Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
ТЕХНОЛОГИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОМ НА БАЗЕ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ И ВИРТУАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
В данной работе описывается технология автоматизации и управления физическим экспериментом в лабораторном практикуме «Электрические цепи» кафедры «Электротехника» МИФИ. Особое внимание уделено предварительной самостоятельной подготовке студентов к проведению физического эксперимента. Реализовать эту задачу позволяет современный информационно-измерительный лабораторный комплекс.
Современные информационные технологии, применяемые в процессе обучения, позволяют по-новому организовать экспериментальные исследования в лабораторном практикуме при изучении электротехнических дисциплин. Данные исследования в лабораторном практикуме «Электрические цепи» МИФИ студенты проводят на базе информационно-измерительного комплекса, структура которого приведена на рис.1.
Данный комплекс позволяет выполнить следующие задачи:
● самостоятельная подготовка студента к проведению реального физического эксперимента (студент имеет возможность самостоятельно проводить предварительный эксперимент на базе персонального компьютера и виртуальных приборов, отрабатывать профессиональные навыки проведения экспериментальных исследований);
● проведение реального физического эксперимента на базе автоматизированных рабочих мест студента (универсальных лабораторных стендов ЭЛУС-2М) непосредственно в учебной лаборатории.
Рис. 1. Структура информационно-измерительного комплекса
В настоящее время происходит его модернизация на основе современных компьютерных и информационно-измерительных технологий. В частности, совершенствуется техника и методика проведения лабораторного эксперимента на основе компьютерного моделирования. Это позволит решить следующие задачи:
● индивидуализацию выполнения работ студентами за счет произвольного изменения параметров элементов исследуемой схемы электрической цепи;
● индивидуализацию выполнения предварительного виртуального эксперимента (с помощью персонально компьютера);
● сокращение времени на подготовку к лабораторной работе, проведение эксперимента и оформление отчета за счет автоматизации расчетов, графических построений, а также использования электронной формы отчета;
● эффективную подготовку студента к проведению реального эксперимента путем получения предварительных результатов, позволяющих в дальнейшем анализировать их практически на реальных установках.
Физические исследования в лабораторном практикуме на кафедре «Электротехника» МИФИ проводятся с применением современных цифровых приборов и персональных компьютеров. Используется технический комплекс средств, позволяющий организовать автоматизацию физического эксперимента и управление им. При проведении эксперимента поддерживается обратная связь «преподаватель–студент» [1].
На рис. 2 приведена упрощенная функциональная схема процесса обучения применительно к занятию «лабораторная работа», подобная описанной в [2]. Обозначения на схеме: i = 1...n – пункты задания к ЛР; j = 1…m – студенты, выполняющие ЛР ; Задатчик – лабораторный практикум (ЛП); ОУ – объект управления(студент); БД – база данных (программа курса, календарный план, лекционный материал, учебные пособия и т. п.), определяющая требуемый уровень знаний, умений и навыков студента.
Рис. 2. Функциональная схема процесса обучения при выполнении ЛР
Таким образом, приведенная схема – это замкнутая дискретная система управления, в которой блок «преподаватель» выполняет функции измерительного устройства, элемента сравнения и устройства управления.
Включение в состав АРМ персональных компьютеров позволит решить целый ряд задач, связанных с автоматизацией физического эксперимента:
● контроль измеряемых параметров и качество усвоения знаний;
● первичную обработку результатов поступающей информации в реальном времени с целью корректировки результатов проведения эксперимента (для каждого студента индивидуально);
● оперативный вывод информации о ходе проведения эксперимента;
● сбор и обработку экспериментальных результатов.
В связи с развитием информационных технологий в настоящее время имеется большое количество вычислительных систем, моделирующих физический эксперимент на компьютере. Компьютерные модели, используемые в таких программах, являются наглядным представлением численных методов, отражающих законы, теоремы и принципы электротехники. Проведенный сравнительный анализ трех популярных программ электротехнического моделирования: «Microcap», «Electronics Workbench» (EWB) и «Multisim» показал, что в качестве среды компьютерного моделирования целесообразно выбрать программный пакет «MULTISIM» (версия 10.1, разработчик – компания “National Instruments”). Достоинствами программы «Multisim» являются: простой, интуитивно понятный интерфейс программы; легкость создания принципиальных схем; интерактивность (т. е. возможность непосредственно в процессе работы измерительных приборов изменять параметры цепи, при этом выходное значение измерительного прибора изменяется одновременно с изменением этих параметров).
Графическое представление библиотек компонентов в программе «Multisim» является более удобным в сравнении с текстовым заданием параметров («Microcap»), а также в большей степени отвечает приближению к физическому эксперименту, так как в элементе схемы прописаны паразитные параметры и другие характеристики, занесение которых вручную уже не требуется.
Важной особенностью «Multisim» является наличие панели контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам приближенных к их промышленным аналогам, что позволяет имитировать работу с измерительными приборами, кроме обычного моделирования электрических схем.
Для ознакомления студентами с «Multisim» был разработан цикл вводных занятий, в которых изложены основы построения принципиальных схем в данной среде (ознакомление с интерфейсом пользователя, обзор компонентов, работа с виртуальными приборами). На рис. 3 приведена общая структура выполнения лабораторной работы. На рис. 4 и 5 представлены основные компоненты пользовательского интерфейса «Multisim».
Рис. 3. Структура организации выполнения лабораторной работы
Рис. 4. Основные элементы пользовательского интерфейса среды Multisim
Компоненты – это все элементы, из которых состоит схема. Для среды Multisim характерны две категории компонентов: реальные (real) и виртуальные (virtual). Необходимо ясно понимать различия между ними. У реальных компонентов, в отличие от виртуальных, есть определенное, неизменяемое значение. Виртуальные компоненты предназначены для проверки собираемых схем с помощью схем с известными значениями компонентов. Им можно назначать произвольные параметры.
Рис. 5. Проводник компонентов
Виртуальные приборы – это компоненты Multisim (осциллографы, генераторы сигналов, мультиметры и пр.), которые запрограммированы в соответствии с техническим описанием производителя. Их лицевые панели соответствуют реальным приборам, входящим в состав лабораторного стенда.
Использование макетирования помогает наглядно продемонстрировать процесс проектирования схем. «Multisim» позволяет показать процесс и результат макетирования в трёхмерном виде. Для размещения компонентов на плате сначала создаётся принципиальная схема. Затем, открыв закладку макетной платы, можно составить схему.
При этом, если все элементы соединены и это выполнено верно, принципиальная схема (элементы и соединительные проводники) подсвечивается зелёным цветом, что означает: макет собран верно.
Заключение
В результате моделирования с использованием программной среды «Multisim» показана возможность более качественной самостоятельной подготовки студентов к выполнению лабораторных работ на реальных исследовательских стендах. При этом реализуется возможность работы с более современной базой измерительных приборов, а также расширяется спектр задач, решаемых при выполнении курсовых проектов и учебно-исследовательской работы студентов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вопросы методики разработки и применения автоматизированных систем для обучения электротехническим дисциплинам. // Сб. «Научная организация учебного процесса» – № 6 (104) – Новосибирск: НЭТИ, 1984. С. 3.
2. Параметрически адаптивное управление образовательной деятельностью / ; под ред. . М.: МИФИ, 2006.
