Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный технический университет имени
“УТВЕРЖДАЮ”
Первый проректор -
проректор по учебной работе
МГТУ им.
_____________
“___“ __________ 2003 г.
Дисциплина
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ В
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Для студентов факультета “Э”
специальности – Теплофизика “Э6” (спец. 070700)
Выделено на дисциплину | ВСЕГО | 9 семестр 17 нед. | 10 семестр 17 нед |
Выделено часов | 272 | 85 | 187 |
Аудиторная работа | 102 | 51 | 51 |
Лекции | 68 | 34 | 34 |
Семинары | - | - | - |
Лабораторные работы | 34 | 17 | 17 |
Самостоятельная работа | 170 | 34 | 136 |
Семестровые задания | 40 | 20 | 20 |
ДЗ № 1 | 10 ч., 10 нед. | 10 ч., 9 нед. | |
ДЗ № 2 | 10 ч., 15 нед. | 10 ч., 14 нед. | |
Курсовой проект | 102 | ||
Самостоятельная проработка курса | 14 | 14 | |
Виды отчетности по дисциплине | |||
Зачет | Зачет | - | |
Экзамен | - | Экзам. |
Факультет
Энергомашиностроение
Кафедра
Теплофизика «Э-6»
1. Цели и задачи дисциплины
Основные цели дисциплины: создание у специалиста общетехнической базы знаний в области систем автоматизации экспериментальных исследований.
Задачи дисциплины - формирование у будущего специалиста умений и навыков по следующим направлениям его деятельности:
§ организация измерительно-вычислительного процесса;
§ программирование работы электронной аппаратуры и задач по обработке экспериментальных данных;
§ построение модульных электронных систем.
Профессиональные навыки и умения, приобретаемые в результате изучения дисциплины.
Студент должен уметь:
· сформулировать цель автоматизации эксперимента и разработать техническое задание на проектируемую или используемую систему автоматизации экспериментальных исследований;
· в соответствии с техническим заданием на систему автоматизации эксперимента выбрать конкретные схему построения, а также приборы, устройства, вычислительные и программные средства для ее реализации.
Студент должен знать:
понятия:
интерфейс, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование, погрешность измерения, виртуальный прибор, регрессия, визуальное программирование;
методики:
- составления структуры измерительно-вычислительного тракта;
- выбора блоков и устройств для применения на конкретной экспериментальной установке;
- накопления и обработки экспериментальных данных;
приборы и изделия:
- датчики и чувствительные элементы физических величин, используемых в теплоэнергетических установках;
- электронные платы (в составе ЭВМ), модульные системы, отдельные приборы и блоки для сопряжения ЭВМ с экспериментальной установкой.
Основные исходные профессиональные и интеллектуальные навыки, умения и знания, необходимые для изучения дисциплины:
Навыки
владения клавиатурой ЭВМ, пользования операционными системами ЭВМ.
Знания
высшей математики, вычислительной математики и программирования на ЭВМ, электротехники и промышленной электроники, автоматического регулирования и управления.
Умения
классифицировать технические и электронные устройства и приборы, которые могут являться составными частями измерительного тракта экспериментальной установки.
2. Содержание дисциплины
9 семестр
1. Методологические и математические основы.
1.1. Назначение, архитектура, основы проектирования автоматизированных систем экспериментальных исследований (АСЭИ). Основные определения, цели и структуры АСНИ. Классификация и принципы построения. Экспериментальные исследования, их методика, этапы и средства. (3 часа)
1.2. Измерения, типы и их краткая характеристика. Точность и ошибки измерений, источники возникновения ошибок. Метрологическая надежность средств измерения. Методы уменьшения систематических ошибок измерений и исключения "грубых" ошибок (промахов). (2 часа)
1.3. Обработка результатов эксперимента, постановка задачи. Формальное и содержательное описание данных. Формы представления результатов эксперимента и его точности. Методы поиска аналитической зависимости данных эксперимента, сглаживание эмпирических данных. Элементы теории вероятности и математической статистики. Регрессионный и дисперсионный анализы. (4 ч)
2. Аппаратные и программные средства АСЭИ
2.1. Измерительные преобразователи и устройства, их метрологические и динамические характеристики. Виды соединений измерительных преобразователей. Классификация выходных сигналов измерительных преобразователей. (3 часа)
2.2. Операционный усилитель. Параметры и базовые схемы включения. Измерительный усилитель, преобразователь сопротивление-напряжение. Мостовые схемы включения преобразователей. Способы подключения датчиков к устройствам ввода-вывода информации в ЭВМ. Помехозащитные свойства линий связи датчиков с ЭВМ при передаче информации. (4 часа)
2.3. Цифровые микросхемы, их типы и характеристики. Основные логические операции и функции, выполняемые цифровыми микросхемами. Отечественные комплекты и их зарубежные аналоги. (2 часа)
2.4. Микропроцессоры (МП), процессоры цифровой обработки сигналов (DSP), микроЭВМ и микропроцессорные контроллеры, микропроцессорная система (МПС). Определения, типы и характеристики микропроцессоров. Номенклатура отечественных микропроцессорных комплектов и их зарубежные аналоги. Понятие порта, шины управления, адреса и данных. Типовая структура микропроцессорного устройства. (2 часа)
2.5. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования. Основные понятия и определения. Характеристики и погрешности преобразователей, их метрология. Входные и выходные сигналы. Методы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований, их краткая характеристика. Номенклатура зарубежных и отечественных микросхем АЦП и ЦАП. Требования к выбору микросхем АЦП и ЦАП для их применения в АЭИ. Реализация интерфейса АЦП-МП и способы его программного обеспечения. (6 час)
Определение интерфейса. Классификация интерфейсов. Стандарты, механическая, логическая и электрическая совместимость. Специализированные приборные интерфейсы. Особенности магистрально-модульных интерфейсов систем сбора данных, применяемых в теплофизическом эксперименте (CAMAC, VME, PXI).
2.6. Архитектура ввода-вывода данных в МПС. Типы организации интерфейса. Стандартные интерфейсы МПС для связи с периферийными устройствами. Радиальный и магистральный типы интерфейса, их преимущества и недостатки. Отечественные типы интерфейсов и их зарубежные аналоги. Комплекты интерфейсных микросхем отечественного и импортного производства. (2 часа)
2.7. Системы сбора данных. Параметры, классификация, типовая структура, назначение ее отдельных элементов. Одноканальные и многоканальные системы. Способы связи с удаленными источниками информации, управления дистанционными датчиками и исполнительными механизмами. (4 часа)
Лабораторные работы – 17 часов
1. | программирование внешних устройств на физическом уровне, управление работой функционального модуля | 5 часов |
2. | основы программирования аппаратуры ввода/вывода и разработка элементов программного обеспечения эксперимента, методы обработки экспериментальных данных и представления результатов эксперимента | 6 часов |
3. | организация измерительно-вычислительного комплекса на базе IBM PC | 6 часов |
Самостоятельная работа – 34 часа
Домашние задания – 20 часов
1. Подбор датчиков и расчет входных схем согласования с устройством сбора экспериментальных данных. Выдать/сдать - 7/10 неделя. 10 часов.
2. Расчет метрологических характеристик измерительного канала. Выдать/сдать - 12/15 неделя. 10 часов.
10 семестр
1. Элементы программного обеспечения теплофизического эксперимента. Модульный принцип построения программного обеспечения (ПО) теплофизического эксперимента. Состав системного ПО, операционные системы реального времени (QNX, LV Real Time). Организация ПО в виде проблемно-ориентированных пакетов прикладных программ (LabVIEW, MathCad, MatLab). Программно-управляемый режим обслуживания внешних устройств. (4 часа)
2. Основы программирования, сбора, обработки данных и управления в интегрированной среде LabVIEW (LV). Введение в. Концепция виртуальных инструментов. LabVIEW как графическая система программирования. Разработка интерактивных программ сбора, обработки данных и управления периферийными устройствами. (8 часов)
3. Элементы графического программирования (язык программирования G). Построение виртуального инструмента. Блок-диаграммы. Поточное программирование. Структурное программирование Модульность и иерархия. Циклы и диаграммы. Массивы в LabVIEW. Создание массивов в цикле. Функции для работы с массивами. Непосредственный ввод формул. Строковый тип данных. (8 часов)
4. Использование виртуальных инструментов как подпрограмм. Начальные установки виртуальных инструментов Начальные установки виртуальных инструментов как подпрограмм. Основы сбора данных. Библиотеки анализа - Analyses. Анализ экспериментальных данных в среде LabView. Работа в реальном масштабе времени. (6 часов)
5. Обзор специализированной цифровой измерительной аппаратуры импортного и отечественного производства, предназначенной для работы в комплексах АЭИ. Вычислительные сети в АЭИ, общие концепции. Архитектура локальных сетей, базы данных. АЭИ и Internet, управление удаленным экспериментом. (4 часа)
6. Пример создания автоматизированной системы сбора данных при исследованиях на теплоэнергетической установке. (4 часа)
Лабораторные работы – 17 часов
1. | Принципы построения виртуальных приборов. Ввод-вывод цифровой информации. Простейшие операции в LabVIEW | 5 часов |
2. | Обработка информации в среде LabVIEW, элементы регрессионного анализа (понятия адекватности и точности модели), элементы спектральный анализ сигнала | 6 часов |
3. | Программирование элементов управления и сбора информации, элементы управления внешним устройством | 6 часов |
Самостоятельная работа – 34 часа
Домашние задания – 20 часов
1. Разработка программы простейшего виртуального измерительного прибора. Выдать/сдать - 6/9 неделя. 10 часов.
2. Составление сценария эксперимента и реализация программы управления его ходом на языке высокого уровня. Выдать/сдать - 11/14 неделя. 10 часов.
Курсовое проектирование
Разрабатываются модели приборов и устройств из области теплофизики и процессов тепломассообмена. Базой для разработки моделей служат теплофизические закономерности явлений в моделируемом объекте либо экспериментально-статистические данные. Анализ физических моделей включает современную технологию теоретических исследований, основанную на экспериментировании с моделью физического объекта посредством ЭВМ. Разработанные модели реализуются в одной из специализированных сред (LabVIEW, MathCad, MathLab и т. д.).
Примерная тематика исследования:
1. Тепловое состояние элементов энергоустановок.
2. Теплоотдача в трубах, каналах и на поверхностях.
3. Структура потока газа или жидкости около поверхности.
Объем графической части курсового проекта – 2-3 листа формата А1, объем расчетно-пояснительной записки – 30-35 листов формата А4.
3. Учебно-методические материалы
1. Основная литература:
1. , Радкевич экспериментальных исследований.- М.: Наука, 198с., ил.
2. , Пономарев в эксперименте: Архитектура и программные средства систем автоматизации. Учебн. руководство.- М.: Наука, 198с.
3. , , и др.; под ред. . Теория и техника теплофизического эксперимента: Учебное пособие для вузов.- М.: Энергоатомиздат, 198с.,ил.
4. Уэбстер Дж. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC.- М.: Мир, 199с., ил.
5. Искусство схемотехники. Пер. с англ. – М.: Мир,1993. Т 1,2,3.
6. Аппаратные средства PC. Энциклопедия. - СПб.: Питер Ком, 2001.
7. , Калашников устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC.- М.: ЭКОМ., 1997.
2. Дополнительная литература:
5. Чернов ввода-вывода аналоговой информации для цифровых систем сбора и обработки данных.- М.: Машиностроение, 198с., ил.
6. , Степанов ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации: Справочник.- М.: Радио и связь, 199с., ил.
7. Шевкопляс структуры. Инженерные решения: Справочник.- 2-е изд. перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 199с., ил.
Программа составлена к. т.н., доц. ___________
“___” _________ 2002 г.
Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры Э-6
Заведующий кафедрой Э-6 _________
“___” _________ 2002 г.
Программа рассмотрена и одобрена методической комиссией
факультета “Энергомашиностроение”
Председатель методической
комиссии факультета “Э” ________
“___” _________ 2002 г.
Руководитель НУК “Э” _________
“___” _________ 2002 г.
Начальник методического
отдела _________
“___” _________ 2002 г.
