ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано | Утверждаю | |
Руководитель ООП по специальности 221700 проф. | Зав. кафедрой М и УК проф. |
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
Теория и расчёт измерительных преобразователей и приборов
Направление подготовки: 221700 – Стандартизация и метрология
Профиль подготовки: Метрология и метрологическое обеспечение
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Санкт-Петербург
2012
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
«Теория и расчёт измерительных преобразователей и приборов»
Общая трудоемкость дисциплины «Теория и расчет измерительных преобразователей и приборов» составляет 5 зачетных единиц или 180 часов.
Цель изучения дисциплины - подготовка студентов к решению практических задач, связанных с проектированием измерительных преобразователей и приборов с использованием САПР.
Предметом учебной дисциплины являются основы теории измерительных преобразователей (ИП) и измерительные приборы (Ипр) (математические модели, структурные схемы, физико-технические эффекты, используемые в преобразовании) и основы их проектирования (расчёт метрологических характеристик, методы анализа качества и структурного синтеза, структура САПР и особенности её использования).
В результате изучения дисциплины «Теория и расчет измерительных преобразователей и приборов» студент должен:
· Иметь представление:
- о проблемах методологии проектирования ИП и ИПр
- о факторах, определяющих перспективы развития САПР ИП и ИПр
- о вновь разрабатываемых измерительных преобразователях и приборах
· Знать и уметь использовать:
- физико – технические эффекты, лежащие в основе преобразований
- основы проектирования ИП и ИПр
- методы анализа качества ИП и ИПр
- методы структурного синтеза ИП и ИПр
- принцип работы и метрологические характеристики ИП и ИПр
- структуру САПР ИП и ИПр
- техническое и программное обеспечение САПР
- особенности использования САПР при проектировании ИП и ИПр
· Иметь опыт (навыки):
- проектирования и рачеста ИП и Ипр с использованием САПР
Выпускник должен обладать следующими профессиональными компетенциями: ПК19, ПК23.
Виды учебной работы:
Лекции;
Лабораторные работы;
Практические занятия;
Курсовая работа.
Изучение дисциплины заканчивается экзаменом.
Основные дидактические единицы (модули):
Дисциплина ««Теория и расчет измерительных преобразователей и приборов»» состоит из следующих разделов:
Введение
[ 1 ] c. 3 – 6
Содержание, цели и задачи курса. Его роль и место в современной проектно-конструкторской подготовке инженера-метролога. Краткий исторический обзор развития методов проектирования ИП и ИПр.
Общие сведения о проектировании технических объектов
[ 1 ] c.7 – 30, [2] с.7 – 19
Блочно-иерархический подход к проектированию. Горизонтальные (иерархические) уровни сложных систем. Вертикальные уровни (аспекты) проектирования. Этапы, стадии, процедуры, операции проектирования. Нисходящее и восходящее проектирование.
Классификация показателей качества и параметров объектов проектирования (ОП): выходные, внутренние и внешние; фазовые переменные. Структура технического задания (ТЗ). Обоснование целей проектирования. Формулировка исходной цели (ИЦ) проектирования: название ОП, требования к ОП, функции ОП, степень детализации отдельных компонентов и аспектов проекта. Формулирование требований к ОП с помощью метода отрицания и конструирования и анализа зависимостей между каждой парой требований (матрица взаимодействия требований).
Задачи и методы проектирования. Анализ, синтез (структурный, параметрический) и оптимизация. Метод многовариантного анализа. Синтез оптимального технического решения. Виды оптимизации: структурная, параметрическая (номинальных значений, допусков, технических требований). Схема процесса нисходящего проектирования на отдельном иерархическом уровне. Особенности неавтоматизированных (ручных) и автоматизированных методов проектирования. Требования к методам проектирования. Принципы построения и структура систем автоматизированного проектирования.
Подсистемы САПР: проектирующие (объектно-зависимые, объектно-независимые), обслуживающие. Составные функциональные части САПР: техническое, математическое, программное, лингвистическое, информационное, методическое, организационное обеспечения.
ИП и ИПр как объекты проектирования
[ 6 ] c.
Концепция объекта проектирования: принцип действия, структурная схема, основные показатели качества и параметры.
Физико-технические эффекты (ФТЭ), лежащие в основе работы измерительных преобразователей. Классификация ФТЭ по виду входного воздействия, отклика и функции преобразования. Структурная схема и математическая модель физико-технического эффекта. ИП как составная часть измерительного прибора ИПр.
Структурные схемы ИП; основные показатели качества и параметры.
Математические модели ИП и Ипр
[ 1 ] c, [2] с
Общие сведения о математических моделях. Блочно-иерархическое проектирование и математические модели. Характерные особенности математических моделей, используемых на микро-, макро - и метауровнях. Требования, предъявляемые к математическим моделям: точность, экономичность, степень универсальности. Классификация математических моделей: по характеру отображаемых свойств (функциональные и структурные); по характеру переменных (фазовые и факторные). Методы получения математических моделей.
Математические модели на микроуровне. Распределенные математические модели - системы дифференциальных уравнений в частных производных. Общий вид распределенных моделей и частные случаи.
Математические модели на макроуровне (сосредоточенные математические модели) - обыкновенные дифференциальные уравнения. Формальное представление структуры на макроуровне: графы, эквивалентные схемы (с однородными и разнородными элементами). Методы получения моделей: узловой, контурный, переменных состояний, табличный.
Математические модели на метауровне. Методы получения моделей: теория автоматического управления, планирование эксперимента, математическая логика, теория массового обслуживания. Функциональное моделирование.
Функциональные, факторные, фазовые макромодели. Моделирование систем массового обслуживания. Логическое моделирование.
Математические модели ИП и Ипр на разных уровнях.
Техническое обеспечение САПР ИП и Ипр
[ 1 ] c.31-55
Состав, организация и режимы работы технических средств САПР. Типы вычислительных сетей САПР. Машинная графика. Режимы работы САПР: пакетный и диалоговый. Терминальные комплексы. Дисплеи: алфавитно-цифровые и графические.
Лингвистическое обеспечение САПР ИП и Ипр
[ 1 ] c. 56-72
Языки общения человека с ЭВМ и их классификация: языки программирования (алгоритмические), проектирования (проблемно-ориентированные), управления. Языки программирования: высокого и низкого уровня, их достоинства и недостатки, рекомендации по выбору. Языки проектирования: входные, выходные, сопровождения, внутренние. Входные языки: графические, схемные, моделирования. Языки сопровождения: диалоговые, недиалоговые.
Программное и информационное обеспечение САПР ИП и Ипр
[ 1 ] c.273-292
Программное обеспечение САПР: общее и специальное.
Общее (системное) программное обеспечение (ОПО) - операционные системы ЭВМ. Структура ОПО: управляющие (внутренние) и обрабатывающие (внешние) программы.
Управляющие программы (группа исполнения программ): управление задачами (супервизор), управления заданиями, управления данными. Обрабатывающие программы (группа подготовки программ): трансляторы, обслуживающие программы, библиотеки.
Специальное программное обеспечение (СПО) - пакеты прикладных программ. Модульные построения программ. Типы модулей и варианты структуры программного обеспечения САПР. Программное обеспечение машинной графики. Характер взаимодействия модулей рабочих программ.
Принципы построения программ разных иерархических уровней. Показатели качества прикладных программ.
Информационное обеспечение (ИО) САПР. Банк данных (БНД): база данных (БД) и система управления базовых данных (СУБД). БНД общецелевые и специализированные. Информационные потоки в САПР. Реализация связей модулей по информации. Требования к БД. Структура БД.
Задачи анализа и методы их решения в САПР
[ 1 ] c.136-206
Особенности математических моделей объектов проектирования, влияющие на выбор численных методов их анализа: высокая размерность; разреженность матриц в математических моделях; жесткость систем управлений, связанных с плохой обусловленностью матриц Якоби; умеренные требования к точности анализа.
Методы анализа статических состояний. Постановка задач анализа статических состояний. Методы решения систем нелинейных конечных уравнений. Методы решения систем линейных алгебраических уравнений.
Повышение эффективности алгоритмов одновариантного анализа. Основные направления повышения эффективности алгоритмов анализа. Алгоритм Гауссовых исключений в методе разреженных матриц. Компилирующий и интерпретирующий алгоритмы в методе разряженных матриц. Оптимальное упорядочение строк и столбцов в матрице Якоби. Методы фрагментации (диакоптические). Комбинированные алгоритмы интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений.
Особенности анализа многопериодных объектов. Специфические алгоритмы анализа линейных объектов. Анализ стационарных режимов колебаний в нелинейных объектах с периодическим входными сигналами.
Анализ распределенных математических моделей. Основные положения методов конечных разностей (МКР). Замена дифференциальной задачи разностной. Особенности структуры матриц Якоби в системах разностных уравнений. Методы числового решения систем разностных уравнений. Основные положения метода конечных элементов (МКЭ).
Статистический анализ. Метод наихудшего случая. Метод Монте-Карло (метод статистических испытаний).
Анализ чувствительности. Метод приращений. Прямой метод. Регрессионный метод.
Оптимизация технических объектов в САПР
[ 1 ] c.207-248
Основные определения. Безусловные экстремумы. Условные экстремумы. Необходимые и достаточные условия экстремума. Поисковая оптимизация. Этапы вычислительного процесса при оптимизации.
Способы постановки задач параметрической оптимизации. Классификация критериев оптимальности. Мультипликативные критерии. Аддитивные критерии. Минимаксные (максиминные) критерии. Статистические критерии.
Общие сведения о методах поиска экстремума. Классификация методов. Метод покоординатного спуска (метод Гаусса-Зейделя). Метод случайного поиска. Метод градиента. Метод наискорейшего спуска. Метод Ньютона. Одномерный поиск. Сведение задач условной оптимизации к безусловной. Нормализация управляемых параметров. Овраги и гребни целевых функций.
Методы оптимизации для задач проектирования. Метод Розенброка. Метод сопряженных градиентов. Метод переменной матрицы (метод Флетчера - Пауэлла). Метод проекции градиента. Алгоритмы оптимизации при использовании максимальных критериев. Оптимизация допусков. Оптимизация технических требований.
Структурный синтез в САПР
[ 1 ] c.249-272
Классификация задач синтеза. Параметрический синтез. Структурный синтез. Уровни смежности задач синтеза.
Подходы к решению задач структурного синтеза. Перебор вариантов: из архива типовых структур; генерируемых из библиотечных элементов. Оценка очередного варианта при переборе. Последовательный синтез. Выделение варианта из обобщенной структуры. Использование эвристических приемов. Сведение задачи структурного синтеза к задаче дискретного математического программирования.
Методы и алгоритмы структурного синтеза. Полный перебор. Метод ветвей и границ. Метод И-ИЛИ-дерева. Метод синтеза технологических процессов. Алгоритмы последовательного синтеза. Итерационные алгоритмы сокращенного перебора. Метод дискретного математического программирования. Геометрическое проектирование.
Система схемотехнического моделирования MICRO-CAP(24 часа)
[ 3 ] с. 3 – 84
Моделирование статического режима измерительного преобразователя в программе Micro-Cap. Моделирование переходного режима измерительного преобразователя в программе Micro-Cap. Моделирование частотных характеристик измерительного преобразователя в программе Micro-Cap.
Моделирование влияния разброса параметров компонентов на передаточную характеристику динамического звена в программе Micro-Cap.
Качество при проектировании
[ 5 ] c.1-21
Проектирование - один из этапов петли качества. Международные стандарты (МС) ИСО серии 9000 о качестве проектирования. Планирование проектирования и разработки. Входные и выходные данные для проектирования и разработки. Анализ проекта и разработки. Верификация проекта и разработки. Валидация проекта и разработки. Управление изменениями проекта и разработки.
Заключение
Краткое обобщение основных вопросов курса. Перспективы развития САПР ИП и ИПр. Направления дальнейшего самостоятельного расширения и углубления полученных знаний, использования их в практической деятельности.
