Цели и задачи дисциплины 2 страница

Пример 2. Основным топливом в современных двигателях внутреннего сгорания служит бензин — смесь жидких углеводородов. Углеводородами называются органические вещества, в состав которых входят только атомы углерода и водорода. Температура кипения углеводородов, образующих бензин, не превосходит 100 градусов. В цилиндр двигателя внутреннего сгорания поступает смесь паров бензина с воздухом (горючая смесь), её химическая энергия E0 определяется взаимодействием входящих в неё атомов водорода, кислорода, углерода и других элементов. В результате сгорания топлива связи между атомами изменяются и химическая энергия продуктов сгорания становится равной E1. Количество тепла, которое выделилось при сгорании топлива, равно разности E0 - E1.

Энергетические машины преобразуют один вид энергии в другой. Степень совершенства энергетической машины определяется безразмерной величиной - её коэффициентом полезного действия.

2. Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания

2.1. Назначение двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию, которая выделяется при сгорании топлива, в механическую энергию вращения вала.

2.2. Структура двигателя внутреннего сгорания. Главным компонентом двигателя внутреннего сгорания является цилиндр, вдоль стенок которого скользит поршень. Цилиндр прикреплён к корпусу машины. Верхнее основание цилиндра называется головкой, в ней три отверстия: два отверстия перекрыты впускным и выпускным клапанами, а в третье вставлена свеча электрического зажигания.

2.3. Принцип действия двигателя внутреннего сгорания. В течение первого такта работы двигателя поршень идёт вниз, открывается впускной клапан и цилиндр заполняет горючая смесь паров бензина с воздухом. В начале второго такта впускной клапан закрывается и поршень двигается вверх, сжимая горючую смесь. Когда поршень достигает верхнего положения, между электродами свечи проскакивает искра, горючая смесь воспламеняется, давление в цилиндре возрастает и толкает поршень вниз — он совершает рабочий ход. Химическая энергия, заключённая в горючей смеси, превращается сначала в тепло, а затем - в механическую энергию движения поршня. Четвёртый такт: открывается выпускной клапан, поршень идёт вверх, выталкивая из цилиндра продукты сгорания. После этого выпускной клапан закрывается и циклы повторяются.

2.4. Кривошипно-шатунный механизм. Кривошипно-шатунный механизм представляет собой подсистему двигателя внутреннего сгорания, преобразующую механическую энергию возвратно-поступательного движения поршня в механическую энергию вращающегося вала, на который насажено массивное колесо — маховик. Внутри поршня жёстко закреплён валик — поршневой палец, верхняя головка шатуна охватывает поршневой палец, а нижняя — шейку коленчатого вала. Связи шатуна с поршневым пальцем и коленчатым валом являются шарнирными, верхняя головка шатуна двигается вверх и вниз вместе с поршнем, а нижняя заставляет коленчатый вал вращаться. Движение поршня в первом, втором и четвёртом тактах происходит за счёт вращения маховика.

2.4.1. Коленчатый вал. Современный автомобильный двигатель состоит из нескольких цилиндров, их поршневые пальцы соединены с коленчатым валом, который выполняет функцию кривошипа. Работа их клапанов отрегулирована таким образом, чтобы в каждый момент времени поршень какого-то цилиндра совершал рабочий ход. В этом случае становится ненужным маховик.

2.5. Детонация двигателя внутреннего сгорания. Коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания равен отношению количества энергии, выделившейся при сгорании топлива в цилиндре в течении третьего такта, к количеству механической энергии, полученной валом за один цикл работы двигателя. Для увеличнеия коэффициента полезного действия двигателя необходимо повысить степень сжатия смеси паров бензина с воздухом в цилиндре. Однако при большом давлении и температуре в смеси паров бензина с воздухом возникают вещества, вызывающие детонацию двигателя: топливо сгорает очень быстро, появляется характерный стук, детали двигателя быстро изнашиваются. Для устранения детонации двигателя к бензину добавляют специальные вещества (антидетонаторные присадки) или перерабатывают его, увеличивая в нём содержание медленно сгорающих углеводородов.

3. Гидравлическая турбина. Гидравлической турбиной называется энергетическая машина, преобразующая механическую энергию жидкости в кинетическую энергию вращающегося вала. На валу гидравлической турбины укреплено рабочее колесо с лопатками. Жидкость проходит через каналы направляющего аппарата, воздействует на лопатки и заставляет вращаться рабочее колесо. В основном гидравлические турбины используются на гидроэлектростанциях, они вращают электрические генераторы, вырабатывающие электрический ток.

3.1. Активная гидравлическая турбина. В активной гидравлической турбине давление воды, проходящей через направляющий аппарат снижается, вследствие чего возрастает её скорость. Когда вода проходит вдоль лопатки турбины, её скорость резко снижается, кинетическая энергия движения воды передаётся лопатке.

3.2. Реактивная гидравлическая турбина.

3.2.1. Реактивное движение.

3.2.1.1. Определение импульса механической системы. Импульсом называется векторная физическая величина, характеризующая интенсивность механического движения. Импульс системы, образованной частицами (материальными точками) равен сумме произведений масс частиц на их скорости (напомним, что скорость частицы является вектором, векторы складываются по правилу параллелограмма).

3.2.1.2. Закон сохранения импульса. Рассмотрим систему, состоящую из двух частиц, их массы равны m, M, а скорости в момент времени t v (t) и V (t) соответственно (буквы жирного шрифта обозначают векторы). Пусть первая частица действует на вторую с силой F, вторая частица действует на первую с силой f, внешние силы отсутствуют. Из второго закона Ньютона вытекают уравнения движения частиц:

m d v (t) / dt = f,

M d V (t) / dt = F.

Согласно третьему закону Ньютона, силы, с которыми частицы действуют друг на друга равны по величине и противоположны по направлению: f = - F. Складывая уравнения движения частиц, получим:

m d v (t) / dt + M d V (t) / dt = 0,

d (m v (t) + M V (t)) / dt = 0

- производная импульса системы равна нулю, следовательно, импульс системы частиц остаётся постоянным. Это утверждение справедливо для любой механической системы: если на механическую систему не действуют внешние силы, то её импульс не изменяется (закон сохранения импульса механической системы).

3.2.1.3. Движение ракеты. Закон сохранения импульса позволяет объяснить движение ракеты в космическом пространстве. Топливо и окислитель перемещаются вместе с ракетой. В течение какого-то промежутка времени часть топлива и окислителя поступает в камеру сгорания, в результате химической реакции образуется раскалённый газ, вылетающий из ракеты через сопло. Так как импульс системы, состоящей из ракеты, топлива и газа, не изменился, ракета двигается с ускорением в направлении, противоположном направлению движения газа.

3.2.2. Принцип действия реактивной гидравлической турбины. Каналы направляющего аппарата и лопатки реактивной гидравлической турбины имеют такую форму, что направление течения воды, проходящей вблизи лопаток, резко меняется, и, в силу закона сохранения импульса, скорость лопаток возрастает (векторы скорости воды и лопаток направлены в противоположные стороны).

3.3. Паровая турбина. Паровые турбины работают так же, как гидравлические, только на их лопатки поступает не вода, а пар. Паровые турбины вращают электрические генераторы тепловых электростанций.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

1. Сообщение и информация. Люди постоянно общаются между собой, передают друг другу сообщения. Сообщениями являются реплики участников диалога, письма, книги, документы. Компоненты сложных технических систем также обмениваются друг с другом сообщениями. Результат воздействия сообщения зависит не столько от его интенсивности и продолжительности, сколько от содержания. Содержание сообщения называется информацией.

2. Источник информации, потребитель информации, среда передачи информации. Понятие информации относится к системе, содержащей, по крайней мере, три компонента: источник информации, её потребителя (адресата) и среду передачи. Источник информации и её потребитель могут быть отдельными людьми, группами людей или компонентами технических систем. Источник информации определённым образом изменяет свойства среды передачи информации, а потребитель информации воспринимает эти изменения.

3. Прагматическая функция информации. Прагматическая функция информации заключается в том, что они имеют смысл для её потребителя, заставляют его изменить своё состояние или поведение.

4. Информационный процесс. Источник информации и её потребитель являются участниками информационного процесса, в ходе которого между ними возникает информационная связь. Примерами элементарных информационных процессов служат передача, приём, обработка и хранение сообщений.

5. Качество информации. Информация является продуктом, который производит её источник, этот продукт предназначен для потребителя, следовательно, она характеризуется определёнными показателями качества. Такими показателями служат её объективность, актуальность, полнота, лёгкость понимания и др. Как правило, целью организации информационного процесса является обеспечение надлежащего качества информации.

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

1. Модель фон Неймана. В основе современных подходов к решению задач обработки, хранения и передачи информации лежит модель вычислительной машины, предложенная американским математиком фон Нейманом.

2. Компоненты вычислительной машины. Согласно модели фон Неймана компонентами вычислительной машины служат устройство управления, арифметико-логическое устройство, память, система ввода-вывода.

3. Структура памяти. Память состоит из ячеек. Ячейка представляет собой набор битов — устройств, способных находиться в одном из двух состояний, которые обозначаются символами 0 и 1. Таким образом, состояние ячейки выражается двоичным числом. Каждая ячейка имеет свой адрес.

4. Структура команды. Команды и данные хранятся в ячейках в виде двоичных чисел. Поля команды содержат код операции, адреса или значения операндов, адрес ячейки, в которой будет находиться результат операции и адрес следующей команды.

5. Принцип работы вычислительной машины. Адрес очередной команды помещается в специальную ячейку внутри устройства управления — счётчик команд. Устройство управления читает команду, затем читает операнды и передаёт их вместе с кодом операции арифметико-логическому устройству. Примерами операций служат сложение, вычитание, умножение, деление двоичных чисел (арифметические операции), побитовая конъюнкция, побитовая дизъюнкция, побитовое отрицание (логические операции), сдвиги и циклические сдвиги двоичных чисел вправо и влево, пересылка двоичного числа из одной ячейки в другую и т. п. Арифметико-логическое устройство выполняет операцию и возвращает результат устройству управления.

6. Взаимодействие вычислительной машины с внешними устройствами. Система ввода-вывода предоставляет внешним устройствам доступ к отдельным ячейкам памяти. Такие ячейки называются портами. Через порты устройство управления посылает внешним устройствам команды, данные, запросы на выполнение операций и получает от них сообщения.

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

1. Определение управления. Управлением называется последовательность действий, выбранных на основании некоторой информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования объекта в соответствие с имеющимся алгоритмом или целью функционирования. В системе управления выделяют подсистему, формирующую управляющие воздействия (устройство управления) и объект управления.

2. Автоматическое регулирование. Частным случаем управления является автоматическое регулирование. В состав системы автоматического регулирования входит автоматический регулятор — прибор, поддерживающий или изменяющий в соответствии с заданными условиями значения какой-либо величины.

Пример 1. Угловая скорость вращения вала двигателя внутреннего сгорания должна быть постоянной, однако это требование нарушается из-за изменения внешней нагрузки. Автоматический регулятор компенсирует возмущения, увеличивая или уменьшая количество горючей смеси, которое подаётся в цилиндр двигателя.

Пример 2. Термостат представляет собой сосуд, отделённый от окружающей среды оболочкой, препятствующей прохождению тепла. Терморегулятор поддерживает внутри термостата постоянную температуру.

Пример 3. Предохранительный клапан регулирует давление в замкнутой ёмкости, паровом котле, компрессорной установке и т. п. В рычажных регуляторах давления груз прижимает клапан к отверстию при помощи рычага, в пружинных регуляторах давления клапан к отверстию прижимает пружина.

Пример 4. Уровень жидкости в сосуде регулируется при помощи поплавка, соединённого с рычагом, прижимающим клапан к отверстию, через которое в сосуд поступает жидкость.

3. Структура автоматического регулятора. Компонентами автоматического регулятора служат датчик, измеряющий текущее значение регулируемой величины, задатчик - устройство, с помощью которого устанавливается требуемое значение регулируемой величины и компаратор (элемент сравнения), который сравнивает текущее значение регулируемой величины с требуемым значением и выдаёт сигнал рассогласования - отклонения текущего значения регулируемой величины от требуемого значения.

4. Регуляторы прямого и непрямого действия. Если сигнал рассогласования обеспечивает перемещения регулирующего органа с требуемой скоростью, его непосредственно соединяют с регулирующим органом, и получается регулятор прямого действия. В регуляторах непрямого действия сигнал, рассогласования подаётся на вход усилителя (гидравлического, пневматического, электрического и т. д.). К усилителю подводится энергия, позволяющая развивать силу и мощность, достаточные для воздействия регулирующего органа на объект управления.

КАЧЕСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.

1. Качество. Качеством продукции называется совокупность её свойств, удовлетворяющих определённым потребностям в соответствии с её назначением. Оно определяется путём одновременной оценки её конструкторских, технологических, эксплуатационных, эргономических, художественно-эстетических, экологических характеристик, норм надёжности и долговечности, стоимости производства и эксплуатации.

2. Стационарный режим функционирования системы. Режим функционирования технической системы называется стационарным или установившимся, когда значение регулируемой величины практически не изменяется со временем.

3. Переходный процесс. Внешнее возмущение нарушает установившееся функционирование системы, и после прекращения влияния возмущения в ней обычно возникает переходный процесс, который продолжается до тех пор, пока она не вернётся в стационарный режим.

4. Качество системы автоматического регулирования. Качество системы автоматического регулирования характеризуется продолжительностью переходного процесса, максимальным отклонением регулируемой величины от заданного значения, количеством колебаний значения регулируемой величины и скоростью их затухания для возмущения, которое считается единичным.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Жизненным циклом системы называется период от возникновения замысла системы до вывода её из эксплуатации. Жизненный цикл системы включает в себя этапы предпроектного исследования (постановки задачи), проектирования системы, разработки, конструкторской и технологической подготовки производства, изготовления, тестирования, отладки, испытания, внедрения, эксплуатации, утилизации.

В ходе предпроектного исследования формулируются требования, предъявляемые к разрабатываемой системе и задачи, которые необходимо решить для того, чтобы она удовлетворяла этим требованиям. Результаты предпроектного исследования представляют в виде технического задания, которое служит основным документом, определяющим эксплуатационные характеристики разрабатываемой системы.

Проектированием технической системы называется процесс разработки комплексной технической документации (проекта), содержащего описание структуры системы и предъявляемых к ней требований, расчёты, схемы, макеты, сметы, пояснительные записки и другие материалы, необходимые для изготовления системы. В эскизный проект включают описание принципиальных технических решений, тогда как рабочий проект содержит все сведения, необходимые для создания системы. Технико-экономическим обоснованием системы называется документ, в котором приводится оценка соотношения затрат на разработку, внедрение, эксплуатацию системы с одной стороны и эффективности её использования - с другой.

Конструкторская документация содержит перечень требований, которым должна удовлетворять система. К конструкторской документации относятся чертежи, ведомости комплектующих деталей, схемы, расчёты, пояснительные записки, технические условия и др. Виды и комплектность конструкторской документации установлены стандартом, правила оформления конструкторской документации приведены в Единой системе конструкторской документации (ЕСКД). Технологическая документация определяет технологические процессы изготовления продукции. Если в конструкторской документации описывается, какую систему надо создать, то в технологической документации описывается как это сделать.

Конструирование системы надо отличать от изобретения - принципиально нового решения какой-либо технической задачи. Изобретатель придумывает систему, подобной которой до него никто не создавал или предлагает внести существенные изменения в известную систему, повышающие эффективность её функционирования.

Практика показывает, что невозможно создать систему, которая бы сразу же будет безукоризненно работать. Дефекты технической системы, а также ошибки, допущенные при её проектировании и разработке обнаруживают в процессе тестирования системы. Процесс устранения этих дефектов и ошибок называется отладкой системы. Отладка представляет собой наиболее трудоёмкую часть разработки системы. Один из крупнейших авторитетов в области разработки программных изделий рекомендует выделять на предпроектное исследование и проектирование программы 1/3 всего планируемого времени, на составление программы – 1/6, на отладку отдельных подсистем – 1/4 и на отладку целой системы – тоже 1/4. Таким образом, отладка должна занимать половину всего времени разработки программы.

Испытанием системы называется экспериментальное определение её конструктивных и эксплуатационных свойств с целью проверки их соответствия требованиям, предъявляемым к системе. Испытания проводятся по заранее разработанной программе испытаний. Рекомендуется составлять программу испытаний параллельно с разработкой самой системы.

Для установки технической системы в том месте, где она будет эксплуатироваться, выполняют монтажные работы, включающие установку в проектное положение и закрепление компонентов системы, присоединение средств контроля и автоматизации, а также коммуникаций, обеспечивающих подачу сырья, воды, пара, сжатого воздуха, электроэнергии и удаление отходов производства. Наладка системы включает в себя операции по подготовке системы к эксплуатации. Вся совокупность мероприятий по вводу системы в эксплуатацию (подготовка окружающей среды, обучение обслуживающего персонала, наладка и запуск системы) называется её внедрением.

Средства диагностики позволяют определить характер и место возникновения неисправности системы на этапе её эксплуатации. Оценка погрешности датчиков и становление их пригодности производится в ходе поверки средств измерений. Её проводят специалисты соответствующих метрологических служб (метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечении их единства и способах достижения требуемой точности).

Поддержание системы в работоспособном состоянии, оказание специализированных услуг пользователям системы, необходимых для поддержания её устойчивого функционирования, модификация системы, связанная с устранением дефектов, обнаруженных в процессе её эксплуатации или появлением дополнительных требований, называется сопровождением системы. Профилактические (планово-предупредительные) мероприятия направлены на поддержание технической системы в исправном состоянии с заданным уровнем надёжности. Как правило, профилактика осуществляется в заранее установленные сроки и включает в себя обследование системы, замену или ремонт её отдельных узлов и деталей, чистку, смазку, регулировку и т. п. Профилактика предупреждает возникновение неожиданных отказов системы, вызванных износом деталей, засорением контактов и т. п.

Как правило, в технической документации указывают ресурс системы – продолжительность функционирования системы или объём выполненной ею работы до достижения некоторого предельного состояния; ресурс выражается в часах, километрах, гектарах и т. п. Состояние технической системы, при котором в данный момент времени его основные (рабочие) параметры находятся в пределах, установленных технической документацией, называется его работоспособностью. В случае отказа система полностью или частично теряет свою работоспособность. В ходе ремонта технической системы происходит восстановление её работоспособности путём устранения отказов и восстановления израсходованного ресурса.

ОБЛАСТЬ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ВЫПУСКНИКА ВУЗА

Область профессиональной деятельности выпускника вуза пр направлению подготовки 220400 'Управление в технических системах', (квалификация - бакалавр) включает:

- проектирование, исследование, производство и эксплуатацию систем и средств управления в промышленной и оборонной областях, в экономике, на транспорте, в сельском хозяйстве, медицине.

- создание современных программных и аппаратных средств исследования и проектирования, контроля, технического диагностирования, контроля и промышленных испытаний систем автоматического и автоматизированного управления.

Объектами профессиональной деятельности бакалавров являются:

-системы автоматизации, управления, контроля, технического диагностирования и информационного обеспечения; методы и средства их проектирования, моделирования, экспериментального исследования, ввод в эксплуатацию на действующих объектах и технического обслуживания.

Выпускники бакалавриата по направлению подготовки 220400 Управление в технических системах готовятся к следующим видам профессиональной деятельности:

проектно-конструкторской;

производственно-технологической;

научно-исследовательской;

организационно-управленческой;

монтажно-наладочной;

сервисно-эксплуатационной.

Задачи профессиональной деятельности бакалавров

Проектно-конструкторская деятельность

- участие в подготовке технико-экономического обоснования проектов создания систем и средств автоматизации и управления;

-сбор и анализ исходных данных для расчёта и проектирования устройств и систем

автоматизации и управления;

- расчёт и проектирование отдельных блоков и устройств систем автоматизации и управления в соответствии с техническим заданием;

- разработка проектной и рабочей документации, оформление отчётов по законченным проектно-конструкторским работам;

- контроль соответствия разрабатываемых проектов и технической документации стандартам, техническим условиями другим нормативным документам.

Производственно-технологическая деятельность:

- внедрение результатов разработок в производство средств и систем автоматизации и управления;

- участие в технологической подготовке производства технических средств и программных продуктов систем автоматизации и управления;

- участие в работах по изготовлению, отладке и сдачи в эксплуатацию систем и средств автоматизации и управления;

- организация метрологического обеспечения производства;

- обеспечение экологической безопасности проектируемых устройств и их производства.

Научно-исследовательская деятельность:

- анализ научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта по тематике исследования;

- участие в работах по организации и проведению экспериментов на действующих объектах по заданной методике;

- обработка результатов экспериментальных исследований с применением современных информационных технологий и технических средств;

- проведение вычислительных экспериментов с использованием стандартных программных средств с целью получения математических моделей процессов и объектов автоматизации и управления;

- подготовка данных и составление обзоров, рефератов, отчетов, научных публикаций и докладов на научных конференциях и семинарах, участие во внедрении результатов исследований и разработок;

- организация защиты объектов интеллектуальной собственности и результатов исследований и разработок как коммерческой тайны предприятия.

Организационно-управленческая деятельность:

- организация работы малых групп исполнителей;

- участие в разработке организационно-технической документации (графиков работ, инструкций, планов, смет и т.п.) и установленной отчетности по утвержденным формам;

- выполнение работ по сертификации технических средств, систем, процессов, оборудования и материалов;

- профилактика производственного травматизма, профессиональных заболеваний, предотвращение экологических нарушений.

Монтажно-наладочная деятельность:

- участие в поверке, наладке, регулировке, оценке состояния оборудования и настройке технических средств и программных комплексов автоматизации и управления на действующем объекте;

- участие в сопряжении программно-аппаратных комплексов автоматизации и управления с объектом, в проведении испытаний и сдаче в эксплуатацию опытных образцов аппаратуры и программных комплексов автоматизации и управления на действующем объекте.

Сервисно-эксплуатационная деятельность:

- участие в поверке, наладке, регулировке и оценке состояния оборудования и настройке аппаратно-программных средств автоматизации и управления;

- профилактический контроль технического состояния и функциональная диагностика средств и систем автоматизации и управления;

- составление инструкций по эксплуатации аппаратно-программных средств и систем автоматизации и управления и разработка программ регламентных испытаний;

составление заявок на оборудование и комплектующие, подготовка технической документации на ремонт оборудования.

Литература

Основная литература

Дорф Р. Современные системы управления /Р.Дорф, Р.Бишоп. – М.:Лабораторная Базовых знаний, 2002.-832с.

Лукас В. А. Теория управления техническими системами – М.:Лабораторная Базовых знаний, 2002.- 675 с.

Щагин А. В. Основы автоматизации техпроцессов. – М.: Высшая школа, 2009. – 162 с.

Дополнительная литература

Гудвин Г. Проектирование систем управления.- М.: М.:Лабораторная Базовых знаний, 2004.- 912 с.

Шишмарёв В.Ю. Автоматика: учеб. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 2005.-

283с.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт кибернетики, информатики и связи

Кафедра кибернетических систем

Ковалёв П. И.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К КОНТРОЛЬНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ВВЕДЕНИЕ В ПРОФЕССИОНАЛЬНУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ»

Направление 220400.62 – Управление в технических системах,

Форма обучения: очная, заочная

Дата добавления: 2017-02-01