Исследование резонанса напряжений

Утвержден  ДП.0391. 230103.2011.ЛУ

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

Виртуальный лабораторный практикум по электротехнике «Исследование резонанса напряжений»

ДП.0391. 230103.2011.ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

Введение

В современном мире, мире компьютеризации, человек уже не может обходиться без компьютеров и специального программного обеспечения для достижения каких-либо целей. Другими словами, компьютер – облегчает жизнь человека, а именно ускоряет требуемое время, быстро решать поставленные задачи.

В учебных программах для профессионально-технических образовательных учреждений значительное внимание уделяется лабораторным работам, которые помогают учащимся лучше усвоить пройденный теоретический материал, связать теорию практикой и закрепить полученные знания. Однако часто в силу отсутствия достаточного оборудования ограничивается возможность доступа обучающихся к наиболее интересному и уникальному оборудованию, техническим объектам, научным и технологическим экспериментам, которые подчас представляют наибольший интерес и стимулируют получение знаний. Вот здесь то и понадобятся виртуальный лабораторный практикум.

Виртуальный лабораторный практикум (ВЛП) предполагают замену всех реальных частей лабораторного практикума на программные модели, что уводит обучаемого от реальных объектов изучения. Однако использование ВЛП имеет и положительные стороны, так как позволяет работать с моделями процессов, оборудования и приборов, которые не могут быть использованы в учебном процессе.

 

Виртуальный лабораторный практикум – представляет собой один из прогрессивно развивающихся видов проведения лабораторных занятий, суть которого заключается в замене реального лабораторного исследования на математическое моделирование изучаемых физических процессов, но с элементами виртуального взаимодействия учащегося с лабораторным оборудованием. В зависимости от используемой программной инструментальной среды можно создать хорошую иллюзию работы с реальными объектами.

 

Ряд преимуществ при использование виртуальных лабораторных практикумов по сравнению с реальными лабораторными практикумами:

 

• программные модели позволяют имитировать работу с объектами, процессами и оборудованием, применение которых в вузах проблематично, например, моделируя доступ студентов к уникальному оборудованию;
• программные модели позволяют произвольно менять временные масштабы изучаемых процессов, делая возможным проведение за разумное время лабораторных работ, моделирующих длительные процессы, например, роста кристаллов, когда процесс может длиться несколько дней или даже недель;
• последнее позволяет повысить в разумных пределах интенсивность обучения, позволяя за счет изменения временных масштабов выполнить за время проведения лабораторной работы большее число экспериментов;
• ВЛП позволяют решить проблему загрузки лабораторного оборудования — программную модель можно выполнить в любое время, в любом месте, на любом числе рабочих мест; что позволяет проводить лабораторные занятия фронтально, а не бригадным методом, когда каждый студент выполняет индивидуальное задание;
• стоимость разработки (а следовательно, приобретения) и эксплуатации ВЛП обычно существенно ниже по сравнению с реальными лабораторными практикумами.

 

При создании виртуального практикума я буду использовать инструментальную среду LabView. LabView или Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (Среда разработки лабораторных виртуальных приборов) представляет собой среду графического программирования, которая широко используется в промышленности, образовании и научно-исследовательских лабораториях в качестве стандартного инструмента для сбора данных и управления приборами. При этом LabView является мощным инструментом программирования, пригодным для решения практически любых задач, включая компьютерное моделирование. Его "виртуальные приборы" способны работать как с реальными объектами, так и с их математическими моделями.

 

Целью дипломного проекта является создание виртуального лабораторного практикума по электротехнике «Исследование резонанса напряжений» для преподавателей электрических специальностей учебного заведения. С целью позволить преподавателям обеспечить компьютеризированный доступ к лабораторной работе, а студентам подготовиться к ней и проверить свои знания.

 

Возможности разработанного проекта:

• Однотипный пользовательский интерфейс;

• Реализованные аналоговые приборы и цифровые измерительные приборы;

• Простота использования;

• Быстрый результат эксперимента;

• Овладение методами расчета и анализа различных электрических цепей;

• Овладение методами расчета погрешностей измерений

 

Задачи дипломного проектирования:

• Проведение опытов при нехватке приборов;
• Использование в преподавательском процессе;

• Простой и понятливый интерфейс для преподавателей и студентов;

• Разработать совершенно другой продукт не похожий с остальными;

 

Актуальность выбранной темы обусловлена факторами:

• Использование инновационных технологий, что в совокупности с накопленным ею опытом позволяет воплощать в жизнь самые необычные проекты;

• Повышение эффективности и качества проведения лабораторных;

• Эта технология себя зарекомендовала, как хороший способ реализовать опыт, при недостатке приборов.

 

Новизна и практическая значимость:

• Разработка всего интерфейса Виртуального практикума по электротехнике «Исследование резонанса напряжений» сделана  самостоятельно;
• Данный проект «Виртуального практикума» разработан на основе поставленных требований преподавателем по электротехнике «Иркутского энергетического колледжа»  Стахерской Нины Ивановны.

 

 

 

 

 

 

 

1. Теоретическая  часть

1.1 Виртуальные лабораторные  комплексы

В современном учебном процессе все большее внимание уделяется использованию компьютерных технологий. И, хотя активная компьютеризация учебного процесса началась уже несколько лет назад, использование компьютерных технологий для многих представляется скорее экзотикой, чем одним из обычных, пусть и достаточно новых, способов ведения образовательной деятельности. Компьютерные технологии эффективны и могут значительно повысить качество обучения. Однако факт использования компьютера в учебном процессе еще не является залогом успеха, и значимых результатов можно добиться только при грамотном его применении.

«Виртуальный практикум», который на сегодняшний день успешно используют около ста российских технических вузов, является единственной возможностью проведения лабораторных работ.

Составной частью понятия «виртуальная лабораторная работа» является распространенное техническое понятие виртуального инструмента – набора аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компьютеру таким образом, что пользователь получает возможность взаимодействовать с компьютером как со специально разработанным для него обычным электронным прибором. Работая с виртуальным  прибором через графический интерфейс. Пользователь на экране монитора видит привычную переднюю панель, имитирующую реальную панель управления нужного прибора

Благодаря использованию апплетов и анимации компьютер предоставляет учащимся при выполнении виртуальной лабораторной работы уникальную возможность визуализации упрощённой модели реального явления. При этом можно поэтапно включать в рассмотрение дополнительные факторы, которые постепенно усложняют модель и приближают ее к реальному физическому процессу. Кроме того, компьютер позволяет моделировать ситуации, нереализуемые в физических экспериментах.

Но у виртуальной лабораторной работы есть и неоспоримые преимущества, так как она позволяет проводить компьютерные лабораторные эксперименты по физике для случаев, когда постановка реального эксперимента затруднена или необходимо мгновенно осуществлять обработку полученных результатов.

 

Виртуальные лаборатории, разумеется, не являются адекватной заменой реальной лабораторной установки, но могут быть очень полезным инструментом высококачественной подготовки учащихся и студентов к интенсивному выполнению реальной программы работы.

Примером программно-аппаратного средства, позволяющего эффективно реализовать такую технологию, является LabView фирмы National Instruments (США). 
        В 1998 г. Министерством образования РФ принят отраслевой стандарт «Системы автоматизированного лабораторного практикума», который подробно описывает составляющие и требования к подобным учебным комплексам.

Виртуальная лабораторная работа заменяет, на определённых этапах, натуральный объект исследования, что позволяет гарантированно получить результаты опытов, избежать нанесения вреда живым организмам, сфокусировать внимание на ключевых сторонах исследуемого явления, сократить время проведения эксперимента.

В основу классификации лабораторных работ в системе отношений «преподаватель - виртуальная лаборатория - студент» рационально положить характер модели, который во многом определяет подходы к использованию:

1. Качественная – явление или  опыт, обычно сложные или невыполнимые  в условиях учебного заведения, воспроизводится на экране при  управлении пользователем.;

2. Полуколичественная – в виртуальной  лаборатории моделируется опыт, и реалистичное изменение отдельных  характеристик (например, положение  ползунка реостата в электрической  цепи) вызывает изменения в работе  установки, схемы, устройства;

3. Количественная (параметрическая) –  в модели численно заданные  параметры изменяют зависящие  от них характеристики или  моделируют явления.

Возможно создание и использование работ всех трех типов, но основной выбор за реалистичными полуколичественными лабораторными работами, обеспечивающие высокую эффективность их применения.

Отличительной особенностью используемой разработки является высокая реалистичность экспериментов в виртуальных лабораториях, точность воспроизведения физических законов мира и сущности опытов и явлений, а также уникально высокая интерактивность. В отличие от реализованных виртуальных лабораторных работ, в которых отрабатываются не те умения и навыки, что в реальных работах, при создании реалистичных полуколичественных моделей упор сделан на формирование навыков экспериментальной работы, что актуально и целесообразно.

 

 

 

 

1.1.1 История

Специализированные лабораторные стенд (стенды первого поколения – рис.1) представляют собою совокупность приборов, источников питания, источников тестирующих сигналов, исполнительных механизмов, технологических приспособлений для крепления, нагрузки и пр., отобранных специально для исследования конкретного и единственного объекта изучения.

 

Рисунок 1. Пример реализации лабораторного стенда

первого поколения

 

Как правило, на стендах первого поколения использовались стрелочные измерительные приборы и простейшие ручные средства управления объектом (реостаты, латры, контакторы). Такой примитивный по сегодняшним меркам арсенал не позволял ставить серьезных исследовательских задач. Обучение сводилось к снятию статических характеристик, причем основное внимание уделялось технологии получения экспериментальных данных и последующей их «ручной» обработке.

Достоинством такого подхода считается целевой отбор всего лабораторного оборудования для решения узкого перечня задач единственного объекта изучения, что исключает избыточность и, следовательно, обеспечивает минимальную стоимость лабораторного оборудования в пересчете на один стенд.

Недостатков у такого лабораторного оборудования значительно больше:

• очень трудно реализовать фронтальное проведение работ, так как требуется большое количество стендов;
• по этой же причине ограничивается перечень объектов экспериментального исследования;
• практически невозможно изучать переходные процессы и режимы многоканального управления из-за ограниченности возможностей средств измерения и управления;
• значительно увеличиваются требуемые площади лабораторных помещений.

 

Универсальные лабораторные стенды (стенды второго поколения – рис.2), в отличие от специализированных стендов, предназначены для исследования группы сменных объектов изучения.

Лабораторный стенд второго поколения содержит инвариантную (общую для всех объектов) часть (измерительные приборы, источники сигналов, блоки питания и т.д.) и специальное оборудование, предназначаемое для каждого сменного объекта (сам сменный объект, специальные приспособления, исполнительные механизмы и пр.).

 

Рисунок 2. Пример реализации лабораторного стенда

второго поколения

 

На лабораторных стендах второго поколения, как правило, используются универсальные цифровые измерительные приборы, осциллографы, а также более совершенные средства управления в виде полупроводниковых регуляторов, полуавтоматических исполнительных механизмов и т.д. Более совершенный арсенал лабораторных средств позволил освободить обучаемых от ряда рутинных операций и направить их усилия на изучение содержательной части исследуемых физических процессов.