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.

Конспект лекций по дисциплине «введение в профессиональную деятельность»

Направление 220400 – Управление в технических системах,

Форма обучения: очная, заочная

Семестр: 1

Лекции 36 (час.)

Практические занятия 36 (час.)

Лабораторные занятия не предусмотрены

Самостоятельная работа – 108 (час.)

Самостоятельная работа без преподавателя – 97,2 (час.)

Работа с преподавателем:

со студентом – 4,3 (час.)

с группой – 6,5 (час.)

Зачёт - не предусмотрен

Экзамен 1 (семестр)

Курсовая работа не предусмотрена

Контрольная работа (заочное обучение)

Тюмень 2012

ВЫПИСКА ИЗ РАБОЧЕГО УЧЕБНОГО ПЛАНА ДИСЦИПЛИНЫ «ВВЕДЕНИЕ В ПРОФЕССИОНАЛЬНУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ»

Общее количество часов – 180 (5 зет)

Общее количество аудиторных часов – 72

Лекции – 36 (час.)

Практические занятия – 36

Лабораторные занятия – не предусмотрены

Самостоятельная работа – 108 (час.)

Работа без преподавателя – 97,2 (час.)

Рабрта с преподавателем:

со студентом – 4,3 (час.)

с группой – 6,5 (час.)

Экзамен – 1 (семестр)

Курсовая работа – не предусмотрена

В неделю: лекций – 2 (час.), лабораторных занятий – 2 (час.)

Всего недель – 18 (с 1-й по 18-ю)

Сессия – ???(недели)

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Моделирование биологических процессов и систем» включена в федеральный компонент блока общепрофессиональных дисциплин. Основные разделы дисциплины:

1 Цели и задачи дисциплины

Целью дисциплины является формирование у выпускников следующих компетенций:

общекультурные компетенции (ОК)
ОК-8	обладать способностью осознавать социальную значимость своей будущей профессии, обладать высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности): итоговая государственная аттестация, включая подготовку выпускной квалификационной работы
профессиональные компетенции (ПК)
ПК-6	обладать способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии)
ПК-8	обладать готовностью участвовать в подготовке технико-экономического обоснования проектов создания систем и средств автоматизации и управления)
ПК-9	обладать способностью осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования систем и средств автоматизации и управления)
ПК-10	обладать способностью производить расчёты и проектирование отдельных блоков и устройств систем автоматизации и управления и выбирать стандартные средства автоматики, измерительной и вычислительной техники для проектирования систем автоматизации и управления в соответствии с техническим заданием)

В процессе обучения студент должен освоить следующие дидактические единицы:

• техническая система

• жизненный цикл технической системы

• системы управления

• автоматическое регулирование;

В результате изучения дисциплины студент должен:

знать:

основные положения Государственного образовательного стандарта специальности 220400 Управление в технических системах;

область профессиональной деятельности выпускника вуза пр направлению подготовки 220400 'Управление в технических системах', квалификация – бакалавр

объекты профессиональной деятельности бакалавра

виды профессиональной деятельности бакалавра

задачи профессиональной деятельности бакалавра

уметь:

составлять функциональные схемы и математические модели простых систем управления;

владеть:

основными понятиями теории технических систем и систем автоматического регулирования.

ВОПРОСЫ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

Определение системы

Примеры систем

Подсистема

Структура системы. Схема. Конфигурация

Окружение системы. Объемлющая система

Процесс. Функционирование системы

Моделирование систем. Модель. Оригинал модели

Натурное моделирование

Аналоговое моделирование

Понимание системы. Концептуальные, математические и графические модели.

ОТРГАНИЗАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Определение организационной системы.

Цель организационной системы

Промышленное предприятие

Разделение промышленных предприятий по отраслям. Завод, фабрика, рудник, шахта, электростанция

Заводоуправление. Директор промышленного предприятия. Главный инженер.

Отделы заводоуправления. Конструкторский отдел. Технологический отдел. Плановый отдел. Отдел снабжения. Отдел главного механика. Отдел главного энергетика

Цехи. Примеры специализированных (основных) цехов. Вспомогательные цехи

ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Определение технической системы.

Назначение технической системы

Принцип действия технической системы. Машины.

Рабочие машины. Назначение, основные типы и примеры рабочих машин

Структура рабочей машины

Исполнительный орган рабочей машины. Движетель транспортной машины. Примеры движетелей

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Энергия. Виды энергии. Примеры перехода энергии из одного вида в другой

Определение энергетической машины

Назначение двигателя внутреннего сгорания

Структура двигателя внутреннего сгорания. Цилиндр и поршень. Клапаны

Принцип действия четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания. Рабочий ход поршня

Кривошипно-шатунный механизм. Роль маховика

Коленчатый вал

Детонация двигателя внутреннего сгорания. Антидетонаторные присадки. Применение медленно сгорающих углеводородов

Гидравлическая турбина. Структура гидравлической турбины. Применение гидравлических турбин

Активная гидравлическая турбина

Реактивное движение.

Определение импульса механической системы. Импульс системы, образованной частицами (материальными точками)

Закон сохранения импульса

Движение ракеты

Принцип действия реактивной гидравлической турбины

Паровая турбина

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Сообщение и информация

Источник информации, потребитель информации, среда передачи информации

Прагматическая функция информации

Информационный процесс. Примеры элементарных информационных процессов

Качество информации. Показатели качества информации. Цель организации информационного процесса

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

Модель фон Неймана

Компоненты вычислительной машины

Структура памяти. Адрес ячейки памяти

Структура команды

Принцип работы вычислительной машины. Счётчик команд. Примеры операций

Взаимодействие вычислительной машины с внешними устройствами. Порты

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Определение управления. Устройство управления и объект управления.

Автоматическое регулирование Автоматический регулятор

Примеры автоматических регуляторов

Структура автоматического регулятора

Регуляторы прямого и непрямого действия

КАЧЕСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.

Качество продукции

Стационарный режим функционирования системы

Переходный процесс

Качество системы автоматического регулирования

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Жизненный цикл технической системы

Этап предпроектного исследования системы

Техническое задание

Этап проектирования системы

Эскизный проект

Рабочий проект

Технико-экономическое обоснование технической системы.

Конструкторская документация

Единая система конструкторской документации

Технологическая документация

Изобретение и конструирование

Тестирование технической системы

Отладка технической системы

Испытание технической системы

Монтажные работы

Наладка технической системы

Внедрение технической системы

Назначение средств диагностики

Поверка средств измерений

Метрология

Сопровождение технической системы

Профилактика технической системы

Ремонт технической системы

ОБЛАСТЬ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯЕЛЬНОСТИ БАКАЛАВРА

Область профессиональной деятельности выпускника вуза по направлению подготовки 220400 «Управление в технических системах», квалификация – бакалавр

Объекты профессиональной деятельности бакалавра

Виды профессиональной деятельности бакалавра

Задачи профессиональной деятельности бакалавра

Проектно-конструкторская деятельность

Производственно-технологическая деятельность

Научно-исследовательская деятельность

Организационно-управленческая деятельность

Монтажно-наладочная деятельность

Сервисно-эксплуатационная деятельность

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

1. Определение системы. Система представляет собой множество объектов (компонентов системы), связанных друг с другом и образующих определённую целостность.

1.1. Примеры систем. Описания следующих систем можно найти в учебниках физики:

Пример 1. Компонентами рычажных весов служат равноплечный рычаг и две чаши, прикрепленые к концам рычага.

Пример 2. Вдоль стенок цилиндра скользит поршень, между дном цилиндра и поршнем находится газ, который нагревается источником тепла, расположенным под дном цилиндра.

1.2. Подсистема. Целостная часть системы называется её подсистемой. В примере 2 цилиндр является подсистемой, состоящей из дна и стенок.

3. Структура системы. Бинарная связь соединяет друг с другом два объекта, тернарная — три объекта и т. д. Совокупность связей между компонентами системы называется структурой системы. Структуру системы с бинарными связями обычно представляют в виде схемы, на которой компоненты системы изображают прямоугольниками, а связи между ними — линиями, внутри прямоугольника пишут имя компонента. Иногда говорят не о структуре системы, а о её конфигурации. Обычно слово «конфигурация» используется в том случае, когда связи между компонентами системы могут изменяться (конфигурирование электронной вычислительной машины — выбор и установка на ЭВМ программного обеспечения, необходимого для решения определённой задачи).

4. Окружение системы. Как правило, компоненты системы связаны не только друг с другом, но и с объектами, которые находятся вне её, эти объекты образуют окружение системы. Если добавить к системе какие-то объекты из её окружения, то новая система будет объемлющей по отношению к исходной системе, а та становится подсистемой своей объемлющей системы. В примере 1 окружение системы образуют груз, гири и Земля; если в примере 2 расширяющийся газ толкает поршень, который поднимает груз, то груз включается в окружение системы.

1.5. Геометрические и физические связи. Компоненты систем, описанных в примерах 1 и 2 прикреплены друг к другу, их взаимное расположение не может быть произвольным. Такая связь называется геометрической. Связь между газом в цилиндре (пример 2) и источником тепла является физической — газ нагревается за счёт тепла, которое он получает от источника тепла.

1.6. Процесс. В каждый момент времени компоненты технической системы находятся в определённом состоянии; последовательности изменения их состояний с течением времени образуют процессы, протекающие в системе. Последовательность изменений состояний всей системы с течением времени в соответствии с назначением системы называется её функционированием.

2. Моделирование систем. Моделированием называется любой метод исследования, позволяющий получить информацию о некоторой системе (оригинале модели) путём изучения другой системы (модели).

2.1. Натурное моделирование. Как правило, прямые экспериментальные исследования оригинала модели осложняются целым рядом факторов. К ним относятся слишком большие или слишком малые размеры системы, слишком быстрая (медленная) скорость процесса, высокая (низкая) температура, отсутствие оригинала модели (когда моделируемая система только проектируется). Когда целью исследования является детальное изучение вполне конкретного процесса, протекающего в системе с определёнными геометрическими и физическими характеристиками при заданных режимных условиях применяют натурное (физическое) моделирование. Примерами натурного моделирования могут служить эксперименты с уменьшенными копиями самолётов в аэродинамических трубах и судов в опытовых бассейнах.

2.2. Аналоговое моделирование. При аналоговом моделировании физические процессы в модели и её оригинале качественно различны, однако между ними существует определённая аналогия (сходство). Постоянный электрический ток в проводнике можно представить с помощью течения жидкости по трубе, на физической географической карте с помощью цвета выделяют особенности рельефа местности, кружочками обозначают населённые пункты и т. п.

2.3. Понимание системы. Для того, чтобы понять структуру сложных систем и закономерности протекающих в ней процессов, строят их концептуальные, математические и графические модели. Как правило, они представляют собой описания систем с помощью естественного языка (русского, английского, китайского и т. п.), к которым добавляются специальные термины, математические символы, схемы, графики, таблицы.

ОТРГАНИЗАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

1. Определение организационной системы. Компонентами организационных систем являются люди, а также здания, сооружения, оргтехника, средства связи и т. п. Примерами организационных систем служат школа, университет, фирма, предприятие.

2. Цель организационной системы. Деятельность людей, входящих в организационную систему, должна быть направлена на достижение поставленных перед ней целей.

3. Промышленное предприятие. Промышленным предприятием называется организационная система, которая использует для производства различной продукции систему машин.

3.1. Разделение промышленных предприятий по отраслям. Промышленные предприятия разделяют по отраслям, другими словами — по виду выпускаемой продукции. В России примерно 20 основных отраслей промышленности: топливная, химическая, машиностроение, чёрная и цветная металлургия и др. Часто промышленное предприятие называют заводом, в отдельных отраслях промышленности промышленные предприятия называются по-другому: фабрика (текстильная, пищевая промышленность), шахта или рудник (горная промышленность), электростанция (электроэнергетика).

3.3. Заводоуправление. Деятельностью завода руководит заводоуправление во главе с директором. Первый заместитель директора — главный инженер. Заводоуправление состоит из отделов: конструкторского, технологического, планового, бухгалтерии, отдела главного механика, отдела главного энергетика, отдела снабжения, отдела кадров и т. д.

3.3.1. Конструкторский отдел. В конструкторском отделе разрабатывается конструкторская документация — графические и текстовые документы (схемы, расчёты, пояснительные записки и т. п.), содержащие сведения об изделиях, необходимые для их изготовления, эксплуатации и ремонта.

3.3.2. Технологический отдел. Заводские технологи определяют последовательность операций, составляющих производственный цикл, необходимое оборудование, сколько времени и материалов будет израсходовано, сколько рабочих будет выполнять каждую операцию и т. д.

3.3.3. Плановый отдел. Плановый отдел определяет количество единиц оборудования, численность рабочих, объём финансовых средств, необходимых для выпуска продукции, составляет календарные графики выполнения производственных заданий.

3.3.4. Отдел снабжения устанавливает связи с другими предприятиями, получает от них готовые детали и узлы, следит, как они используются.

3.3.5. Отдел главного механика. Отдел главного механика заботится о производстве и приобретении необходимого оборудования, отдел главного энергетика занимается вопросами электроснабжения, обеспечения предприятия теплом и водой.

3.4. Цехи. Как правило, обработка материалов и выпуск продукции осуществляется в специализированных цехах: механическом, литейном, кузнечном, сборочном. Основное производство обслуживают вспомогательные цехи: инструментальный, сварочный, ремонтный.

ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

1. Определение технической системы. Техническая система составлена из деталей, сделанных людьми с помощью инструментов и других технических систем.

1.1. Назначение технической системы. Каждая техническая система выполняет какие-то функции, другими словами, имеет определённое назначение. С помощью рычажных весов определяют массу твёрдого тела, поршень в цилиндре может совершать полезную работу (например, поднимать груз).

1.2. Принцип действия технической системы. Принцип действия технической системы объясняет как она выполняет свою функцию. Для того, чтобы определить массу груза, его кладут на одну чашу весов, а на другую чашу кладут стандартные гири: если масса груза меньше общей массы гирь, то чаша с грузом начинает подниматься вверх, если же масса груза больше общей массы гирь, то чаша с грузом начинает опускаться, когда масса груза совпадает с общей массой гирь, рычажные весы сохраняют равновесие. В примере 2 нагревание газа в цилиндре вызывает его расширение, и поршень двигается вверх, поднимая груз.

2. Машины. Основой современной техники служат машины. Машиной называется техническая система, компоненты которой согласованно изменяют свои состояния для того, чтобы выполнять преобразования энергии, материалов, информации.

2.1. Рабочие машины. Рабочие машины используют энергию для выполнения полезной механической работы — изменения формы, свойств, состояния и положения предметов труда.

2.1.1. Примеры рабочих машин. Рабочими машинами являются машины-орудия (металлорежущие, деревообрабатывающие, ткацкие станки, строительные, горные, сельскохозяйственные машины и т. п.), транспортные машины (автомобили, тепловозы, самолёты, теплоходы и т. п.), транспортирующие машины (конвейеры, элеваторы, подъёмные краны, подъёмники).

2.1.2. Структура рабочей машины. Источником механической энергии рабочей машины служит двигатель, трансмиссия передаёт движение от двигателя к исполнительным органам, непосредственно выполняющим полезную работу, все эти компоненты вместе с системой управления располагаются на остове (станине, раме).

1. Исполнительный орган рабочей машины. Устройство исполнительных органов рабочих машин зависит от выполняемых операций и от свойств обрабатываемых материалов. Металлообрабатывающие станки сверлят, точат, шлифуют металл, машины для земляных работ рыхлят грунт, копают, перемещают его, разравнивают, уплотняют; машины для добычи и переработки каменных материалов бурят, дробят, размалывают; сельскохозяйственные машины пашут, сеют, жнут, косят, молотят; полиграфические машины печатают. Исполнительным органом транспортной машины служит движетель — колёса у автомобиля и тепловоза, гусеницы у трактора, гребной винт у корабля, пропеллер у поршневого или турбовинтового самолёта, газовая струя у самолёта реактивного.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

1. Определение энергетической машины. Энергией называется скалярная физическая величина, характеризующая интенсивность различных форм движения и взаимодействия. Установлено, что они могут превращаться друг в друга в строго определённых количественных отношениях. Различают энергию механическую, тепловую, химическую, электромагнитную и т. д.

Пример 1. В момент времени t0 хоккейная шайба скользит по льду со скоростью v0, механическая энергия её движения (кинетическая энергия) равна m v0² / 2. Вследствие трения о лёд, скорость шайбы уменьшается и в момент времени t1

становится равной v1, а её кинетическая энергия - m v1² / 2. Таким образом, кинетическая энергия шайбы за промежуток времени [ t0, t1 ] уменьшилась на величину m v0² / 2 - m v1² / 2, эта величина равна выделившейся тепловой энергии, в результате повысилась температура шайбы, льда, окружающего воздуха и тонкой плёнки воды, которая покрывает лёд и служит своеобразной смазкой.

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.

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 dv ( t ) / dt = f,

M dV ( 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 dv ( t ) / dt + M dV ( 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. 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.

2. 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.

2. 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.

2. 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.