Митрофанов А.М., Станякин В.М. (сост.) Теория и расчёт измерительных преобразователей и приборов
Подождите немного. Документ загружается.
1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра метрологии
ТЕОРИЯ И РАСЧЁТ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
И ПРИБОРОВ
Рабочая программа
Задание на курсовую работу и методические указания к её выполнению
Факультет радиоэлектроники
Направление и специальность подготовки дипломированных специалистов
653800 – стандартизация, сертификация и метрология
190800 - метрология и метрологическое обеспечение
Направление подготовки бакалавров
552200 – метрология, стандартизация и сертификация
Санкт – Петербург
2004
2
Утверждено редакционно-издательским советом университета
УДК 621.317.3(7): 621.396.6 : 681.3
Теория и расчёт измерительных преобразователей и приборов:
Рабочая программа. Задание на курсовую работу и методические указания к её
выполнению. - СПб.: СЗТУ, 2004. - 25 с.
Рабочая программа разработана в соответствии с государственными
образовательными стандартами высшего профессионального образования по
направлению подготовки дипломированных специалистов 653800 –
«Стандартизация, сертификация и метрология» (специальность 190800 –
«Метрология и метрологическое обеспечение») и направлению подготовки
бакалавров 552200 – «Метрология, стандартизация и сертификация».
Методический сборник содержит рабочую программу, тематический план
лекций, перечень основной и дополнительной литературы, задания на курсовую
работу и методические указания к её выполнению.
В рабочей программе рассмотрены общие сведения о проектировании
технических объектов, измерительные преобразователи (ИП) и измерительные
приборы (ИПр) как объекты проектирования, структурные схемы и
математические модели ИП и ИПр, физико-технические эффекты, лежащие в
основе преобразований, методы анализа качества и структурного синтеза
средств измерений, расчёт метрологических характеристик средств измерений,
техническое, лингвистическое, программное и информационное обеспечение
САПР и особенности использования САПР при проектировании ИП и ИПр.
Рассмотрено на заседании кафедры метрологии 6 сентября 2004 г.,
одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 16 сентября
2004 г.
Рецензенты: кафедра метрологии СЗТУ (зав. кафедрой И.Ф.Шишкин, д-р техн.
наук. проф.), Е.Н.Климов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой СПбГУВК.
Составители: А.М.Митрофанов, канд. техн. наук, доц.;
В.М.Станякин, канд. техн. наук, доц.
© Северо– Западный государственный заочный технический университет, 2004
3
Предисловие
В условиях рыночной экономики важнейшим инструментом успешной
деятельности предприятий становится качество измерительной информации,
которое в основном определяется качеством средств измерений.
Цель изучения дисциплины – подготовка студентов к решению
практических задач, связанных с проектированием измерительных
преобразователей и приборов с использованием САПР.
Предметом учебной дисциплины являются основы теории
измерительных преобразователей (ИП) и измерительных приборов (ИПр)
(математические модели, структурные схемы, физико-технические эффекты,
используемые в преобразовании) и основы их проектирования (расчёт
метрологических характеристик, методы анализа качества и структурного
синтеза, структура САПР и особенности её использования).
В результате изучения дисциплины студент должен:
иметь представление:
- о проблемах методологии проектирования ИП и ИПр;
- о факторах, определяющих перспективы развития САПР ИП и ИПр;
- о вновь разрабатываемых измерительных преобразователях и приборах;
знать и уметь использовать:
- физико-технические эффекты, лежащие в основе преобразований;
- основы проектирования ИП и ИПр;
- методы анализа качества ИП и ИПр;
- методы структурного синтеза ИП и ИПр;
- принцип работы и метрологические характеристики ИП и ИПр;
- структуру САПР ИП и ИПр;
- техническое и программное обеспечение САПР;
- особенности использования САПР при проектировании ИП и ИПр;
иметь опыт (навыки):
- проектирования и расчета ИП и ИПр с использованием САПР.
Преподавание дисциплины базируется на дисциплинах: «Философия»,
«Математика», «Информатика», «Физика», «Химия», «Инженерная графика»,
«Механика», «Электротехника и электроника», «Физические основы
измерений», «Программные статистические комплексы», «Метрология,
стандартизация и сертификация», «Общая теория измерений», «Системный
анализ», «Взаимозаменяемость», «Теоретическая метрология», «Методы и
средства измерений, испытаний и контроля», «Основы квалиметрии»,
«Системы управления качеством», «Метрологическое обеспечение», «Основы
приборостроения», «Планирование и организация эксперимента», «Прикладная
метрология», «Законодательная метрология». В свою очередь изучение данной
дисциплины обеспечивает в дальнейшем качественное усвоение специальных
дисциплин и выполнение дипломного проекта.
Итогом изучения дисциплины является сдача студентами экзамена.
4
1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Содержание дисциплины по ГОС
Измерительный преобразователь как составная часть средства измерения;
структурные схемы и математические модели преобразователей и средств
измерений; физико-технические эффекты, лежащие в основе преобразователей;
основы проектирования; методы анализа качества и структурного синтеза
средств измерений; расчёт метрологических характеристик измерительных
преобразователей и средств измерений; структура САПР, техническое и
программное обеспечение САПР; особенности использования САПР при
проектировании измерительных преобразователей и средств измерения.
1.2. Рабочая программа (170 часов)
1.2.1. Введение
[1], c. 3 – 6
Содержание, цели и задачи курса. Его роль и место в современной
проектно-конструкторской подготовке инженера-метролога. Краткий
исторический обзор развития методов проектирования ИП и ИПр.
1.2.2. Общие сведения о проектировании технических объектов
[1], c. 7 – 30; [2], с. 7 – 19
Блочно-иерархический подход к проектированию. Горизонтальные
(иерархические) уровни сложных систем. Вертикальные уровни (аспекты)
проектирования. Этапы, стадии, процедуры, операции проектирования.
Нисходящее и восходящее проектирование.
Классификация показателей качества и параметров объектов
проектирования (ОП): выходные, внутренние и внешние; фазовые
переменные. Структура технического задания (ТЗ). Обоснование целей
проектирования. Формулировка исходной цели (ИЦ) проектирования: название
ОП, требования к ОП, функции ОП, степень детализации отдельных
компонентов и аспектов проекта. Формулирование требований к ОП с
помощью метода отрицания и конструирования и анализа зависимостей между
каждой парой требований (матрица взаимодействия требований).
Задачи и методы проектирования. Анализ, синтез (структурный,
параметрический) и оптимизация. Метод многовариантного анализа. Синтез
оптимального технического решения. Виды оптимизации: структурная,
параметрическая (номинальных значений, допусков, технических требований).
Схема процесса нисходящего проектирования на отдельном иерархическом
уровне. Особенности неавтоматизированных (ручных) и автоматизированных
методов проектирования. Требования к методам проектирования. Принципы
построения и структура систем автоматизированного проектирования.
Подсистемы САПР: проектирующие (объектно-зависимые, объектно-
независимые), обслуживающие. Составные функциональные части САПР:
техническое, математическое, программное, лингвистическое,
информационное, методическое, организационное обеспечения.
5
1.2.3. ИП и ИПр как объекты проектирования
[6], c. 5 – 120
Концепция объекта проектирования: принцип действия, структурная
схема, основные показатели качества и параметры.
Физико-технические эффекты (ФТЭ), лежащие в основе работы
измерительных преобразователей. Классификация ФТЭ по виду входного
воздействия, отклика и функции преобразования. Структурная схема и
математическая модель физико-технического эффекта. ИП как составная часть
измерительного прибора ИПр.
Структурные схемы ИП; основные показатели качества и параметры.
1.2.4. Математические модели ИП и ИПр
[1], c. 73 – 135; [2], с. 20 – 51
Общие сведения о математических моделях. Блочно-иерархическое
проектирование и математические модели. Характерные особенности
математических моделей, используемых на микро-, макро- и метауровнях.
Требования, предъявляемые к математическим моделям: точность,
экономичность, степень универсальности. Классификация математических
моделей: по характеру отображаемых свойств (функциональные и
структурные); по характеру переменных (фазовые и факторные). Методы
получения математических моделей.
Математические модели на микроуровне. Распределенные
математические модели – системы дифференциальных уравнений в частных
производных. Общий вид распределенных моделей и частные случаи.
Математические модели на макроуровне (сосредоточенные
математические модели) – обыкновенные дифференциальные уравнения.
Формальное представление структуры на макроуровне: графы, эквивалентные
схемы (с однородными и разнородными элементами). Методы получения
моделей: узловой, контурный, переменных состояний, табличный.
Математические модели на метауровне. Методы получения моделей:
теория автоматического управления, планирование эксперимента,
математическая логика, теория массового обслуживания. Функциональное
моделирование.
Функциональные, факторные, фазовые макромодели. Моделирование
систем массового обслуживания. Логическое моделирование.
Математические модели ИП и ИПр на разных уровнях.
1.2.5. Техническое обеспечение САПР ИП и ИПр
[1], c. 31 – 55
Состав, организация и режимы работы технических средств САПР. Типы
вычислительных сетей САПР. Машинная графика. Режимы работы САПР:
пакетный и диалоговый. Терминальные комплексы. Дисплеи: алфавитно-
цифровые и графические.
6
1.2.6. Лингвистическое обеспечение САПР ИП и ИПр
[1], c. 56 – 72
Языки общения человека с ЭВМ и их классификация: языки
программирования (алгоритмические), проектирования (проблемно-
ориентированные), управления. Языки программирования: высокого и низкого
уровня, их достоинства и недостатки, рекомендации по выбору. Языки
проектирования: входные, выходные, сопровождения, внутренние. Входные
языки: графические, схемные, моделирования. Языки сопровождения:
диалоговые, недиалоговые.
1.2.7. Программное и информационное обеспечение САПР ИП и ИПр
[1], c. 273 – 292
Программное обеспечение САПР: общее и специальное.
Общее (системное) программное обеспечение (ОПО) – операционные
системы ЭВМ. Структура ОПО: управляющие (внутренние) и обрабатывающие
(внешние) программы.
Управляющие программы (группа исполнения программ): управления
задачами (супервизор), управления заданиями, управления данными.
Обрабатывающие программы (группа подготовки программ): трансляторы,
обслуживающие программы, библиотеки.
Специальное программное обеспечение (СПО) - пакеты прикладных
программ. Модульные построения программ. Типы модулей и варианты
структуры программного обеспечения САПР. Программное обеспечение
машинной графики. Характер взаимодействия модулей рабочих программ.
Принципы построения программ разных иерархических уровней.
Показатели качества прикладных программ.
Информационное обеспечение (ИО) САПР. Банк данных (БНД): база
данных (БД) и система управления базовых данных (СУБД). БНД общецелевые
и специализированные. Информационные потоки в САПР. Реализация связей
модулей по информации. Требования к БД. Структура БД.
1.2.8. Задачи анализа и методы их решения в САПР
[1], c.136 – 206
Особенности математических моделей объектов проектирования,
влияющие на выбор численных методов их анализа: высокая размерность;
разреженность матриц в математических моделях; жесткость систем
управлений, связанных с плохой обусловленностью матриц Якоби; умеренные
требования к точности анализа.
Методы анализа статических состояний. Постановка задач анализа
статических состояний. Методы решения систем нелинейных конечных
уравнений. Методы решения систем линейных алгебраических уравнений.
Повышение эффективности алгоритмов одновариантного анализа.
Основные направления повышения эффективности алгоритмов анализа.
Алгоритм Гауссовых исключений в методе разреженных матриц.
7
Компилирующий и интерпретирующий алгоритмы в методе разреженных
матриц. Оптимальное упорядочение строк и столбцов в матрице Якоби.
Методы фрагментации (диакоптические). Комбинированные алгоритмы
интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений.
Особенности анализа многопериодных объектов. Специфические
алгоритмы анализа линейных объектов. Анализ стационарных режимов
колебаний в нелинейных объектах с периодическими входными сигналами.
Анализ распределенных математических моделей. Основные положения
методов конечных разностей (МКР). Замена дифференциальной задачи
разностной. Особенности структуры матриц Якоби в системах разностных
уравнений. Методы числового решения систем разностных уравнений.
Основные положения метода конечных элементов (МКЭ).
Статистический анализ. Метод наихудшего случая. Метод Монте-Карло
(метод статистических испытаний).
Анализ чувствительности. Метод приращений. Прямой метод.
Регрессионный метод.
1.2.9. Оптимизация технических объектов в САПР
[1], c. 207 – 248
Основные определения. Безусловные экстремумы. Условные экстремумы.
Необходимые и достаточные условия экстремума. Поисковая оптимизация.
Этапы вычислительного процесса при оптимизации.
Способы постановки задач параметрической оптимизации.
Классификация критериев оптимальности: мультипликативные, аддитивные,
минимаксные (максиминные), статистические.
Общие сведения о методах поиска экстремума. Классификация методов.
Метод покоординатного спуска (метод Гаусса - Зейделя). Метод случайного
поиска. Метод градиента. Метод наискорейшего спуска. Метод Ньютона.
Одномерный поиск. Сведение задач условной оптимизации к безусловной.
Нормализация управляемых параметров. Овраги и гребни целевых функций.
Методы оптимизации для задач проектирования. Метод Розенброка.
Метод сопряженных градиентов. Метод переменной матрицы (метод Флетчера
- Пауэлла). Метод проекции градиента. Алгоритмы оптимизации при
использовании максимальных критериев. Оптимизация допусков. Оптимизация
технических требований.
1.2.10. Структурный синтез в САПР
[1], c. 249 – 272
Классификация задач синтеза. Параметрический синтез. Структурный
синтез. Уровни смежности задач синтеза.
Подходы к решению задач структурного синтеза. Перебор вариантов: из
архива типовых структур; генерируемых из библиотечных элементов. Оценка
очередного варианта при переборе. Последовательный синтез. Выделение
варианта из обобщенной структуры. Использование эвристических приемов.
8
Сведение задачи структурного синтеза к задаче дискретного математического
программирования.
Методы и алгоритмы структурного синтеза. Полный перебор. Метод
ветвей и границ. Метод И-ИЛИ-дерева. Метод синтеза технологических
процессов. Алгоритмы последовательного синтеза. Итерационные алгоритмы
сокращенного перебора. Метод дискретного математического
программирования. Геометрическое проектирование.
1.2.11. Система схемотехнического моделирования «MICROCAP»
[3], с. 3 – 84
Моделирование статического режима ИП в программе «MICROCAP».
Моделирование переходного режима ИП в программе «MICROCAP».
Моделирование частотных характеристик ИП в программе «MICROCAP».
Моделирование влияния разброса параметров компонентов на
передаточную характеристику динамического звена в программе
«MICROCAP».
1.2.12. Качество при проектировании
[5], c. 1 – 21
Проектирование – один из этапов петли качества. Международные
стандарты (МС) ИСО серии 9000 о качестве проектирования. Планирование
проектирования и разработки. Входные и выходные данные для
проектирования и разработки. Анализ проекта и разработки. Верификация
проекта и разработки. Валидность проекта и разработки. Управление
изменениями проекта и разработки.
Заключение
Краткое обобщение основных вопросов курса. Перспективы развития
САПР ИП и ИПр. Направления самостоятельного расширения и углубления
полученных знаний, использования их в практической деятельности.
1.3. Объём дисциплины и виды учебной работы
Виды занятий Всего часов
Общая трудоёмкость 170
Аудиторные занятия 48
Лекции
28
Практические занятия
8
Лабораторные работы
12
Самостоятельная работа 122
Курсовая работа
36
Вид итогового контроля – ЭКЗАМЕН
9
1.4. Тематический план лекций для студентов
очно-заочной формы обучения (28 часов)
1. Введение. Общие сведения о проектировании технических объектов . . 2 часа
2. ИП и ИПр как объекты проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 «»
3. Математические модели ИП и ИПр на микроуровне и макроуровне . . . 2 «»
4. Математические модели на метауровне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 «»
5. Техническое обеспечение САПР ИП и ИПр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 «»
6. Лингвистическое обеспечение САПР ИП и ИПр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 «»
7. Программное обеспечение САПР ИП и ИПр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 «»
8. Информационное обеспечение САПР ИП и Ипр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 «»
9. Особенности математических моделей объектов проектирования . . . . . 2 «»
10. Методы анализа математических моделей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 «»
11. Основные понятия оптимизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 «»
12. Методы оптимизации для задач проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 «»
13. Структурный синтез в САПР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 «»
14. Качество при проектировании. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 «»
1.5. Темы практических занятий (8 часов)
1. Разработка математической макромодели объекта . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 часа
2. Разработка эквивалентных схем моделируемых объектов . . . . . . . . . . 2 «»
3. Формирование математической модели системы (ММС) узловым
методом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 «»
4. Формирование ММС методом переменных состояния . . . . . . . . . . . . . 2 «»
1.6. Темы лабораторных работ (12 часов)
1. Моделирование переходного режима измерительного преобразователя в
программе «MICROCAP». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 часа
2. Моделирование частотных характеристик измерительного преобразователя в
программе «MICROCAP». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 «»
3. Моделирование влияния разброса параметров компонентов на передаточную
характеристику в программе «MICROCAP». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 «»
10
2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основной
1. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических
устройств и систем: Учеб. пособие для втузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.:
Высш. шк., 1986. - 304 с.
2. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР: Учеб.
для втузов.-М.: Высш. шк., 1990. – 335 с.
3. Разевиг В.Д. Моделирование аналоговых электронных устройств на
персональных ЭВМ. - М.: Изд-во МЭИ, 1993, - 152 с.
Дополнительный
4. Физические эффекты в машиностроении: Справочник / В.А. Лукьянец, З.И.
Алмазова, Н.П. Бурмистрова и др.; Под общ. ред. В.А. Лукьянца - М.:
Машиностроение, 1993. - 224 с.
5. ГОСТ Р ИСО 9001-2001. Системы менеджмента качества. Требования. - М.:
Изд-во стандартов, 2001.
6. Богданов Г.М. Проектирование изделий: Организация и методика постановки
задачи. - М.: Изд-во стандартов, 1995. - 144с.
7. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и
инженеров. - М.: Наука, 1984.
8. Грановский В.А. Динамические измерения: Основы метрологического
обеспечения. - Л.: Энергоатомиздат, 1984.
9. Шишкин И. Ф. Теоретическая метрология: Учебник для вузов. - М.: Изд-во
стандартов, 1991.
3. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЕЁ ВЫПОЛНЕНИЮ
3.1 Типовые преобразователи и их динамические характеристики
Тема курсовой работы «Проектирование средств измерений (СИ) с
заданными динамическими характеристиками с применением элементов
САПР».
Курсовая работа посвящена автоматизированному проектированию СИ
на уровне структурных схем. Предлагаемые студентам варианты структурных
схем соответствуют реальным СИ и представляют собой совокупность
определённым образом (последовательно, параллельно или смешанно)
соединенных типовых функциональных элементов – преобразователей. В
процессе проектирования студенты должны определить параметры типовых
преобразователей, которые позволили бы обеспечить заданные динамические
характеристики проектируемого СИ в целом.
Среди типовых функциональных преобразователей выделяют:
- усилительный преобразователь (УП);
- дифференцирующий преобразователь (ДП);
- интегрирующий преобразователь (ИнтП);
- апериодический преобразователь (АП);
- колебательный преобразователь (КП).