ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.05.2020
Просмотров: 129
Скачиваний: 4
1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
-
Лабораторный стенд
Учебный лабораторный стенд – это форма реализации учебного лабораторного оборудования, предназначенная для экспериментального исследования физических процессов и технических показателей изучаемых объектов.
Если рассматривать любой объект изучения как «черный ящик», то классическими приемами его исследования являются: подача на входы объекта совокупности тестирующих сигналов и точная количественная оценка реакции объекта по совокупности выходных показателей. В зависимости от способов реализации различают следующие типы лабораторных стендов
Рисунок 1 – Поколения лабораторного оборудования
-
Классификация лабораторных стендов
1.2.1 Специализированный лабораторный стенд. Специализированные лабораторные стенды (стенды первого поколения) представляют собою совокупность приборов, источников питания, источников тестирующих сигналов, исполнительных механизмов, технологических приспособлений для крепления, нагрузки и пр., отобранных специально для исследования конкретного и единственного объекта изучения.
Как правило, на стендах первого поколения использовались стрелочные измерительные приборы и простейшие ручные средства управления объектом (реостаты, латры, контакторы). Такой примитивный по сегодняшним меркам арсенал не позволял ставить серьезных исследовательских задач. Обучение сводилось к снятию статических характеристик, причем основное внимание уделялось технологии получения экспериментальных данных и последующей их «ручной» обработке.
Д
остоинством
такого подхода считается целевой отбор
всего лабораторного оборудования для
решения узкого перечня задач единственного
объекта изучения, что исключает
избыточность и, следовательно, обеспечивает
минимальную стоимость лабораторного
оборудования в пересчете на один стенд.
Рисунок 2 – Специализированный лабораторный стенд
1.2.2 Универсальный лабораторный стенд. Универсальные лабораторные стенды (стенды второго поколения), в отличие от специализированных стендов, предназначены для исследования группы сменных объектов изучения.
На лабораторных стендах второго поколения, как правило, используются универсальные цифровые измерительные приборы, осциллографы, а также более совершенные средства управления в виде полупроводниковых регуляторов, полуавтоматических исполнительных механизмов и так далее. Более совершенный арсенал лабораторных средств позволил освободить обучаемых от ряда рутинных операций и направить их усилия на изучение содержательной части исследуемых физических процессов.
Достоинство такого подхода – значительное (практически на порядок) сокращение количества требуемых стендов и стендового оборудования (а, следовательно, и занимаемых площадей), упрощение его обслуживания, упрощение реализации фронтального метода выполнения лабораторных работ (на все имеющиеся стенды можно одновременно поставить один и тот же объект изучения).
Недостатки есть следствие универсальности и сменности оборудования: любое универсальное оборудование, как правило, более сложное, дорогое и избыточное, а при частой его смене уменьшаются сроки безотказной работы, то есть увеличиваются эксплуатационные расходы.
Рисунок 3 – Универсальный лабораторный стенд
1.2.3 Автоматизированный лабораторный стенд. Автоматизированные лабораторные стенды (стенды третьего поколения) являются принципиальным шагом вперед, поскольку на этом этапе в составе лабораторного оборудования впервые появились интеллектуальные средства обработки данных и многоканального управления объектом в реальном времени проведения эксперимента. Учебный лабораторный стенд третьего поколения превратился в автоматизированное рабочее место , содержащее управляющую вычислительную машину и устройства ее сопряжения с объектом. В большинстве случаев измерительные приборы как таковые отсутствуют. Их функции выполняют датчики соответствующего типа, подключенные к входным каналам устройства сопряжения с объектом, выполненным в виде набора стандартных модулей сопряжения (коммутаторы входных каналов, счетчики импульсов, входные регистры, аналого-цифровые преобразователи и так далее). Управление объектом передается управляющей вычислительной машине и реализуется исполнительными механизмами через выходные модули устройства сопряжения с объектом (цифро-аналоговые преобразователи, программируемые таймеры, выходные регистры и так далее).
В корне изменились функции экспериментатора. Он удаляется из контура непосредственного управления объектом и превращается в оператора управляющей вычислительной машины. Его задача сводится к формированию программы проведения эксперимента и оценке результатов. Экспериментатор полностью освобождается от всех рутинных операций (ручное поддержание режима проведения эксперимента, съем и запись показаний приборов, обработка результатов, построение зависимостей – все это делает управляющая вычислительная машина) и может сосредоточиться на творческих вопросах поиска оптимальных или экстремальных решений.
Достоинством лабораторного оборудования третьего поколения является, как уже говорилось, полное исключение рутинных операций, и использование всего отведенного времени на реализацию индивидуальных творческих решений. Появляется также возможность предварительного моделирования исследуемых физических процессов, что делает процедуру экспериментального поиска более осмысленной и продуктивной. Можно исследовать как статические, так и динамические показатели объектов в режимах многоканального управления по весьма сложным алгоритмам.
Главный недостаток, пожалуй, состоит в неэффективном использовании средств вычислительной техники. Действительно, подключение к каждому лабораторному стенду персонального компьютера со средствами сопряжения слишком дорого, если к тому же учесть, что коэффициент загрузки такого оборудования в течение учебного года чрезвычайно низок.
Рисунок 4 – Автоматизированный лабораторный стенд
1.2.4 Лабораторный стенд удаленного коллективного доступа. Лабораторные стенды удаленного коллективного доступа (стенды четвертого поколения) являются попыткой преодолеть главный недостаток лабораторного оборудования предыдущего поколения, сохранив все его преимущества. Особенности эксплуатации такого лабораторного оборудования (их нельзя назвать недостатками) связаны с разработкой, созданием и поддержанием всей инфраструктуры сетевого обмена информационными и техническими ресурсами.
Технически суть сводится к возложению на УВМ автоматизированного лабораторного стенда третьего поколения дополнительных функций сервера удаленного доступа. В этом случае открывается возможность коллективного доступа к одному лабораторному стенду многих пользователей по компьютерным сетям практически без ограничения расстояний.
Особенности эксплуатации такого лабораторного оборудования связаны с разработкой, созданием и поддержанием всей инфраструктуры сетевого обмена информационными и техническими ресурсами.
Кроме того, если удаленные пользователи из других учебных заведений, городов и даже стран захотят воспользоваться возможностями такого лабораторного оборудования, то они должны быть уверены, что по набору объектов изучения и методике подачи материала оно полностью соответствует структуре и методологии изучаемой ими на местах учебной дисциплины. Лабораторный практикум представляет собою лишь одну из ее составляющих частей. Удаленные пользователи должны получить все согласованные составные части учебной дисциплины, причем желательно без разрыва во времени и не перемещаясь в пространстве. Отсюда напрашивается объективный вывод о том, что лабораторное оборудование четвертого поколения наиболее целесообразно использовать в составе полного комплекса образовательных услуг, предоставляемых по выбранной учебной дисциплине.
Рисунок 5 – Лабораторный стенд удаленного коллективного доступа
1.2.5 Виртуальный лабораторный стенд. Виртуальный лабораторный стенд (рисунок 6) предполагают замену всех реальных частей лабораторного практикума на программные модели, что уводит обучаемого от реальных объектов изучения. Однако использование его имеет и положительные стороны, так как позволяет работать с моделями процессов, оборудования и приборов, которые не могут быть использованы в учебном процессе.
Виртуальный лабораторный стенд – представляет собой один из прогрессивно развивающихся видов проведения лабораторных занятий, суть которого заключается в замене реального лабораторного исследования на математическое моделирование изучаемых физических процессов, но с элементами виртуального взаимодействия учащегося с лабораторным оборудованием. В зависимости от используемой программной инструментальной среды можно создать хорошую иллюзию работы с реальными объектами.
Различают две принципиальные разновидности виртуальных лабораторных стендов:
1) полностью модельный лабораторный стенд, который от постановки до получения результатов реализуется средствами универсальных или специально разработанных компьютерных моделей;
2) полунатурный лабораторный стенд, который в своей постановке опирается на модельные средства, а результаты берутся из базы данных реально проведенных экспериментов.
Возможности современных имитационных компьютерных моделей создают полную иллюзию работы с реальным оборудованием. В таком подходе есть положительный момент, позволяющий реализовать каждому обучаемому свои индивидуальные творческие способности. Находясь в виртуальной лаборатории, можно выбрать виртуальные приборы и оборудование, собрать на виртуальном стенде схему эксперимента по своему индивидуальному заданию, провести поисковое моделирование исследуемого физического процесса при различных заданных параметрах и ограничениях, обработать результаты исследования
Рисунок 6 - Пример реализации виртуального лабораторного стенда
Выполнение лабораторных работ представляет собой достаточно длительный процесс (от двух до четырех академических часов), при реализации виртуального лабораторного стенда в виде сетевого приложения в настоящее время затруднительно требовать, чтобы в условиях современной российской инфраструктуры связи обучаемый все время выполнения лабораторной работы находился в оперативном режиме, то есть подключенным к сети. Именно поэтому виртуальный лабораторный стенд должен обладать возможностью выполняться в отсоединенном режиме, то есть подключение к сети осуществляется только для получения исполняемых модулей, задания на выполнение работы и для отправки результатов. Собственно выполнение виртуальной лабораторной работы должно быть возможным в автономном режиме без подключения к сети. Наконец, виртуальный лабораторный практикум должен быть полностью создан имеющимися силами, то есть. сотрудниками, аспирантами и студентами кафедры. Последнее требование связано с очевидными экономическими факторами и будет более подробно рассмотрено в разделе, посвященном экономике создания виртуального лабораторного стенда.