МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

_______________________

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МЭИ»

М.Я. ПОГРЕБИССКИЙ, М.А. ФЕДИН, В.Д. ЧЕРНЫЙ

Компьютерная и микропроцессорная техника в электротехнологии

Сборник лабораторных работ

по курсу

«Компьютерная и микропроцессорная техника в электротехнологии»

для студентов, обучающихся по специальности

«Электротехнологические установки и системы»

Москва Издательский дом МЭИ 2012

УДК

621.36

П438

Утверждено учебным управлением МЭИ в качестве учебного пособия для

студентов

Подготовлено на кафедре электротехнических материалов и компонентов и автоматизации электротехнологических комплексов

Рецензенты: докт. техн. наук, профессор В.П. Рубцов

канд. техн. наук О.Б. Минков

Погребисский М.Я., Федин М.А., Черный В.Д.

П438 Компьютерная и микропроцессорная техника в электротехнологии. / М.Я. Погребисский, М.А. Федин, В.Д. Черный. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 40 с.

ISBN 5–7046–

Приведено описание десяти лабораторных работ в среде Excel, MathCAD, MATLAB/Simulink, на тренажерах со встроенными микропроцессорами, а также теоретические справки.

Для студентов специальности «Электротехнологические установки и системы».

_____________________

Учебное издание

Погребисский Михаил Яковлевич, Федин Максим Андреевич,

Черный Виктор Дмитриевич

КОМПЬЮТЕРНАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ

Сборник лабораторных работ по курсу «Компьютерная и микропроцессорная техника в электротехнологии»

для студентов, обучающихся по специальности

«Электротехнологические установки и системы»

Редактор издательства

Темплан издания МЭИ, 2011 (I), метод. Подписано в печать

Печать офсетная Формат 60x84/16 Физ. печ. л. 5,0

Тираж 100 экз. Изд. № 148 Заказ

ЗАО «Издательский дом МЭИ», 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14

Отпечатано в типографии ФГУП НИИ «Геодезия», 141292, Московская обл.,

г. Красноармейск, пр-т Испытателей, д. 14

 Национальный Исследовательский Университет «МЭИ», 2012

Введение

Данный сборник лабораторных работ соответствует учебной программе курса «Компьютерная и микропроцессорная техника в электротехнологии», читаемого студентам 3 курса Национального Исследовательского Университета «МЭИ», обучающимся по специальности 140605 (180500) – «Электротехнологические установки и системы».

Данный лабораторный практикум направлен на освоение и приобретение студентами навыков работы с программами Excel, MathCAD, MATLAB, навыков моделирования логических и структурных схем, систем автоматического управления в среде MATLAB/Simulink, навыков программирования микропроцессорных средств управления.

Лабораторные работы 1 – 3 разработаны и поставлены Погребисским М.Я., работы 4 – 7 – Фединым М.А., работы 8 – 10 – Черным В.Д. Описания всех лабораторных работ подготовлены и отредактированы Фединым М.А.

Лабораторная работа № 1. Использование специальных возможностей excel

Задание 1. Построение временной диаграммы напряжения в трехфазной сети

1. Запустите программу Excel.

2. Дважды щелкните на ярлычке текущего рабочего листа и дайте этому листу имя «Данные».

3. Введите в ячейку A1 значение 0.

4. Произведите автозаполнение ячеек столбца A значениями градусной меры (через 2 градуса от 0 до 360 градусов). Для этого установите курсор в ячейку A1; дайте команду Правка > Заполнить > Прогрессия; в открывшемся диалоговом окне Прогрессия выберите тип прогрессии (Арифметическая), способ заполнения (По столбцам), величину шага (2) и предельное значение (360). После нажатия OK ячейки автоматически заполнятся в соответствии с заданными правилами.

5. Задайте в ячейках B1, C1, D1 формулы:

B1=SIN(3,14/180*A1)

C1=SIN(3,14/180*(A1-120))

D1=SIN(3,14/180*(A1+120))

Эти формулы используются для вычисления мгновенных значений напряжений фаз A, B, C соответственно.

6. Выделите ячейки B1, C1, D1. Наведите указатель мыши на маркер заполнения (черный квадратик) в правом нижнем углу рамки, охватывающей выделенные ячейки. Нажмите левую кнопку мыши и перетащите этот маркер, чтобы рамка охватила столько строк в столбцах B, C, D, сколько имеется чисел в столбце A. Убедитесь, что формулы автоматически модифицируются так, чтобы работать со значением ячейки в столбце A текущей строки.

7. Используя мастер диаграмм, постройте диаграмму напряжений в трехфазной сети. Легенда диаграммы должна содержать названия фаз. Расположите диаграмму на отдельном листе.

8. Сохраните рабочую книгу под именем 3 фазы.xls.

• Мы отработали ввод числовых данных в электронные таблицы Excel, ввод и вычисление формул. Мы также выяснили, как осуществляется копирование формул методом автозаполнения, научились использовать Excel для построения временных диаграмм электрических сигналов.

Задание 2. Построение графика по экспериментальным данным

1. Запустите Excel.

2. Дважды щелкните на ярлычке текущего листа и переименуйте его в Обработка эксперимента.

3. В столбец A, начиная с ячейки A1, введите произвольный набор значений независимой переменной (всего 10 значений).

4. В столбец B, начиная с ячейки B1, введите произвольный набор значений зависимой переменной.

5. Выделите все заполненные ячейки столбцов A, B.

6. Щелкните на значке Мастер диаграмм на стандартной панели инструментов.

7. В списке Тип выберите пункт Точечная (для отображения графика, заданного парами значений – независимой и зависимой переменной). В палитре Вид выберите маркеры, соединенные гладкими кривыми. Щелкните на кнопке ДАЛЕЕ.

8. Так как диапазон ячеек был выделен заранее, мастер диаграмм автоматически определяет расположение рядов данных. Убедитесь, что данные на диаграмме выбраны правильно. На вкладке Ряд в поле Имя укажите: Результаты измерений. Щелкните на кнопке ДАЛЕЕ.

9. На вкладке Заголовки замените название диаграммы на Экспериментальные данные. Щелкните на кнопке ДАЛЕЕ.

10. Разместите диаграмму на Отдельном листе. Щелкните на кнопке ГОТОВО.

11. Щелкните на построенной интерполирующей кривой, чтобы выделить ряд данных. Измените формат ряда данных, чтобы линия была красного цвета, пунктирной, маркер – треугольной формы, зеленого цвета.

12. Сохраните рабочую книгу как Обработка эксперимента.

• Мы отработали построение диаграммы по заданным данным, научились использовать точечную диаграмму для представления зависимостей, заданных парами значений, например, экспериментальных данных.

Задание 3. Анализ данных с использованием метода наименьших квадратов

Задача. Для заданного набора пар значений независимой переменной и функции определить наилучшее линейное приближение в виде прямой с уравнением y=ax+b.

1. Откройте созданную ранее рабочую книгу Обработка эксперимента.

2. Щелчком на ярлычке выберите лист Обработка эксперимента.

3. Введите в ячейку C1 следующую формулу:

=ИНДЕКС(ЛИНЕЙН(B1:B10;A1:A10);1)

• Функция ЛИНЕЙН возвращает коэффициенты уравнения прямой в виде массива из двух элементов. С помощью функции ИНДЕКС выбирается нужный элемент.

4. Введите в ячейку D1 следующую формулу:

=ИНДЕКС(ЛИНЕЙН(B1:B10;A1:A10);2)

Теперь ячейки C1, D1 содержат, соответственно, коэффициенты a, b уравнения наилучшей прямой.

• Мы научились анализировать с помощью Excel экспериментальные данные методом наименьших квадратов. Мы получили информацию, необходимую для построения графика приближения. Теперь этот график необходимо построить

5. Так как Excel не позволяет непосредственно строить графики функций, заданных формулами, необходимо сначала табулировать формулу, т.е. создать таблицу значений функции для заданных значений переменной. Для этого используется таблица подстановок. Сделайте текущей ячейку C3 и занесите в нее значение 0. Эта ячейка будет использоваться как ячейка ввода, на которую будут ссылаться формулы.

6. Выделите значения в столбце A. Скопируйте эти данные в буфер обмена. Сделайте текущей ячейку F2 и с помощью иконки вставьте скопированные значения независимой переменной в столбец F, начиная со второй строки.

7. В ячейку G1 введите формулу =C3*$C$1+$D$1. Здесь С3 – ячейка ввода, а в качестве других ссылок используются вычисленные методом наименьших квадратов коэффициенты уравнения прямой. Обратите внимание, что ссылка на ячейку C3 дается как относительная, на C1 и D1 – как абсолютные.

8. Выделите прямоугольный диапазон, включающий столбцы F и G и строки от строки 1, содержащей формулы, до последней строки с данными в столбце F.

9. Дайте команду ДАННЫЕ > ТАБЛИЦА ПОДСТАНОВКИ. Выберите поле Подставлять значения по строкам в и щелкните на ячейке ввода C3.

10. Переключитесь на рабочий лист, где построена диаграмма экспериментальной зависимости.

11. Щелкните по кнопке мастера диаграмм на стандартной панели инструментов и пропустите первый этап щелчком по кнопке ДАЛЕЕ.

12. Выберите вкладку РЯД и щелкните по кнопке ДОБАВИТЬ. В поле ИМЯ укажите НАИЛУЧШАЯ ПРЯМАЯ. В поле Значения X укажите диапазон ячеек с данными в столбце F, а в поле Значения Y укажите диапазон ячеек с данными в столбце G.

13. Щелкните по кнопке ГОТОВО, чтобы перестроить диаграмму в соответствии с новыми настройками.

14. Постройте на этой же диаграмме аппроксимирующую прямую с использованием встроенных возможностей Excel (Построение линии тренда), выведите на диаграмму уравнение аппроксимирующей прямой, а также величину достоверности аппроксимации. Сделайте то же самое, аппроксимируя экспериментальные данные полиномиальными и степенными зависимостями. Сделайте выводы.

15. Сохраните рабочую книгу Обработка эксперимента.

• Мы научились создавать таблицу подстановки, содержащую значения заданных формул для нужных значений независимой переменной. Мы применили эту возможность Excel для построения графиков функций, заданных формулами. Мы также научились редактировать построенную диаграмму, нанося на нее дополнительные графики.

Задание 4. Решение уравнений средствами Excel

Задача. Найти решение уравнения x³-3x²+x = - 1.

1. Откройте созданную ранее рабочую книгу Обработка эксперимента.

2. Создайте новый рабочий лист (ВСТАВКА > ЛИСТ), дважды щелкните на его ярлычке и присвойте ему имя Уравнение.

3. Занесите в ячейку A1 значение 0.

4. Занесите в ячейку B1 левую часть уравнения, используя в качестве независимой переменной ссылку на ячейку A1:

=A1^3-3*A1^2+A1

5. Дайте команду СЕРВИС > ПОДБОР ПАРАМЕТРОВ.

6. В поле Установить в ячейке укажите B1, в поле Значение задайте -1, в поле Изменяя Значение Ячейки укажите A1.

7. Щелкните по кнопке OK. В диалоговом окне Результат Подбора Параметра появится результат подбора – корень уравнения.

8. Повторите расчет, задавая в ячейке A1 другие начальные значения, например, 0,5 или 2. Чем можно объяснить различия в результатах вычисления?

9. Решите заданное уравнение графическим методом, а также вручную методом разложения.

10. Сохраните рабочую книгу Обработка эксперимента.

• Мы научились численно решать уравнения с одним неизвестным.

Задание 5. Решение задач оптимизации

Задача. Завод производит электронные приборы трех видов (A, B и C), используя при сборке микросхемы трех типов (1, 2 и 3). Расход микросхем на производство одного прибора определенного типа задается таблицей:

	Прибор A	Прибор B	Прибор C
Тип 1	2	5	1
Тип 2	2	0	4
Тип 3	2	1	1

Стоимость изготовленных приборов одинакова.

Ежедневно на склад поступает 500 микросхем типа 1 и по 400 – типов 2 и 3. Каково оптимальное соотношение дневного производства приборов различного типа, если производственные мощности завода позволяют использовать запас поступивших микросхем полностью?

1. Откройте созданную ранее рабочую книгу Обработка эксперимента.

2. Создайте новый рабочий лист (ВСТАВКА > ЛИСТ), дважды щелкните на его ярлычке и присвойте ему имя Организация производства.

3. В ячейки A1, A2 и A3 занесите дневной запас комплектующих каждого типа – числа 500, 400 и 400 соответственно.

4. В ячейки C1, D1, E1 занесите нули – в дальнейшем значения этих ячеек будут подобраны автоматически.

5. В ячейках диапазона C2:E4 разместите таблицу расхода комплектующих.

6. В ячейках B2:B4 разместите формулы для подсчета расхода комплектующих по типам. В ячейке B2 формула будет иметь вид

=$C$1*C2+$D$1*D2+$E$1*E2

Остальные формулы можно получить автозаполнением (обратите внимание на использование абсолютных и относительных ссылок).

7. В ячейку F1 занесите формулу, вычисляющую общее число произведенных приборов: для этого выделите диапазон C1:E1 и воспользуйтесь функцией АВТОСУММИРОВАНИЕ.

8. Дайте команду СЕРВИС > ПОИСК РЕШЕНИЯ (или СЕРВИС > SOLVER PARAMETERS) – откроется диалоговое окно Поиск решения.

9. В поле Установить целевую укажите ячейку, содержащую оптимизируемое значение (F1). Установите переключатель Равной максимальному значению (требуется максимальный объем производства).

10. В поле Изменяя ячейки задайте диапазон подбираемых параметров - C1:E1.

11. Чтобы определить набор условий и ограничений, щелкните на кнопке ДОБАВИТЬ. В диалоговом окне Добавление ограничения в поле Ссылка на ячейку укажите диапазон B2:B4. В качестве условия задайте <=. В поле Ограничение задайте диапазон A1:A3. Это условие показывает, что дневной расход комплектующих не должен превосходить запасов. Щелкните OK.

12. Снова щелкните на кнопке ДОБАВИТЬ. В диалоговом окне Добавление ограничения в поле Ссылка на ячейку укажите диапазон C1:E1. В качестве условия задайте >=. В поле Ограничение задайте число 0. Это условие показывает, что число производимых приборов неотрицательно. Щелкните OK.

13. Снова щелкните на кнопке ДОБАВИТЬ. В диалоговом окне Добавление ограничения в поле Ссылка на ячейку укажите диапазон C1:E1. В качестве условия выберите пункт цел. Это условие показывает, что число производимых приборов не может быть дробным. Щелкните OK.

14. Щелкните на кнопке ВЫПОЛНИТЬ. По завершении оптимизации откроется диалоговое окно Результаты поиска решения.

15. Установите переключатель Сохранить найденное решение, щелкните OK. В ячейках C1:E1 – дневной выпуск изделий каждого вида, дающий оптимальный (максимальный) суммарный дневной выпуск при заданных ограничениях.

16. Проанализируйте полученное решение. Проверьте его оптимальность, экспериментируя со значениями ячеек C1:E1. Реально ли получить оптимальное решение ручным подбором?

17. Сохраните рабочую книгу Обработка эксперимента.

• Мы научились использовать Excel для решения задач оптимизации, формировать условия и ограничения.