Электротехника решение задач Расчет смешанной цепи Соединение фаз звездой Соединение фаз треугольником Активная мощность трехфазной системы Асинхронный электродвигатель Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Основы расчета цепей постоянного и переменного тока. Курс лекций и примеры задач курсовой

Математические описания (модели) динамики эпидемии инфекционной болезни, радиоактивного распада, усвоения второго иностранного языка, выпуска изделий производственного предприятия и т. д. являются одинаковыми с точки зрения самого описания, хотя процессы различны.

Границы между моделями различных типов или же отнесение модели к тому или иному типу часто весьма условны. Можно говорить о различных режимах использования моделей — имитационном, стохастическом и т. д.

Все основные типы моделей, возможно, за исключением некоторых натурных — системно-информационные (инфосистемные) и информационно-логические (инфологические). В узком понимании информационная модель — это модель, описывающая, изучающая, актуализирующая информационные связи и отношения в исследуемой системе. В еще более узком понимании информационная модель — это модель, основанная на данных, структурах данных, их информационно-логическом представлении и обработке. Как широкое, так и узкое понимание информационной модели необходимы, определяются решаемой проблемой и доступными для ее решения ресурсами, в первую очередь информационно-логическими.

Основные свойства любой модели:

конечность — модель отображает оригинал лишь в конечном числе его отношений и, кроме того, ресурсы моделирования конечны;

упрощенность — модель отображает только существенные стороны объекта и, кроме того, должна быть проста для исследования или воспроизведения;

приблизительность — действительность отображается моделью грубо, или приблизительно;

адекватность моделируемой системе — модель должна успешно описывать моделируемую систему;

наглядность, обозримость основных свойств и отношений;

доступность и технологичность для исследования или воспроизведения;

информативность — модель должна содержать достаточную информацию о системе (в рамках гипотез, принятых при построении модели) и давать возможность получить новую информацию;

сохранение информации, содержавшейся в оригинале (с точностью рассматриваемых при построении модели гипотез);

полнота — в модели должны быть учтены все основные связи и отношения, необходимые для обеспечения цели моделирования;

устойчивость — модель должна описывать и обеспечивать устойчивое поведение системы, если даже та вначале является неустойчивой;

замкнутость — модель учитывает и отображает замкнутую систему необходимых основных гипотез, связей и отношений.

Проблема моделирования – одна из важнейших методологических проблем, выдвинутых на передний план развитием ряда естественных наук XX в., в особенности физики, химии и кибернетики. Модели в качестве средства познания стали употребляться еще на заре науки со времен бронзового века.

Использование метода моделирования в лаборатории и в эксперименте берет свое начало с 50–60-х гг. XIX в. с постулатов В. Томаса (Кельвина) в его знаменитых «Балтиморских лекциях». Именно с этого периода начинается гносеологическое осмысление моделирования как метода экспериментального познания законов природы.

В технологической науке моделирование является одним из основных методов исследования и оптимизации технологических систем, поэтому в системе физико-технической подготовки будущих учителей технологии и предпринимательства данный метод находит достойное отражение.

Классификация моделей является многозначной. Применительно к естественным и техническим наукам можно выделить основные виды моделирования: физическое (натурное), математическое (логико-математическое) и имитационное (программное).

При исследовании сложных объектов перечисленные виды моделирования не являются взаимоисключающими и могут применяться либо одновременно, либо в некоторой комбинации.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

физическое (натурное) – моделирование, при котором модель и моделируемый объект представляют собой реальные объекты или процессы единой или различной физической природы, причем между процессами в объекте-оригинале и в модели выполняются некоторые соотношения подобия, вытекающие из схожести физических явлений.

математическое (логико-математическое) – имитационное моделирование, при котором моделирование, включая построение модели, осущес­твляется средствами математики и логики.

(программное) – моделирование, при котором логико-математическая модель исследуемого объекта предста­вляет собой алгоритм функционирования объекта, реализованный в виде программного комплекса для компьютера.

Рассмотрим применение ПК при различных видах моделирования.

При физическом моделировании компьютер может использоваться для целей управления процессом моделирования.

При математическом моделировании различают аналитическое и алгоритмическое. Группа аналитических математических моделей включает в себя огромное множество абстрактных математических объектов вместе с операциями, и процесс их исследования осуществляется аналитически, т.е. в общем виде, а не численно. Это требование до появления ПК служило главным препятствием для решения математическими методами большого числа прикладных задач. Сегодня реализация аналитических математических моделей посредством ПК осуществляется с помощью таких программных средств, как MatLAB, MathCad, Mathematica и пр.

MatLAB – одна из тщательно проработанных систем автоматизации математических расчетов. Это расширяемая система, и ее легко приспособить к решению необходимых классов задач. Система MatLAB содержит средства, которые удобно применять для электро- и радиотехнических расчетов (операции с комплексными числами, матрицами, векторами, обработка данных, анализ сигналов и др.)

Пакет математического моделирования MathCad фирмы MathSoft может использоваться при изучении сигналов и их спектров в курсе «Электрорадиотехника». Язык написания формул в среде MathCad близок к естественному языку.

Сложность аналитического моделирования создает необходимость перейти к численному (алгоритмическому) моделированию, однако существует класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны математические модели и из-за невозможности проведения реальных экспериментов оказывается единственным способом исследований – имитационное моделирование.

Таким образом, основой имитационного эксперимента является математическое моделирование, теоретической базой – прикладная математика, а технической – ПК.

Программных средств имитационного моделирования, используемых в процессе изучения студентами курса «Электрорадиотехника», в настоящее время насчитывается свыше двух десятков. Они могут быть классифицированы в три большие группы, которые представлены на рис. 2.: моделирование аналоговых устройств, моделирование цифровых устройств и моделирование аналогово-цифровых устройств.

Для проведения лабораторных работ в педагогических вузах при обучении студентов курсу «Электрорадиотехника» по специальности «Технология и предпринимательство» подходит пакет Electronics Workbench (EWB) фирмы Interactive Image Technologies/

В данном программном комплексе используется концепция «виртуальных» приборов. Фактически процесс моделирования выглядит как рисование электрической схемы с помощью схемного графического редактора и библиотеки компонентов, редактирования параметров компонентов и присоединения для целей формирования сигналов и индикации воздействий различного рода «виртуальных» приборов – генераторов, осциллографов, измерителя АЧХ и т.д.

В последние годы благодаря развитию компьютерных технологий появилась возможность использования компьютера при проведении как физического, так и имитационного эксперимента одновременно. Одна из крупнейших разработчиков программно-аппаратных средств, применяемых для построения виртуальных измерительных приборов фирма National Instruments предлагает измерительную лабораторную станцию NI Elvis.

Станция NI Elvis связывает имитационное и натурное моделирование с помощью устройств сбора информации DAQ (устройств ввода/вывода), выполненных на базе аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей АЦП и ЦАП. При этом АЦП преобразует аналоговые сигналы в цифровые, поступающие на ПК для дальнейшей обработки или хранения, а ЦАП- выходные цифровые сигналы ПК в аналоговые.

Использование измерительной станции NI Elvis позволяет обеспечить выполнение лабораторных работ:

1) натурно, путем сборки исследуемой схемы на наборном поле станции NI Elvis (рис.5.);

2) виртуально (имитационно) с помощью пакета программ LabVIEW, Multisim.

LabVIEW или Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench –среда графического программирования лабораторных виртуальных приборов.

Multisim – интерактивный эмулятор схем, позволяющий подключать к схеме виртуальные приборы, разработанные в LabVIEW.

Таким образом, новые компьютерные технологии позволяют развивать и совершенствовать учебные эксперименты при изучении курса «Электрорадиотехника».

Модель должна строится так, чтобы она наиболее полно воспроизводила те качества объекта, которые необходимо изучить в соответствии с поставленной целью. Во всех отношениях модель должна быть проще объекта и удобнее его для изучения. таким образом, для одного и того же объекта могут существовать различные модели, классы моделей, соответствующие различным целям его изучения.

Необходимым условием моделирования является подобие объекта и его модели.

Построенные модели необходимо исследовать и решить. Но прежде введем некоторые понятия.

Операция

- всякое мероприятие (система действий), объединенных единым замыслом и направлением к достижению какой-либо цели.

Операция есть всегда управляемое мероприятие, т.е. от нас зависит, каким способом выбрать некоторые параметры, характеризующие ее организацию.

Всякий определенный набор зависящих от нас параметров называется решением. Решения могут быть удачными и неудачными, разумными и неразумными.

Оптимальными называются решения, по тем или иным признакам предпочтительные перед другими. Иногда в результате исследования можно указать одно единственное строго оптимальное решение, но гораздо чаще выделить область практически равноценных оптимальных решений, в пределах которой может быть сделан выбор.

Параметры, совокупность которых образует решение, называется элементами решения.

В качестве элементов решения могут фигурировать различные числа, векторы, функции, различные признаки и т.д.


Мощность, выделяемая в цепи переменного тока электротехника решение задач