Навигация
Поиск
Разработки
Разработка виртуальной лабораторной работы «Имитационное моделирование погрешностей канала измерения температуры» в среде LabVIEW

Цель: Разработка комплекса виртуальных лабораторных работ по дисциплине «Метрология, стандартизация, сертификация»

Актуальность проекта заключается в применении новейших информационных технологий (современной компьютерной техники) в различных видах учебных занятий, поскольку виртуальные лабораторные работы, разработка которых возможна на базе предложенных программ, позволяют сменить проведение лабораторных занятий на физических лабораторных стендах их проведением в компьютерных классах. Что особо актуально в системе дистанционного обучения, а также в системе бакалавриата, в которой значительно увеличены часы самостоятельной работы студента, что позволит значительно снизить стоимость лабораторий из-за использования виртуальных приборов.

Для создания прикладного программного обеспечения компьютерных систем сбора и обработки измерительной информации сегодня применяются специализированные средства, использующие принцип объектно-ориентированного программирования. Среди таких средств наиболее развитой и универсальной является среда графического программирования Lab VIEW фирмы National Instruments, предназначенная для создания прикладного программного обеспечения информационно-измерительных систем, а также различных компьютерных систем сбора и обработки экспериментальных данных.

Новейшие информационные технологии позволяют использовать современную компьютерную технику в различных видах учебных занятий. Виртуальные лабораторные работы позволяют сменить проведение лабораторных занятий на физических лабораторных стендах их проведением в компьютерных классах. Применение других объектно-ориентированных языков программирования с этой целью, таких как, например, Delphi, возможно. Однако, программы, созданные на этих языках, более громоздки, поскольку Lab VIEW предназначено именно для создания виртуальных приборов (ВП) и имеет готовые ВП и возможности для создания новых.

Данная работа является примером разработки виртуальных лабораторных работ по дисциплинам «Метрология, стандартизация и сертификация», «Технические средства измерений», «Технологические измерения и приборы» и других, где необходимо применение виртуальных приборов.

Основные результаты заключаются в использовании при разработке виртуальных приборов метода имитационного моделирования на ЭВМ. Поскольку под имитационным моделированием понимают машинное моделирование на ЭВМ, воссоздающее режим функционирования исследуемой системы с использованием математической модели объекта исследования и модели случайных воздействий.

Практическим результатом работы являются разработанные в среде графического программирования Lab VIEW модели реальных технических средств измерений и создание на их базе трех виртуальных лабораторных работ по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация»:

1. Имитационное моделирование погрешностей канала измерения температуры.

2. Исследование способов уменьшения погрешностей канала измерения температуры,

3. Изучение основных и дополнительных погрешностей средств измерений.

Создание виртуальной лабораторной работы

По дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» согласно рабочей программе студент 2 курса должен выполнить 3 лабораторные работы Ранее на кафедре «Инженерная кибернетика» АИЭС были созданы лабораторные работы для данной дисциплины в среде Delphi.

На рисунке 1 изображена рабочая панель одной из виртуальных работ «Исследование погрешностей канала измерения температуры» в среде Delphi.

Рассматривая эти работы как альтернативу виртуальным работам в среде LabVIEW, мы пришли к следующему выводу:

1. Лабораторные работы в среде Delphi менее наглядны, программа на языке Delphi более громоздка, трудоемка, требуется больше времени на ее разработку.

2. Лабораторная работа в среде LabVIEW представляет собой виртуальный лабораторный стенд с виртуальными приборами, изображающими реальные средства измерения.

Разработанные три виртуальные лабораторные работы по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» внедрены в учебный процесс кафедры «Инженерная кибернетика» Алматинского Института Энергетики и Связи и предназначены для выполнения студентами-бакалаврами 2 курса специальности «Автоматизация и управление».

В качестве примера представлена одна лабораторная работа «Имитационное моделирование суммарной погрешности измерительных каналов».

Методика выполнения лабораторной работы «Имитационное моделирование суммарной погрешности измерительных каналов» в среде Lab VIEW заключается в следующем.

Этап 1. Выбор структуры измерительного канала.

Выбрав в правой части пользовательского интерфейса в закладке «Выбор средств измерения» закладку «Первичный преобразователь», нужно выбрать необходимый первичный преобразователь из списка приборов. В зависимости от заданной температуры студент выбирает термопару или термосопротивление. В данном случае выбран первичный преобразователь термопара ТХК-0279. На рисунке 2 представлено окно фронт - панели виртуальной лабораторной работы по выбору первичного преобразователя.

После чего следует перейти на закладку «Вторичный прибор», где необходимо осуществить выбор вторичного прибора. На рисунке 3 представлено окно фронт -панели виртуальной лабораторной работы для выбора вторичного прибора. В качестве вторичного прибора был выбран КСП1-05

После сборки схемы переходим к этапу 2. Этап 2. Имитационное моделирование.

Следующая закладка «Имитационный эксперимент» представляет в левом столбце 50 значении измеряемой величины, полученных случайным образом как результат измерения заданного значения измеряемой величины

Произвести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента и оценить такие метрологические характеристики исследуемого канала измерения температуры, как суммарные, систематическую и случайные погрешности измерительного канала.

Сверить полученные значения математического ожидания, дисперсии и среднеквадратического отклонения с расчетами, полученными компьютером

Продолжение...

Контакты
an image
НПП Центральная лаборатория автоматизации измерений
111250 Москва, Энергетическая улица, д.7, офис 311
E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Лабораторный практикум по основам теории Коммутации

1. Постановка задачи

Создание лабораторного практикума по дисциплине «Средства коммутации...» для анализа коммутационных систем с точки зрения вероятности блокировки на основе создания виртуальных приборов средствами LabVIEW.

2. ВУЗ, кафедра или предприятие, на котором внедрено решение

Таганрогский технологический институт Южного федерального университета, кафедра Радиотехнических и телекоммуникационных систем: лабораторный практикум «Исследование систем пространственной и временной коммутации» № 3984 по дисциплине «Средства коммутации систем подвижной радиосвязи».

3. Описание решения

При решении задач обслуживания запросов в различных системах коммутации определяют основные показатели эффективности функционирования системы, такие как: вероятность занятости канала, относительная и абсолютная пропускная способность, длина очереди, вероятность блокировки, коэффициент использования сетевых ресурсов, сложность реализации, среднее время задержки пакета и пр. [1].

Для этой цели удобным является подход создания виртуального прибора средствами LabVIEW [2]. По аналогии с лабораторными практикумами [3] созданы виртуальные приборы для исследования характеристик систем пространственной и временной коммутации [4]. В ходе выполнения лабораторного практикума для студентов, уже знакомыми с курсом LabVIEW Basics 1, предлагается пример виртуального прибора по исследованию характеристик системы коммутации, далее с целью усвоения материала предлагается создание виртуального прибора самостоятельно. Кроме того, для закрепления материала предлагается ряд контрольных вопросов, ответы на которые можно найти с использованием созданных виртуальных приборов.

Для автоматизации экспериментов, сформирован лабораторный практикум, включающий в себя исследование следующих характеристик систем коммутации, основанных на вероятностной природе явлений, положенных в основу функционирования таких систем:

где

Рабс - абсолютная пропускная способность;

• относительная и абсолютная пропускная способность пространственного коммутатора на основе модели систем обслуживания с отказами:

Ротн - относительная пропускная способность;

Ротк - вероятность отказа

где

α = λ/μ - плотностью нагрузки;

λ - плотность входного потока;

μ - интенсивность обслуживания; п- число каналов;

• средняя длина очереди сообщений в временном коммутаторе на основе модели систем обслуживания с очередями:

где

к - количество сообщений;

вероятности блокировок систем пространственной коммутации соответственно по методам Ли и Якобеуса для трехзвенной коммутационной схемы

где

к - число коммутаторов среднего звена;

р - вероятность занятости входного канала (вероятность отказа)

β - коэффициент пространственное расширение/концентрация поступающей нагрузки, β = k/n;

• вероятности блокировок многокоординатных систем временной и пространственной коммутации соответственно «пространство-время-пространство» и «время-пространство-время»:

где

где

- вероятность того, что входной канал

свободен;

k - число блоков временной коммутации центрального звена;

γ - коэффициент временного расширения γ =l/с,

l - число временных интервалов работы звена пространственной

коммутации;

c - число информационных каналов в каждом тракте с временным разделением каналов (ВРК).

Величина Р определяется на основе допущения, что к больше п; это означает, что на первом звене коммутационной схемы имеет место пространственное расширение (т.е. коммутация некоторого числа входящих линий с большим числом исходящих линий). Фактически же р может быть и меньше 1; это означает, что на первом звене осуществляется концентрация поступающей нагрузки. Концентрация на первом звене обычно применяется в коммутационных схемах, используемых на оконечных станциях, где входящие линии имеют малое использование (от 5 до 10%). Однако на транзитных или междугородных станциях, где входящие линии имеют высокое использование обычно применяется расширение с тем, чтобы обеспечить соответствующую малую вероятность блокировки.

Аналогично определяется и коэффициент временного расширения/концентрации нагрузки у. По существу, число временных интервалов работы звена пространственной коммутации 1 не должно совпадать с числом временных интервалов с внешних трактов с ВРК.

Из приведенных характеристик систем коммутации следует, что первая пара зависит от плотности входного потока, интенсивности обслуживания и числа каналов, а вторая пара - от коэффициента расширения/концентрации нагрузки, вероятности занятости канала и числа каналов. Поэтому для построения моделей по анализу характеристик предусматривается их анализ поочередно от каждого из трех параметров при фиксированных двух других.

Для краткости изложения приведем пример исследования модели сравнения вероятностей блокировок по методам Ли и Якобеуса для трехзвенной коммутационной схемы, учитывающую зависимость от коэффициента пространственного расширения/концентрации (β<1 и β≥1), от загрузки входящей линии (0.1<р<0.8) и от емкости коммутатора. Для этой цели используется созданный виртуальный прибор, лицевая панель которого приведена на рис.1. Вкладки выбора режимов позволяют переключаться для исследования сравнительной зависимости вероятности блокировки по методам Ли и Якобеуса от коэффициента пространственного расширения/концентрации входящей нагрузки (см. рис.1.а), от вероятности занятости входного канала (см. рис. 1.6) и от емкости коммутатора -числа входов коммутаторов первого звена (см. рис.1,в). На каждой из вкладок используемого контейнера устанавливаются исходные системные параметры коммутатора и диапазон исследуемых значений аргумента, а в итоге строятся графики зависимостей вероятностей блокировки по методам Ли и Якобеуса и индицируются сопутствующие параметры. На рис.2 приведена диаграммная панель одной из вкладок разработанного виртуального прибора.

вероятности блокировки от коэффициента пространственного расширения/концентрации нагрузки

а)

вероятности занятости входного канала

б)

емкости коммутатора

в)

Рис.1. Лицевая панель виртуального прибора для исследования зависимостей: а), вероятности блокировки от коэффициента пространственного расширения/концентрации нагрузки; б) - от вероятности занятости входного канала; в) - от емкости коммутатора.

Из приведенных моделей можно выявить отличие методов Ли и Якобеуса с точки зрения значений вероятности блокировок при большой и малой входной нагрузке, при концентрации входящей нагрузки, при пространственном расширении нагрузки. Также можно указать меры для уменьшения вероятности блокировки в час наибольшей нагрузки.

Диаграммная панель виртуального прибора для исследования зависимости вероятности блокировки от вероятности занятости входного канала

Рис.2. Диаграммная панель виртуального прибора для исследования зависимости вероятности блокировки от вероятности занятости входного канала

4. Перспективы внедрения и развития решения - отрасли, названия предприятий, и т.п.

Создание библиотеки цифровых эквивалентов звеньев пространственной и временной коммутации для исследования принципов построения систем многокоординатной коммутации и анализа их пропускной способности и вероятности блокировок в лабораторных практикумах учебного процесса ТТИ ЮФУ

5. Используемое оборудование и программное обеспечение National Instruments

Для выполнения лабораторного практикума используются:

• персональный компьютер со следующими характеристиками: процессор класса Pentium III, с тактовой частотой 1 ГГц, объем оперативной памяти - 512 Мб, 20 Гб свободного дискового пространства;

• установленная операционная система Windows XP, среда визуального графического программирования LabVIEW 8.2.