Embed Size (px)
Citation preview
1
ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-СОФИЯ ИНЖЕНЕРНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИ ФАКУЛТЕТ – СЛИВЕН
КАТЕДРА „ ЕЛЕКТРОТЕХНИКА, ЕЛЕКТРОНИКА И АВТОМАТИКА”
маг. инж. Антоанета Иванова Хинова
ЕЛЕКТРОННИ СРЕДСТВА И МОДЕЛИ ПРИ
ПРАКТИЧЕСКО ОБУЧЕНИЕ НА
НЕЕЛЕКТРОННИ ТЕХНИЧЕСКИ
СПЕЦИАЛНОСТИ
A В Т О Р Е Ф Е Р А Т
НА ДИСЕРТАЦИЯ ЗА ПРИСЪЖДАНЕ
НА ОБРАЗОВАТЕЛНА И НАУЧНА СТЕПЕН „ДОКТОР’’
НАУЧНО НАПРАВЛЕНИЕ: 5.2.„ЕЛЕКТРОТЕХНИКА, ЕЛЕКТРОНИКА И
АВТОМАТИКА”
НАУЧНА СПЕЦИАЛНОСТ 02.20.00 „ЕЛЕКТРОНИКА И ЕЛЕКТРОННА ТЕХНИКА”
НАУЧНИ РЪКОВОДИТЕЛИ: проф. дтн Румен Димитров Каров
проф. дпн Боян Цветков Лалов
НАУЧНО ЖУРИ: проф. дтн Румен Димитров Каров
проф. дтн Андрей Стефанов Козаров
доц. д-р Пенчо Венков Георгиев
доц. д-р Антон Георгиев Андонов
доц. д-р Венелин Борисов Бочев
С Л И В Е Н
2012
2
Дисертационният труд е разработен в обем от 128 страници. Състои се от
въведение, четири глави, заключение, 146 ползвани литературни източника, от
които 83 на кирилица, 42 на латиница и 21 текста от сайтове от Интернет на
различни езици. Към дисертацията са дадени две приложения с обем от четири
страници.
Дисертационният труд е обсъден, одобрен и насочен към публична защита
от научен семинар на катедра „Електротехника, електроника и автоматика” на
16.10.2012 г. - протокол № 9/16.10.2012 г.
Авторът е преподавател по учебна практика и лаборатория по
дисциплината „Конструиране и технология на електронната апаратура” в
Технически колеж – Ловеч, Технически университет - Габрово, катедра
„Електротехника”.
Защитата на дисертационния труд ще се състои на 09.03.2013г. от 13,30 часа
в зала 1104 на ИПФ-Сливен.
Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в каб.
1305 на ИПФ-Сливен.
Автор: маг. инж. Антоанета Иванова Хинова
Заглавие: Електронни средства и модели при практическо обучение в
неелектронните технически специалности
Тираж: 20 броя
Печатна база: МП Издателство на ТУ-София
3
ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
Актуалност на проблема
Педагогическото използване на цифровите технологии в практическото
обучение по всички учебни дисциплини е основа за модернизиране на образователната
система на всяка страна и съществен елемент от Европейската образователна политика.
Този подход за информатизация на образованието е заложен в приетия от Европейската
комисия специален документ „ eLearning Action Plan1”, европейската Работната
програма „ Образование и обучение 2010” и в българската Национална Стратегия за
въвеждане на информационни и електронни технологии в обучението. Идеята за
въвеждане на електронни средства и модели в практическото обучение на техничес-
китe специалности кореспондира пряко със системата за управление на качеството на
обучение на база ISO 9001, съобразена със закона за висшето образование.
През време на следването в лабораторната и учебна практика на неелектронните
технически специалности електронни средства и модели се ползват ограничено.
Практиката на всяка техническа специалност би могла да се осъвремени и допълни с
тях. Максимално да се използват наличните електронни ресурси във всеки технически
университет и колеж към него. Практическото обучение е основен компонент на
съвременните изисквания на пазара на труда. В повечето чуждестранни университети
обучението по практика е дублирано с обучение в базови производствени фирми.
Практическото обучение по електроника на студентите от неелектронните
специалности (НС) е с девет пъти по-малък хорариум от този на електронните. В
базисните индустрии, ориентирани към печалбата и запазването на конкурентноспо-
собността, ориентацията е към поливалентни специалисти, които могат да отговорят на
предизвикателствата на бързо обновяващите се технологии в модерния свят, като
възобновяеми енергийни източници, нанотехнологии и др. Главната цел на
техническото висше образование е студентите да наберат колкото може повече личен
опит и знания по време на следването, т.е. да бъда компетентни за професионалната
дейност, която ще извършват. Компетентността се състои от определени компетенции.
Възможностите за студентите от НС да придобият компетенции относно разрастващата
се електронизащия и автоматизация, са в интензификация на учебния процес чрез
въвеждане на модерни методи на обучение с електронни средства и модели.
Тъй като с наличните финансови средства не може да се обновява материалната
база в учебните ни заведения, успоредно с динамиката на развитие на електронните и
особено на компютърните технологии, практическото обучение в неелектронните
технически специалности може да се осъвремени с въвеждане на електронни средства и
модели, с едно по-широко практическо приложение на наличните електронни ресурси.
Тази актуалност на проблема и недостатъчното решените въпроси в областта на
съвременното практическо обучение на инженерните кадри за базовите индустрии
обуславят избора на темата, целта и задачите, обекта и предмета, структурата и
логиката на дисертацията.
Основната изследователска теза, която авторът защитава, е следната:
Наложително е създаването и прилагането на иновационните методи и подходи с
конкретните и налични електронни средства и модели в часовете по лабораторна и
учебна практика на неелектронните специалности. Този факт е продиктуван от
иновационната стратегия на фирмите и от необходимостта от издигане на качеството и
ефективността на практическото обучение в тези специалности с цел по- добра
реализация на кадрите.
4
Цел, проблеми и задачи
Обект на изследване са учебните и лабораторни практики на неелектронните
технически специалности, с цел подобряване на качеството им и степента на
съгласуваност с иновационната политика на индустриалните фирми.
Предмет на изследване са най-разпространените в родните висши технически
учебни заведения електронни ресурси, които досега не са намерили конкретно
приложение в изследваните лабораторни и учебни практики на неелектронните
технически специалности.
Целта на настоящата научна работа е да се изследва необходимостта от
приложение на електронни средства и модели в учебната и лабораторна практика на
неелектронните технически специалности във висшите учебни заведения и достатъчни
ли са тези електронни ресурси да заменят традиционните методи за практическо
обучение в дистанционната форма.
Най-съществени проблеми при достигане на основната цел:
Да се изследва приложението на такива електронни средства и модели, които на
ограничената основа от познания в електрониката да осигурят адаптацията на
неелектронните специалисти към налагащата се електронизация и автоматизация в
машинния парк и условията на различните видове производство, проектиране и
експлоатация. Да се даде приоритет на онези налични електронни ресурси, които се основават на
нови знания и висок интелект, по-високо качество и по-малко разходи на суровини,
материали, горива и енергия. За постигане на основната цел е необходимо да се решат следните основни
задачи: Задача 1. Създаване на нови подходи и методи за използване на наличните
електронни ресурси в учебната и лабораторна практика на неелектронните технически
специалности.
Задача 2. Проучване на педагогическата ефективност на приложените електронни
модели в практическото обучение и анализиране на предимствата и недостатъците от
използването им;
Задача3. Оценка на ефективността на прилаганите методи с налични електронни
ресурси върху крайния резултат от практическото обучение .
В този смисъл изследването по създаване на нова методика за формиране на
структурата на практическото занятие по алгоритмичен модел, включва в себе си две
основни подзадачи:
-търсене на методи и маршрути, които позволяват да се използват в ПО наличните
електронни средства и модели;
-усъвършенстване на основата на разработените методи информационно обезпечение за
пряко използване от преподавателите на ел. средства и модели в ПО на НТС.
Мястото на извършване на експериментите, анализите и оценките за полезност и
ефективност са лабораториите на Технически колеж- Ловеч.
Методи за изследване
В научната разработка са използвани съвременни подходи и методи за научни
изследвания като системния подход, метода на анализа и синтеза, метода на
наблюдението, анкетния метод, експертното проучване, сравнителния метод,
функционалното математическо моделиране, интелигентен подход за избор и оценка
чрез размита логика. Публикации по темата на дисертационния труд
5
Основните резултати от дисертационния труд са представени в 10 публикации,
3 на научни конференции в чужбина ( 1 в Каунас, Литва и 2 в Новосибирск, Русия), 3 на
научни конференции в България, 3 в „Известия на ТУ-Сливен”, 1 в сп. „Инженерни
науки” .
Практическа полезност на работата
Разработени са иновационни методи , подходи и модели, приложими в учебната
и лабораторна практика на всички неелектронни технически специалности. Изборът и
оценката на електронен ресурс за конкретно практическо обучение е подпомогнат от
система , базираща се на размита логика и експертни знания. Апробация на резултатите
Основният характер на дисертацията е методически. Нейната практическа
значимост се прояви в хода на провеждане на експериментите и иновативно
усъвършенстване на организацията на практическото обучение в целевите групи от
неелектронните специалности на Техническия колеж в Ловеч по Договор №
M1204/10.04.2012г., финансиран от фонд „ Научни изследвания” с тема: „ Система за
оценяване на подготовката на студенти по техническите дисциплини в ТУ- Габрово”.
Основни резултати от дисертационния труд са обсъждани на:
ИКМУ „Електроника 2010”, София, 2010г.
ИНК-Литва, Каунас, 2011г.
I международна научно-практическа конференция ,Новосибирск,Русия, 2011.
XVI международна научно-практическа конференция Новосибирск, Русия, 2012.
IV международна научна конференция, Благоевград, България, 2012.
Обем и структура на дисертационния труд
Дисертационният труд е разработен в обем от 128 страници. Състои се от
въведение, четири глави и заключение, 146 ползвани литературни източника, от които
83 на кирилица, 42 на латиница, 21 текста от сайтове от Интернет, 42 фигури и 3
таблици. Към дисертацията са дадени две приложения с общ обем от четири страници.
Съдържание на дисертационния труд
Г л а в а п ъ р в а
1. Значение на практическото обучение
Образованието, адаптирано към съвременните социални изисквания, предполага
перманентно надграждане на знания, умения и компетенции с цел оптимално развитие
на потенциалния ресурс. Възниква необходимостта от промяна на академичната
организация към интелектуална организация, включваща изследване-израстване, най-
пряко съчетаване на теорията с практиката. Най-реално е новите идеи да се появят от
практиката.
Oт гледна точка на студентите е важно да има интегрирано влияние между
учебната програма, основана на знанията и индустрията, ориентирана към печалбата.
Именно практическото обучение трябва да се адаптира обновяващата се околна среда,
нивото на техническите иновации и да подготвя студента за комуникиране и кооперане
през дисциплините и учене през целия живот.
В качеството на електронни учебни средства се използват разнообразни
електронни издания, представени на различни носители на цифрова информация или
публикувани в мрежата и авторски педагогически разработки на преподавателите.
Kласификацията им в блоков вид е дадена на фиг.1.
Електронните издания, предназначени за обучение в областта на неелектронните
специалности трябва да съдържат систематизирани материали от областта на
съдържателното поле на съвременното технологично обучение, обезпечаващи
6
изграждането на технологична грамотност и компетентност в конкретната област на
обучение. Поради многопластовия си характер тези средства се класифицират по
различни признаци: функционален признак (според мястото им в учебния процес); по
структура; според организацията на текста, характер на представена информация,
форма на изложение, технология на разпространение и характер на взаимодействие с
ползвателя и др.
2. Предимства на електронните средства и модели пред традиционните.
Компютърните технологии позволяват представяната визуална и
аудиоинформация да бъде по-качествена, ефектна, заинтригуваща и динамична. Ако
при традиционните нагледни средства за обучение се постига конкретност на изучавани
обекти, то чрез електронните средства става възможно динамично интерпретиране на
съществени свойства не само на реални обекти, но и на закономерности и понятия.
Компютърните модели, конструктори и тренажори целят да се затвърдят усвоени
знания и да се формират умения и навици за практическото им приложение в ситуации,
моделиращи реалните. Компютърните модели могат да се използват в технологичното
обучение не само за демонстрация на трудно възпроизводими в учебна обстановка
явления, но и за изясняване в диалогов режим влиянието на едни или други параметри
на изучаваните процеси и явления. Това позволява да се използват в качеството им на
имитатори на лабораторни постановки, а така също и за формиране на навици за
управление на моделируеми процеси.
Kласификация на електронни учебни средства
педагогически разработки на преподавателите
Електронни издания, представени на различни носители на цифрова информация или публикувани в мрежата авторски
според
признак
По функционален
според начина на
процесим в учебния
мястотовизползване
учебния процес
в к
рая н
а з
анятието
представената
характера на
споредПо структура
недетерм
инирани
детерм
инирани
изложение
форма на
информация
на
технология
разпространение
конт
роли
раш
иср
едст
вапо
мощ
ниел
ектр
онни
учебн
и
информация
основната
наприродата
Според
лока
лни
елек
трон
ни р
есур
си
с ко
мби
нира
но п
редн
азна
чени
е
мре
жов
и ел
ектр
онни
рес
урси
мул
тим
еди
йн
и р
есур
си
звук
ови
ел.
изд
ани
я
изо
браз
ите
лни
ел.
рес
урси
текс
тови
(си
мво
лни
)
преди, по време и
и
обучаваши и учебно-методическиел.средства
характер на
взаимодействие
с ползвателя
дидактическирешаванитеспоред
задачи
за преподавателя
за студентите
ел.ресурси
ел.ресурси
ел.учебници и ръководства
компютърна енциклопедия
цифрови справочници
цифрови аудио-визуални средства
за обучение
инф.Интернет ресурси със свободен достъп
и каталози
Видове ел. издания в помощна практическото обучение
интерактивен
презентативен
Фиг.1 Класификация на електронните ресурси
Чрез средствата на съвременните информационни технологии е възможно не само
да се работи с готови модели, но и да се създават такива (конструират), като се
обединяват съществуващи елементи. Чрез тренажорите се цели усъвършенстване и
автоматизация на определени процеси и способи за решаване на типови задачи.
Електронните лабораторни практикуми пресъздават процесите, протичащи в
изучаваните реални технически обекти и възможностите за тяхното експериментално
7
изследване. Компютърните технологии позволяват да се моделират експериментални
изследвания и с несъществуващи обекти. Разглежданият електронен ресурс позволява
да се подберат оптимални за провеждане на експеримента параметри, да се улесни или
ускори дейността с реални експериментални модели.
Съвременните компютърни технологии предоставят апаратни и програмни
средства, чрез които преподавателят може самостоятелно да проектира информационни
нагледни средства, тестове, необходими за обучението текстови и графични файлове.
Важно условие за постигане на високо качество на проектираните средства и
ефективното им методическо приложение е добрата педагогическа, информационна и
техническа подготовка на преподавателя.
Проучването показа, че в българските колежи освен изброените във втора точка
електронни ресурси важно място в обучението могат да намерят програмируемите
логически контролери и програмните продукти за електроника. Програмируемите
логически контролери са добро помощно средство към автоматизираната част на
практическите упражнения по електрически машини и апарати, мехатроника, машинни
манипулатори, поддръжката на машини с ЦПУ и други неелектронни дисциплини.
Днес почти във всяка съвременна машина има електронни компоненти. Чрез програми-
руемите логически контролери се управляват поточни линии, машини за електроинст-
рументи звънчеви инсталации, асансьорни табла, за управление на трансманипула-
тори като основна част на интегрираните системи в съвременната каргоиндустрия.
Познаването на базисните функции на програмируемите логически контролери дава
увереност на специалиста при възникване на аварийни ситуации и внася нов елемент в
изграждане на професионалното му самочувствие още по време на обучението.
Kонтролерът на Siemens LOGO удовлетворява изискванията за логически
контролер за учебни цели от една страна и основните критерии при избор на контролер,
от друга. Затова е най-често приложим в лабораториите на българските висши
технически учебни заведения.
3. Модели, създадени на базата на програмни продукти за електроника и
математически модели
Проучванията на използваните в нашите висши учебни заведения програмни
продукти за електроника показаха, че продуктът ОrСAD e намерил широко
приложение. Пакетът програми OrCAD e предназначен за автоматизирано проектиране
на електронна апаратура от различен тип и предназначение. В настоящия труд са
изследвани възможностите на този продукт за рационалното му приложение в помощ
на машинните инженери при изобразяване на оптоелектронна или безжична връзка; на
електроинженерите- за изчертаване на принципни схеми на електрически инсталации;
виртуално изследване на ел. машини и апарати и преходни процеси чрез PSpiсe
моделите. Моделирането на аналогови и смесени аналого-цифрови устройства се
осъществява с помощта на OrCAD PSpice и PSpice A/D, а тяхната параметрична
оптимизация- посредством модула PSpice Optimazer.
МАТLAB модели Благодарение на практически неограничените възможности на системата,
нейната гъвкавост и удобната за работа операционна среда, МАТLAB позволява да се
моделират и изследват и несъществуващи в реалната учебна среда обекти, като
ветрогенератор например. Поради това МАТLAB се ползва с изключителна
популярност сред студентите, инженерите и научните работници в цял свят.
4. Обобщение на изводите и резултатите от извършения исторически преглед,
преглед на международния опит и на наличните електронни средства и модели в
българските висши технически учебни заведения
8
4.1. Обобшение на изводите
a) Въвеждането на електронни средства и модели в обучението по неелектронните
специалности е продиктувано от иновационната политика на фирмите и от
електронизацията и автоматизацията на базовите за страната индустрии.
б) Прилагането на електронни средства и модели води до повишаване на качеството
на обучението.
в) Качеството на висшето техническото образование би се повишило рязко , ако се
подобри качеството на практическото обучение.
г) От качеството на практическото обучение на кадрите зависи бъдещето на
българското производство.
6.2. Обобщение на резултатите
а) Направена е класификация на електронните ресурси в блоков вид в т.2.1. Тази
клацификация спомогна за определяне на основната цел на настоящата работа, тъй
като даде възможност да се разграничат неизползваните налични електронни ресурси
и по-нататък да се анализира работата в учебната и лабораторна практика на НТС
именно след тяхното приложение.
б) Извършено е изследване и констатация кои от наличните най-широко
разпространени електронни ресурси в българските учебни заведения, освен
традиционно използваните, могат да намерят приложение в практическото обучение
по неелектронните специалности.
Г л а в а в т о р а
Cъздаване на нови подходи и методи с използване на наличните електронни
ресурси в учебната и лабораторна практика с цел интензификация на учебния
процес при студентите от неелектронните технически специалности
Ръководството и управлението на учебния процес по практика изисква от
преподавателите да запознават обучаваните с постоянно усъвършенстващата се
методика на самоподготовка.
Тук се представя подход за интензификация на учебния процес, чрез използуване
на програми на личните мобилни апарати на студентите от специалност „Компютърни
системи и технологии”. Такава възможност дава и GSM-комуникатора на
програмируем логически контролер. Чрез съобщенията на личния мобилен телефон
може да се наблюдава и контролира дистанционно работата на вентилационна система.
Такава система за принудителна вентилация студентите могат да контролират в реални
прозводствени условия във фирма ‘Никром” АД-Ловеч в залата на машина за лазерно
рязане на метали. В учебна обстановка, освен с макети, идеята може да се приложи за
залата на сървъра на компютърната мрежа.
Възможността за управление на програмната част на контролера на Siemens
LOGO чрез мобилен апарат е предвидена от фирмата-производител чрез GSM
комуникатор. Този модул осъществява двустранна връзка с контролера за работни и
алармени състояния и препрограмиране. Използвайки настройките на GSM
комуникатора студентите могат да управляват и наблюдават работата на контролера
посредством SMS или чрез DTMF избиране от личния си мобилен апарат, както е
показано на фиг.1. Комуникационният модул е в съответствие с ЕТSI GSM Phase
2/2+ за предаване на данни, глас, факс група 3 и SMS съобщения на 900 и 1800 MHz
честота нa GSM мрежата.
Необходим е GSM комуникатор, деветпинов сериен RS232 кабел за връзка с
компютъра, антена за GSM, CD с конфигурационния софтуер, SIM карта и мобилен
телефон. GSM комуникаторът е с два цифрови алармени входа за мониторинг. Към тях
се изпращат алармени съобщения чрез SMS, факс или електронна поща. Модулът
9
различава десет импулсни поредици на вход и може да изпрати определени съобщения
към определени номера чрез SMS. Mогат да се изпращат съобщения към допълнителни
номера, които не са запаметени предварително. GSM комуникаторът е снабден с два
релейни изхода, чрез които наблюдаващият задейства изпълнителни устройства. Тези
изходи се контролират от постъпването на алармени сигнали на входовете.
Връзката на GSM комуникатора с мобилен апарат чрез SMS се осъществява като
номерата на SMS, записани на SIM картата се показват чрез бутона “get” SMS –memory
space – покажи пространството на SMS паметта. Въпрос, отправен от GSM
комуникатора към SMS паметта получава отговор в интервал от една минута.
Мониторинг или непрекъснат контрол на системните функции може да се извършва
дистанционно в шест контролни точки на наблюдение. Актуалните стойности на
брояча на грешки , както и на брояча на изтекло време могат да бъдат изискани чрез
SMS. Скоростта на обмен и съхранение на броя на местата на SMS могат да бъдат
конфигурирани, като се определи продължителността на заявката. Скоростта на обмен
е 19200 bps, места за съхранение на SMS -15, продължителност на запитването-5seк.
Броят на местата за съхранение на SMS, които трябва да се разгледат от контролера по
време на заявката, са рутинни и трябва да бъдат посочени в диалоговия прозорец
„конфигурирано пространство за SMS памет”. Проблем може да възникне, ако има
повече входящи SMS от свободните позиции за SMS, тогава останалите са под въпрос.
В този случай , SMS се съхраняват в място за съхранение, което не се разглежда и
запитва от контролера и не могат да бъдат обработвани от него.
Фиг. 13. Телекомуникационна мрежа с GSM aнтена
3.2. Същност на експеримента с метода на нетрадиционното приложение на
транспортната задача в ПО на НС
Видният педагог от XIX век Дистервег, в своите педагогически възгледи беше
казал: „Лошият учител поднася истината, а добрият учи да я търсят”. Тази истина пряко
кореспондира с големия въпрос, който се повдига през последните години – да се
преодолее пасивното състояние на обучаваните. Това ще се преодолее и чрез търсене
на нови форми и методи. Приложението на програмируемите логически контролери
/PLC/ не е новост в обучението, но подходът с прилагането на транспортната задача за
оценка на отделни технически решения посредством такъв контролер изключва
пасивността. Едно приложение на транспортната задача, което не е свързано с
транспорта, а с разпределение и оценяване на техническите решения за автоматизирано
управление и контрол на електрическа машина с програмируем логически контролер
LOGO на немската фирма „Сименс” е първата стъпка преди практическото изпълнение.
Подходът с прилагането на транспортната задача / оценяване на решенията / предлага
и изисква предварително повтаряне и осмисляне на всяко решение преди
10
практическото изпълнение в лабораторна обстановка от студентите в специалност
„Електрически машини и апарати”.
Разпределение на решенията
Предложени са на студентите n на брой решения с LOGO на един технически
проблем. Всеки студент, след като се запознае с техническите решения и направи
електронна симулация поставя оценка на техническото решение с определен брой
точки от 1 до n. Така с помощта на точките студентите подреждат техническите
решения в ред , съответстващ на желанието им да ги изпълняват в лабораторията. По-
желано е онова решение, което има повече точки. Задачата е: да се разпределят
техническите решения с LOGO между студентите така, че общият брой на
задоволените желания да бъде най-голям.
Да означим с А1......An-студентите; с В1..........Вn –решенията, а рij-точките, които
студентът Аi е поставил на решението Вj. Числата рij са цели числа от интервала [1,n].
Ще въведем неизвестните xij, които могат да имат стойности само 0 и 1, по следния
начин: ако студентът Аi може да получи за изпълнение само едно от решенията В1,
В2........Вn , неизвестните трябва да удовлетворяват условието
xi1 + xi2 +……..+xin=1 , i = 1,2,….,n (1)
Oт друга страна, тъй като решението ВJ може да се даде за практически
експеримент само на един студент, неизвестните х1j,x2j,………, xnj , трябва да
удовлетворяват условието:
х1j + х2j +…….+xnj=1 , j=1, 2,….., n (2)
Oбщият брой на точките е
P(X)=p11x11+p12x12+………+p1nx1n+
+p21x21+p22x22+……..+p2nx2n+
+..……. .……………………+
+pn1xn1+pn2nn2+…….+pnn xnn.. (3)
Mатематическият модел на задачата е:
Да се намери максимумът на линейната функция Р(Х) при следните условия на
променливите
х11+х12 +.......+х1n =1 и х11+х21+.......+хn1 =1
х21+х22+ .......+х2n=1 х12 +х22+.......+хn2 =1
................................ …………………...
xn1+хn2+........+хnn=1 x1n +x2n+…. +xnn =1
xij>=0, i,j=1,2,……,n (4)
При n=5 и матрица на оценките
3 1 5 2 1
2 1 1 1 4
1 3 3 5 5
С=(рij)5,5= 4 4 3 3 3
5 5 2 4 2 (5)
Maтрицата на „транспортните разходи” ще бъде
11
С=(-рij)5,5 (6)
Началният опорен план се получава по метода на северозападния ъгъл.
Оптималният опорен план е следния:
0 0 1 0 0
0 0 0 0 1
Хопт= 0 0 0 1 0
1 0 0 0 0
0 1 0 0 0 (7)
При този план за действие общият брой на точките Р(х) на задоволените желания
на студентите е максимален:
Р(х)=1.5 + 1.4 + 1.5+1.4+1.5=23 точки. (8)
Първият студент получава право да изпълни практически техническо решение 3,
вторият - решение 5 , на което е поставил 4 точки, а 5 точки не е поставил на никое
решение.Третият студент ще изпълнява 4–то решение, което е едно от двете с
максимален брой точки, избрани от него. Четвъртият студент –първо решение, а петият
студент ще изпълни второ. Така са удовлетворени желанията на всички студенти.
Всеки от тях ще изпълни лабораторно по едно техническо решение с PLC контролера,
на което е поставил максимален брой точки и което не съвпада с никое от другите
решения. Интересно е сравнението на получените от всеки резултати.
Така с помощта на транспортната задача бе намерен оптимален план затова как да
се изпълни желанието на всеки студент да притежава и експериментира едно избрано
от него уникално и според него най-добро техническо решение. Анализът на
получените експериментални резултати показва чия преценка е най-точна и какви са
предимствата и недостатъците на всяко решение.
Ето и някои от използваните решения за регулиране на аналогови величини , като
скоростта на стъпков електрически двигател. Стъпковият електрически двигател
преобразува токови импулси в пропорционално завъртане на ротора. Този вид
двигатели имат ротор с полюси или зъби и статор, в чийто канали е разположена
намотка. Най-често конструктивно са свързани няколко статора и ротора, така че
ъгловите им стъпки са равномерно разпределени върху общия вал. Чрез специални
електрически схеми е възможно допълнително разделяне на ъгловата стъпка.
Стъпковите двигатели се захранват от електронни импулсни генератори. Включените
към тях разпределители комутират последователно отделните секции на статорната
намотка. Стъпковите двигатели се използват като позициониращо задвижване в
регистриращи уреди и периферни устройства, а по-големите като подавателни
задвижвания на обработващи машини. Това са петте схеми (фиг.17), получили най-
висока оценка.
Прилагането на транспортната задача като начин за оптимално разпределяне на
техническите решения налага предварително осмисляне и електронна симулация на
всяко решение преди практическото му изпълнение в лабораторна обстановка. Това
повишава интереса и задълбочава знанията на студентите. В процеса на осмисляне на
отделните технически решения възникват нови въпроси и необходимост от
задълбочени знания. Правейки разбор и оценка на решенията на един технически
проблем студентът анализира предимствата и недостатъците и придобива желание да
изпълни на практика в реално време избраното от него решение.
12
Фиг.17. Пет схеми за симулация
Приложение на многоканално управляеми оптрони в практическото обучение по
мехатроника
Тук се предлага триканално токово управление на фототранзисторен оптрон без и
с въздушна междина , което може да бъде приложено в защитни и управляващи схеми.
Като цяло схемата може да се разглежда като един оптрон с триканално управление и
изпълнение на определена логическа функция.
13
А) Без въздушна междина-фиг.21;
На фиг.21 схемата изпълнява функцията „ NOR”, при работа с цифрови сигнали.
Логическата функция на схемата е:
Uo=Y=NOT (IF1+IF2+ IF3) (9)
R2
Y=Uo
+Ucc
R1
R3
RO1 RO2 RO3
O1
O3
O2
Фиг.21. Tриканално управление на ФТО-О3
Б) с въздушна междина –фиг.22;
П2
П1
0
1
0
1
П3 0
1
R4 R5 R6
Y=Uo
+Ucc
O3
O2
O1
R1
R3
R2
Фиг.22.Триканално управление на ФТО-О3 с въздушна междина
U0 = Y= NOT (IF1 П1 П2 П3 + IF2П2П3 +IF3П3) (10)
Схемата от фиг.22 има 3 електрически входа за управление и 3 механични входа
за управление (механичните прегради за процепите на
оптроните). Тя има 3 йерархични нива на управление, като с най- висок приоритет са
входовете IF3П3, след това IF2.П2П3 и накрая IF1П1 П2 П3.
Бързодействието на схемата е най- голямо по електрически вход IF3, след това
по I F2 и накрая по входа I F1 .
Постигнати резултати в практическото обучение на НТС
а) Интензивността на учебния процес се повиши, като с посочените методи за ПO се
постигна индивидуално и диференцирано участие на всеки студент в учебния процес.
б) С въвеждането на ел. ресурси и иновационните подходи с тях в работата студентите
осъзнаха на практика значението на основната им специалност като базова за всяка
независима индустрия от една страна. От друга страна разбраха необходимостта да
разширяват своя кръгозор от познания в областта на електрониката и автоматизацията.
в) Реализиран е и се предлага на всички преподаватели от неелектронните
специалности удобен, лесно преносим макет, в който е монтиран PLC контролер. Може
14
да се използва за програмиране и демонстрация както самостоятелно, така и с
персонален компютър .
г) След прилагане на метода с използване на личните мобилни апарати за мониторинг в
обучението по лабораторна и учебна практика по компютърни системи и технологии се
установи в целевите групи процес на планиране, самоорганизация и самоконтрол на
обучавания. Научни и приложни приноси от втора глава
Предлага се иновативен метод, който практически показва приложението на
личния мобилен апарат за отдалечен технически контрол и самообучение.
Методът, приложен в практиката на специалност „Компютърни системи и
технологии”, може да се приложи и в машинните и силнотоковите
специалности, за дистанционен контрол на физически параметри, които са
предписани за експлоатационни условия на машина или апаратура.
За пръв се предлага числен метод в методиката на учебната и лабораторна
практика, предназначението му е да осъществи непряк мост между теорията,
практиката и PLC контролерът като електронно средство. Meтодът с
нетрадиционното приложение на „транспортната задача” обогати лабораторните
и практически упражнения с нови задачи и въпроси, които доведоха до пълно
осмисляне на теоретичната съшност на третираните основни практически
проблеми. Това показаха резултатите от успеха на анализираните целеви групи
по лабораторна и учебна практика на специалността „Електрически машини и
апарати”. За пръв път студент от НТС от ТК-Ловеч спечели първа награда в
Студентска научна сесия.
Подходът с приложение на многоканалните оптрони за практическо реализиране
на основни логически функции повиши интереса и ефективността на учебната
практика. Toзи подход се отличава с оригиналност, тъй като тези електронни
елементи рядко се използват за такъв вид учебни цели, особено в
неелектронните технически специалности. .
Г л а в а т р е т а
MATLAB и PSpice моделите –основна стъпка към формиране на творческо мислене
и технически интелект у студентите от неелектронните специалности
1. Компетентности на съвременния специалист: Eдинството на теория и практика
1.1.Информационните технологии и интегрирането на научните постижения в
процеса на обучение
За да създава проблемност в практическото обучение, съвременният специалист-
преподавател е нужно не само да изгради базови умения и навици у обучаемите, но и да
притежава компетентност за интегриране на съвременните постижения на техническите
науки в конкретните практически дейности.
Taкa се формира идеята да предложа използването на програмния продукт ОrCAD и
по- точно на съдържащия се в него модул Capture SIZ за чертане на електронни схеми
за други нестандартни приложения. Идеята намира приложение и в лабораторната
практика по мехатроника на специалност «Машиностроене и уредостроене».
Представеният метод за изчертаване на блокови и функционални схеми на
електрически инсталации с програмен продукт за електроника, освен че разнообразява
учебния процес, дава и нови ключови компетенции на обучаваните и специалистите от
НС. От друга страна проектантът на електронни схеми и печатни платки често бива
изправен пред предизвикателството да решава различни практически проблеми от
битовата и промишлена електротехника. Такива са съставянето на идейни проекти за
15
електрически инсталации, комбинирани с електронни сензори и системи за
автоматично регулиране, технико-икономически оценки на изградени ел. инсталации,
съдебни експертизи по снимков материал. Комбинацията между електронни,
електрически и неелектрически елементи в програмния продукт OrCAD, дава
възможност за решаването на практически задачи от този род бързо и ефективно.
Етапите на изготвяне на функционална и блокова схема при извършен оглед
на изградена електрическа инсталация са следните:
Алгоритъм 1:
1. Анализ на типа на инсталацията.
2. Разделяне на осветителната, отоплителната и управляващата верига.
3. Избор на подходящи електронни елементи от библиотеките за символично
изобразяване на отделните компоненти на инсталацията.
4. Подбор на неелектрически символи за фиксиране на магистрални
проводници , ел.табла и консуматори.
5. Изобразяване на силовите кабели с ел. шини и на маломощните кабели с
ел. проводници от инструменталното меню /Тооl Pallete /.
6. Проверка на чертежа за несвързани елементи.
7. Поставяне на надписи.
8. Принтиране на чертежа.
Тъй като ще се създава функционална и блокова схема популярният графичен
редактор OrCAD Capture и по-развитата версия OrCAD Capture CIZ ни предоставя
множество съвременни инструменти за бързо изпълнение на поставената графична
задача. Така начертаните схеми с необходимите надписи и списък на елементите дават
ясна представа за ел. инсталацията и функционирането й дори и за неспециалисти, като
юристи, икономисти, частни производители. Подходът в този пример илюстрира
приложението на програмния продукт за изчертаване на блокови и функционални
схеми в областта на компютърните системи и технологии и на комуникационната
техника.
Описаното приложение на програмния продукт OrCAD се характеризира и с други
предимства:
а) бързо изготвяне на идеен проект за осветителна и силова инсталация от
електроинженери, специалисти от сродни на ел. обзавеждането профили;
б) възможност за предварителна икономическа преценка на приблизителната стойност
на проекта на ел. инсталацията;
в) приложение при изготвяне на електротехнически експертизи, където не се изисква
монтажна или подробна принципна схема на инсталацията, а функционално-блокова
сxема, удовлетворяваща задачите на експертизата.
2.4. Анализиране на постигнатите резултати след приложението на МATLAB
модел на вятърен генератор в лабораторната практика
Професионалната подготовка е едно от най-значимите средства за повишаване на
производителността на труда. Тя включва теоретичната подготовка и практиката.
Необходимо е практическата подготовка да се осъвременява в съответствие с
развитието на техническите средства. Недостатъчното й осъвременяване има винаги
отрицателен ефект върху качеството на обучението. Един от актуалните съвременни
въпроси при изследването на алтернативни източници за получаване на енергия е
изследването на вятърна турбина. Въвеждането му в лабораторната и учебната
практика на силнотоковите специалности е необходимо за повишаване на качеството
на образователното равнище, но е трудно осъществимо поради големите размери и
висока стойност на реалното съоръжение. Разработеният с помощта на програмния
продукт MATLAB виртуален инструмент дава възможност да се изследва
16
преобразуването на вятърна енергия в eлектрическа чрез проследяване на процеса в
отделни контролни точки. Реализирането на MATLAB модела на ветрогенератор прави
подходяща темата за използването й и в електронното обучение.
Title
Size Document Number Rev
Date: Sheet of
A
1 1Wednesday , January 19, 2011
захранващо табло
оранжерия
малка
бял двужилен кабел
черен четирижилен кабел
РТ
РТ
1
работно помещение
работно помещение
14 лампи 17лампи
помпапомпа
8 лампи
вентилация
вентилация
САР
САР
лампа
PK-4
fig.1
към GEWISS
от главното табло по стената на входа
към втората оранжерия
fig.2
ел.инсталация-блокова схема
чертал: А. Хинова
РТ- разпределително табло
САР-система за автоматично регулиране
РК-4-разклонителна кутия
B
А
3x380V/220V
0
C
оранжерия 2оранжерия 1
12
54
компютър
Персонален
Трансвитер
Микроконтролер
Мрежов драйвер
RS232
Индустриална мрежа
RS485
Фиг.26
17
Система за регулиране на мощността , изградена с помощта на схеми от силовата
електроника е показана на фиг.28 в общия модел на система за вятърна енергия,
захранваща трифазен товар. Избраната турбина използва синхронен генератор с
постоянни магнити (PMSG). Генераторът е свързан към мрежата чрез трифазна
захранваща система (PCS). Намотките на статора на PMS генератор са напълно
свързани с PSC посредством трифазен токоизправителен мост- тип Ларионов, импулсен
стабилизатор на напрежение, завършващ с капацитивен делител на напрежение (DC-DC
пробразувател) и DC-AC инвертор на напрежение с филтър (фиг.29). Повишаващият
DC-DC преобразувател действа като интерфейс между изходното напрежение на
токоизправителя и входното напрежение на инвертора, чрез използване на широчинно-
импулсна модулация (ШИМ техника) за контрол.
Фиг.28. Общ модел на вятърна генераторна система
Моделът се базира на характеристиките на стабилно състояние на силата на
вятъра. Това е обобщен модел, който включва и схемното решение в общия модел на
вятърната генераторна система на фиг.28, и блоковете от опитната постановка на
фиг.29, които са достъпни в библиотека Extras/Discrete Control Blocks Library като
реални схемни елементи. В блоковата схема на фиг.28 се използва асинхронен
генератор, чиито обобщен модел отразява и режимите на работа на синхронен
генератор с постоянни магнити (PMSG). Използването на асинхронен генератор
опростява схемата и експлоатацията на вятърното съоръжение. Асинхронната машина
работи като генератор тогава, когато роторът се върти в посока на въртящото се поле с
надсинхронна скорост. Хлъзгането в този случай е отрицателно. Схема с асинхронни
генератори за малки мощности се използва при малки и средни вятърни агрегати.
Асинхронният генератор не изисква синхронизация и има по-малък ток на късо
съединение отколкото синхронния, просто включване и обслужване. Работните
обороти се установяват от само себе си. С регулиране на скоростта на кафезния ротор
се осъществява ограничаване на мощността при високи скорости на вятъра.
Отделните блокове на разработения виртуален инструмент за симулация на
ветрогенератор с трифазен товар са дадени на фиг.29.
Измервателните уреди Scope1 и Scope2 се използват за наблюдение на
напрежението на диодите на изправителя и тези на IGBT инвертора.
При скорост на вятъра от 10 m/s вятърната турбина произвежда достатъчно
енергия и е в стабилно състояние. Скоростта на ротора е около 1800 оборота в минута.
Асинхроннaта машина в модела работи в режим на синхронен генератор. Изходната
турбинна мощност е 412 W, но поради загубите на синхронната машина, турбината
произвежда 400 W. Тъй като товарът е 300 W, за поддържане на постоянно напрежение
след преходен период от около 50 ms, системата достига стационарно състояние..
Висшите хармоници, генерирани от инвертора се филтрират от LC филтър. Следва
измервателния блок. Измерва се фазовото напрежение. Тази информация се изпраща
към регулатор на напрежение, за автоматизиран контрол на IGBT инвертора.
18
Трифазният трансформатор се намира между блоковете на преобразувателя и мрежата.
Повишаващ трансформатор, от 12 V на 380 V, вътрешната схема е звезда-триъгълник,
без заземяване. Натоварването е 300 W, 380V и 50 Hz на трифазен паралелен RLC
заземен товар. Регулаторът на напрежение предоставя информация за индекса на
модулация m и изпраща сигнали на дискретния ШИМ (широчинно импулсна
модулация) генератор. Дискретният ШИМ генератор се използва, за да генерира
импулси за инвертора, чиято носеща честота е 2 кHz. В стабилно състояние, средната
стойност на индекса на модулация е m=0.80 и средната стойност на изходното
напрежение на инвертора е Uab=778V.0,612.0,80 =381 V. В блоковата потребителска
документация Simulink съдържа модел на динамична асинхронна машина, позната като
индукционна машина, която работи в режим на синхронен генератор при отрицателен
въртящ момент Тм; блок Powergui - необходим за симулиране на всеки модел Simulink
SimPowerSystems блокове и за съхраняване на еквивалентна схема Simulink;
универсален изправителен мост и IGBT –диоден мост; блок ’’Обхват и плаващ обхват”,
измервателни блокове за ток и за напрежение; ШИМ генератор; избирателен блок и
блок –закъснение. Избирателният блок избира на входа или генерира и пренарежда на
изхода си елементи като многомерни сигнали, вектори или матрици. Блок
‘Закъснение” забавя сигнала на изхода си според предварителните настройки.
Първата времедиаграма на фиг.30 показва напрежение Ucc на токоизправител.
Стабилно състояние на сигнала се установява за 0.05 s. Втората времедиаграма показва
напрежението на инвертора Uab. Това е напрежението между фазите а и b .
Напрежението е 12 V. Tретото измерване се извършва след трифазния трансформатор
и е за ефективната стойност на напрежението. Четвъртата времедиаграма е за
модулационния индекс m на инвертора. Той е настроен на 0,8 и се вижда, че е почти
постоянна величина.
Измерванията от МATLAB симулацията на фиг.31 се отнасят за напрежението
на диоди 1 и 3 от токоизправителя и IGBT 1 и 2 от ШИМ модулирания IGBT инвертор.
Фиг.30. Измервания от Scope 1
19
Фиг.31. Измервания от Scope 2
Фиг.29. Блокова схема на опитната постановка на вятърен генератор
20
Първата времедиаграма показва напрежението на диодите на токоизправителя.
Има отклонения от синусоидалната форма на положителната полувълна, защото не са
идеални условията на вятъра, използван за симулацията.
Втората времедиаграма е за IGBT1 и IGBT2 с ШИМ. Когато състоянието на
симулацията стане стабилно, напрежението на UPS добива ефективна стойност от 12 V.
Инверторът се състои от IGBT диоди. Те са управлявани от регулатор на напрежение,
свързани в серия и дискретен ШИМ генератор.
В симулацията се използва реален ветрогенератор, токоизправител,
преобразувател, инвертор, трансформатор и товар. Това означава, че има загуба на
мощност в устройствата. Времедиаграмите показват действителните условия на работа
на самостоятелна вятърна мрежа с трифазен товар. Симулацията може да се извърши с
подобна схема и с друг вид товар, като се използва създаденият MATLAB модел.
Получените резултати от симулацията показват, че създаденият MATLAB модел
може да служи за ефективно оценяване на работата на вятърни турбини. При
постоянна скорост на вятъра и константен товар могат да се покажат основните
условия на работа на ветрогенератора. Симулациите са в стабилно състояние.
Електронните устройства (токоизправител и инвертор) в блоковата схема на модела са
близки до реално използваните.
МАТLAB моделът може да служи за лабораторно изследване на такъв източник
на енергия, както за учебни цели, така и за конструктивни проекти. Ограничението на
симулацията във времето от ограниченията на компютърната програма. Създаването
на този модел е една добра възможност да се осъвремени и допълни лабораторната и
учебна практика на силнотоковите специалности.
2.4.1. Обобщени предимства и недостатъци в практическата подготовка след
приложението на модела в практическите занятия на НТС
При използването на електронен модел в практическите занятия по
електроенергетика, бяха констатирани следните предимства:
- разширяват се възможностите за експериментиране на сложни устройства;
- акцентира се върху работата на системата като цяло, а не върху отделните възли;
- студентите проявяват по-голяма активност и увереност при изследването на
устройството;
-по-добре оценяват функционирането на изследвания обект;
- получават по-задълбочени знания за приложението на системата;
- изграждат се умения у студентите да проектират и изследват подобни схеми с
виртуален инструмент.
Недостатъците, които бяха установени при работата с електронния MATLAB
модел на ветрогенератора, са следните:
- по-слаби аналитични компетенции за разпознаване на отделните елементи ;
- ограничения във времето за изследване, наложени от компютърната програма;
- ограничени умения за работа с елементната база и измервателните уреди;
- по-добре оценяват функционирането на изследвания обект;
- получават по-задълбочени знания за приложението на системата;
- изграждат се умения у студентите да проектират и изследват подобни схеми с
виртуален инструмент.
Недостатъците, които бяха установени при работата с електронния MATLAB
модел на ветрогенератора, са следните:
- по-слаби аналитични компетенции за разпознаване на отделните елементи ;
- ограничения във времето за изследване, наложени от компютърната програма;
- ограничени умения за работа с елементната база и измервателните уреди;
- по-слаби практически способности за монтаж и демонтаж;
21
- непълно усвояване на техниката на лабораторния експеримент.
Изброените недостатъци могат да бъдат компенсирани от работата по
традиционната лабораторна практика, която обаче не може да бъде изолирана от
съвременните достижения в предназначената област.
Създаденият електронен модел със своя удобен, функционален и лесен за
изпозване софтуер дава възможност на потребителя да се съсредоточи в същността на
устройството, а не върху свързването на отделните възли. Това е особено подходящо
при реализацията на нискобюджетни лабораторни практики. Използването на
виртуален МАТLAB модел в практическите занятия по електроенергетика и
токозахранващи устройства позволява в максимална степен да се оптимизира, подобри
и ускори процесът на обучение.
3.1. PSpice модели в силнотоковите специaлности
Ако предмет на практическите упражнения са схеми, подобни на възлите на
модела на вятърния генератор от т.2, PSpice симулацията дава възможност без разходи
на материали и време извън предвиденото по програма, да се сравнят различни схемни
варианти. Ако един вариант е реализиран практически и изследван експериментално,
във времето на едно упражнение могат да се симулират няколко схемни варианта на
едно устройство. За работата на преобразувателите с PWM /подобно на споменатия в
т.2/ винаги е необходим входен кондензатор, наречен поддържащ. Ако ограничаването
на пусковите токове се извърши с помощта на индуктивен елемент- линеен дросел,
шунтиран с насрещно свързан диод, схемата работи с по-ниско натоварване по
напрежение на всички елементи. За да се подчертае предимството на схемата при
високи стойности на захранващите напрежения, симулацията с PSpice дава възможност
да се проследят процесите във веригата чрез контролни точки.
Изследват се входните токове в DC/DC преобразувател. Схемите , използвани в
изследването са представени на фиг.32 и фиг.33.
C1
М+
М-
DC/DC
К1
Фиг.32. Прекъсвачът К1, поддържащият кондензатор C1, вх. ток I и ШИМ
преобразувател
R1L1
1 2
C1V1
VD1
Фиг.33. Схемата, изследвана чрез софтуерния продукт PSpice.
Входният капацитет С1 се заражда при включване на PWM преобразувателя към
мрежата чрез ключа К1 и линейния дросел L1. Преходният процес може да бъде
22
характеризиран със следните уравнения, ако се пренебрегне вътрешното
съпротивление на схемата:
tUi
sin. (1),
Uc= U1(1-cos t) (2),
UL=U1cos t (3),
където 1
1
C
L, а
11
1
CL .
Тези уравнения остават валидни до момента на включване на диода VD1. Този
момент отговаря на времето
2
t , когато напрежението на дросела си сменя знака.
Кондензаторът С1 се зарежда до стойността на захранващото напрежение. Спадът
на напрежението при диода VD1 се пренебрегва. Входният променлив ток е
синусоидален, съгл.(1), до момента, в който достига стойността Im=U/ .
Cлед като диодът VD1 се включи, токът на дросела започва да тече през диода.
Токът се изменя според следната зависимост:
1/.
Tt
ml eIi
(7)
където Т =L1 / r1, a r1 –съпротивлението на дроселната бобина.
Симулацията на дискутирания процес се осъществява с PSpice и резултатите са
показани на фиг.34. Времедиаграмите са съответно на преходния процес на
входното напрежение, падът на напрежение в кондензатора C1. входният ток и токът
през линейния дросел и токът през обратно свързания диод са на фиг.33., откъдето се
вижда, че входният ток не надвишава 18 А.
Фиг.34 Измереният ток през линейният дросел не надвишава (6-8) А. Стойността на
капацитета на кондензатора С1, на захранващото напрежение, стойността на тока на
преобразувателя в работен режим и приетата допустима стойност на амплитудата на
23
входния ток Im трябва да бъдат взети под внимание за избирането и дизайна на
линейния дросел L1.
От направената симулация се вижда преходния процес, предимствата на
схемното решение, съображенията при конструиране и се дава пример за сферата на
приложение. Подходът може да се приложи и при изпитване на съответния схемен
възел или при замяна на един елемент с друг .
3.2. Пример за Pspice симулации на цифрови схеми за целите на машинните
специалности
Изследването на елементарни цифрови и логически схеми ше даде по-добра
яснота за електронната част на машините и правилното поставяне на проблемите и
диагностиката на повредите, свързани с тази част.
За илюстрация може да се избере една елементарна схема на автогенериращ
мултивибратор с вход за управление, изпълнен с два логически елемента тип „ И-
НЕ” и два инвертора с Шмидт вход (фиг.35).
U1A
7400
1
23
U1B
7400
4
56
U2A
7414
1 2
U2B
7414
3 4
C2
R1
750
250p
out
S1DSTM2
V
VV
V
V
Revised: Sunday, December 26, 2010
Revision:
Bill Of Materials December 26,2010 19:09:10 Page1
Item Quantity Reference Part
____________________________________________
1 1 C2 1n
2 1 R1 1k
3 1 U1 7400
4 1 U2 7414
Фиг.35 Подготвената за симулация схема и спецификация на
елементите
Фиг.36. Времедиаграми от симулацията
24
Схемата се подлага на времеви (Тransient) анализ, с продължителност 2000s.
Автоматично с този анализ се изпълнява и постояннотоков анализ. Отделните стъпки
на симулацията могат да се проследят в [32] . Резултатите oт симулацията се виждат на
фиг.36.
По този начин обучаваните придобиват представа за логическите елементи като
част от интегрални схеми, за действието и предназначението на схемата на
автогенератора като цяло, и за това, какви практически въпроси биха могли да
поставят на специалистите по електронна техника, използващи този или подобен
програмен продукт.
4. Постигнати резултати и изводи
4.1. Направена е съпоставка между отделните видове модели на електротехнически
устройства- математически, МАТLAB и PSpice модели и са дадени предложения за
използването им в конкретни учебни дисциплини.
4.2. След анализирането на предимствата и недостатъците от приложението в ПО
на МАТLAB моделите и PSpise симулациите, се повиши интензивността на
лабораторната и учебната практика. Това отговори и на интереса на студентите от
неелектронните специалности към модерните технологии и възобновяемите
източници на електроенергия, където повечето от тях виждат бъдещата си реализация.
5. Научни и приложни приноси към глава трета
5.1. Създаден е нов подход за практическо приложение на програмния продукт за
електроника OrCAD за изчертаване на блокови и принципни схеми в неелектронните
специалности. Този подход се различава от стандартния по това, че се използва
графичното означение на електронните елементи за неелектронни приложения с друга
легенда. Предложеният алгоритъм е и лесна стъпка към разучаването на този продукт.
5.2. Направено е за първи път сравнение между практическото обучение с
теоретичния МАТLAB модел и с експерименталния модел на вятърен генератор като
инженерен обект в силнотоковите специалности.
5.3. Дадени са за приложение в практическото обучение на силнотоковите и
мащинните специалности след задълбочен подбор PSpice модели на аналогова и
цифрова схема.
Г л а в а ч е т в ъ р т а
Избор и оценка на електронни ресурси в областта на практическото обучение на
неелектронните технически специалности
1.Интелигентен подход за избор на електронен ресурс в областта на практическото
обучение на неелектронните технически специалности
Предмет на научно изследване са качествените резултати от приложението на
разгледаните в предишните глави електронни средства и модели (ел.ресурси) в една
машинна и една силнотокова специалност, като критериите за избор на подходящ
електронен ресурс и изводите от експеримента важат и сродните на избраните за
изследване специалности. Изследва се ефекта от приложението на електронни средства
и модели в практическото обучение. Обхванати са две неелектронни специалности
"Електрически машини и апарати" и " Мехатроника". Изследванията са извършени на
базата на размита логика, като се проследява основно ефекта от приложението на PLC
контролери и PSpice модели. Използва се една от приложните програми на MATLAB-
Fuzzi Logic.
25
1.1. Системите, базирани на размита логика- интелигентен подход за избор на
подходящ електронен ресурс Във всяка учебна практика се акцентира върху придобиване на различни умения
и навици - работа с измервателни уреди и инструменти, програмиране и настройка,
мониторинг и обработка на данни. От друга страна всеки електронен ресурс по
съшество обхваша няколко от тези компоненти. Поради това възникват трудности
относно избора на електронен ресурс, който да е най-полезен за конкретната учебна
практика по разглежданите неелектронни специалности. Всеки електронен ресурс има
свое място и начин на приложение. Обикновено, съответният преподавател подбира и
оценява електронен ресурс за учебна практика чрез своите знания, опит и лични
предпочитания. Но един такъв подход за избор на електронни ресурси не винаги е
оптимален.
Удачен подход за вземане на решения са експертните системи, базирани на размита
логика. Това са интелигентни системи, които имитират човешкото мислене. При тях се
използват елементи от теорията на размитите множества, за да се отчете
неопределеността и субективността, съпровождаша процеса на вземане на решение.
Размитите множества са разширение на обикновените множества.
Тук предмет на разглежданата научна проблематика е да се предложи система за
избор и оценка на електронен ресурс в учебната практика на две неелектронни
специалности- “Мехатроника” и “Електрически мащини и апарати”. Предлаганият
подход се базира на размита експертна система за вземане на решение, която се състои
от йерархични нива. Анализират се два основни електронни ресурса, прилагани в
обучението по учебна практика в продължение на пет години от преподаватели в
Техническия колеж в Ловеч.
Първият учебен електронен ресурс e PLС контролерът LOGO на Siemens.
Вторият електронен ресурс – това са PSpice моделите на преходни процеси,
преобразуватели, мощни лампи и други силнотокови елементи; МАТLAB моделите на
силнотокови устройства и други технически устройства.
Част от критериите за учебната практика по дисциплината „Електрически машини и
апарати” са:
А) умения за управление и мониторинг на машини и процеси;
Б) изследователски умения;
В) експериментални умения за диагностика;
Г) познания за работа с автоматизирани системи .
А тази част от критериите, която би могла да бъде постигната с реални електронни
средства в учебната практика по дисциплината „Мехатроника” са:
А) анализ и синтез на програми за управление на машини и поточни линии;
Б) умения за изграждане на мониторинг на технологични процеси;
В) умения за работа с роботизирани системи ;
Г) изследователски умения.
В случая критериите за избор на подходящ електронен ресурс се интерпретират
като лингвистични променливи. Размитата система има четири входа, които
съотвестват на четирите лингвистични променливи- критериите за избор на електронен
ресурс по конкретна учебна дисциплина. Изходът дава количествена комплексна
оценка за степента на ефективност на използвания електронен ресурс в учебната
практика на двете дисциплини “ Meхатроника” и „Електрически мащини и апарати”.
Стойността на изхода на размитата система е в съответствие със сборната преценка на
група преподаватели за най-ефективния и познавателен електронен ресурс за
конкретната учебна практика по съответната дисциплина. Подходът е приложим и за
други подобни на разглежданите електронни ресурси.
26
Размита
Размита
система 1
система 1
Размита
система 2
система 2
Размита
Изход 2
Изход 1
Вход 1
Вход 1
Вход 2
Вход 4
Вход 3
Вход 3
Вход 2Междинен
Междинен
Вход 4
резултат
резултат
Междинен резултат
Fuzzy 2Резултат от размита система 1
Mux 1
Fuzzy 1
Mux2
0,7
0,8
0,4
0,7
61
0,6107Вход.1
Вход.4
Вход.3
Вход.2
Фиг.39. Симулационна схема на размитата система относно учебна практика по
„Електрически машини и апарати”
След размиването на входните критерии се оказва, че за учебната практика по
дисциплината „Eлектрически машини и апарати” PLC контролерите на изхода дават
по-добра комплексна оценка (съгласно табл.2), а PSpice и МАТLAB моделите се
оказват по-ефективни, когато са приложени в учебната практика по ‘‘Мехатроника”.
Следователно програмируемите логически контролери са по-подходящ електронен
ресурс за практиката, свързана с дисциплината ’’Eлектрически машини и апарати”.
2. Изследване на ефективността от приложените ел. средства и модели, и методи
на работа с тях в НТС Основните критерии за качество на всяко практическо обучение са отговорност,
самостоятелност и конкурентноспособност. Тези три междинни критерия се
характеризират със следните признаци: отговорност, самостоятелност и
конкурентноспособност.
2.1. Симулационни изследвания на размитата експертна система и обобщение на
резултатите
От симуционните резултати се установява, че ПО с приложение на електронни
ресурси при изследваните дисциплини, свързани с изследваните НТС се отличава с по-
висока комплексна оценка, отколкото традиционното ПО без прилагане на електронни
средства и модели. Следователно умелото им използване в учебната и лабораторна
практика на НТС води до гарантирано подобряване на качеството на ПО на НТС.
27
Tаблица 3. Примерни входни данни и симулационни резултати
Вх.1=0,8
Вх.4=0.8
Вх.2=0.2Вх.2=0.4
Вх.3=0.7
ПО без ел.ресурси
Резултати от
ПО с ел.ресурси
Резултати от
Вх.5=0.5
Вх.5=0.6
Вх.1=0.6
Вх.3=0.2
Вх.6=0,7
Вх.5=0.9
Вх.4=0,2
Изход 2=7.643Изход 1=5.739
Междинен резултат
Fuzzy 2Резултат от размита система 1
Mux 1
Fuzzy 1
Mux2
Вход.1
Вход.2
Fuzzy 1
Вход.1
Вход.2
Fuzzy 1
Вход.1
Вход.2
Mux3
Mux2
0,8
0,7
0,9
0,2
0,3
0,5
6,7686,768
7,643
6,603
Фиг.41. Симулационна схема на размитата йерархична система в Маtlab/Simulink
3. Научни и приложни приноси от четвърта глава
1. Прeдлага се за първи път в тази насока интелигентен подход за оценка на най-
подходящ ел.ресурс за дадена учебна практика, базиращ се на размита логика и
експертни знания. Разработени са йерархични експертни системи, които имат две нива
и включват по две размити подсистеми. Описани са качествата и крайния ефект от
приложението на два основни ел.ресурса- PLC контролери и P-Spice и MATLAB
модели във връзка с учебните практики по „ Ел. машини и апарати” и „
Мехатроника”- неелектронни учебни дисциплини. Изходите на размитите системи
дават комплексна оценка доколко всеки един от изследваните ресурси е подходящ за
разглежданите учебни практики. Подходът може да се приложи и за други учебни
дисциплини.
2. Методът за избор и оценка с размита логика се отличава с оригиналност, тъй като
отразява степента на зрялост на конкретния електронен ресурс за конкретно
практическо обучение в НТС. Отличава се и от масово прилаганите статистически
подходи за анализ на отминал период, които биха служили повече за прогнозиране на
конкретни процеси във всеки вид обучение.
28
З а к л ю ч е н и е
1. Oбобщен отговор на поставения основен въпрос в първа глава
Целта на въвеждането на електронни средства и модели в ПО на НТС е не да се
черпи от основните ресурси като време и материали за съответната практика, а да се
подпомогне, допълни и осъвремени практическата дейност. Да се повиши нейното
качество и ефективност, като се извърши преоценка на педагогическите технологии и
ефективното използване на ресурсите.
Тенденцията е дистанционната форма на обучение да замени задочната. Но
инженерното образование изисква практическа подготовка. Но инженерното
образование изисква практическа подготовка. Както се вижда от мета модела за
съвременно инженерно образование на фиг.42, в електронното обучение практиката
ще се осъществява във виртуални среди за симулации, проектиране, тестване и
измерване.
Важна роля в еОбучението заема способността за самообучението. Виртуалното
инженерство, със съвременните електронни средства и модели, САD/ CAM / CAE
Online
Web
за инженери
обучение
ресурсиОбучаващи
приложения-базирани
Традиционно обучение СамообучениеЕлектронно обучение
обучението
СинхроннаАсинхронна
тестване и измерване
за
, проектиране
виртуални средиДостъп до
на знанията
комуникация дискусияonlineonline
Достъп до лаб. практикаКонсултации
УпражненияЛекцииОценяване
управлениена
Комбинирано
симулации
фиг. 42. Mета модел за инженерно образование
системи, може да замени реалното обучение по учебна и лабораторна практика в по-
висшите образователни степени, когато обучаваният има изградени основни
практически умения. Да се замени напълно в дистанционната форма реалната практика
с виртуална е възможно само, ако всеки от обучаваните има придобити базисни
практически навици и манипулационна технология в професионална гимназия или
придобит реален производствен опит. Тъй като всяка една практическа дейност има
своя специфична манипулационна технология, която не може да се усвои от
съвършенството на 3D моделите и симулационните модели и компютърните
тренажори. Но при всички случаи виртуалното инженерство в дистанционната форма
на обучение ще бъде по-добро и по-качествено откъм практическа подготовка на
обучаваните, в сравнение със задочната форма на обучение. Това е отбелязано и в
образователните цели на ТУ-София.
Въз основа на проведените изследвания, анализ, проучени мнения и
констатации за реализацията на студентите от Техническия колеж в Ловеч, заключавам,
че приложението на електронни средства и модели в практическото обучение на
неелектронните технически специалности е напълно необходимо и изключително
полезно.
29
2. Психологически изисквания към организацията на ПО в НЕ, относно
формиране на мотивационна структура на личността
Наблюдаваните обучаеми са групирани в три групи от по пет участника, по една
във всяка неелектронна специалност от всеки курс. Основният критерий за съставяне на
групите е мотивацията на участниците да посещават редовно и практическото
обучение, и лекционните курсове, независимо от различните входни знания и умения
на всеки от тях.
5. Реализация на кадрите на колежа, завършили през последните три години
Данните са предоставени от Агенция по заетостта, дирекция ‘’Бюро по труда”,
гр.Ловеч с писмо № 493/29.06.2012г. Безработицата сред младите технически кадри /до
35години/ в региона намалява, въпреки по-бавните темпове на развитие на
индустриалния микроклимат в региона. Ето какъв е броят на лицата, регистрирани в
ДБТ-Ловеч с различни степени на висше техническо образование и техният дял спрямо
обшият брой регистрирани безработни лица:
към 31.12.2009 г.-115 /3.92%/
към 31.12.2010 г.-94 /3,43%/
към 31.12.2011 г.-72 /2,88%/
към 30.05.2012 г.-63/2,48%/ Проследени са студентите от трите целеви групи по пет човека от всяка
неелектронна специалност на базовото учебно заведение. Всички са завършили
успешно тригодишния курс на обучение.Основното изискване за подборът на групите
бе обучаваните да присъстват редовно на всеки вид учебен процес. От непродължилите
в следващата степен на обучение професионални бакалаври, няма регистрирани
безработни в ДБТ в гр. Ловеч . За този факт имат безспорна роля иновациите в
практическото обучение на колежанското образование, тъй като това обучение играе
важна роля във формиране на самочувствието на бъдещите специалисти.
Научни и приложни резултати и приноси 1. Иноватичен метод, който практически показва приложението на личния мобилен
апарат за отдалечен технически контрол и самообучение, посредством друг
функционален блок от конфигурацията на PLC.
2. За пръв се предлага числен метод в методиката на учебната и лабораторна
практика, предназначението му е да осъществи непряк мост между теорията ,
практиката и PLC контролерът като електронно средство. Toзи метод се отличава
от досега прилаганите по това, че преди съшинската физическа дейност обучаваният
проверява своите базови знания чрез състезание–игра, което изисква индивидуално и
активно участие и на двете страни в учебния процес и изключва пасивността.
3. Подходът с приложение на многоканалните оптрони за практическо реализиране на
основни логически функции се отличава с оригиналност, тъй като тези електронни
елементи рядко се използват за такъв вид учебни цели, особено в неелектронните
технически специалности..
4. Създаден е нов подход за практическо приложение на програмния продукт за
електроника OrCAD за изчертаване на блокови и принципни схеми в неелектронните
специалности. Този подход се различава от стандартния по това, че се използва
графичното означение на електронните елементи за неелектронни приложения с друга
легенда и е добър програмен инструмент за изготвяне на идейни проекти в НТС.
5. Направено е за първи път сравнение между практическото обучение с теоретичния
МАТLAB модел и с експерименталния модел на вятърен генератор като инженерен
30
обект в силнотоковите специалности. Дадени са за приложение в практическото
обучение на силнотоковите и мащинните специалности след задълбочен подбор P-
Space модели на аналогова и цифрова схема.
6..Прeдлага се за първи път в тази насока интелигентен подход за оценка на най-
подходящ ел.ресурс за дадена учебна практика, базиращ се на размита логика и
експертни знания. Разработени са йерархични експертни системи, които имат две нива
и включват по две размити подсистеми. Изходите на размитите експертни системи
дават комплексна оценка доколко всеки един от изследваните ресурси е подходящ за
разглежданите учебни практики. Подходът може да се приложи и за други учебни
дисциплини.
7. Методът за избор и оценка с размита логика се отличава с оригиналност, тъй като
отразява степента на зрялост на конкретния електронен ресурс за конкретно
практическо обучение в НТС. Отличава се и от масово прилаганите статистически
подходи за анализ на отминал период, които биха служили повече за прогнозиране на
конкретни процеси във всеки вид обучение.
8. За постигане на крайните резултати спомогна съставената от автора класификация
на електронните средства и модели в блоков вид в първа глава. Досега такава
класификация в блоков вид не е правена. Тази класификация даде възможност да се
разграничат неизползваните налични електронни ресурси и да се анализира работата в
учебната и лабораторна практика на НТС именно след тяхното приложение.
Научни приноси:
1. Предлага се за пръв път нов алгоритмичен модел на практическо обучение в
неелектронна техническа специалност, който включва числен метод и електронен
ресурс, предшестващ физическата част на практиката и водещ до двукратно осмисляне
на третираните проблеми.
2. Съставен е oригинален опростен алгоритъм за графичен дизайн на неелектронни
схеми, който може да се ползва и без предварителни познания на програмния продукт
за електроника ОrCAD.
3. Разработени са две йерархични експертни системи, базиращи се на размита логика,
които се отличават с оригиналност, тъй като отразяват степента на зрялост на
конкретен ел. ресурс за конкретна учебна практика.
Приложни приноси:
1. Иновативният метод за мониторинг на вентилационна система може да се прилага в
учебната и лабораторна практика на всички специалности, също и като елемент на
дистанционното обучение.
2. Освен за демонстрация на логически функции, предложените схеми с многоканални
оптрони стимулират интереса на студентите от неелектронните технически
специалности към оптоелекронните елементи и нестандартните им приложения.
3. Приложението на алгоритмичен модел на практическо обучение с числен метод и ел.
ресурс служи пряко за повишаване на индивидуалната активност, а оттам и на
качеството на обучението.
4. Сравнението между приложението на теоретичния MATLAB модел и
експерименталния дава част от отговора на въпроса, поставен чрез формулировката на
основната цел в първа глава, относно необходимостта на ел. средства и модели в
практическото обучение на НТС и значението им в дистанционното обучение.
Подбрани са конкретни P-Spice модели и начин за прилагането им в ПО на НТС. Дава
се конкретен алгоритъм за ползване на програмен продукт за електроника от
неелектронни специалисти.
5. Създадени са размити експертни системи за избор и оценка на ел. ресурс за учебна
практика.
31
Списък на публикациите на автора, свързани с дисертацията
[A1] Хинова А.И. Електротехническата промишленост в Ловешка област и някои от
задачите във връзка с развитието й ; ISSN 1312-3920 „Известия на ТУ- Сливен”,№.2,
2009 г.,стр. 31 -38
[A2] Хинова А.И. Нанотехнологиите като база за изграждане на процесори; ISSN 1312-
3920 „ Известия на ТУ-Сливен”, №.4, 2009г., стр.51-58
[A3] Хинова А.И. Интелигентен подход за избор на електронни ресурси в практическото обучение на неелектронни специалности, ISSN 1312-3920, "Известия на ТУ-Сливен", № 2, 2012, стр.20-25.
[A4] Каров Р., А. Хинова, Приложение на МАТLAB модел на вятърен генератор в
практическото обучение на неелектронни технически специалности”, ISSN 1312-
5702,“Инженерни науки”-БAН, №3, 2012, стр. 24-29
[A5] Хинова А. И. Применение метода „ Транспортной задачи”в практическом
обучении колледжа; ISBN 978-5-7782-1778-2; Сборник материалов I международной
научно-практической конференции „Проблемы реформирования системы
образования”, Новосибирск, Русия, 5октомври, 2011., стр.76-80
[A6] Хинова А. И. Электронныe ресурсы в области практического обучения, ISBN 978-
5-7782-1779-6; Сборник материалов 16 международной научно-практической
конференции „Наука и современность”, Новосибирск, Русия, 24 май, 2012., стр.335-339.
[A7] Xинова А.И. и др. Приложение на мобилните телефони в практическото обучение,
ISSN 1313-3985, Сборник доклади oт Национална конференция с международно
участие „Електроника 2010”,С. 28 май,2010г., стр.354-366
[A8] Хинова А.И. и др. Автоматизирана почистваща машина на събирателни скари на
ВЕЦ-мултимедиен продукт за обучение по автоматизация на производството, ISBN 13:
978-954-683-353-2, сб. доклади от MНК „Унитех11”, Габрово, 18-19 ноември,
2011г.стр.308-310
[A9] Хинова А. И. и др. Създаване на обобщен модел на вятърен генератор, Сборник
доклади от IV Балканска научна конференция ,,Науката, образованието и изкуството
през 21-век'' , Благоевград, 30.09-01.10.2012г., стр.421-427
[A10] Hinova A.I., Tsanov L.V., Zhilevska M.V. Application of the Software Product for
Elektronics Orcad in Drawing Block and function Schemes of Elektrical Installations; ISSN
2029-4557, V International conference selected papers / Competence of contemporary
specialist: the unity of theory and practice/ Lithuania, Kaunas, 7 april, 2011,p.60-63
32
ELECTRONIC DEVICES AND MODELS IN THE PRACTICAL TRAINING OF
NON-ELECTRONIC TECHNICAL ACADEMIC MAJORS
ABSTRACT
In the dissertation thesis, innovative methods for applying electronic tools and
models in the practical training of non-electronic technical academic majors, are offered
to contemporary teachers. The need for their application, the requirements to them, and
the importance of improving the quality and effectiveness after implementation, both in
traditional and in distance learning, is studied in detail. It consists of four chapters and a
conclusion.
The first chapter is a review of the existing electronic tools and models (electronic
resources) in Bulgarian technical universities, through which the teaching and
laboratory practice of non-electronic technical majors can be updated and enriched. The
properties of programmable logic controllers and specifically the Siemens-LOGO
controller, as well as PSpice and MATLAB models, are reviewed in detail.
The second chapter deals with innovative methods leading to the intensification of
the learning process. These are the monitoring of a ventilation system in a classroom by
a GSM communicator of the LOGO controller and a personal mobile phone of the
trainee. This method can be also applied in a production environment.
For the first time, a numerical method, electronic resources and real physical
activities, are provided in practical or laboratory environment. The approach includes a
non-traditional application of the transport problem and of the PLC LOGO controller,
preceding the actual physical activity and leading to an increased activity and spectrum
of the trainee’s practical knowledge.
The use of a multi-channel optrons for studying the logic functions in machinery
fields is proposed.
The third chapter deals with MATLAB and PSpise models as a major step towards
the formation of creative thinking and technical intelligence in students. An innovative
application of the OrCAD electronics software for power electrics and mechanical
academic majors is considered.
The fourth chapter deals with innovative methods of selection and evaluation of
appropriate electronic resources for a specific educational practice. The method is based
on fuzzy logic and expert knowledge, and reflects the maturity of the specific electronic
resource. It is proposed for the first time in this field.
In the conclusion an answer is given to the question set in the main task of the thesis,
and useful conclusions are made, regarding the practical training with electronic tools
and models in modern engineering education.
