы, идеальная модель дает результат, отличающийся от экспериментального. Главная задача будущего специалиста - понять причины и грамотно оценить степень этого отличия не только качественно, но строго количественно, для чего он учится использовать современные методы математической обработки. Затем обучающийся должен принять решение о качестве используемой модели и необходимости ее усовершенствования. Умение уточнять параметры математической модели по результатам эксперимента (идентификация параметров математической модели) должно стать одним из главных критериев оценки качества подготовки специалиста. Вот почему моделирование изучаемых объектов и процессов наряду с их экспериментальным изучением является обязательными атрибутами обучения.

4.2.2.1. Регистрация

Данная процедура выполняется в несколько этапов. На начальном этапе каждый обучающийся получает персональный идентификационный номер на файл-сервере учебного заведения, который включает в закодированном виде следующую информацию: фамилия, имя, отчество; страна, город, учебное заведение; почтовый адрес, телефон, E-mail; статус обучаемого (школьник, ССУЗ, ВУЗ, ФПК); индивидуальный номер лицензии изучаемого курса.

Регистрация перед началом изучения конкретного учебного курса предполагает закрепление учащегося за определенным тьютором (преподавателем-консультантом). В дальнейшем по мере выполнения действий, предусмотренных технологией изучения курса, регистрируются их результаты. Регистрации также подлежат номера вариантов заданий по каждому объекту изучения или по каждой теме, оценка выполнения каждого задания и результирующая оценка студента по данному курсу. Результаты выполнения индивидуальных заданий передаются учащимся на проверку и сохраняются в базе данных учебного заведения до момента простановки оценки.

Для контроля интенсивности и качества работы тьюторов представляется целесообразным регистрировать обмен информацией между ними и учащимися в процессе совместной работы.

4.2.2.2. Процедуры обучения

Обучающие компоненты автоматизированного учебного курса подразделяются на разделы, темы и объекты изучения в строгом соответствии с представленной выше структурой учебного материала. В зависимости от характера изучаемого материала необходимо использовать различные выразительные средства для его представления.

Так, например, изучение общей структуры объекта, отдельных его подсистем и комплектующих устройств проводится путем последовательного многоуровневого раскрытия содержания функциональных и принципиальных схем, реализуемого самим пользователем, который самостоятельно определяет необходимые объекты изучения и глубину проработки материала. В данном случае применяются графические изображения, сопровождаемые поясняющими текстами, выполненные в технологии многооконного компьютерного интерфейса. Также используется технология гипертекстового построения учебного материала с дополнительным пояснением вводимых понятий.

Изучение физических процессов в исследуемой системе проводится с применением разработанных имитационных компьютерных моделей, обеспечивающих интерактивное взаимодействие с пользователями и позволяющих отображать результаты моделирования в наглядном и удобном для понимания виде. Технологию работы с имитационной компьютерной моделью

93 гию работы с имитационной компьютерной моделью иллюстрирует пример изучения принципов создания вращающихся магнитных полей в электрических ма

Таким образом, основными особенностями подсистемы обучения, входящей в состав автоматизированного учебного курса, являются: многообразие форм и наглядность представления учебного материала; возможности получения или закрепления знаний в режиме активного диалога с компьютерными моделями, адекватно реагирующими на действия учащегося в режиме реального времени.

4.2.2.3. Контроль знаний и допуск к выполнению индивидуального задания

Подсистема контроля знаний построена таким образом, что ответ на задаваемые вопросы не выбирается из предложенного набора альтернатив, а предполагает активные действия обучаемого с виртуальными образами реального оборудования (переключателями режимов, задатчиками уровней сигналов и т.д.). Эти действия сопровождаются графическим, а в ряде случаев и анимационным отображением получаемых результатов, что дает дополнительный обучающий эффект.

Перечень контрольных вопросов составлен таким образом, чтобы достаточно полно представить основные понятия и приемы, которыми должен владеть учащийся, приступая к выполнению конкретного задания. Для этого по каждому объекту исследования или теме сформирован перечень из 50 - 60 контрольных вопросов, которые, в свою очередь, разделен на пять тематических разделов по числу вопросов, задаваемых каждому учащемуся. Такими тематическими разделами могут быть, например: принцип действия объекта изучения, его конструкция, режимы работы, энергетические соотношения, рабочие характеристики и др. шинах (Рис. 4.2).

Рис. 4.2 Имитационная модель образования вращающегося поля в зазоре электрической машины

95

В процессе контроля знаний каждый студент получает по одному вопросу, выбранному из каждого тематического раздела случайным образом. Допуск к выполнению задания производится по результатам контроля знаний. Неудовлетворительный результат приводит к необходимости повторения цикла обучения и контроля знаний, что также фиксируется в соответствующей записи базы данных учебного заведения

4.2.2.4. Получение индивидуального задания

Каждый учащийся получает индивидуальное задание по каждому объекту или теме. Поэтому число вариантов заданий должно быть не меньшим, чем число учащихся в составе учебной группы. Наиболее простым является варьирование численных значений параметров изучаемых объектов. Количество пунктов задания не регламентируется, но должно быть достаточным для всестороннего изучения конкретного объекта или темы.

1.э Источник тепловых потерь в стали статора

2. Источник тепловых потерь в пазовой части обмотки статора1оз2 Источник тепловых потерь в лобовой части обмотки статора1ог Источник тепловых потерь в обмотке ротора1. КОНДЕНСАТОРЫ1. Се Теплоемкость статора1. Сг Теплоемкость ротора

3. Ср Теплоемкость обмотки статора1. Ск Теплоемкость корпуса1. СОПРОТИВЛЕНИЯ

4. ЯБк Тепловое сопротивление между статором и корпусом АД

5. Тепловое сопротивление между пазовой частью обмотки статора и сталью статора

6. Яргк Тепловое сопротивление конвективного теплообмена между пазовой частью обмотки статора и ротором

7. Тепловое сопротивление теплообмена теплопроводностью между пазовой частью обмотки статора и ротором

8. Тепловое сопротивление между лобовой и пазовой частями обмотки статора

9. БММ Тепловое сопротивление теплообмена теплопроводностью между лобовой частью обмотки статора и корпусом

10. Я1кк Тепловое сопротивление конвективного теплообмена между лобовой частью обмотки статора и корпусом

11. Ягу Тепловое сопротивление теплообмена теплопроводностью между ротором и валом (корпусом)113

12. Ягк Тепловое сопротивление конвективного теплообмена между ротором и корпусом

13. Тепловое сопротивление теплообмена излучением между корпусом и окружающей средой

14. Якок Тепловое сопротивление конвективного теплообмена между корпусом и окружающей средой

15. Рис. 4.12 Осциллограммы превышения температур относительно окружающей среды корпуса, ротора и обмотки статора АД при повторно-кратковременном режиме работы двигателя

16. Следует отметить также, что модели устройств, включенные в библиотеку, четко структурированы, что облегчает возможные замены компонентов, значений их параметров, управляющих и возмущающих воздействий.

17. Двухмассовая» °Ч£ш?1111мГ||аТ|ес?я --- 1ИИОТР. 1С рафик)1. График)