Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы научных исследований в электроэнергетике. Учебное пособие
.pdf
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Воронежский государственный аграрный университет
имени императора Петра I»
Д.Н. Афоничев
ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ
Воронеж
2016
Печатается по решению редакционно-издательского совета ФГБОУ
ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»
УДК 621.31
Афоничев Д.Н. Основы научных исследований в электроэнергетике:
учебное пособие / Д.Н. Афоничев. – Воронеж: Воронежский ГАУ, 2016. –
204 с.
Приведены краткие сведения о научных исследованиях, науке, знаниях, электроэнергетике и этапы прикладных научных исследований, которые разделены на предварительные, основные и заключительные. Первый раздел учебного пособия посвящён предварительным этапам прикладных научных исследований. Во втором разделе рассмотрены методы и этапы теоретических исследований, виды и элементы математических выражений, системный анализ и математическое моделирование объекта исследования. Приведены сведения о дифференциальных уравнениях и методах их решения. Рассмотрены сущность и виды оптимизации, многокритериальная оптимизация, математическое программирование и алгоритмы.
Описаны технические и программные средства поддержки теоретических
исследований. Третий раздел посвящён эмпирическим исследованиям и
включает: виды и этапы эмпирических исследований, их планирование,
физическое моделирование объекта исследования, измерительные средства, автоматизированные системы научных исследований, обработку результатов. Заключительные этапы прикладных научных исследований и
представление результатов научных исследований изложены в четвёртом
разделе. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по
направлению подготовки бакалавров 35.03.06 «Агроинженерия».
Рецензенты:
профессор кафедры электротехники, теплотехники и гидравлики
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет
имени Г.Ф. Морозова», д-р техн. наук, профессор Попов Виктор Михайлович;
заведующий кафедрой электрификации сельского хозяйства ФГБОУ
ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», канд. техн. наук, доцент Картавцев Владимир Владимирович.
© Афоничев Д.Н., 2016.
© ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный
университет имени императора Петра I»
2
Введение
Научное исследование – процесс изучения окружающего мира, об-
щества, различных явлений и объектов, направленный на получение объективно новых научных знаний; форма развития науки. Изучаемые окружающий мир, общество, различные явления и объекты называют объектами исследования. Предмет исследования – составляющая часть объекта
исследования, под которой понимаются значимые для науки свойства,
элементы или особенности объекта исследования. В каждом из объектов
исследования можно выделить несколько различных предметов исследования. Область исследования – сфера деятельности, в которой находится
объект исследования.
По целевому назначению научные исследования бывают:
- фундаментальные, направленные на получение новых знаний неза-
висимо от перспектив их применения;
- поисковые, направленные на изыскание наиболее целесообразных
путей практического использования результатов фундаментальных исследований;
- прикладные, направленные на получение новых знаний для практических целей;
- разработки, направленные на внедрение в практику результатов научных исследований.
В зависимости от применяемых методов и средств научные исследо-
вания бывают: теоретические и эмпирические.
Этап научного исследования, заключающийся в разработке и развитии теории, называется теоретическим исследованием. Теория – наиболее
развитая форма научного знания о некоторой области действительности,
совокупность логических положений, описывающих явление или поведение объекта. Теории базируются на известных фактах, принципах, законах, результатах экспериментов и наблюдений, и являются основой для
создания математических моделей, планирования эксперимента.
При построении теории результаты исследований приводятся в определенную систему с общей идеей на основе вводимых абстракций, идеализации, формализации и других принципов и методов исследований.
Теория позволяет установить взаимосвязи и зависимости между параметрами объекта и условиями его функционирования, на основе которых создается адекватная модель даже сложной системы, исследование которой
затруднено или невозможно. Теории не только подтверждаются результатами эмпирических исследований, но и в значительной степени направляют по правильному пути эксперимент или наблюдение, дают исследователю возможность сознательно выбрать наиболее существенные факторы.
Математический аппарат, являющийся составной частью теории, позволяет сократить словесное изложение материала и объем опытных работ, дос-
3
тупнее представить результаты, предсказать закономерности протекания
процессов.
Этап научного исследования, предусматривающий проведение экспериментов или наблюдения, называется эмпирическим исследованием.
Эксперимент или наблюдение проводят для установления свойств объектов исследований, закономерностей различных явлений, получения эмпирических формул, численной информации об объектах исследований, проверки достоверности теорий и математических моделей.
Достоверность – понятие, характеризующее знание как твердо установленное, исключающее сомнение; обоснованность, доказательность,
бесспорность знания. Достоверное суждение – такое суждение, в котором
выражается прочно обоснованное знание; например: «Луна – спутник Земли». Достоверные суждения разделяются на два вида: ассерторические,
констатирующие некоторое реальное положение дел, и аподиктические,
утверждающие необходимую связь явлений. Достоверность суждений и
теорий подтверждается эмпирическими исследованиями, практикой. В
субъективном отношении достоверность является формой осознания истины человеком.
Наука – непрерывно развивающаяся система знаний о природе, обществе, мышлении и объективных законах их развития, получаемая в результате специальной деятельности людей (научной деятельности) и превращаемая в непосредственную производительную силу общества.
Под термином «наука» понимают как деятельность человека, направленную на получение новых знаний, то есть научную деятельность,
так и результат этой деятельности, то есть наука – сфера деятельности человека, которая занимается выработкой и систематизацией объективно новых знаний о действительности, а также наука – результат научной деятельности, представляющий собой совокупность систематизированных
знаний в определенной предметной области. Каждая предметная область
имеет свою науку, например, математика, механика, физика, биология –
это науки.
Цель науки как одной из сфер человеческой деятельности – познать
и правильно объяснить законы реального мира, раскрыв существенные
связи, свойства и отношения тех или иных явлений и объектов и вооружить человека для их практического применения в настоящее время или в
будущем.
Наука представляет собой процесс непрерывно углубляющегося познания законов существующего мира и имеет преемственность, основанную на обобщении человеческой практики. Правильность научного знания
определяется не только логикой, но прежде всего обязательной проверкой
его на практике. Раскрывая закономерные связи действительности, наука
выражает их в абстрактных понятиях и схемах.
4
Знание – форма существования и систематизации результатов познавательной деятельности человека. Знания помогают людям рационально организовывать свою деятельность и решать различные проблемы, возникающие в её процессе.
Объективно новые знания являются новыми для всех людей, их получают в результате научной деятельности, наблюдений, мышления.
Субъективно новые знания являются новыми для конкретного человека или группы людей, представляют собой результат обучения, получения новой информации.
Не всякое знание можно рассматривать как научное. Знания, которые получает человек лишь на основе простейшего наблюдения, нельзя
признать научными. Эти знания играют в жизни людей важную роль, но не
раскрывают сущности явлений, взаимосвязи между ними, не позволяют
объяснить, почему данное явление протекает так, а не иначе.
Одной из важных форм знаний являются принципы (principium – начало, основа) – руководящие положения, основные правила, установки для
какой-либо деятельности; основная особенность устройства, действия
механизма, прибора и т.п. Принципы являются начальной формой систематизации знаний (принцип Даламбера в теоретической механике, постулаты Бора в квантовой механике, аксиомы Евклидовой геометрии и т.д.).
Важнейшим составным звеном в системе научных знаний являются
научные законы, отражающие наиболее существенные, устойчивые, повторяющиеся объективные внутренние связи в природе, обществе и мышлении.
Закономерность – необходимая, существенная, постоянно повторяющаяся взаимосвязь явлений реального мира, определяющая этапы и формы
процесса становления, развития явлений природы, общества и духовной
культуры.
Интеллектуальная творческая деятельность, направленная на получение и использование объективно новых научных знаний, называется научной деятельностью.
Познание (познавательная деятельность) – приобретение знаний человеком в процессе любой деятельности, как предметной, так и умственной. Процесс познания включает накопление фактов, которые систематизируют и обобщают.
Электроэнергетика – отрасль экономики или сфера деятельности
человека, осуществляющая выработку и передачу электрической энергии.
Электроэнергетика является важной отраслью современной экономики
всех развитых стран, что объясняется такими преимуществами электроэнергии перед энергией других видов, как лёгкость передачи на большие
расстояния и распределения между потребителями, а также преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую). Отличительной чертой электрической энергии является практическая одновре-
5
менность её генерирования и потребления, так как электрический ток распространяется по сетям со скоростью, близкой к скорости света.
Электроэнергетика осуществляет эксплуатацию, обслуживание, ремонт оборудования электрических станций и подстанций, линий электропередачи (ЛЭП), которые представляют собой объекты исследований.
Объектами исследований также могут быть элементы оборудования электрических станций и подстанций, ЛЭП, электроприёмники и их элементы,
процессы выработки, передачи и потребления электроэнергии, её учёта,
электромонтажных работ, обслуживания и ремонта электроустановок.
Научные исследования в электроэнергетике направлены на совершенствование оборудования и технологических процессов, повышение
энергоэффективности, надёжности, безопасности и т.д., и базируются на
достижениях физики, электроники, материаловедения, метрологии. С целью совершенствования оборудования и процессов электроэнергетики выполняются поисковые и прикладные научно-исследовательские работы
(НИР), опытно-конструкторские (ОКР) и технологические разработки.
Прикладные научные исследования состоят из следующих этапов.
1. Наблюдение явлений, процессов, сбор фактов.
2. Формулирование цели и предварительной темы исследования.
Оценка ожидаемого эффекта.
3. Изучение ранее выполненных научных исследований, близких к
выбранной теме в данной области исследования и в смежных областях.
Уточнение темы исследования.
4. Определение объектов и предметов исследования. Корректировка
цели и постановка задач исследования.
5. Теоретическое исследование.
6. Эмпирическое исследование.
7. Сопоставление результатов теоретического и эмпирического исследований. Оценка эффектов, получаемых от использования результатов
исследования.
8. Формулирование выводов, предложений, рекомендаций. Оценка
перспектив дальнейших исследований по данной теме.
9. Внедрение результатов исследования в производство и учебный
процесс.
Первые четыре этапа называются предварительными, теоретическое
и эмпирическое исследования – основные этапы, а остальные этапы – заключительные.
6
1. Предварительные этапы прикладных научных исследований
1.1. Научные направления, проблемы и темы
В научно-исследовательской работе различают научные направления, проблемы и темы. Под научным направлением понимают сферу научных исследований научного коллектива, посвященных решению какихлибо крупных задач в определенной отрасли науки. Успех научной работы,
эффективность ее во многом зависят от того, насколько удачно обоснованно научное направление. Структурными единицами научного направления
являются комплексные проблемы, проблемы, темы.
Комплексная проблема включает в себя несколько проблем. Под
проблемой понимают комплекс научных задач, охватывающих значительную область исследования, и имеющих перспективное значение. Полезность таких задач и их экономический эффект иногда можно определить
только ориентировочно. Проблема состоит из ряда тем.
Тема – научная задача, охватывающая определенную область исследования, При разработке темы выдвигается конкретная задача в исследовании – обосновать и разработать что-то новое. Решение проблем ставит
более общую задачу – сделать открытие, решить комплекс научных задач.
Постановка (выбор) проблем или тем является трудной, ответственной задачей и включает ряд этапов.
1. Формулирование проблемы. На основе анализа противоречий исследуемого направления формулируют основной вопрос-проблему и определяют в общих чертах ожидаемый результат.
2. Разработка структуры проблемы, выделение тем. Композиция этих
компонентов должна составлять древо проблемы (или комплексной проблемы). По каждой теме выявляют ориентировочную область исследования.
3. Актуальность проблемы или темы – ценность проблемы или темы
на данном этапе для науки и техники. Для этого по каждой теме выставляют несколько возражений и на основе анализа методом последовательного
приближения исключают возражения в пользу реальности данных тем.
При выборе важно уметь отличать псевдопроблемы (мнимые, ложные) от научных проблем. Псевдопроблемы связаны с трудностями в развитии науки и часто повторяют решаемые или решенные проблемы. Они
требуют затрат средств, труда ученых и наносят большой вред.
После обоснования проблемы и установления ее структуры научный
работник или коллектив, как правило, самостоятельно приступает к выбору темы исследования. К теме предъявляют ряд требований, а именно:
- актуальность, то есть важность темы, потребность разрешения в
настоящее время;
7
- решение новой задачи – тема в такой постановке никогда не разрабатывалась и в настоящее время не разрабатывается; новизна должна быть
не инженерной, а научной, то есть принципиально новой;
- экономическая эффективность или значимость; любая тема прикладных исследований должна давать какой-то определенный эффект
(обычно экономический); в тех случаях, когда эффект оценить сложно, в
качестве критерия можно принимать значимость, это относится к теоретическим исследованиям или прикладным, которые определяют престиж
отечественной науки, в какой-либо отрасли;
- соответствие профилю научного коллектива (данный принцип не
обязателен);
- осуществимость или внедряемость; при разработке темы следует
оценить возможности ее окончания в плановый срок и внедрения в производство;
- перспективность, то есть сохранение актуальности в перспективе.
Перспективность темы можно оценить двумя методами: математическим, который состоит в определении показателя перспективности по различным формулам; экспертных оценок, когда тему оценивают специалисты-эксперты по определенной бальной шкале.
При выборе темы исследования важно знать запросы (потребности)
производства. Для прикладных тем большое значение имеет четкое формулирование разрабатываемых задач заказчиком с учётом применения
предполагаемого результата.
1.2. Выбор темы исследования
Исследование начинается с того, что исследователь располагает
внешне наблюдаемыми явлениями, процессами, собирает факты, из которых можно выявить недостатки технических средств и систем, технологических процессов и т.д. Опираясь на данные наблюдения, исследователь
формулирует цель и предварительную тему исследования. Цель должна
быть конкретной, а тема исследования актуальной.
Актуальность темы диктуется практической необходимостью. Это
значит, что тема решает жизненно важные проблемы и обеспечивает получение определенного эффекта (экономического, социального, природоохранного, технического, технологического), поэтому перед проведением
научного исследования ориентировочно определяют эффект, который могут дать результаты исследования.
Оценка темы по критериям перспективности не всегда гарантирует
включение её в федеральные, межотраслевые, отраслевые и региональные
научные программы и планы НИР. Необходимо выполнение техникоэкономического обоснования (ТЭО). ТЭО проводится также практически
всегда до начала любой НИР или ОКР, так как это позволяет обеспечить её
8
высокую эффективность и стабильность. ТЭО является основным исходным предплановым документом, в котором обосновывается потребность,
проводится предварительная патентная проработка на новизну и перспективность, обосновываются объёмы внедрения и ожидаемые техникоэкономические и другие показатели. Только при наличии такого обоснования возможно дальнейшее реальное планирование и финансирование темы
заказчиком.
Основная цель ТЭО – установить новейшие достижения науки и техники по рассматриваемой теме в нашей стране и за рубежом. ТЭО включает такие разделы, как исходные положения, результаты предварительно
выполненных патентных исследований, производственная необходимость,
объём и место внедрения, экономическая эффективность.
В первом разделе ТЭО «Исходные положения» обосновывают причины разработки темы. Здесь приводят краткий литературный обзор с указанием достигнутого уровня исследований и полученных конкретных результатов. Особое внимание уделяют нерешённым вопросам, обосновывают актуальность, значимость для отрасли и экономики страны. Разрабатывают общую методологию проведения исследований, выделяют этапы по
отдельным вопросам и годам, планируют получение конечных результатов
выполнения темы (создание опытного образца, технических указаний, инструкций, рекомендаций и т.д.).
Патентные исследования проводят за последние 5–7 лет, выявляя новизну и определяя уровень планируемой разработки с уровнем исследований по данной теме в нашей стране и достижениями за рубежом,
возможность патентования предполагаемого результата. Эти исследования
позволяют более чётко и правильно сформулировать разрабатываемую тему.
Объём внедрения имеет большое значение, он может быть рассчитан
или определён на основе перспективных прогнозов. От правильности расчётов зависит экономическая эффективность планируемой темы.
Предварительный экономический эффект рассчитывают на период
применения результатов НИР, ОКР. Этот период зависит от продолжительности выполнения НИР, ОКР, сроков внедрения. Наряду с экономическим эффектом указывают и другие получаемые эффекты: природоохранный, социальный, технический, технологический.
1.3. Изучение степени разработанности и уточнение темы,
определение объектов и предметов, постановка задач
исследования
1.3.1. Изучение степени разработанности темы
Выбрав тему, исследователь знакомится с тем, что известно о ней в
изучаемой области и в смежных областях. Поиск и анализ научной инфор-
9
мации позволяет составить обзор предшествующих исследований; приобрести навыки работы с научными публикациями, патентного поиска и использования источников информации. Это очень ответственный этап работы, для выполнения которого необходимо иметь определенное умение.
Считается уже признанным, что знания заключаются не только в знании
сведений, сколько в умении с наименьшими затратами найти нужные сведения в существующей научно-технической информации. Знакомство с состоянием изученности проблемы в смежных областях позволяет узнать более общие методы исследования, которые могут быть более совершенными, чем используемые в данной области исследований. При этом очень
важно знать историю исследования процесса или явления, которая характеризует его тенденцию развития во времени. Знание истории объекта исследования необходимо также для страховки от дублирования и давно раскритикованных ошибок.
Основными источниками информации являются монографии, статьи,
рефераты, информационные листки, отчёты о НИР, ОКР, описания авторских свидетельств и патентов, нормативные документы (стандарты, технические условия, инструкции и другие), диссертации, авторефераты, материалы конференций, сайты организаций, личные наблюдения, личные контакты со специалистами и учеными. Источники информации доступны в
библиотеках, на сайтах различных организаций, их можно приобрести посредством заказов, подписки на периодические издания. Изучая источники
информации, следует учитывать ее свойство – старение (потеря ценности).
Это объясняется появлением новой печатной и неопубликованной информации или уменьшением потребности в данной информации.
Каждый научный работник при работе с источниками информации
должен учитывать изменение своей работоспособности в течение дня.
Обычно первый час работы характеризуется периодом врабатываемости. В
последующие четыре, пять часов работы наблюдается оптимальная работоспособность, затем идет снижение уровня работоспособности. Наряду с
этим, исследователю необходимо знать средства повышения скорости чтения. Для этого существуют различные методы, но общие рекомендации
целесообразно учитывать всем. При использовании дифференциального
алгоритма рекомендуется выделять ключевые слова, строить смысловые
ряды, выделять отдельные цепочки смысловых рядов и затем их обрабатывать. При работе с источником информации по интегральному алгоритму
указывают автора, название, выходные сведения, краткое содержание,
факты, особенность изложения материала, его новизну и возможность использования в практической работе. При этом, если требуется глубокое осмысление содержания материала или отдельных литературных источников
используют «медленное чтение», при котором поле зрения уменьшают, и
совершают движение глаз по всей странице текста. В остальных случаях
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]