Рабочая программа: Технические средства автоматизации и управления

УДК
ББК
Обсуждена и одобрена на заседании кафедры «Автоматизация и
управление в технических системах» Московского государственного
университета технологий и управления (протокол №___
от
__________________2013 г.)
Одобрена и рекомендована к утверждению на заседании ученого совета
института «Системная автоматизация и инноватика» Московского
государственного университета технологий и управления (протокол №___ от
____________2013 г.).
Составители:
Жиров Михаил Вениаминович – заведующий кафедрой «Автоматизация и
управление в технических системах» ФГБОУ ВПО МГУТУ, д.т.н.,
профессор.
Гончаров Андрей Витальевич – старший преподаватель кафедры
«Автоматизация и управление в технических системах » ФГБОУ ВПО
МГУТУ, к.т.н..
Солдатов Виктор Владимирович – профессор кафедры«Автоматизация и
управление в технических системах » ФГБОУ ВПО МГУТУ, д.т.н.,
профессор.
Рецензенты:
Сартаков Михаил Валериевич – доцент кафедры «Информационные
технологии», к.т.н.
Жиров Михаил Вениаминович, Солдатов Виктор Владимирович,
Гончаров Андрей Витальевич.Технические средства автоматизации и
управления: курс лекций. – М.: МГУТУ, 2013. – 121 с.
Курс лекций дисциплины «Технические средства автоматизации и
управления» составлен в соответствии с Государственным образовательным
стандартом высшего профессионального образования по направлению
подготовки бакалавров 220400 – «Управление в технических системах».
Курс лекций предназначен для студентов всех форм обучения.
©Московский
государственный
университет
технологий и управления,
2013.
109004, Москва, Земляной вал, 73
©Жиров
Михаил
Вениаминович,
Солдатов
Виктор
Владимирович,
Гончаров Андрей Витальевич
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ
И УПРАВЛЕНИЯ им. К.Г.Разумовского
Институт «Системной автоматизации и инноватики»
Кафедра «Автоматизация и управление в технических системах»
«УТВЕРЖДАЮ»
Директор Института
«Системной автоматизации
и инноватики»
_________________ А.В. Воробьева
«_______»_______________ 2013 г
РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
И УПРАВЛЕНИЯ
Специальность 220400 – Управление в технических системах
Квалификация: бакалавр
Форма обучения и срок подготовки:
- очная (4 года, полная программа подготовки)
- заочная (4 года, полная программа подготовки)
- заочная (3 года, сокращенная программа подготовки)
Курс: второй
Москва- 2013
УДК
ББК
Обсуждена и одобрена на заседании кафедры «Автоматизация и управление в технических системах» Московского государственного университета технологий и управления (протокол №___ от __________________2013 г.)
Одобрена и рекомендована к утверждению на заседании ученого совета
института «Системная автоматизация и инноватика» Московского государственного университета технологий и управления (протокол №___ от
____________2013 г.).
Составители:
Жиров Михаил Вениаминович – заведующий кафедрой «Автоматизация и
управление в технических системах» ФГБОУ ВПО МГУТУ, д.т.н., профессор.
Гончаров Андрей Витальевич – старший преподаватель кафедры «Автоматизация и управление в технических системах » ФГБОУ ВПО МГУТУ, к.т.н..
Солдатов Виктор Владимирович – профессор кафедры «Автоматизация и
управление в технических системах » ФГБОУ ВПО МГУТУ, д.т.н., профессор.
Рецензенты:
Сартаков Михаил Валериевич – доцент кафедры «Информационные технологии», к.т.н.
Жиров Михаил Вениаминович, Солдатов Виктор Владимирович, Гончаров Андрей Витальевич. Технические средства автоматизации и управления: рабочая учебная программа. – М.: МГУТУ, 2013. – 27 с.
Рабочая учебная программа дисциплины «Технические средства автоматизации
и управления» составлена в соответствии с Государственным образовательным
стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки бакалавров 220400 – «Управление в технических системах».
Рабочая учебная программа предназначена для студентов всех форм обучения.
©Московский государственный университет
технологий и управления, 2013.
109004, Москва, Земляной вал, 73
© Жиров Михаил Вениаминович, Солдатов
Виктор Владимирович, Гончаров Андрей
Витальевич
2
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цели освоения дисциплины………………………………………………….4
2. Место дисциплины в структуре ООП………………………………….…....4
3. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины……..…4
4. Структура и содержание дисциплины……………………………………....5
5. Темы дисциплины, рекомендуемая трудоемкость и виды работы……..…7
6. Образовательные технологии……………………………………………....13
7. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации…………………………………………………………….…13
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины…..21
9. Контроль и оценка результатов обучения…………………………………22
10.Материально-техническое обеспечение дисциплины…………….………23
11.Вопросы для проверки остаточных знаний……………………….…….…24
12.Вопросы к зачету…………………………………………………………….25
3
1. ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью преподавания дисциплины «Технические средства автоматизации и управления» является изучение применяемых в настоящее время перспективных элементов и систем автоматики их принципа действия и функционального назначения.
Дисциплина является одномодульной.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
Предмет относится к базовой части профессионального цикла. В дальнейшем навыки, приобретенные в курсе, понадобятся студенту при освоении
всех дисциплин, связанных с автоматизацией технологических процессов,
включая и дипломное проектирование. Для освоения дисциплины необходимы
сведения из дисциплин Физика, Математика.
3. КОМПЕТЕНЦИИ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
компетенций: ОК-11; ОК-12; ОК-13; ПК-3; ПК-4; ПК-5; ПК-6; ПК-7; ПК-8; ПК9; ПК-10; ПК-11; ПК-14; ПК-15; ПК-16; ПК-17; ПК-18; ПК-19; ПК-20; ПК-23;
ПК- 24; ПК-26.
В результате освоения курса студент должен знать: основные элементы
технических средств автоматизации, методики расчета характеристик преобразователей систем электроавтоматики, источники погрешностей измерения,
принципы выбора параметров, передача и преобразование выходных сигналов
датчиков неэлектрических величин. Принципы построения систем многоточечного контроля параметров технологических процессов.
Должен уметь: рассчитывать системы электроавтоматики с регулируемым исполнительным устройством.
Должен владеть: самостоятельным расчетом графического метода характеристик преобразователей.
4
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Общая трудоемкость дисциплины составляет 108 часов, зачетных единиц 3.
Распределение трудоемкости дисциплины по видам учебной работы.
Таблица 1.
Очная форма обучения, полная программа подготовки
Вид учебной работы
Академические
часы
Общая трудоемкость дисциплины
108
Аудиторные занятия (всего)
72
В том числе:
Лекции
36
Лабораторные занятия
36
Самостоятельная работа (всего)
36
В том числе:
Подготовка к практическим занятиям
18
Подготовка к промежуточной аттестации
18
(зачету)
Контроль (всего)
В том числе
Входной, текущий, рубежный
Промежуточная аттестация (зачет)
Заочная форма обучения, полная программа подготовки
Вид учебной работы
Академические
часы
Общая трудоемкость дисциплины
108
Аудиторные занятия (всего)
18
В том числе:
11818
Лекции
10
Лабораторные занятия
8
5
Самостоятельная работа (всего)
86
В том числе:
Подготовка к практическим занятиям
36
Подготовка к промежуточной аттестации
50
(зачету)
Контроль (всего)
4
В том числе
Входной, текущий, рубежный
Промежуточная аттестация (зачет)
4
Заочная форма обучения, сокращенная программа подготовки
Вид учебной работы
Академические
часы
Общая трудоемкость дисциплины
108
Аудиторные занятия (всего)
16
В том числе:
Лекции
8
Лабораторные занятия
8
Самостоятельная работа (всего)
52
В том числе:
Подготовка к практическим занятиям
36
Подготовка к промежуточной аттестации
16
(зачету)
Контроль (всего)
4
В том числе
Входной, текущий, рубежный
Промежуточная аттестация (зачет)
6
4
5. ТЕМЫ ДИСЦИПЛИНЫ, РЕКОМЕНДУЕМАЯ ТРУДОЕМКОСТЬ И
ВИДЫ РАБОТЫ
Тема 1. Типовые технические средства автоматизации, этапы их развития и принципы формирования. Этапы развития технических средств автоматизации. Методы стандартизации и структура технических средств автоматизации. Унификация средств автоматизации.
Тема 2. Технические средства автоматизированных систем управления. Исполнительные механизмы. Структура комплекса АСУТП. Полевое
оборудование. Кабели оптические. Распределенные системы управления. Исполнительные механизмы. Виды электродвигательных ИМ. Электромагнитные
исполнительные механизмы. Расчет электромагнитных исполнительных механизмов. Электромеханические муфты. Электромеханические муфты трения.
Электромеханические муфты скольжения. Использование электромагнитных
муфт скольжения. Релейные исполнительные механизмы. Электромагнитные
релейные исполнительные механизмы.
Тема 3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ. Контроллер на базе персонального компьютера. Ло-
кальный программируемый контроллер. Сетевой комплекс контроллеров. Распределенные маломасштабные системы управления. Полномасштабные распределенные системы управления.
Тема 4. Интерфейсные устройства. Параллельные порты ввода-вывода;
последовательный порт SHI; последовательный порт UART; таймеры-счетчики
общего назначения: сторожевой таймер; аналого-цифровой преобразователь;
аналоговый компаратор; блок прерываний.
Тема 5. Принципы построения и регулирования управляемых приводов автоматизированных систем. Частотно-регулируемый привод с шимпреобразователем в системах управления асинхронными двигателями. Асинхронный
электродвигатель.
Принцип
постоянства
отношения
напряже-
ние/частота. Принцип обычной широтно-импульсной модуляции. Таблицы
преобразования со значениями синусов. Принцип действия ПИ-регулятора.
7
Тема 6. Регулирующие устройства и автоматические регуляторы.
Выбор канала регулирования. Основные показатели качества регулирования.
Типовая структурная схема регулятора. Классификация регуляторов. Позиционные регуляторы. Пропорционально-интегральные регуляторы. Дифференциальные регуляторы. Выбор типа регулятора. Формульный метод определения
настроек регулятора. Расчѐт настроек по частотным характеристикам объекта.
Экспериментальные методы настройки регулятора. Метод незатухающих колебаний.
Таблица 2
Очная форма обучения
акад. часы
№
Наименование темы
Все- Лекго
1 Тема 1. Типовые технические
18
средства автоматизации, этапы их
развития и принципы формирования
2 Тема 2. Технические средства ав- 18
томатизированных систем управления. Исполнительные механизмы
3 Тема 3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
18
Лаб.
ции занятия
Контроль
СРС (входной текущий, рубежный)
6
6
6
6
6
6
Контроль
осуществляется
в виде допуска к
6
6
6
АВТОМАТИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
лаб. занятиям по
результатам их
4 Тема 4. Интерфейсные устройства 18
6
6
6
5 Тема 5. Принципы построения и
18
регулирования управляемых приводов автоматизированных систем
6 Тема 6. Регулирующие устройства 18
и автоматические регуляторы.
Выбор канала регулирования
Всего
108
6
6
6
6
6
6
36
36
36
Заочная форма обучения
8
выполнения
акад. часы
№
Наименование темы
Все- Лекго
1 Тема 1. Типовые технические
17
средства автоматизации, этапы их
развития и принципы формирования
2 Тема 2. Технические средства ав- 17
томатизированных систем управления. Исполнительные механизмы
3 Тема 3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
17
Лаб.
ции занятия
Контроль
СРС (входной текущий, рубежный)
1
1
15
1
1
15
Контроль
осуществляется
в виде допуска к
1
1
АВТОМАТИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
15 лаб. занятиям по
результатам их
4 Тема 4. Интерфейсные устройства 19
2
2
15
5 Тема 5. Принципы построения и
18
регулирования управляемых приводов автоматизированных систем
6 Тема 6. Регулирующие устройства 14
и автоматические регуляторы.
Выбор канала регулирования
Всего
108
2
1
15
3
2
9
10
8
86
выполнения
Заочная сокр. форма обучения
акад. часы
№
Наименование темы
Все- Лекго
1 Тема 1. Типовые технические
12
средства автоматизации, этапы их
развития и принципы формирования
2 Тема 2. Технические средства ав- 12
томатизированных систем управления. Исполнительные механизмы
9
Лаб.
ции занятия
1
1
Контроль
СРС (входной текущий, рубежный)
10
Контроль
осуществляется
1
1
10
в виде допуска к
лаб. занятиям по
результатам их
3 Тема 3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
12
1
1
10
4 Тема 4. Интерфейсные устройства 14
2
2
10
5 Тема 5. Принципы построения и
10
регулирования управляемых приводов автоматизированных систем
6 Тема 6. Регулирующие устройства 8
и автоматические регуляторы.
Выбор канала регулирования
Всего
108
2
2
6
1
1
6
8
8
52
выполнения
АВТОМАТИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Обязательный дидактический минимум содержания тем дисциплины Таблица 3.
Наименование
Дидактический минимум
темы
1
Этапы развития технических средств автоматизации.
Методы стандартизации и структура технических
средств автоматизации. Унификация средств автоматизации.
2
Структура комплекса АСУТП. Полевое оборудование. Кабели оптические. Распределенные системы
управления. Исполнительные механизмы. Виды электродвигательных ИМ. Электромагнитные исполнительные механизмы. Расчет электромагнитных исполнительных механизмов. Электромеханические
муфты. Электромеханические муфты трения. Электромеханические муфты скольжения. Использование
электромагнитных муфт скольжения. Релейные исполнительные механизмы. Электромагнитные релейные исполнительные механизмы.
3
Контроллер на базе персонального компьютера. Ло10
кальный программируемый контроллер. Сетевой
комплекс контроллеров. Распределенные маломасштабные системы управления. Полномасштабные
распределенные системы управления.
4
Параллельные порты ввода-вывода; последовательный порт SHI; последовательный порт UART; таймеры-счетчики общего назначения: сторожевой таймер;
аналого-цифровой преобразователь; аналоговый компаратор; блок прерываний.
5
Частотно-регулируемый привод с шимпреобразователем в системах управления асинхронными двигателями. Асинхронный электродвигатель.
Принцип постоянства отношения напряжение/частота. Принцип обычной широтно-импульсной
модуляции. Таблицы преобразования со значениями
синусов. Принцип действия ПИ-регулятора.
6
Основные показатели качества регулирования. Типовая структурная схема регулятора. Классификация
регуляторов. Позиционные регуляторы. Пропорционально-интегральные регуляторы. Дифференциальные регуляторы. Выбор типа регулятора. Формульный метод определения настроек регулятора. Расчѐт
настроек по частотным характеристикам объекта.
Экспериментальные методы настройки регулятора.
Метод незатухающих колебаний.
Соответствие содержания требуемым результатам обучения Таблица 4.
Результаты обучения
Образовательные
темы
1-3
11
4-5
6
Знать:
основные элементы технических средств автоматиза-
*
*
*
*
*
*
*
*
ПК-3
*
*
*
ПК-6
*
*
*
ПК-9
*
*
*
ПК-11
*
*
*
ПК-13
*
*
*
ПК-18
*
*
*
ПК-25
*
*
*
ПК-27
*
*
*
ПК-31
*
*
*
ПК-32
*
*
*
ции, методики расчета характеристик преобразователей
систем электроавтоматики, источники погрешностей
измерения, принципы выбора параметров, передача и
преобразование выходных сигналов датчиков неэлектрических величин. Принципы построения систем многоточечного контроля параметров технологических
процессов
Уметь:
рассчитывать системы электроавтоматики с регулируемым исполнительным устройством
Владеть:
самостоятельным расчетом графического метода характеристик преобразователей
Профессиональные компетенции
Темы дисциплины и междисциплинарные связи с последующими дисциплинами. Таблица 6
12
Темы дисциплины, необходимые для изу- Наименование обеспечиваемых
чения обеспечиваемых (последующих)
дисциплин
дисциплин
Датчики, исполнительные механизмы,
Диагностика и надежность авто-
сигналы
матизированных систем
6. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Обучение специалистов в области информационных технологий связано с
постоянной и самостоятельной работой студентов с компьютером. Интерактивная составляющая обучения – это поддержание контакта преподавателя со студентом через локальную сеть во время лабораторных работ (удаленный рабочий стол преподавателя).
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ
АТТЕСТАЦИИ
Самостоятельная работа студентов заключается в подготовке к практическим занятиям, выполнении домашних заданий. Все эти виды работ обеспечиваются методическими разработками.
Тематика лабораторных занятий соответствует тематике дисциплины. Контрольным фактором являются допуск к лабораторным занятиям и контроль выполнения полученных на них заданий.
Учебно-образовательные модули дисциплины и самостоятельная работа.
Таблица 8
Учебно№
образовательные
модули дисциплины
1 Модуль 1.
Трудоемкость
Виды самостоятельной
ча-
СРС, часы
работы студентов
сы
Подготовка к лабораторным за- 18
36
нятиям
Подготовка к зачету
13
18
Заочная форма обучения
Учебно№
образовательные
Трудоемкость
Виды самостоятельной
ча-
СРС, часы
работы студентов
сы
модули дисциплины
1 Модуль 1.
Подготовка к лабораторным за- 36
86
нятиям
Подготовка к зачету
50
Заочная сокращенная форма обучения
Учебно№
образовательные
Трудоемкость
Виды самостоятельной
ча-
СРС, часы
работы студентов
сы
модули дисциплины
1 Модуль 1.
Подготовка к лабораторным за- 36
52
нятиям
Подготовка к зачету
16
Тест
1.Сколько существует этапов развития средств автоматизации?
А) 4.
Б) 5.
В) 6.
2. Когда начинается этап автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП)?
А) С появлением управляющих вычислительных машин.
Б) С расширением масштабов производства.
В) С появлением автоматических регуляторов.
3. При помощи каких методов решается задача уменьшения функционального и
конструктивного многообразия технических средств управления?
А) Методов стандартизации.
Б) Методов безотказности.
14
В) Методов ремонтопригодности.
4. Что является наиболее развитой ветвью средств автоматизации?
А) Электрическая.
Б) Пневматическая.
В) Гидравлическая.
5. Какой вид сигналов представляет собой сложную последовательность импульсов?
А) Аналоговый.
Б) Кодовый.
В) Импульсный.
6.Какой вид оптического кабеля используют для связи на короткие расстояния?
а) Одномодовые волокна.
Б) Многомодовые волокна.
В) Инфра-волокна.
7.Какова пропускная способность оптоволоконной линии между Москвой и Петербургом?
А) 622 Мбит/c.
Б) 2.5 Гбит/c.
В) 10 Гбит/c.
8.Для чего предназначены исполнительные механизмы?
А) для управления регулирующими органами.
Б) для внесения изменений в работу контроллера.
В) для сбора информации.
9.Какие наиболее важные требования предъявляют к исполнительным механизмам?
А) компактность.
Б) устойчивая работа в агрессивных условиях (широкие пределы изменения влажности и температуры, наличие примесей, пыли).
В) энергосбережение.
15
10. Чем регулируют потоки газообразных веществ?
А) включением или отключением компрессорных или вентиляционных установок.
Б) автотрансформаторами.
В) редукторами.
11.Какие виды электродвигательных исполнительных механизмов малой мощности получили большее распространение?
А) трехфазные с короткозамкнутым или фазным ротором.
Б) двухфазные асинхронные двигатели или двигатели постоянного тока
В) с поступательным перемещением выходного штока.
12.Что понимается под выражением однооборотные электродвигательные исполнительные механизмы?
А) электродвигатели с углом поворота выходного вала до 360°.
Б) выходной вал электродвигателя может совершать большое число оборотов.
В) выходной вал электродвигателя неподвижен.
13.В чем преимущество способа управления двигателем со стороны якоря?
А) он позволяет получить широкий диапазон регулирования скорости.
Б) он позволяет добиться плавности регулирования.
В) оба вышеперечисленных варианта.
14.Из какого материала выполняют якорь электродвигателя для обеспечения
демпфирования?
А) алюминий.
Б) медь.
В) сталь.
15 Каким способом может быть осуществлено реверсирование двигателя?
А) полупроводниковым коммутатором путем взаимного переключения начала и концов обмоток.
Б) изменением фазы входного напряжения.
16
В) изменением величины входного тока.
16.Для чего служат исполнительные электромагнитные механизмы?
А) для преобразования электрического тока в механическое перемещение.
Б) для торможения электродвигателя.
В) для управления электродвигателем.
17.В чем различия исполнительных электромагнитных механизмов по сравнению с обычными исполнительными механизмами?
А) ЭМИМ по сравнению с электродвигательными ИМ отличаются простотой конструкции и схем управления.
Б) меньшими весом и размерами и значительно меньшей стоимостью.
Кроме того, благодаря отсутствию редуктора они более надежны в эксплуатации.
В) оба вышеперечисленных варианта.
18. В чем особенность нейтральных электромагнитов постоянного тока?
А) они не реагируют на полярность напряжения питания.
Б) они позволяют добиться плавности регулирования.
В) они потребляют малую мощность.
19.В чем особенность соленоидных электромагнитов постоянного тока?
А) они имеют большой ход якоря и обладают высоким быстродействием.
Б) они имеют поступательные движения якоря.
В) они имеют небольшое движение якоря.
20. Сравните потребление электроэнергии электромагнитами переменного и
постоянного тока при одинаковых совершенных механических работах?
А) электромагниты переменного тока потребляют меньше электроэнергии,
чем электромагниты постоянного тока.
Б) электромагниты переменного тока потребляют больше электроэнергии,
чем электромагниты постоянного тока.
В) электромагниты переменного тока потребляют такое же количество
электроэнергии, как и электромагниты постоянного тока.
17
21.Для чего служит муфта?
А) служит для сцепления двух валов, т.е. для передачи вращающего момента с одного вала (ведущего) на другой (ведомый).
Б) служит для торможения электродвигателя.
В) служит для изменения скорости вала двигателя.
22.В чем особенность муфт релейного действия?
А) они осуществляют жесткое сцепление валов при подаче сигнала
Б) они могут сделать значительно меньше момента инерции.
В) муфты релейного действия способны выдерживать значительные перегрузки.
23.Чем отличаются исполнительные механизмы с электромеханическими муфтами от электродвигательных?
А) более простой конструкцией, низкой стоимостью, высокой надежностью и долговечностью.
Б) более сложной конструкцией, высокой стоимостью.
В) они потребляют малую мощность.
24.сколько бывает видов муфт с электромагнитным управлением?
А) 2.
Б) 3.
В) 4
25. В каких механизмах применение электромеханических муфт наиболее целесообразно?
А) В тех механизмах, где стоимость израсходованной энергии составляет
небольшую долю себестоимости продукции.
Б) В тех механизмах, в которых повышение надежности, а, следовательно,
уменьшение простоев и брака, как правило, окупает увеличение расхода
энергии.
В) В тех механизмах, в которых низкая себестоимость этих ИМ приводит к
минимуму расчетных затрат.
18
26.Что называется релейными исполнительными механизмами?
А) релейные элементы, выполняющие функции исполнительных механизмов.
Б) релейные элементы, служащие для изменения скорости вала двигателя.
В) специальные устройства – герконы.
27.В чем особенность релейных исполнительных механизмов?
А) они осуществляют жесткое сцепление валов при подаче сигнала.
Б) они представляют собой совокупность электромагнита, который выполняет роль управляющего устройства, и перемещаемой им механической
нагрузки
В) они способны осуществлять управление электродвигателем.
28.Какова особенность коэффициента возврата?
А) коэффициентом возврата связывает параметры срабатывания и отпускания.
Б) коэффициент возврата равен отношению параметра отпускания к параметру срабатывания.
В) верны оба вышеперечисленных варианта.
29. сколько бывает состояний у релейных исполнительных механизмов?
А) 2.
Б) 3.
В) 4
30. На сколько типов по характеру движения якоря подразделяют электромагнитные нейтральные реле?
А) 1.
Б) 2.
В) 3.
31.Как называются непрерывно изменяющиеся со временем сигналы?
А) Аналоговыми.
Б) Импульсными.
19
В) Кодовыми.
32. Сколько видов электрических сигналов предусматривается использовать в
соответствии с существующими стандартами в аналоговых средствах автоматизации?
А) 2.
Б) 3.
В) 4.
33. Почему сигналы переменного тока редко используются для преобразования
и передачи информации во внешних линиях связи?
А) Потому что для них трудно выполнить требование синфазности и подавить нелинейные искажения.
Б) Ввиду больших потерь передаваемой мощности.
В) Вследствие отсутствия необходимой для этого аппаратуры.
34. Из каких элементов состоит типичный счетовод?
А) Из изолированного электропровода.
Б) Из сердцевины и оболочки.
В) Из оптоволокна.
35. Какой способ управления электродвигателем получил широкое распространение в системах автоматического управления?
А) Метод широтно–импульсной модуляции.
Б) Со стороны обмотки.
В) Со стороны якоря.
36. Как влияет на стоимость электродвигателя механизированное изготовление обмоток якоря?
А) Удорожает электродвигатель.
Б) Удешевляет электродвигатель.
В) Совершенно не влияет на стоимость электродвигателя.
37. Как увеличить быстродействие шагового двигателя?
А) Увеличив габариты шагового двигателя.
Б) Уменьшив его шаг, используя для этого электромагнитную индукцию.
20
В) Увеличив мощность шагового двигателя.
38. Какое основное требование, предъявляют к техническому устройству с точки зрения общей системы приборов и средств автоматизации?
А) Требование низкой стоимости.
Б) Требование стандартизации параметров, которые определяют его связи
с другими устройствами.
В) Требование малой металлоемкости.
39. Сколько различают видов внешних связей технических устройств?
А) 1.
Б) 2.
В) 3.
40. Какой информацией необходимо располагать для правильного выбора мощности двигателя исполнительного механизма?
А) Иметь данные о приводных характеристиках нагрузки или объекта регулирования.
Б) Иметь данные об энергетических потоках в объекте управления.
В) Иметь данные о трении в подшипниках исполнительного механизма.
8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература
1. Коновалов Л.Н., Петелин Д.П. Элементы и системы электроавтоматики.М.: Высшая школа, 2012, 276с.
2. Бечева М.К., Златенов И.Д., Новиков П.Н., Шанкин Е.В. Электротехника
и электроника.- М.: Высшая школа, 2011, 224с.
3. Денисов А.А., Нагорный Б.С. Пневматические и гидравлические устройства автоматики.- М.: Высшая школа, 2009, 214с.
4. Бушуев С.Д., Михайлов В.С. Автоматика и автоматизация производственных процессов. - М.: Высшая школа, 2008, 256с.
21
5. Федотов А.В. Автоматизация управления в производственных системах.
Учебное пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009.
6. Автоматика. Исполнительные механизмы. / Герасенков А.А., Вихрова
Л.Г., Загинайлов В.И., Суворов С.А. – М.: МГУЛ, 2012.
7. Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. –
СПб.: Невский диалект, 2010.
8. Штанько Р.И. Электроника, микропроцессорные средства и техника связи. Учебное пособие. – М.: РГАЗУ, 2011.
Дополнительная литература
1. Греденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в
теории надежности. М.: Машиностроение, 2011.
2. Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. –
СПб.: Невский Диалект, 2012.
3. Краснов А.Е., Зыбин Л.А., Злобин Д.Л. Цифровые системы управления
в пищевой промышленности. – М.: Высшая школа, 2010.
4. Федотов А.В. Управление оборудованием и технологическими процессами в ГПС. Учебное пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011.
5. Хомченко В.Г., Голобурдин А.И., Федотов А.В. Автоматизация технологических процессов и производств. Учебное пособие. – Омск: Изд-во
ОмГТУ, 2012.
Программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
Наличие локальной сети с доступом в Интернет.
9. КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОБУЧЕНИЯ
Примерная модульно-рейтинговая карта по дисциплине. Таблица 9.
Виды учебной работы
Модуль 1. Технические средства автоматизации и управления
22
Максимальный
Зачетный
балл
балл
30
20
в том числе
Посещение лекций
8
5
Посещение практических занятий
7
4
Контрольная работа
15
11
Промежуточная аттестация - зачет
40
30
Итого по дисциплине:
100
70
10. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Аудиторный фонд (аудитория №24 и №25), оснащенные мультимедийным проектором, антивирусным программным обеспечением и средствами вычислительной техники. Минимальные требования к персональным компьютерам: тактовая частота центрального процессора не ниже 2 ГГц, оперативная
память объемом не менее 512 Мбайт, жесткие магнитные диски с интерфейсом
Serial ATA и емкостью не менее 300 Мбайт. Персональный компьютер преподавателя с мультимедиа-проектором и экраном — 1 комплект. Лаборатория новых технологий автоматизации в пищевой промышленности и АПК на базе 8
ПК и 6 стендов ПЛК Schneider Electric. Лаборатория программируемых логических контроллеров и частотно-регулируемого электропривода на базе 10 ПК и 7
стендов ПЛК Schneider Electric.
Наименование дис-
Наименование специализиро-
№
циплин в соответст- ванных аудиторий, кабинетов,
п/п
вии с учебным пла-
лабораторий и пр. с перечнем
ном
основного оборудования
1
2
3
1
Технические сред-
Лаборатория №25
23
Форма владения,
пользования (собственность, оперативное управление, аренда и т.п.)
4
ства автоматизации
PREMIUM:
и управления
TSX P57203- 2 шт.
MICRO:
TSX 3705001- 1 шт.
TSX 3722001- 1 шт.
MOMENTUM:
TSX Momentum- 2 шт.
собственность
ZELIO:
SR1 B121BD- 2 шт.
ЧРП:
ATV58HU09M2- 1 шт.
МАНИПУЛЯТОР:
Nokia PM-01 – 1 шт.
11. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ ОСТАТОЧНЫХ ЗНАНИЙ
1.Сколько существует этапов развития средств автоматизации?
2. Когда начинается этап автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП)?
3. При помощи каких методов решается задача уменьшения функционального и
конструктивного многообразия технических средств управления?
4. Что является наиболее развитой ветвью средств автоматизации?
5. Какой вид сигналов представляет собой сложную последовательность импульсов?
6.Какой вид оптического кабеля используют для связи на короткие расстояния?
7.Какова пропускная способность оптоволоконной линии между Москвой и Петербургом?
8.Для чего предназначены исполнительные механизмы?
9.Какие наиболее важные требования предъявляют к исполнительным механизмам?
10. Чем регулируют потоки газообразных веществ?
11.Какие виды электродвигательных исполнительных механизмов малой мощ24
ности получили большее распространение?
12.Что понимается под выражением однооборотные электродвигательные исполнительные механизмы?
13.В чем преимущество способа управления двигателем со стороны якоря?
14.Из какого материала выполняют якорь электродвигателя для обеспечения
демпфирования?
15 Каким способом может быть осуществлено реверсирование двигателя?
16.Для чего служат исполнительные электромагнитные механизмы?
17.В чем различия исполнительных электромагнитных механизмов по сравнению с обычными исполнительными механизмами?
18. В чем особенность нейтральных электромагнитов постоянного тока?
19.В чем особенность соленоидных электромагнитов постоянного тока?
20. Сравните потребление электроэнергии электромагнитами переменного и
постоянного тока при одинаковых совершенных механических работах?
21.Для чего служит муфта?
22.В чем особенность муфт релейного действия?
23.Чем отличаются исполнительные механизмы с электромеханическими муфтами от электродвигательных?
24.сколько бывает видов муфт с электромагнитным управлением?
25. В каких механизмах применение электромеханических муфт наиболее целесообразно?
26.Что называется релейными исполнительными механизмами?
27.В чем особенность релейных исполнительных механизмов?
28.Какова особенность коэффициента возврата?
29. сколько бывает состояний у релейных исполнительных механизмов?
30. На сколько типов по характеру движения якоря подразделяют электромагнитные нейтральные реле?
12. ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ (ЭКЗАМЕНУ)
1. Дайте определение электроавтоматики как науки, укажите ее значение
25
для технологических процессов в пищевой промышленности.
2. Дайте краткую характеристику перспектив развития систем и устройств
электроавтоматики.
3. Приведите примеры применения в различных технологических процессах систем электроавтоматики.
4. Поясните классификацию устройств электроавтоматики по функциональному назначению.
5. Поясните классификацию устройств электроавтоматики по физическим
принципам, лежащим в основе их работы.
6. Приведите примеры устройств, в которых происходит преобразование
электрической энергии в другие виды энергии.
7. Укажите основные преимущества электроэнергии по сравнению с другими видами энергии.
8. Приведите примеры структурных схем электроавтоматики.
9. Перечислите основные требования, предъявляемые к устройствам автоматики в пищевой промышленности.
10. Поясните роль автоматики в повышении производительности труда и
качества выпускаемой продукции.
11. Какие достоинства гидропневмоавтоматики обеспечивают еѐ широкое
применение в технике наряду с электрическими и электронными средствами
автоматики?
12. Чем обусловлена большая эффективность использования гидропневмоавтоматики в таких отраслях промышленности, как газовая, химическая, нефтеперерабатывающая, пищевая и другие?
13. По каким признакам разделяются системы гидропневмоавтоматики?
14. Поясните принцип действия и приведите типовую конструкцию реостатного преобразователя перемещения.
15. Опишите принципы передачи и преобразования выходных сигналов
преобразователей систем электроавтоматики.
16. Поясните принцип действия и приведите типовую конструкцию полу26
проводникового и проволочного тензодатчиков.
17. Приведите основные типы характеристик емкостных преобразователей
перемещения.
18. Приведите основные типы и характеристики индуктивных преобразователей перемещения.
19. Опишите принцип действия и основные типы тахогенераторов переменного тока и приведите схемы включения их в сеть.
20. Опишите принцип действия тахогенератора переменного тока и приведите схему включения его в сеть.
21. Поясните принцип преобразования световой энергии в электрическую,
дайте определение внешнего и внутреннего фотоэффекта.
22. Приведите пример электрической схемы фотопреобразователя с фоторестором.
23. Опишите принцип действия оптрона и укажите возможность его применения в преобразователях перемещения и частоты вращения.
24. Поясните принцип действия СВЧ - диода. Дайте характеристику СВЧ диапазона.
25. Поясните принцип действия электровакуумных приборов (клистронов, магнетронов, ламп бегущей и отраженной волны).
Авторы:
Жиров Михаил Вениаминович
Гончаров Андрей Витальевич
Солдатов Виктор Владимирович
Рабочая программа дисциплины «Технические средства автоматизации и
управления». – М.: МГУТУ, 2013
Подписано к печати:
Тираж:
Заказ №
27
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ имени К.Г. Разумовского
Институт «Системной автоматизации и инноватики»
Кафедра «Автоматизация и управление в технических системах»
«УТВЕРЖДАЮ»
Директор института
«Системной автоматизации
и инноватики»
_________________ А.В. Воробьева
«_______»_______________ 2013 г
.
КУРС ЛЕКЦИЙ ДИСЦИПЛИНЫ
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
И УПРАВЛЕНИЯ
Специальность 220400 – Управление в технических системах
Квалификация: бакалавр
Форма обучения и срок подготовки:
- очная (4 года, полная программа подготовки)
- заочная (4 года, полная программа подготовки)
- заочная (3 года, сокращенная программа подготовки)
Курс: __
1
Москва, 2013
г.
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизация является одним из важнейших факторов роста
производительности труда и повышения качества выпускаемой продукции.
Непременным условием ускорения темпов роста автоматизации является
развитие и совершенствование ее технических средств, к которым относятся
все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для
получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для
осуществления управляющих воздействий на объект управления. Эти
воздействия осуществляются с помощью исполнительных механизмов и
регулирующих органов, описанию которых посвящено данное пособие.
Основное внимание уделяется электромеханическим исполнительным
механизмам, т.к. они получили широкое распространение на практике,
благодаря удобству преобразования электрических сигналов устройства
управления - регулятора в требуемое механическое перемещение
регулирующего органа, изменяющего материальные и энергетические потоки
в управляемом объекте.
Автоматизация производства - процесс в развитии машинного
производства, при котором функции управления и контроля, ранее
выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим
устройствам. Автоматизация производства - основа развития современной
промышленности, генеральное направление технического прогресса.
Основная ее цель заключается в повышении эффективности труда,
улучшении качества выпускаемой продукции, в создании условий для
оптимального использования всех ресурсов производства. Различают А. п.:
частичную, комплексную и полную. Для реализации данных задач
используется комплекс технических средств автоматизации.
Рассмотрим основные термины и устройства, применяемые в данной
дисциплине.
Технические средства автоматизации - приборы, устройства и
технические системы, предназначенные для автоматизации производства.
Т.С.А. обеспечивают автоматическое получение, передачу, преобразование,
сравнение и использование информации в целях контроля и управления
производственными процессами.
Первичным преобразователем (ПП) перемещения называется
устройство, воспринимающее контролируемое входное перемещение
(линейное или угловое) и преобразующее его в выходной сигнал (как
правило,
электрический),
удобный
для
дальнейшей
обработки,
преобразования и, если это необходимо, передачи по каналу связи на
большие расстояния. Являясь важнейшей составной частью цифровых
преобразователей, первичные преобразователи перемещений во многом
предопределяют параметры цифрового первичного преобразователя (ЦПП) в
целом, поскольку именно первый этап преобразования перемещение –
3
электрический параметр в основном определяет такие характеристики ЦПП,
как точность, быстродействие, линейность управления и т.д.
Основные требования, которые предъявляются при разработке
конструировании к ПП перемещений: высокая точность измерения (или
контроля) перемещений, быстродействие, надежность, помехоустойчивость
информативного параметра, малые нелинейные искажения, высокая
технологичность, небольшая стоимость, малые теплоотдача, габариты, масса
и т.д., что достаточно важно в условиях производства.
Датчик - первичный преобразователь, элемент измерительного,
сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы,
преобразующий контролируемую величину (давление, температуру, частоту,
скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т.п.) в сигнал,
удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации,
а также для воздействия им на управляемые процессы.
«Интеллектуальные приборы»
Термин "интеллектуальные" для первичных устройств был введен для
тех первичных устройств, внутри которых содержится микропроцессор.
Обычно это добавляет новые функциональные возможности, которых не
было в аналогичных устройствах без микропроцессора. Например,
интеллектуальный датчик может давать более точные показания благодаря
применению числовых вычислений для компенсации нелинейности
чувствительного
элемента
или
температурной
зависимости.
Интеллектуальный датчик имеет возможность работать с большой
разновидностью разных типов чувствительных элементов, а также составлять
одно или несколько измерений в одно новое измерение (например, объемный
расход и температуру в весовой расход). И наконец, интеллектуальный
датчик позволяет производить настройку на другой диапазон измерений или
полуавтоматическую калибровку, а также осуществлять функции внутренней
самодиагностики, что упрощает техническое обслуживание.
Программируемые контроллеры.
В настоящее время на рынке средств автоматизации представлено
огромное
количество
различных
программируемых
логических
контроллеров. Они производятся многими известными фирмами,
занимающимися разработками средств автоматизации. В настоящие время
PLC выпускается более 50 производителями: Siemens, Allen-Bradley, Octagon
Systems, GE, Koyo, ABB, Advantech и т.д.
Контроллер (англ. controller - регулятор, управляющее устройство) —
электрический прибор, с помощью которого в телемеханике и системах
управления измеряют токи, напряжения, температуру и другие физические
параметры объекта, передают и принимают данные по каналам связи,
передают на объект управляющие воздействия, используют в качестве
локального автоматического регулятора.
В настоящее время контроллеры — достаточно малогабаритные
устройства, поэтому часто встречается название микроконтроллеры. Как
4
правило,
контроллеры
оснащены
микропроцессорной
начинкой,
позволяющей программировать контроллер на решение заданного круга
задач, отсюда другие названия: программируемые контроллеры и
программируемые логические контроллеры, которые обычно сокращают до
ПЛК в русских описаниях и PLC в английских. Современный контроллер
может обладать достаточно мощным процессором, класса Pentium, обычно с
небольшим энергопотреблением.
Контроллеры могут быть специализированными, рассчитанными на
эффективное решение определённой задачи (например, контроллер релейной
защиты) или универсальными, которые могут решать разноплановые задачи
в соответствии с установленным набором блоков и вариантом программного
обеспечения — например, задачу съёма показаний с приборов учета.
Контроллер SIMATIC S7- 300
Контроллер SIMATIC S7- 400
компании SIEMENS
компании SIEMENS
Контроллер MicroPC
компании Octagon Systems
Сетевая технология – это согласованный набор стандартных
протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств (например,
сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъёмов), достаточный для
построения вычислительной сети. Иногда сетевые технологии называют
базовыми технологиями, имея в виду то, что на их основе строится базис
любой сети.
Исполнительный
механизм
сервопривод,
устройство,
предназначенное для перемещения регулирующего органа (регулирующий
орган может быть выполнен в виде вентиля, клапана, задвижки, крана,
шибера, заслонки и др.) в системах автоматического регулирования или
дистанционного управления, а также в качестве вспомогательного привода
элементов следящих систем, рулевых устройств транспортных машин и т, п.
5
И. м. обычно состоит из двигателя, передачи и элементов управления, а
также элементов обратной связи, сигнализации, блокировки, выключения. И.
м. для регулирования потока жидкостей и газов представляет собой клапан,
задвижку или затвор, перемещаемые гидравлическим, пневматическим или
электрическим приводом.
Классификация исполнительных механизмов
В пневматических исполнительных механизмах перестановочное
усилие создается за счет действия сжатого воздуха на мембрану, поршень
или сильфон. В соответствии с этим конструктивно И. м. подразделяют на
• мембранные
• поршневые
• сильфонные
В гидравлических исполнительных механизмах перестановочное
усилие создается за счет действия давления жидкости на мембрану, поршень
или лопасть. В соответствии с этим конструктивно И. м. подразделяют на
• мембранные
• поршневые
• лопастные
Электрические И.м. характеризуются:
а) разнообразием типов электродвигателей;
б) простотой питания в промышленных условиях;
в) легкостью получения больших скоростей.
Электрические И.м. по принципу действия подразделяются на
• электродвигательные
• электромагнитные
а по характеру движения выходного органа делятся на
• прямоходные (поступательное движение)
• поворотное (вращательное движение)
поворотные в свою очередь делятся на
• однооборотные
• многооборотные
ТЕМА 1. ТИПОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
АВТОМАТИЗАЦИИ, ЭТАПЫ ИХ РАЗВИТИЯ И ПРИНЦИПЫ
ФОРМИРОВАНИЯ
Этапы развития технических средств автоматизации. Развитие
технических средств автоматизации является сложным процессом, в основе
которого лежат экономические интересы и технические потребности
автоматизируемых производств, с одной стороны, и те же интересы и
технологические возможности производителей технических средств
автоматизации, – с другой. Первичным стимулом развития является
6
повышение экономической эффективности работы предприятий, благодаря
внедрению новых, более совершенных технических средств автоматизации.
В развитии экономических и технических предпосылок внедрения и
использования автоматизации технологических процессов (ТП) можно
выделить следующие этапы:
1. Начальный этап, для которого характерны избыток дешевой
рабочей силы, низкая производительность труда, малая единичная мощность
агрегатов и установок. Благодаря этому самое широкое участие человека в
управлении ТП, т.е. наблюдение за объектом управления, а также принятие и
исполнение управляющих решений, на данном этапе было экономически
оправданным. Механизации и автоматизации подлежали только те отдельные
процессы и операции, управление которыми человек не мог осуществлять
достаточно надежно по своим психофизиологическим данным, т.е.
технологические операции требовавшие больших мускульных усилий,
быстроты реакции, повышенного внимания и др.
2. Переход к этапу комплексной механизации и автоматизации
производства произошел благодаря росту производительности труда,
укрупнению единичной мощности агрегатов и установок, развитию
материальной и научно–технической базы автоматизации. На этом этапе, при
управлении ТП человек–оператор все более занимается умственным трудом,
выполняя разнообразные логические операции при пусках и остановах
объектов, особенно при возникновении всевозможных непредвиденных
обстоятельств, предаварийных и аварийных ситуаций, а также оценивает
состояние объекта, контролирует и резервирует работу автоматических
систем. На данном этапе формируются основы крупносерийного
производства технических средств автоматизации, ориентированного на
широкое применение стандартизации, специализации и кооперации.
Широкие масштабы производства средств автоматизации и специфика их
изготовления приводят к постепенному выделению этого производства в
самостоятельную отрасль.
3. С появлением управляющих вычислительных машин (УВМ)
начинается переход к этапу автоматизированных систем управления
технологическими процессами (АСУТП), совпавший с началом научно–
технической революции. На данном этапе становится возможной и
экономически целесообразной автоматизация все более сложных функций
управления, осуществляемая с использованием УВМ. Но, поскольку УВМ
тогда были весьма громоздкими и дорогими, то для реализации более
простых функций управления достаточно широко применялись и
традиционные аналоговые устройства автоматики. Недостатком таких систем
была их невысокая надежность, т.к. вся информация о ходе ТП поступает и
обрабатывается УВМ, при выходе которой из строя, ее функции должен был
взять на себя оператор–технолог, контролирующий работу АСУТП.
Естественно, что в таких случаях качество управления ТП значительно
7
снижалось, т.к. человек не мог осуществлять управление столь же
эффективно, как УВМ.
4.
Появление
относительно
недорогих
и
компактных
микропроцессорных устройств позволило отказаться от централизованных
систем управления ТП, заменив их распределенными системами, в которых
сбор и обработка информации о выполнении отдельных взаимосвязанных
операций ТП, а также принятие управленческих решений осуществляется
автономно, локальными микропроцессорными устройствами, получившими
название микроконтроллеров. Поэтому надежность распределенных систем
значительно выше, чем централизованных.
5. Развитие сетевых технологий, позволившее связать в единую
корпоративную сеть многочисленные и удаленные друг от друга
компьютеры, с помощью которых осуществляется контроль и анализ
финансовых, материальных и энергетических потоков при производстве
предприятием продукции, а также управление ТП, способствовало переходу
к интегрированным системам управления. В этих системах с помощью
весьма сложного программного обеспечения совместно решается весь
комплекс задач по управлению деятельностью предприятия, включая задачи
учета, планирования, управления ТП и др.
6. Повышение быстродействия и других ресурсов микропроцессоров,
используемых для управления ТП, позволяет в настоящее время говорить о
переходе к этапу создания интеллектуальных систем управления,
способных принимать эффективные решения по управлению предприятием в
условиях информационной неопределенности, т.е. нехватке необходимой
информации о факторах, влияющих на его прибыль.
Методы стандартизации и структура технических средств
автоматизации. Экономика отрасли, производящей средства автоматизации
требует достаточно узкой специализации предприятий, выпускающих
крупные серии однотипных устройств. В то же время с развитием
автоматизации, с появлением новых, все более сложных объектов
управления и увеличением объема автоматизируемых функций возрастают
требования к функциональному разнообразию устройств автоматизации и к
разнообразию их технических характеристик и конструктивных
особенностей исполнения. Задача уменьшения функционального и
конструктивного многообразия при оптимальном удовлетворении запросов
автоматизируемых предприятий решается при помощи методов
стандартизации.
Решениям по стандартизации всегда предшествуют системные
исследования практики автоматизации, типизация имеющихся решений и
научное обоснование экономически оптимальных вариантов и возможностей
дальнейшего
сокращения
многообразия
применяемых
устройств.
Принимаемые при этом решения после их практической проверки
оформляются обязательными к исполнению государственными стандартами
(ГОСТ). Более узкие по сфере применения решения могут оформляться и в
8
виде отраслевых стандартов (ОСТ), а также в виде имеющих еще более
ограниченную применимость стандартов предприятий (СТП).
Агрегатирование – принцип формирования состава серийно
изготавливаемых средств автоматизации, направленный на максимальное
удовлетворение запросов предприятий–потребителей при ограниченной
номенклатуре серийно выпускаемой продукции.
Агрегатирование базируется на том, что сложные функции
управления можно разложить на простейшие составляющие (также, как,
например, сложные вычислительные алгоритмы можно представить в
виде совокупности отдельных простейших операторов).
Таким образом, агрегатирование основывается на разложении
общей задачи управления на ряд простейших однотипных операций,
повторяющихся в тех или иных комбинациях в самых различных
системах управления. При анализе большого количества подобных систем
управления
можно
выделить
ограниченный
набор
простейших
функциональных операторов, на комбинации которых строится практически
любой вариант АСУТП. В результате формируется состав серийно
изготавливаемых средств автоматизации, включающий такие конструктивно
завершенные и функционально самостоятельные единицы, как блоки и
модули, приборы и механизмы.
Блок – конструктивное сборное устройство, выполняющее одну или
несколько функциональных операций по преобразованию информации.
Модуль – унифицированный узел, выполняющий элементарную
типовую операцию в составе блока или прибора.
Исполнительный механизм (ИМ)– устройство для преобразования
управляющей информации в механическое перемещение с располагаемой
мощностью, достаточной для воздействия на объект управления.
В соответствии с принципом агрегатирования системы управления
создаются путем монтажа модулей, блоков, приборов и механизмов с
последующей коммутацией каналов и линий связи между ними. В свою
очередь, сами блоки и приборы создаются также путем монтажа и
коммутации различных модулей. Модули же собираются из более простых
узлов (микромодулей, микросхем, плат, устройств коммутации и т.п.),
составляющих элементную базу технических средств. При этом изготовление
блоков, приборов и модулей осуществляется полностью в заводских
условиях, в то время как монтаж и коммутация АСУТП полностью
завершается лишь на месте ее эксплуатации. Такой подход к построению
блоков и приборов получил название блочно–модульного принципа
исполнения технических средств автоматизации.
Применение блочно–модульного принципа не только позволяет
проводить широкую специализацию и кооперирование предприятий в рамках
отрасли, производящей средства автоматизации, но и ведет к повышению
ремонтопригодности и увеличению коэффициентов использования этих
средств в системах управления. Обычно предприятия, выпускающие средства
9
автоматизации промышленного назначения, специализируются на
изготовлении комплексов или систем блоков и приборов, функциональный
состав которых ориентирован на реализацию каких–либо крупных функций
или подсистем АСУТП. При этом в рамках отдельного комплекса все блоки и
приборы выполняются совместимыми по интерфейсу, т.е. совместимыми
по параметрам и характеристикам сигналов–носителей информации, равно
как и по конструктивным параметрам и характеристикам устройств
коммутации. Принято называть такие комплексы и системы средств
автоматизации агрегатными или агрегатированными.
В России производство средств автоматизации промышленного
назначения осуществляется в рамках Государственной системы приборов и
средств автоматизации промышленного назначения (или сокращенно ГСП).
ГСП включает все средства автоматизации, отвечающие единым общим
технологическим требованиям к параметрам и характеристикам сигналов–
носителей информации, к характеристикам точности и надежности средств, к
их параметрам и особенностям конструктивного исполнения.
Унификация средств автоматизации. Унификация – сопутствующий
агрегатированию метод стандартизации, также направленный на
упорядочение и разумное сокращение состава серийно изготовляемых
средств автоматизации. Она направлена на ограничение многообразия
параметров и технических характеристик, принципов действия и схем, а
также конструктивных особенностей исполнения средств автоматизации.
Сигналы – носители информации в средствах автоматизации могут
различаться как по физической природе и параметрам, так и по форме
представления информации. В рамках ГСП применяются в серийном
производстве средств автоматизации следующие типы сигналов:
- электрический сигнал (напряжение, сила или частота электрического
тока);
- пневматический сигнал (давление сжатого воздуха);
- гидравлический сигнал (давление или перепад давлений жидкости).
Соответственно в рамках ГСП формируются электрическая,
пневматическая и гидравлическая ветви средств автоматизации.
Наиболее развитой ветвью средств автоматизации является
электрическая. В то же время широко используются и пневматические
средства. Развитие пневматической ветви ограничивается относительно
низкой скоростью преобразования и передачи пневматических сигналов. Тем
не менее в области автоматизации пожаро- и взрывоопасных производств
пневматические средства находятся, по существу, вне конкуренции.
Гидравлическая ветвь средств ГСП не получила широкого развития.
По форме представления информации сигнал может быть
аналоговым, импульсным и кодовым.
Аналоговый сигнал характеризуется текущими изменениями какого–
либо физического параметра–носителя (например, мгновенными значениями
электрического напряжения или тока). Такой сигнал существует практически
10
в каждый данный момент времени и может принимать любые значения в
пределах заданного диапазона изменений параметра.
Импульсный сигнал характерен представлением информации только в
дискретные моменты времени, т.е. наличием квантования по времени. При
этом информация представляется в виде последовательности импульсов
одинаковой продолжительности, но различной амплитуды (амплитудноимпульсная модуляция сигнала) или одинаковой амплитуды, но разной
продолжительности (широтно-импульсная модуляция сигнала). Амплитудноимпульсная модуляция (АИМ) сигнала применяется в тех случаях, когда
значения физического параметра–носителя информации могут изменяться со
временем. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) сигнала используется,
если физический параметр–носитель информации может принимать лишь
некоторое постоянное значение.
Кодовый сигнал представляет собой сложную последовательность
импульсов, используемую для передачи цифровой информации. При этом
каждая цифра может быть представлена в виде сложной последовательности
импульсов, т.е. кода, а передаваемый сигнал является дискретным
(квантуется) и по времени, и по уровню.
В соответствии с формой представления информации средства ГСП
подразделяются на аналоговые и дискретно-цифровые. К последним
относятся также средства вычислительной техники.
Все параметры и характеристики сигналов–носителей информации в
средствах
ГСП
унифицированы.
Стандартами
предусматривается
использование в аналоговых средствах следующих видов электрических
сигналов:
- сигнал по изменению силы постоянного тока (токовый сигнал);
- сигнал по изменению напряжения постоянного тока;
- сигнал по изменению напряжения переменного тока;
- частотный электрический сигнал.
Сигналы постоянного тока используются чаще. При этом токовый
сигнал (с большим внутренним сопротивлением источника) применяется для
передачи информации в относительно длинных линиях связи.
Сигналы переменного тока редко используются для преобразования и
передачи информации во внешних линиях связи. Это связано с тем, что при
сложении и вычитании сигналов переменного тока необходимо выполнить
требование синфазности, а также обеспечить подавление нелинейных
искажений гармоник тока. В то же время при использовании этого сигнала
легко реализуются задачи гальванического разделения электрических цепей.
Электрический частотный сигнал является потенциально наиболее
помехоустойчивым аналоговым сигналом. В то же время получение и
осуществление линейных преобразований этого сигнала вызывает известные
затруднения. Поэтому частотный сигнал не получил широкого
распространения.
11
Для каждого вида сигналов установлен ряд унифицированных
диапазонов их изменений.
Стандарты на виды и параметры сигналов унифицируют систему
внешних связей или интерфейс средств автоматизации. Такая унификация,
дополненная стандартами на устройства коммутации блоков друг с другом (в
виде системы разъемов), создает предпосылки для максимального упрощения
проектирования, монтажа, коммутации и наладки технических средств
систем управления. При этом блоки, приборы и прочие устройства с
одинаковым типом и диапазоном параметров сигналов на входах–выходах
стыкуются путем простого соединения разъемов.
Вопросы для самоконтроля:
1. В чем сущность принципа агрегатирования?
2. В чем заключается блочно–модульный принцип исполнения
технических средств автоматизации?
3. Из чего собираются модули?
4. Что понимается под блоком?
5. Для чего предназначен исполнительный механизм?
ТЕСТ 1.
Из предложенных Вам ответов на данный вопрос выберите
правильный.
1.1.Сколько существует этапов развития средств автоматизации?
а) 4.
б) 5.
в) 6.
1.2. Когда начинается этап автоматизированных систем управления
технологическими процессами (АСУТП)?
а) С появлением управляющих вычислительных машин.
б) С расширением масштабов производства.
в) С появлением автоматических регуляторов.
1.3. При помощи каких методов решается задача уменьшения
функционального и конструктивного многообразия технических средств
управления?
а) Методов стандартизации..
б) Методов безотказности.
в) Методов ремонтопригодности.
1.4. Что является наиболее развитой ветвью средств автоматизации?
а) Электрическая.
б) Пневматическая.
в) Гидравлическая.
1.5.
Какой
вид
сигналов
представляет
собой
сложную
последовательность импульсов?
12
а) Аналоговый.
б) Кодовый.
в) Импульсный.
ТЕМА 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Структура комплекса АСУТП. Рассмотрим типовую структуру
комплекса автоматизированной системы управления технологическими
процессами (АСУТП), характерную для различных отраслей промышленного
производства.
Эта структура должна содержать следующие подсистемы:
1. Полевое оборудование, включающее в себя интеллектуальные
средства измерения, контроля, регулирующие отсечные и запорные клапаны,
электроприводы.
2. Кабельные линии связи, кроссовое оборудование.
3. Барьеры искробезопасности, нормирующие преобразователи.
4. Программируемые контроллеры, модули ввода - вывода аналоговых
и дискретных сигналов.
5. Операторские станции – компьютеры, устройства на магнитных
носителях, мониторы, печатающие устройства и так далее.
6. Кабельные, оптоволоконные и радиоканалы связи.
7. Система пожарной автоматики и контроля загазованности.
8. Система бесперебойного электропитания.
При построении АСУТП 70 – 80 % стоимости приходится на полевое
оборудование. При построении АСУТП рекомендуется максимально
использовать приборы, максимально использовать интеллектуальное
оборудование, использовать fieldbus.
Полевое оборудование. При строительстве новых объектов
необходимо использовать современные интеллектуальные приборы.
Необходимо сокращать разнообразие типов измерительных приборов и
оценивать трудозатраты на их обслуживание.
Рассмотрим рекомендации по измерительным приборам:
1. Измерение температур. В качестве преобразователей температуры
рекомендуется использовать измерительные преобразователи с токовым
выходом 4 - 20 мА, работающие в комплекте с платиновыми
терморезисторами или термопарами. Предпочтение надо отдавать
измерителям, сделанным в единой сборке с чувствительным элементом и
установленным непосредственно на объекте. Исключения могут составлять
только преобразователи, работающие в агрессивной среде. Измерительные
преобразователи должны иметь искрозащищенный выход 4 - 20 мА.
2. Измерение расхода. Используется метод измерения расхода с
использованием диафрагмы. Измерение уровня производится буйковыми
датчиками, ультразвуковыми, датчиками давления и т.д. В нефтегазовой
промышленности используются сигнализаторы уровня и содержания воды в
13
нефти. Сигнализаторы взрывоопасной концентрации газов, датчики
содержания кислорода в дымовых газах.
3. Регулирующие отсечные клапаны. Применяемые клапаны по своему
назначению делятся на три группы:
а) регулирующие;
б) отсечные в схемах блокировки;
в) отсечные, используемые для дистанционного управления в качестве
запорных органов.
Кабели оптические. Как только не называют их, эти кабели! И
волоконно-оптические, и оптиковолоконные, и файбер-оптик, и даже ВОЛС.
Между тем, еще с начала семидесятых они носят красивое имя - оптические.
И действительно, есть только два широких класса кабелей связи электрические и оптические. (Это - как разделы физики: электричество и
оптика, очень просто). И передают они, соответственно, электрические и
оптические сигналы.
Задуманы оптические кабели очень давно, но не было подходящих
материалов. Наконец, в начале 70-х годов, после многолетних и трудоемких
поисков, было создано волокно с потерями света при передаче менее 20
дБ/км. С тех пор, около четверти века, оптоволокно покоряет просторы
Земли на суше и на море.
Сначала были проложены соединительные линии между АТС в
городах, а затем началось строительство междугородных и международных
оптических кабельных магистралей. В последнее десятилетие массово строят
морские и океанские межматериковые линии, причем Россия принимает в
этом деле достаточно большое участие, чему наилучший пример –
Транссибирская оптическая магистраль.
Рис. 2.1. Типичный световод.
Типичный световод состоит из сердцевины и оболочки. У сердцевины
показатель преломления чуть-чуть больше, чем у оболочки, из-за чего
световой луч испытывает практически полное внутреннее отражение на
границе сердцевина-оболочка. Выполняется и сердцевина, и оболочка из
кварцевого стекла. Поверх световода обычно накладывают несколько слоев
защитных покрытий, улучшающих его механические и оптические
характеристики. Световод со всеми этими покрытиями называют оптическим
волокном. Делают световоды из полимерных материалов.
14
Конструкции световодов и оптических волокон очень много, но
основных типов два: многомодовый и одномодовый. Диаметр сердцевины у
многомодовых волокон в десятки раз превышает длину волны передаваемого
излучения, из-за чего по волокну распространяется несколько типов волн
(мод). Окна прозрачности кварца, из которого изготовлены световоды,
находятся в области длин волн 0,85; 1,3; 1,55 мкм, а стандартные диаметры
сердцевины многомодовых волокон - 50 и 62,5 мкм, вот и сравните!
У одномодового волокна диаметр сердцевины находится обычно в
пределах 5-10 мкм (АТ&Т, например, стандартизировала 8,3 мкм). Это
волокно называют одномодовым в соответствии со сложившейся традицией,
т.е. условно: для того, чтобы по волокну передавался только один тип волны
(одна мода), размер сердцевины должен быть еще меньше. Диаметр
кварцевой оболочки световода тоже стандартизован и составляет 125 мкм.
Для связи на короткие расстояния чаще всего используют
многомодовые волокна - они все же проще в монтаже и эксплуатации. На
дальние расстояния употребляют одномодовые волокна - они имеют
значительно меньшее затухание и уменьшенную дисперсию светового
импульса, хотя их сложнее и монтировать, и эксплуатировать.
Параметр «затухание» характеризует ослабление мощности светового
потока при передаче по оптическому волокну. Он подобен параметру
электрических кабелей и также измеряется в дБ/км. Дисперсия импульса это его «размывание» при распространении по оптоволокну. Поначалу
высокий и стройный, импульс при передаче оседает и толстеет. Если два
импульса расположены рядом, то по мере прохождения по волокну из-за
дисперсии они наползают друг на друга и в конце концов перестают
различаться
Дисперсия
импульса
зависит
от
затухания,
микронеоднородностей, микротрещин, от внутренней структуры материала
световода и еще от многих-многих факторов, о которых уже написано
множество статей и диссертаций.
Рис. 2.2. Конструкция сложного оптического кабеля.
Световые импульсы образуются при модуляции источника излучения лазера или светодиода. Для передачи от источника к волокну очень важна
апертура, т. е. действующий раскрыв на входе световода. Апертура зависит
от размера сердцевины волокна и от согласования источника с
15
оптоволокном. При неудачном согласовании лишь небольшая доля
мощности от передатчика попадает в световод, а остальная энергия
отражается. Наоборот, если апертура хорошо согласована с источником, то
такое сочетание очень эффективно: вся энергия попадает в световод.
Голый световод плохо переносит всяческие воздействия - изгибы
растяжения, влагу, и поэтому его покрывают защитными материалами
(лаками, пластиками), окружают кевларовыми волокнами. И хотя сам
световод имеет диаметр 125 мкм, с покрытиями его размер достигает 0,5 мм
и более. В таком виде оптоволокно уже можно помещать в кабель теперь оно
сможет противостоять внешним воздействиям. При конструировании кабеля
принимают еще дополнительные меры по защите волокон: упрятывают
оптические волокна в толстые пластиковые трубки, рядом укладывают
упрочняющие стальные и пластмассовые стержни, а весь внутренний объем
кабельной оболочки часто заполняют гидрофобным (водоотталкивающим)
материалом или толстыми и прочными пучками пластиковых волокон.
Конструкции оптических кабелей различны. Встречаются кабели с
небольшим количеством волокон. Но чаще они представляют собой сложные
агрегаты, содержащие множество оптических волокон, помещенных в
специальные модули, дополненные еще различными несущими, защитными,
питающими и другими элементами (рис. 2.3) Все зависит от назначения
оптического кабеля. Есть конструкции, где оптические волокна лежат
свободно в трубках и "звездочках", но есть и такие, где они крепко зажаты в
прозрачной ленте из пластмассы. В линиях связи широко применяются оба
типа кабеля.
Рис. 2.3. Конструкция оптического кабеля.
Крайне важна заделка оптоволокна в разъем - ведь от этого зависит
16
эффективность перехода световых импульсов в местах соединений. Поэтому
во всех инструкциях по волоконно-оптическим линиям связи на подготовку и
заделку оптических разъемов обращают особое внимание. Заделанный в
разъеме конец оптоволокна герметизируют клеем, эпоксидной смолой или
другим заполнителем. Затем пристальное внимание обращается обычно на
радиус изгиба оптического кабеля. При недостаточно большом радиусе
изгиба увеличивается затухание тракта, а при слишком маленьком возможны
поломки световедущих частей оптических кабелей.
Рис. 2.4. Заделка оптоволокна в разъем.
Операция по изгибанию оптического кабеля выполняется не как с
медными кабелями (просто в пространстве), а на специальной полке, где
аккуратно изогнутые кольца и петли из оптического кабеля тщательно
закрепляют. Само собой разумеется, что и соединители для оптических
линий изготавливают более тщательно, чем обычные, а заделку в них
оптоволокна выполняют часто под микроскопом, оснащенным хорошим
дисплеем.
Итак, теперь мы представляем себе, что такое оптическое волокно и
оптический кабель. Каковы же их возможности по передаче информации?
Уже давно и успешно по оптоволокну передают потоки в 155 Мбит/с - в
системах связи это первая ступень синхронной цифровой иерархии. Недавно
освоили вторую ступень - 622 Мбит/с и быстро осваивают третью - 2,5 Гбит/с
(в России такая оптическая линия намечена между Москвой и Петербургом).
Поговаривают и о четвертой ступени (10 Гбит/с), но действующих линий с
таким темпом нет.
Честно говоря, когда думаешь о подобных потоках информации - дух
захватывает. Но ведь еще недавно мы только мечтали о 100 Мбит/с, а теперь
это уже пройдено. Со временем потребности людей и компьютеров растут!
Распределенные системы управления. Распределенная система
управления состоит из нескольких компонент – одна или несколько
операторских станций и несколько станций управления. Рассмотрим
функции, выполняемые операторской станцией:
1. Отображение информации об управлении технологическим объектом
17
на экране, ввод команд при помощи клавиатуры, печать отчетов о состоянии
технологического объекта.
2. Регистрация отклонений параметров технологического объекта.
3. Выполнение математических расчетов, долговременное хранение
информации, обмен информацией со станциями управления и обмен с
вышестоящими системами управления.
Станции управления технологическим процессом выполняют
следующие функции:
1. Ввод сигналов от датчиков, установленных на объекте управления.
2. Логическая или арифметическая обработка сигналов, вывод
управляющих воздействий.
3. Регулирование, включение – выключение.
В качестве аппаратуры для построения операторских станций
рекомендуется использовать компьютеры на базе процессоров Intel (IBM
совместимые компьютеры). Компьютеры IBM делятся на две группы:
офисные и промышленные. Промышленные компьютеры имеют
конструкцию, защищающую их от вредных воздействий окружающей среды
( колебания температуры, запыленность и загазованность воздуха, вибрации
и так далее ). Вследствие этого промышленные компьютеры стоят дороже
офисных. В настоящее время на рынке очень много различных компьютеров.
Одно из существенных их различий – тип шины. Есть шины офисные и
промышленные. В таблице 2.1 приведены стандарты различных шин.
Таблица 2.1. Стандарты шин.
Тип
Фирма
Площадь
шины
изготовите печатной
ль
платы (кв.
дюймы)
ISA
Intel
62
EISA
Intel
62
STD
Intel
26
STD 32
Intel
26
VME
Motorola
24
Разрядност
ь, бит
Скорость
обмена,
Mb/s
Поддержка
многопроц.
16
32
8/16
32
16
8
32
4
32
20
нет
да
нет
да
да
Шина STD 32. Эта шина является аналогом шины EISA. На этой шине
строятся промышленные компьютеры. Она имеет другой формат печатной
платы и другие разъемы (для большей надежности). Конкурентом является
шина VME (Motorola).
Программируемые контроллеры, используемые в станции управления,
должны отвечать следующим требованиям:
1. Контроллеры должны иметь модульную структуру и набор модулей
различной производительности. Они должны иметь различное число входов
18
и выходов – от 5 - 10 до 1000 - 2000.
2. Они должны иметь в своем составе модули ввода - вывода для
аналоговых дискретных сигналов.
3. Должны иметь в своем составе коммуникационные модули,
позволяющие использовать различные каналы связи для обмена данными.
4. Должны работать в тяжелых производственных условиях. Рабочий
диапазон температур: - 40 - +50 градусов Цельсия. Должны иметь низкую
стоимость и иметь систему автоматизации программирования.
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют контроллеры фирм
Control Microsystems (Канада) с контроллером “ Telesafe “ и Koya (Япония) с
контроллером “Direct logic”.
Программное обеспечение АСУТП. Программное обеспечение
современной АСУТП должно состоять из следующих компонент:
1. Операционная система реального времени для ПЛК ( программного
логического контроля ).
2. Система программирования и отладки прикладных программ для
ПЛК.
3. Комплекты прикладных программ для ПЛК, реализующих функции
для конкретной АСУТП.
4. Операционные системы для промышленного компьютера.
5. Системы для конфигурирования и выполнения на промышленном
компьютере функций человеко-машинного интерфейса, сбора, обработки
данных и супервизорного управления конкретным технологическим
объектом. Эти системы программирования называются системами SCADA.
Наличие современной системы программирования является одним из
самых главных факторов при выборе базиса построения АСУТП.
Система программирования должна позволять:
1. Написание программ на технологических языках высокого уровня.
Для непрерывных процессов – это язык функциональных блоков, а для
последовательных алгоритмов – это язык лестничных схем.
2. Система программирования должна выполняться под Windows,
иметь режим отладки, позволяющий производить выполнение программы по
ее исходному тексту.
3. Система должна позволять записывать в память контроллера через
каналы связи все изменения в программе без ее остановки.
Исполнительные механизмы. Исполнительные механизмы (ИМ)
являются одними из последних звеньев систем автоматического
регулирования и управления и обычно предназначены для управления
регулирующими органами, непосредственно воздействующими на режимы
работы объектов управления. Регулирующими органами могут быть
различного рода дроссельные заслонки, клапаны, задвижки, шиберы,
направляющие аппараты и другие элементы, способные производить
изменение количества энергии или рабочего вещества, поступающего в
объект управления. При этом перемещение рабочих органов может быть как
поступательным, так и вращательным в пределах одного или нескольких
19
оборотов.
В промышленном и сельскохозяйственном производстве можно
встретить самые разнообразные по своей природе потоки веществ, и для
каждого применяется соответствующий его характеру регулирующий орган.
Для твердых веществ штучного вида (например, корнеклубнеплоды)
используются скребковые или ленточные питатели, для волокнистых
веществ (солома, силос) – биттерные питатели, для мелких хорошо сыпучих
(зерно, гранулы) – тарельчатые питатели и заслонки. Потоки смесей твердых
веществ различной консистенции регулируют специальными устройствами,
например, двух вальными шнеками.
Устройства для регулирования потока жидких веществ выбирают в
зависимости от их вязкости. Для тестообразных (навоз, кормосмеси)
используют шнековые или скребковые питатели, для полужидких
(кормосмеси 70 % влажности) – насосные установки, для жидких (вода) –
насосы, клапаны, задвижки.
Потоки газообразных веществ регулируют включением или
отключением компрессорных или вентиляционных установок, а также при
помощи газовых клапанов, заслонок и т.д.
Энергетические потоки и воздействия регулируют по видам энергии
следующими устройствами:
1. Механическими – редукторами, вариаторами, муфтами;
2. Электрическими – автотрансформаторами, электронными усилителями;
3. Тепловыми – через устройства массообмена.
Наиболее часто регулирующий орган является неотъемлемой частью
самого ИМ и рассматривается как единое вместе с ним устройство. В других
случаях регулирующий орган установлен на объекте управления и является
его составной частью.
Расположение ИМ в общей функциональной схеме аналоговой системы
управления по отклонению показано на рис. 2.5.
Задатчик
Регулятор
Исполнительный
механизм
–
Регулирующий
Устройство связи с
орган
объектом
Измерительный
Объект
преобразователь
управления
Рис. 2.5.
20
В общем случае ИМ состоит (рис. 2.6) из совокупности следующих
элементов: исполнительного двигателя – источника силового воздействия на
рабочий орган; передаточного или преобразовательного устройства предназначенного для получения определенной скорости, направления и
характера перемещения рабочего органа, располагающегося между
исполнительным двигателем и рабочим органом; конечных выключателей ограничивающих перемещения рабочего органа и фиксирующих его крайние
положения в схемах управления и автоматического регулирования;
элементов управления (пускателей, реле, золотников, клапанов и др.),
защиты (предохранительных и переливных клапанов, муфт ограничения
крутящего момента и др.), сигнализации и контроля (дистанционных
указателей положения и др.).
Принято различать ИМ по следующим признакам:
1. По виду математического описания:
а) линейные;
б) нелинейные.
2. По виду сигналов:
а) непрерывные;
б) релейные;
в) вибрационные.
3. По виду используемой энергии:
а) электрические;
б) пневматические;
в) гидравлические;
г) комбинированные.
Источни
к
Исполнительн
ый
энергии
двигатель
Элементы
Передаточно
е
Исполнительн
устройство
ый
управления
Регулирующи
й
орган
Конечные
механизм
–
выключател
и
Регулято
р
Рис. 2.6. Функциональная схема исполнительного механизма.
Следует отметить, что к ИМ обычно предъявляются весьма жесткие
требования, т.к. условия эксплуатации управляемых производственных
объектов зачастую далеки от идеальных (широкие пределы изменения
21
влажности и температуры, наличие примесей, пыли, агрессивных газов,
воздействие резко переменных нагрузок, вибраций и т. п.).
Виды электродвигательных ИМ. Электродвигательные ИМ (ЭИМ)
получили наибольшее распространение в системах промышленной и
сельскохозяйственной автоматики. Чаще всего в ЭИМ малой мощности (до
1000 Вт) применяются двухфазные асинхронные двигатели или двигатели
постоянного тока, а в более мощных – трехфазные с короткозамкнутым или
фазным ротором. Для уменьшения выбега двигателя и улучшения качества
регулирования используется электрическое торможение. Конструктивно
ЭИМ обычно выполняют с вращательным движением выходного вала и реже
– с поступательным перемещением выходного штока.
В зависимости от типа регулирующего органа различают
однооборотные, многооборотные, шаговые и постоянно вращающиеся ЭИМ.
Однооборотные - с углом поворота выходного вала до 360° применяют
обычно в приводе таких регулирующих органов, как заслонки, краны,
шибера и т.п. Многооборотные - используют для перемещения
регулирующих органов в форме запорных вентилей, дросселей и задвижек.
Выходной вал у них может совершать большое число оборотов и
одновременно поступательно перемещать регулирующие органы. Шаговые
– применяют для преобразования импульсных сигналов управления в
фиксированный угол поворота, т.е. на каждый импульс механизм делает
строго заданный угловой шаг. У постоянно вращающихся - крутящий
момент от вала электродвигателя к регулирующему органу передается
обычно через электромагнитную муфту. Направление и скорость вращения
выходного вала муфты регулируют, изменяя ток возбуждения муфты.
Основными техническими требованиями, предъявляемыми к ЭИМ,
являются:
- статическая устойчивость и линейность механических характеристик
во всем диапазоне изменения управления;
- линейная зависимость угловой скорости вращения ротора от величины
управляющего сигнала во всем рабочем диапазоне;
- высокое быстродействие по отношению к динамическим параметрам
объекта управления;
- большой пусковой момент;
- малая мощность управления при значительной механической
мощности на валу электродвигателя;
- отсутствие самохода, т.е. малый остаточный вращающий момент при
отсутствии сигнала управления;
- высокая надежность;
- малые габариты, размеры и масса;
- высокие эксплуатационные свойства (КПД, ресурс работы).
Электродвигатели постоянного тока. Двигатели постоянного тока ЭИМ
наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к
исполнительным элементам систем. Для стационарных объектов
22
сельскохозяйственного производства эти ИМ применяются ограниченно, в
основном в единичных случаях. В сельском хозяйстве, например, они
широко используются только при управлении мобильными машинами и
агрегатами.
По способу возбуждения двигатели делятся на исполнительные
двигатели с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от
постоянных магнитов. Двигатели с электромагнитным возбуждением
выполняются
с независимым, последовательным
и
смешанным
возбуждением. Из всего многообразия исполнительных двигателей
постоянного тока необходимо выделить бесколлекторные двигатели и
двигатели с печатной обмоткой якоря. Управление двигателями постоянного
тока может быть непрерывным и импульсным.
Электродвигателем постоянного тока с независимым возбуждением
можно управлять как со стороны якоря, так и со стороны обмотки
возбуждения. При управлении электродвигателем со стороны якоря обмотка
возбуждения запитывается неизменным напряжением постоянного тока и
создает постоянный поток возбуждения. К якорной цепи электродвигателя
подводится управляющее напряжение постоянного тока. При управлении
электродвигателем со стороны обмотки возбуждения цепь якоря питается от
сети неизменным напряжением постоянного тока, а управляющее
напряжение, создающее регулируемый поток возбуждения, подается на
обмотку возбуждения. При этом способе управления требуется меньшая
мощность сигнала цепи управления, что позволяет использовать в качестве
оконечных усилителей электронные, магнитные, полупроводниковые и
другие маломощные усилители.
К недостаткам управления электродвигателем со стороны обмотки
возбуждения относятся малый диапазон изменения скорости, нелинейность
статических характеристик, увеличение порядка уравнения движения
электродвигателя и регулирование скорости только в сторону ее увеличения.
В системах автоматического управления широкое распространение
получил способ управления двигателем со стороны якоря, так как он
позволяет получить широкий диапазон регулирования скорости, плавность
регулирования, относительную линейность статических характеристик,
большее быстродействие.
К исполнительным двигателям с якорным управлением относятся
двигатели с постоянными магнитами. Их статические характеристики
аналогичны характеристикам двигателя с электромагнитным возбуждением
при якорном управлении. Преимущество двигателей с постоянными
магнитами состоит в том, что они не требуют источника питания обмотки
возбуждения, имеют больший КПД и быстродействие, магнитный поток
практически не зависит от температуры двигателя. Особо высокие
показатели по быстродействию у двигателей с полым немагнитным якорем, в
который впрессована обмотка управления. К недостаткам двигателей с
постоянными магнитами относятся старение магнитов, используемых для
полюсов. В настоящее время выпускается большая серия двигателей с
23
постоянными магнитами ДПМ.
Для
увеличения
быстродействия
исполнительных
двигателей
применяют двигатели постоянного тока с плоским якорем (серия ПЯ), на
котором обмотка нанесена печатным способом - рис.3.1.
1
2
3
6
5
4
Рис. 3.1. Электродвигатель постоянного тока с печатной обмоткой якоря.
Электрическая машина выполняется не с цилиндрическим воздушным
зазором, а с плоским. Якорь 1 представляет собой тонкий диск, выполненный
из немагнитного материала (текстолита, алюминия), с обеих сторон которого
находятся проводники - обмотка 2. Отдельные проводники соединяются друг
с другом через сквозные отверстия в диске 3. Электродвигатели с печатной
обмоткой мощностью до 200 Вт не имеют специального коллектора. Роль
коллектора выполняют активные части проводников, находящихся на одном
торце диска. По поверхности торца диска скользят серебряно-графитовые
щетки 4. Возбуждение двигателя осуществляется постоянным магнитом с
полюсными наконечниками 5, имеющими форму кольцевых сегментов.
Иногда оно может осуществляться и электромагнитами. Магнитный поток
возбуждения проходит аксиально через два воздушных зазора, немагнитный
диск с печатной обмоткой и замыкается по кольцам из магнитомягкой стали
6. При протекании тока по обмотке на валу двигателя создается вращающий
момент, расположенный в плоскости диска якоря.
Так как секции печатной обмотки одновитковые, а количество секций
ограничено размерами диска, то электродвигатели с печатной обмоткой
выполняют обычно на низкое напряжение сети. Для увеличения мощности
электродвигателя в некоторых конструкциях применяют многодисковое
исполнение якоря. Тогда электродвигатель представляет собой совокупность
нескольких электрических машин, собранных в одной магнитной системе.
Для обеспечения демпфирования якорь выполняют из немагнитного
проводящего материала - алюминия. Вихревые токи в теле якоря образуют
тормозной момент, пропорциональный скорости вращения. Между обмоткой
и диском устанавливается почти полное потокосцепление, следовательно,
24
индуктивность обмотки практически равна нулю и сопротивление является
чисто активным.
Электромеханическая постоянная времени за счет малого момента
инерции дискового якоря снижается до 0,01...0,02 с, что является одним из
основных преимуществ рассматриваемых двигателей. Кроме того, из-за
незначительной
индуктивности
обмотки
якоря
коммутация
не
сопровождается искрением. Проводники печатной обмотки находятся в
значительно лучших условиях охлаждения, чем проводники, уложенные в
пазы обычного якоря. Это позволяет повысить плотность тока в них и
управлять электродвигателем с помощью полупроводниковых усилителей.
Механизированное
изготовление
обмоток
якоря
удешевляет
электродвигатель.
К недостаткам таких электродвигателей по сравнению с обычным
двигателем следует отнести более низкий КПД из-за увеличения магнитного
зазора машины, ограниченную долговечность вследствие износа
контактирующей поверхности проводников обмотки якоря и критичность к
перегрузкам по току вследствие ограничения допустимой плотности тока
через печатные обмотки, что в ряде случаев ведет к усложнению схемы
управления электродвигателями.
Одним из существенных недостатков исполнительных двигателей
постоянного тока является наличие скользящего контакта между щетками и
коллектором, создающего искрение и радиопомехи. Надежность двигателей
относительно низка из-за быстрого износа щеток, особенно при высоких
скоростях вращения якоря. Существуют условия эксплуатации, когда
коллекторные двигатели постоянного тока неприменимы. С целью
устранения названных недостатков щеточно-коллекторный узел двигателя
постоянного тока заменяют более надежной полупроводниковой схемой,
управляемой
сигналами
датчика
углового
положения
ротора.
Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока состоит (рис. 3.2) из
двигателя (Д), полупроводникового коммутатора (К) и датчика углового
положения ротора (ДП).
25
U
К
Д
ДП
VT1
VT2
2
I
N
3
1
VT3
II
S
120
III
3
2
-
U
+
Рис. 3.2. Структурная и электрическая схемы бесколлекторного двигателя
постоянного тока.
В отличие от коллекторного двигателя постоянного тока бесконтактный
двигатель имеет обмотку якоря на статоре I и систему возбуждения с
постоянными магнитами на роторе II. Ротор выполняется, как правило, явно
полюсным с одной парой полюсов из постоянного магнита. Обмотка состоит
из трех секций, соединенных в звезду. И подключенных к транзисторному
коммутатору. С осью ротора двигателя жестко связан якорь датчика углового
положения III с тремя чувствительными элементами 1, 2, 3, расположенными
друг относительно друга под углом 120 электрических градусов.
Чувствительные элементы датчика управляют токами баз транзисторов VT1,
VT2, VT3 полупроводникового коммутатора IV.
В положении ротора, указанном на схеме, якорь датчика углового
положения взаимодействует с чувствительным элементом 1, который
поддерживает в открытом состоянии транзистор VT1. Ток, протекающий по
статорной обмотке 1, взаимодействует с полем постоянного магнита, в
результате чего к ротору прикладывается момент, направленный по часовой
стрелке. Под воздействием этого момента ротор двигателя вращается в том
же направлении, увлекая за собой якорь датчика. Обмотка 1 подключена к
источнику питания U на интервале 120 электрических градусов,
совпадающим с угловым размером сектора якоря датчика положения ротора.
После поворота на 120 электрических градусов происходит отключение
обмотки 1 и подключение обмотки 2, так как якорь датчика углового
положения взаимодействует с чувствительным элементом 2, который
открывает транзистор VT2 коммутатора. Таким образом, поворот ротора на
120 электрических градусов приводит к скачкообразному перемещению поля
статора. Вращение ротора будет продолжаться потому, что происходит
последовательное подключение обмоток статора электродвигателя к
источнику питания, что обеспечивается благодаря воздействию на
коммутатор сигнала обратной связи, снимаемого с датчика углового
положения ротора.
26
Тип обмотки статора электродвигателя и способ ее подключения к
источнику электропитания определяют количество переключающих
транзисторов коммутатора, а также число чувствительных элементов датчика
ДП. Для уменьшения пульсаций момента на валу двигателя за один оборот
количество обмоток должно быть большим. Чем больше число обмоток, тем
лучше пусковые свойства и равномернее работа машины. Возрастание
количества обмоток приводит к увеличению числа чувствительных
элементов датчика положения и полупроводникового коммутатора.
Поскольку элементы коммутатора имеют меньшую надежность по
сравнению с другими частями электродвигателя, а масса и габариты
коммутатора соизмеримы с массой и габаритами двигателя, то для
электродвигателей небольшой мощности целесообразно применение двух трех обмоток.
В рассматриваемых двигателях возможна однополупериодная
коммутация, при которой ток по обмотке протекает в одном направлении и
двухполупериодная коммутация, когда ток по обмотке меняет направление,
т.е. обмотка используется в течение полного оборота ротора.
Двигатели с реверсивным питанием имеют преимущество перед
аналогичными двигателями с нереверсивным питанием, обусловленное
лучшим использованием меди обмоток и активных частей и более высоким
КПД. Однако усложнение схемы коммутатора (количество элементов
возрастает вдвое и конструкции датчика положения такого двигателя по
сравнению с нереверсивным заставляют отдавать ему предпочтение только в
тех случаях, когда предъявляются высокие требования к габаритам, массе,
величине пульсаций момента и значению КПД двигателя. Для
электродвигателей малой мощности более рациональна однополупериодная
коммутация.
Обмотка статора бесконтактного электродвигателя может выполняться
либо замкнутой, либо разомкнутой. Замкнутая обмотка требует
двухполупериодного питания, что усложняет коммутирующее устройство, но
улучшает использование материала двигателя. В бесконтактном двигателе
постоянного тока можно выделить две цепи, воздействующие на коммутатор.
Первая цепь - источник питания транзисторов U, вторая - обратная связь,
идущая с датчика положения ротора и воздействующая на базу того или
иного транзистора. Отсюда вытекают два способа управления скоростью
двигателя: путем изменения напряжения U источника питания и путем
воздействия на сигнал обратной связи двигателя.
Реверсирование
двигателя
может
быть
осуществлено
полупроводниковым коммутатором путем взаимного переключения начала и
концов обмоток либо путем переключения чувствительных элементов
датчика положения или входных цепей транзисторов.
Таким образом, наряду с основной функцией переключения обмоток по
сигналам датчика положения полупроводниковый коммутатор регулирует
скорость вращения ротора, осуществляет реверс, пуск и остановку двигателя.
Цепи коммутации обмоток статора могут быть выполнены на транзисторных,
тиристорных и магнитно-транзисторных ключах.
Одним из основных узлов бесколлекторных двигателей постоянного
27
тока является датчик углового положения ротора. В качестве таких датчиков
могут применяться магниторезисторы, датчики Холла, радиоактивные
элементы,
емкостные,
трансформаторные,
индуктивные
датчики,
фоточувствительные устройства.
Датчики положения ротора должны удовлетворять требованиям
бесконтактности, высокой надежности, малой массы и габаритов,
стабильности выходного сигнала, высокой чувствительности к угловому
положению ротора, малому потреблению энергии и хорошему согласованию
с входными цепями коммутатора.
Применение бесконтактных коммутаторов обмоток двигателя
постоянного тока приводит к более высокой стоимости и большим габаритам
по сравнению с коллекторными двигателями той же мощности. Однако
возрастание габаритов и стоимости оправдывается увеличением срока
службы и надежности бесколлекторных двигателей постоянного тока.
Шаговые исполнительные двигатели. шаговым двигателем называется
электродвигатель с прерывистым вращением ротора под действием
дискретного электрического сигнала, подаваемого на обмотки управления. в
качестве шаговых двигателей получили широкое распространение
многофазные синхронные двигатели с активным (возбуждением) и
реактивным (невозбужденным) ротором. шаговые двигатели отличаются от
обычного синхронного в основном формой напряжения, подводимого к
фазным (управляющим) обмоткам. шаговые двигатели применяются с
электронным коммутатором, который подает на обмотки управления
прямоугольные импульсы. последовательность подключения обмоток и
частота импульсов соответствует заданной команде. каждому импульсу
управления соответствует поворот ротора на фиксированный угол,
называемый шагом двигателя, величина которого строго определена его
конструкцией и способом переключения обмоток. скорость вращения
пропорциональна частоте, а суммарный угол поворота - числу импульсов
управления. при изменении последовательности подключения к обмоткам
управляющих импульсов по произвольному закону шаговый двигатель
работает в режиме слежения, воспроизводя сложное движение с точность до
одного шага. шаговый двигатель совместно с коммутатором можно отнести к
системам частотного регулирования синхронного электродвигателя с
возможностью изменения частоты до нуля. при снятии управляющих
импульсов шаговый двигатель фиксирует конечные координаты углового
перемещения с точностью до долей шага без применения датчиков обратной
связи, что упрощает систему управления. в сельском хозяйстве эти двигатели
им применяются в основном в составе сау технологическими
производственными процессами, аналогичным промышленности (например,
микроклимат, тепловые процессы и др.).
Рассмотрим принцип действия и особенности основных физических
процессов шаговых двигателей на примере двухфазной двухполюсной
синхронной машины с активным ротором.
При подаче постоянного напряжения указанного знака на фазу А (рис.
3.3) возникает намагничивающая сила статора FА, которая в результате
взаимодействия с полем постоянного магнита ротора создает
28
синхронизирующий момент. Под действием этого момента ротор займет
положение, при котором его ось совпадет с осью фазы А. При отключении
фазы А и подключении фазы В вектор намагничивающей силы статора
повернется на 90° по часовой стрелке, возникнет синхронизирующий
момент, под действием которого ротор вновь повернется на 90°. Для
следующего поворота ротора на 90° по часовой стрелке необходимо подать
на фазу А напряжение противоположного знака и т. д.
FA
B
+
N
A
+
a
S
-
+
б
N
S
-
FB
S
+
+
+
в
+
N
-
FB
г
N
S
-
+
FA
Рис. 3.3. К принципу действия двухфазного шагового двигателя.
При рассмотренном способе переключения обмоток, который можно
представить в виде последовательности +А, +В, -А, -В, шаг двигателя равен
90°. Шаг двигателя можно уменьшить в два - раза, если переключение
обмоток выполнить в другой последовательности: (+А), (+А, +В), (+В), (+В, А), (-А), (-А, -В), (-В), (-В, +А), т. е. на некоторых шагах происходит
подключение двух фаз одновременно. Такая коммутация фаз уменьшает шаг
до 45°.
Управление шаговым двигателем может быть однополярным или
pазнополяpным, симметричным или несимметричным, потенциальным или
импульсным. При однополярном управлении напряжение, подводимое к
фазе, изменяется только по величине от нуля до +U. Разнополярное
управление предполагает изменение напряжения от -U до +U. Управление
называется симметричным, если для каждого устойчивого состояния
возбуждается одинаковое количество фаз. Если возбуждается разное число
обмоток, то управление будет несимметричным. В рассмотренном примере
шагового двигателя управление является разнополярным симметричным при
шаге 90° и несимметричным при шаге 45°.
При потенциальном управлении напряжение на обмотках изменяется
только в моменты поступления управляющих импульсов. В отсутствие
сигнала управления обмотки находятся под постоянным напряжением,
которое фиксирует положение ротора. При импульсном управлении обмотки
статора находятся под напряжением только в моменты поворота ротора, а
затем напряжение снимается и ротор фиксируется в определенном
положении реактивным моментом.
Способ управления шаговым двигателем оказывает влияние на
сложность электронного коммутатора. Для простоты схемы электронного
коммутатора наиболее удобной является потенциальная схема управления с
симметричной однополярной коммутацией обмоток.
29
Шаговый двигатель с электронным коммутатором характеризуется
рядом величин, определяющих возможности его применения:
1. Числом устойчивых электрических состояний n, которое кратно или
равно числу управляющих обмоток m. Так n = m используется при
однополярной коммутации и симметричном способе управления. n = 2*m
при разнополярной коммутации с симметричным управлением или при
однополярной коммутации для несимметричного способа управления. n =
4*m для несимметричной разнополярной коммутации. Разделение фазной
обмотки на две секции с поочередным включением секций позволяет
увеличить число устойчивых состояний. В многополюсной электрической
машине число n возрастает пропорционально числу пар полюсов ротора.
2. Механическим шагом двигателя - это углом между двумя
устойчивыми соседними состояниями
 = 2 / (n p),
где: n - число устойчивых состояний; р - число пар полюсов ротора. Этот же
угол в электрических градусах будет равен
э = p =2  / (np).
3. Синхронизирующим моментом – зависимостью момента,
развиваемого двигателем, от углового положения ротора. Для шаговых
двигателей с симметричным ротором эта функция близка к синусоиде.
Пусковым моментом является максимальный момент нагрузки, при котором
двигатель на очередном цикле коммутации вращается без потери шага. Этот
момент равен ординате точки пересечения кривых синхронизирующего
момента для двух устойчивых соседних состояний. Интервал значений
углового положения ротора, в пределах которого ротор возвращается в
исходное положение, является зоной статической устойчивости двигателя.
Эта зона равна (-)...() для двигателя с симметричным ротором.
4. Частотой приемистости fn – максимальной частотой следования
импульсов управления, при которой двигатель входит в синхронизм без
потери шага. Частота приемистости пропорциональна динамической
добротности шагового двигателя, определяемой отношением - Mп /J, и
обратно пропорциональна шагу двигателя. При одной и той же добротности
и величине шага частота приемистости растет с увеличением числа обмоток
управления. Это объясняется тем, что при пуске ротор за первые тактовые
импульсы может отрабатывать не полные шаги, а вращаться с некоторым
запаздыванием относительно магнитодвижущей силы статора, оставаясь в
пределах зоны устойчивости при каждом очередном переключении обмоток
управления. Частота приемистости зависит от момента нагрузки на валу и
электромагнитной постоянной времени обмоток управления.
5. Электромагнитной постоянной времени, определяемой отношением
индуктивного сопротивления обмотки управления к ее активному
сопротивлению.
6. Собственной частотой колебаний wо, которой называется угловая
частота колебаний ротора двигателя около устойчивого положения при
отсутствии момента нагрузки. Знание wо необходимо при определении
частоты управляющих импульсов, при которой возможно явление резонанса.
30
При резонансе амплитуда колебаний ротора резко возрастает, и двигатель
выпадает из синхронизма.
7. Механической характеристикой шагового двигателя, которой
называется зависимость момента, развиваемого двигателем, от частоты
управляющих импульсов. Механическая характеристика имеет падающий
характер, так как с ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании
тока за счет индуктивности обмоток управления. На некоторой предельной
частоте момент двигателя становится равным нулю.
Наряду с магнитоэлектрическими шаговыми двигателями с активным
ротором находят широкое применение индукторные и реактивные двигатели.
Индукторные шаговые двигатели имеют ферромагнитный ротор из
магнитомягкой электротехнической стали. На роторе находятся равномерно
расположенные зубцы zp, на статоре - гребенчатые зубцовые зоны,
смещенные относительно друг друга на угол 2/(mzp).
Ротор возбуждается со стороны статора постоянной составляющей тока
в фазах. Возбуждение ротора может осуществляться также постоянными
магнитами статора или отдельной обмоткой возбуждения .
Реактивные шаговые двигатели по конструкции аналогичны
индукторным, однако они не имеют возбуждения ее стороны статора. Статор
трехфазного реактивного шагового двигателя имеет шесть полюсных
выступов с гребенчатыми зубцовыми зонами (рис. 3.4). Обмотки управления
могут иметь два независимых вывода или соединяются в звезду с
выведенной общей точкой.
Особенность реактивного шагового двигателя состоит в том, что потоки,
образованные постоянными составляющими тока в обмотках управления, не
замыкаются через воздушный зазор и не участвуют в электромеханическом
преобразовании энергии. Трехфазные реактивные шаговые двигатели
допускают как однополярную, так и разнополярную, симметричную и
несимметричную коммутации.
Рис. 3.4. Схема конструктивного исполнения реактивного редукторного
шагового двигателя.
31
Для увеличения быстродействия шагового двигателя уменьшают шаг
двигателя путем использования электромагнитной редукции. Размеры зубцов
ротора равны размерам зубцов статора. Одна пара зубцов ротора coocна с
зубцами одной пары полюсных выступов статора, а остальные зубцы ротора
смещены на l/p часть зубцового деления по отношению к зубцам других пар
полюсных выступов. При поступлении очередного сигнала управления
происходит поворот м.д.с. статора на 60° и реактивный
момент
поворачивает ротор на 1/3 зубцового деления в положение наибольшей
магнитной проводимости относительно возбужденной пары полюсов, т. е. на
угол, значительно меньший угла поворота м.д.с. Например, при zp = 60° с
числом пар полюсов статора, равным трем, угол поворота ротора будет
 = 2/(np) = 360/(360) = 2.
Уменьшение шага двигателя позволяет повысить скорость отработки
управляющего сигнала и частоту приемистости. Однако использование
электромагнитной редукции приводит к уменьшению синхронизирующего
момента.
Шаговые двигатели с активным ротором типа ДШ имеют шаг 22,5°,
создают вращающий момент до 20 кг/см с частотой приемистости при
нагрузке до 400 шаг/с. Реактивные редукторные шаговые двигатели типа
ШДР обладают меньшим вращающим моментом, но большим
быстродействием при шаге, равном 3°, и частоте приемистости до 1000
шаг/с. Первая группа применяется в качестве исполнительных двигателей
силовых электроприводов с программным управлением. Вторая группа
шаговых двигателей применяется в информационно-измерительных
устройствах, внешних устройствах вычислительных машин и других
системах, где не требуется большой вращающий момент.
Построение замкнутых систем автоматики с шаговыми двигателями
является нецелесообразным, т.к. улучшенные качества замкнутых систем
легче достигаются при использовании регулируемых двигателей
непрерывного действия. Шаговые двигатели имеют более низкие
энергетические показатели, чем регулируемые двигатели непрерывного
действия. Кроме того, с увеличением габаритов ШД снижается допустимая
частота, что приводит к увеличению шага при заданной скорости
исполнительного органа.
Примером ШД, выпускаемых промышленностью, могут быть двигатели
ШД-2-1, ШД-2-6, ШДА-3-1 и ШДА-3-6 с угловым моментом шагом 15°,
номинальным моментом 0,1 – 10 Нм и частотой приемистости 110...600
шаг/с; ШД параметрического типа с ферромагнитным зубчатым ротором
32
ШДР-50/1800 и ШДИ-1 с угловым шагом 3°, номинальным моментом 1...2,5
Н∙м и частотой приемистости 450...1000 шаг/с. Технические данные шаговых
двигателей приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1. Шаговые электродвигатели.
Тип
двигателя
РШД-10
РШД-20
РШД-30
ЭШД-26
ЭШД-27
ЭШД-31
ДШ-0,1А
ДШ-1А
ДШ-6А
ШДА-3
ШДА-6
ШДР-231
ШДР-523
ШД-1С
ШД-3С
ЩДА-3-2
ШДА-3-4
ШД-2
ШД-5
ДШМ-16-4
ДШИ-72-3
m 
Mmax Mн
Jнг
Jр
им
п
I
U
4
4
4
2
2
2
4
4
4
4
4
4
4
4
4
3
3
3
3
4
4
1,4
10
400
10
180
300
8,0
60
260
7,0
41
1,25
16
1,0
17
4,0
25
150
10
2,8
2,2
8,0
5,0
390
1,2
120
370
19
420
3900
20
100
0,4
45
0,5
20
3,0
25
50
50
1,0
0,16
—
—
—
—
—
—
19
420
3900
20
97
0,83
2,8
14
100
6,5
47
300
55
—
—
—
—
—
—
—
—
400
200
100
320
260
1500
1500
—
—
—
—
—
1400
—
—
400
850
250
700
280
200
300
150
80
130
120
700
600
100
100
450
150
200
1200
430
1000
—
—
—
—
—
—
0,6
2,7
5,0
0,37
1,65
0,35
1,0
0,08
0,19
0,5
1,0
8,3
2,0
1,9
0,74
27
27
24
24
48
48
27
27
27
28
28
28
28
27
24
27
27
12
27
27
27
3
3
3
22,5
22,5
22,5
22,5
22,5
18
22,5
22,5
9
3
15
15
15
15
16
1,5
22,5
5,0
0,55
2,5
100
4,0
60
100
1,0
10
60
2,5
16
0,4
4,0
0,4
2,5
0,4
4,0
30
5,0
1,0
0,4
Примечания: m – число фаз (обмоток управления);  –одиночный
шаг ротора, в градусах; Mmax, Mн – соответственно максимальный
статический синхронизирующий момент и номинальный вращающий
момент, в 10-2 Нм; Jнг и Jр – соответственно номинальный момент инерции
нагрузки и момент инерции ротора, в 10-7 КГМ2; им и п – соответственно
максимально допустимая частота следования импульсов управления и
частота приемистости, в герцах; I – ток фазы в режиме фиксированной
стоянки, в амперах; U – напряжение питания, в вольтах.
Исполнительные двигатели переменного тока. эим с электродвигателями
переменного тока наиболее широко применяются в системах
сельскохозяйственной автоматики. в них используются асинхронные
трехфазные и однофазные электродвигатели. однофазные двигатели
применяются в маломощных им (до 600 вт), а трехфазные - при мощностях
свыше 500 вт.
33
Однофазные асинхронные электродвигатели имеют по две обмотки –
возбуждения и управления. обмотка возбуждения подключается к сети
переменного тока, а на обмотку управления подается входной сигнал от
усилительного устройства. этот двигатель можно рассматривать как
апериодическое звено, если выходная величина – угловая скорость ротора.
если выходным параметром является угол поворота ротора – это два
последовательно соединенных звена, одно – апериодическое и другое –
интегрирующее. по сравнению с двигателями постоянного тока однофазные
двигатели имеют больший удельный объем на единицу мощности и меньший
кпд, однако простота их конструкции обеспечивает высокую надежность в
эксплуатации и малые затраты на обслуживание.
Асинхронные трехфазные электродвигатели имеют передаточную
функцию аналогичную передаточной функции однофазных двигателей.
коэффициент передачи, значения электромагнитной и электромеханической
постоянных времени этих передаточных функций в обоих случаях
определяют по паспортным данным двигателя и механическим
характеристикам двигателя и рабочей машины общепринятыми методами.
В основном в электродвигательных им используются реверсивные
привода. для их управления применяются как контактные, так и
бесконтактные схемы, а также и их сочетание.
По характеру действия электродвигательные им подразделяются на
позиционные и пропорциональные.
Конструкция им позиционного действия такова, что с их помощью
рабочие органы можно устанавливать только в определенные фиксированные
положения. чаще всего таких положений два: “открыто” и “закрыто”. в
общем случае возможно и существование многопозиционных им. эти им
обычно не имеют датчика обратной связи для получения сигнала о
положении рабочего органа, в них используются в основном конечные
выключатели для ограничения перемещения рабочего органа при подаче
сигнала управления. они применяются в основном в дискретных системах
управления.
Им пропорционального действия конструктивно таковы, что
обеспечивают в заданных пределах установку рабочего органа в любое
промежуточное положение с учетом величины и длительности
управляющего сигнала. они содержат датчик обратной связи,
характеризующий местоположения рабочего органа, и широко применяются
в системах автоматики непрерывного действия. в качестве датчиков обратной
связи в этих им применяются потенциометрические реостатные и
индукционные датчики, выходной сигнал которых прямо пропорционален
величине отклонения рабочего органа от исходного положения. чаще всего, в
им устанавливается два одинаковых датчика, один из которых используется
для осуществления обратной связи по положению рабочего органа в системе
автоматического регулирования, а второй - для дистанционного указания его
положения. нередко датчики обратной связи и конечные электрические
34
выключатели конструктивно объединены в один узел, унифицированный для
различных типов им.
В сельскохозяйственном производстве наряду с общепромышленными
ИМ применяют специализированные ИМ для управления задвижками
различных
типов,
перекидными
клапанами
и
т.д.
Наиболее
распространенные ИМ – задвижка зерновая ТЭА-15 с приводом ТЭА-14М;
ИМ с оперативным контролем и регулированием степени открытия типа
РИМЗ (регулируемый ИМ задвижек). Вместо ТЭА-14М выпускают привод
Е8-УРВ, который отличается только модулем шестеренной передачи ротора,
в результате чего этот ИМ имеет меньшую массу и габариты.
На рис. 3.5 приведена кинематическая схема комбинированного ИМ
типа ПР-М с установкой его на двухседельном регулирующем клапане.
Он имеет асинхронный электродвигатель 1, шестеренчатый редуктор 2
для передачи крутящего момента от электродвигателя 1 на диск выходного
устройства 3, или шестерню 4, обеспечивающую возвратно-поступательное
движение рейки 5 и сочлененного с ней штока 6 клапанов 7.
Рис. 3.5. Кинематическая схема электродвигательного ИМ.
Схемы дистанционного управления ИМ с двухфазным конденсаторным
и трехфазным асинхронным электродвигателями приведены на рисунках 3.6
35
и содержат кнопки дистанционного управления SВ1—SB3, которыми
отключаются и включаются обмотки катушек КМ1 и КМ2 реверсивного
магнитного пускателя. Отключение электродвигателя в крайних положениях
«вправо» и «влево» осуществляется конечными выключателями SQ1 и SQ2.
Конечные выключатели 1 (рис.3.7) устанавливаются в корпусе ИМ и
срабатывают при нажатии на них одного из кулачков 6, поворачивающихся
вместе с выходным валом 5 ИМ. При отходе кулачка 6 от выключателя 1
подвижный контакт 7 возвращается в исходное положение. В связи с тем, что
для электродвигательных ИМ характерен выбег выходного вала. Кулачки 6
воздействуют на контакты конечных выключателей 1 через гибкие пластины,
что препятствует поломке конечных выключателей 1. Величину углов
поворота вала ИМ, при которых срабатывают конечные выключатели 1,
можно вручную регулировать поворотом кулачков 6 на оси вала. Каждый
кулачок 6 закрепляется стопорным болтом 4.
Рис. 3.6. Принципиальные схемы управления электродвигателями ИМ:
а – однофазовый привод ИМ; b – трехфазовый привод ИМ.
36
Следует отметить, что используется также вариант подключения
конечных выключателей в цепь обмоток ИМ, изображенный штриховыми
линиями, при этом контакты SQ1 и SQ2 из цепей катушек КМ1 и КМ2,
естественно, исключаются (КV1, КV2- контакты реле регулятора).
Для уменьшения угла выбега ИМ после отключения его
электродвигателя от сети параллельно одной из фаз обмотки статора
трехфазного двигателя через размыкающие контакты КМ1.6 и КМ2.6
магнитного пускателя включается электрический конденсаторный тормоз
С2. Электродвигательные ИМ могут быть не только устройствами
позиционного действия, а снабженные датчиками 2 (реостатами) обратной
связи по положению выходного вала используются системах управления,
обеспечивая законы П, ПИ и ПИД–регулирования.
Рис. 3.7. Кинематическая схема узла коммутации электродвигателя ИМ
и узла реостата ОС.
Ползунок 3 (см. рис. 3.7) датчика ОС закреплен через кронштейн на
выходном валу ИМ. Сам реостат 2 неподвижно закреплен на корпусе ИМ.
При этом он может быть использован для подключения прибора-указателя
положения РО, например вольтметра со шкалой, отградуированной в
37
процентах степени открытия РО. Положение ползунка реостата 2 и величины
углов поворота вала ИМ, при которых срабатывают выключатели, можно
вручную регулировать поворотом кронштейна и кулачков 6 на оси вала 5,
каждый из которых закрепляется стопорным болтом 4.
Разработан
и
выпускается
промышленностью
целый
ряд
многооборотных электрических ИМ с постоянной скоростью вращения
выходного вала. Несмотря на конструктивные и схемные различия, все эти
ИМ в общем случае позволяют производить: дистанционный или
автоматический пуск и остановку электропривода в любом промежуточном
положении РО, автоматическую остановку электропривода при чрезмерном
возрастании крутящего момента, дистанционную световую сигнализацию
крайние положений РО, местное и дистанционное определение любого
промежуточного положения РО, электрическую блокировку данного
электропривода с другими механизмами и агрегатами, ручное управление
ИМ при помощи маховика.
Основные характеристики однооборотных и многооборотных ИМ
приведены в таблицах 3.2 и 3.3 соответственно.
Таблица 3.2. Однооборотные ИМ.
Номин. Угол
вращ.
поворота
Тип
момент, вых. вала,
град.
Нм
МЭК-10К/120
10
МЭК-25К/40
25
МЭК-63/100
63
0 - 90
0 - 270
0 - 90
0 - 270
0 - 90
0 - 270
0 - 90
МЭО-160/100К 160
МЭО1000/250К
0 - 240
0 - 90
1000
0 - 240
Время
одного
обор. вых.
вала, с
Номин.
Сопротивл.
мощность
датчика об.
электрода
связи, Ом
, кВт
120
0,019
120
40
0,27
120
100
0,12
120
100
0,27
250
250
0,4
250
Таблица 3.3. Многооборотные ИМ.
Номин.
вращ. Время
одного Ном. мощность
Тип
обор. вых. вала,с электродв., кВт
момент, Нм
1
2
3
38
4
МЭМ-0,63/1
0,63
1,0
0,12
МЭМ-1,6/2,5
1,6
2,5
0,05
1
2
3
4
МЭМ-4/6,3
4,0
6,3
0,12
МЭМ-10/1
10,0
1,0
0,6
МЭМ-25/2,5
25,0
2,5
0,4
Методика выбора электродвигательных исполнительных механизмов.
Анализ тенденций в отечественных и зарубежных системах автоматизации
технологических процессов, в том числе и в сельскохозяйственном
производстве показывает, что в них все более широко используются
электроприводы. Электроприводы новых серий – это приводы с высоко
моментными двигателями постоянного тока, асинхронными двигателями,
бесколлекторными двигателями постоянного тока и силовыми шаговыми
двигателями.
Особенностью электроприводов являются расширенный (до 0,05 Нм)
диапазон малых моментов, повышенная (до 15000 об/мин) максимальная
частота вращения, уменьшенная инерция двигателей, возможность встройки
в двигатели электромагнитных тормозов и различных датчиков, а также
механических и волновых передач.
Основные достоинства электроприводов следующие:
- компактная конструкция двигателей;
- высокое быстродействие;
- равномерность вращения;
- высокий крутящий момент на максимальной скорости;
- высокая надежность (степень защиты 1Р54);
- высокая точность, в том числе за счет возможности применения
современных цифровых и вычислительных систем управления;
- низкие уровни шума и вибраций;
- длительная эксплуатация без проверки и обслуживания, особенно при
использовании бесколлекторных и асинхронных двигателей ;
- взаимозаменяемость двигателей;
- компактная конструкция усилительно-преобразующих устройств;
- доступность и дешевизна электрической энергии.
К недостаткам электроприводов можно отнести:
- наличие щеток в коллекторах двигателей постоянного тока;
- ограниченное использование во взрывоопасных и пожароопасных средах и
помещениях;
- большую зависимость скорости выходного вала от нагрузки, что приводит к
необходимости применения дополнительных контуров регулирования
привода;
39
- наличие дополнительной кинематической цепи между электродвигателем и
рабочим регулирующим органом.
Выбор электродвигательных ИМ должен начинаться с подробного
выяснения технических требований, предъявляемых к этим элементам.
В технических требованиях должны быть указаны:
- статические и динамические параметры элементов (передаточный
коэффициент и постоянные времени, время срабатывания и отпускания,
допустимая зона нечувствительности и т.д.);
- допустимые пределы изменения указанных выше параметров;
- величины входных и выходных мощностей элементов и
интенсивность этих воздействий (величины электрических напряжений или
токов, величины скоростей или перемещений и т. д.);
- виды и параметры источников вспомогательной энергии (частота и
напряжение электрических источников) и пределы изменения этих
параметров в эксплуатации;
- допустимое потребление мощности от источников энергии;
- допустимые габаритные размеры и масса устройства;
- условия эксплуатации (пределы изменения окружающей
температуры, давление и влажность воздуха, воздействие условий
окружающей среды, воздействие ускорений и т. д.);
- срок службы устройства в заданных условиях эксплуатации;
- требуемая надежность устройства;
- стоимость и т. д.
Основным требованием, предъявляемым к элементам с точки зрения
общей системы приборов и средств автоматизации, является требование
стандартизации параметров, которые определяют его связи с внешними
элементами. Различают три вида внешней связи: информационные (входные
и выходные сигналы), энергетические – связи с источниками питания, и
вещественные ( конструктивные ) – связи с общей конструкцией, с выходом
предыдущего и входом последующего устройств и источниками питания.
Основной задачей энергетического расчета электродвигательных ИМ
является выбор серийного исполнительного устройства. Решение этой задачи
является итерационным процессом, в результате которого из числа серийных
выбирается ИМ, удовлетворяющий техническим требованиям.
На основании технических требований устанавливаются параметры,
которым должен отвечать выбираемый двигатель ИМ:
- требуемый вращающий момент (перестановочное усилие);
- угловые (линейные) скорости и ускорения;
- мощность привода;
- оптимальное передаточное число между двигателем и механической
нагрузкой.
Для правильного выбора мощности двигателя ИМ требуется иметь
приводные характеристики нагрузки или объекта регулирования. Например,
для силового привода вращательного действия необходимо знать: момент
40
инерции нагрузки и всех, соединенных и вращающихся с ней частей,
моменты трения, внешний возмущающий момент, максимальные значения
перемещения, угловые скорости и ускорения нагрузки и т.д. Задача
заключается в том, чтобы выбрать двигатель соответствующей мощности,
обеспечивающий перемещение механической нагрузки с определенной
скоростью и ускорением.
Поэтому при выборе рационального электродвигательного ИМ
приходиться взаимосвязано рассматривать конкретные этапы выбора
двигателя, соответствующие общей методике выбора электропривода:
1. По роду тока и значению напряжения;
2. По конструктивному исполнению и защите от воздействий
окружающей среды;
3. По угловой скорости вращения и ее регулированию;
4. По мощности двигателя, исходя из условий:
а) допустимого нагрева при работе;
б) обеспечения пуска электропривода;
в) обеспечения статической и динамической устойчивости;
г) обеспечения требуемой частоты включений.
5. По виду и уровню схемы управления;
6. По надежности;
7. По экономической эффективности.
Подробно эти вопросы рассмотрены в соответствующих разделах курса
по автоматизированному электроприводу.
Электрические схемы управления электродвигательными ИМ должны
удовлетворять следующим техническим требованиям:
- питание силовых цепей и цепей управления осуществляется, как
правило, от сети переменного тока 380/220 В;
- схемы должны иметь защиту от перегрузок и от коротких замыканий
в силовых цепях электропривода, а также в цепях управления и
сигнализации;
- при монтаже схем управления и сигнализации контакты аппаратов
управления, конечных выключателей, блокировочные цепи, блок - контакты
магнитных пускателей и др. должны включаться со стороны фазы, а катушки
пускателей - присоединяться к нулевому проводу (это предотвращает
ложную работу схемы при появлении “земли” в цепях управления);
- схема управления запорным устройством должна обеспечивать
возможность как дистанционного управления со щита или с места, так и
автоматического управления по команде от устройства регулирования
движение ИМ только во время действия импульса соответственно
дистанционного или автоматического управления;
- исключать возможность одновременной подачи командных
импульсов от устройств дистанционного и автоматического управления, а
также возможность подачи питания на одну из катушек реверсивного
магнитного пускателя при обтекании током второй катушки;
41
- схемы управления с двух или более мест должны быть построены так,
чтобы исключить возможность одновременного управления одним
устройством из разных пунктов;
- схемы управления должны обеспечить возможность остановки ИМ в
любом промежуточном положении, а также возможность последующей
посылки команд, как на открытие, так и на закрытие:
а) прекращение ошибочно начатой операции и возврат в исходное
положение;
б) «расхаживание» запорного устройства;
в) постепенное открытие или закрытие с непродолжительными
остановками в промежуточных положения, если это требуется по условиям
технологического процесса;
- нормальная остановка электродвигателя ИМ в положении полного
открытия или закрытия должна осуществляться с помощью конечных
выключателей, разрывающих цепь соответствующей катушки магнитного
пускателя; когда запорные устройства требуют принудительного уплотнения
при закрытии, остановка электродвигателя ИМ должна осуществляться
посредством контактного устройства муфты предельного момента или
токового реле;
- как при ручном, так и при автоматическом управлении схемы должны
иметь нулевую защиту;
- при наименьшем количестве сигнальных ламп схема сигнализации
положения запорного устройства должна показывать наибольшее количество
его состояний (конечные положения, остановка в промежуточном
положении, сигнализация хода, направление движения и др.);
- схема контроля состояния регулирующего устройства должна
непрерывно фиксировать его положение;
- схемы управления должны быть построены таким образом, чтобы для
их реализации требовалось наименьшее количество аппаратуры, кабели с
наименьшим количеством жил, конечные выключатели с наименьшим
количеством контактов.
Электромагнитные исполнительные механизмы. В системах
автоматического регулирования и управления позиционного принципа
действия довольно широкое распространение в качестве исполнительных
механизмов получили электромагнитные приводы, преобразующие энергию
электрического тока в поступательное движение рабочего органа - так
называемые исполнительные электромагнитные механизмы (ЭМИМ).
ЭМИМ служат для преобразования электрического тока в механическое
перемещение с целью воздействия на регулирующий орган объекта
управления. Они являются наиболее распространенными преобразователями
электрического сигнала в механическое перемещение. ЭМИМ получили
применение в качестве приводного или управляющего устройства в ряде
механизмов, электрических аппаратах и реле. Например, в подъемных и
42
тормозных электромагнитах, в приводах для включения и выключения
коммутационных аппаратов, в электромагнитных контакторах, в
автоматических регуляторах, в приводах для включения и отключения
механических, пневматических и гидравлических цепей, для сцепления и
расцепления вращающихся валов, открывания и закрывания клапанов,
вентилей, заслонок, золотников на небольшие расстояния до нескольких
миллиметров с усилием в несколько десятков ньютонов.
ЭМИМ способны работать как на постоянном, так и на переменном
токе. Однако электромагниты постоянного тока применяются намного шире,
чем электромагниты переменного тока, поскольку при одинаковых размерах
они развивают большее тяговое усилие, имеют более высокую стабильность
параметров, конструктивно проще и дешевле. Для их питания используется
сеть переменного тока и встроенный выпрямитель.
Характерной особенностью таких устройств является их способность
работать только в схемах двухпозиционного (“открыто" – “закрыто”)
регулирования или управления. Это объясняется тем, что регулирующий
орган (вентиль, клапан и т.д.) может находиться только в двух конечных
положениях, соответствующих двум возможным положениям сердечника
электромагнита. Например: первое - ток включен, сердечник притянут и
клапан открыт; или второе – ток отключен, сердечник не притянут и клапан
закрыт.
Принципиально возможно создание многопозиционного (на три
положения и более) исполнительного электромагнитного механизма. Однако
решение этой задачи сопряжено со значительными трудностями, поэтому
широкого распространения многопозиционные приводы не получили.
ЭМИМ по сравнению с электродвигательными ИМ отличаются
простотой конструкции и схем управления, меньшими весом и размерами и
значительно меньшей стоимостью. Благодаря отсутствию редуктора они
более надежны в эксплуатации.
ЭМИМ по принципу действия разделяются на две группы:
- рассчитанные на длительное обтекание катушки соленоида
электрическим током; при подаче напряжения питания якорь соленоида
втягивается (при этом, например, клапан открывается), а возвращается он в
исходное положение при снятии напряжения (клапан закрывается).
Основными недостатками при этом являются постоянное потребление
электроэнергии и ложные срабатывания при исчезновениях питающего
напряжения.
- с кратковременным обтеканием катушек соленоида электрическим
током; они состоят из двух электромагнитов – тягового и защелки. Тяговый
электромагнит предназначен для втягивания якоря соленоида, напряжение
питания на его катушку подается кратковременно. Удерживание якоря в
рабочем состоянии после обесточивания тяговой катушки осуществляется
43
механически специальной защелкой. Возврат в исходное состояние
осуществляется путем кратковременной подачи напряжения на катушку
электромагнита защелки, которая освобождает возвратную пружину и якорь
соленоида закрывается.
По назначению ЭМИМ различают на:
- удерживающие, предназначенные для фиксации положения
ферромагнитных тел, например электромагниты для подъема предметов из
ферромагнитных материалов. Они не совершают работы, от них требуется
лишь определенная сила, на которую они рассчитываются.
- приводные, которые служат для перемещения исполнительных
устройств, например клапанов, золотников, заслонок. Они используются
также в контакторах, электромагнитных муфтах и др. Эти электромагниты
совершают определенную работу и поэтому рассчитываются на
определенную силу и перемещение.
По роду тока в обмотке различают электромагниты постоянного и
переменного тока. Электромагниты постоянного тока делятся на
нейтральные, не реагирующие на полярность напряжения питания, и
поляризованные, реагирующие на полярность напряжения питания.
По конструктивному исполнению различают электромагниты:
- клапанные, с внешним притягивающимся якорем; они имеют
небольшое перемещение якоря (единицы миллиметра) и развивают большое
усилие;
- прямоходовые, с поступательным движением якоря; они называются
соленоидными электромагнитами, имеют большой ход якоря и обладают
высоким быстродействием.
Электромагниты постоянного и переменного тока. Прямоходовые
электромагниты могут быть переменного (однофазные и трехфазные) и
постоянного тока. Их основные характеристики – ход якоря, зависимость
между перемещением якоря и тяговым усилием, зависимость между
положением якоря (его перемещением) и расходом электроэнергии и время
срабатывания. Эти характеристики зависят от формы магнитопровода,
состоящего из ярма и якоря, расположения намагничивающих обмоток и
рода питающего тока (переменного или постоянного).
В зависимости от хода якоря (его максимального перемещения)
различают короткоходовые (рис. 4.1 а) и длинноходовые (рис. 4.1 b,c)
электромагниты.
44
Рис. 4.1. Формы магнитопроводов и тяговые характеристики
электромагнитов:
а – короткоходовых; b и c – длинноходовых.
Электромагниты должны отвечать следующим требованиям:
1. Выбираемая конструкция должна соответствовать длине хода, тяговой
силе и заданной тяговой характеристике. Для больших тяговых сил и малой
длины хода якоря используют короткоходовые (рис. 4.1 а), а для небольших
тяговых сил и значительных ходов якоря - длинноходовые электромагниты
(рис. 4.1 b), для больших перемещений якоря - электромагниты с замкнутым
цилиндрическим магнитопроводом и квазипостоянной тяговой силой (рис.
4.1 c).
2. Для быстродействующих систем необходимо применять
электромагниты с шихтованным магнитопроводом, а для замедленных
систем - с не шихтованным магнитопроводом и поворотным якорем с
массивной медной гильзой.
3. Число циклов срабатывания должно быть меньше допустимого.
4. Электромагниты переменного тока при одинаковых совершенных
механических работах потребляют электроэнергии больше, чем
электромагниты постоянного тока.
5. Электромагниты должны быть удобными в эксплуатации и простыми
в обслуживании.
Выбор электромагнита осуществляют по напряжению, току и потребляемой мощности. После выбора электромагнита рассчитывают его обмотки на
нагрев, считая, что средняя допустимая температура нагрева 85...90°С.
Основные характеристики применяемых электромагнитов приведены в
табл. 4.1 и 4.2 соответственно на постоянном и переменном токе.
Таблица 4.1. Характеристики электромагнитов переменного тока.
Тип элек- Тяговое
Ход якоря, Потреб.мо- Время втя- Время оттромагнита усилие, Н
мм
щность, Вт гивания, с падания, с
МП 100
250
2
140
0,12
0,1
МП 200
1000
3
290
0,25
0,2
45
МП 300
КМП 2
КМП 6
ВМ 12
ВМ 16
2150
115
720
65
280
4
40
120
40
120
510
350
950
210
425
0,4
0,4
2,5
0,8
23,5
0,35
0,1
0,5
0,2
1,0
Передаточная функция ЭМИМ имеет вид:
W(p) = Y(p)/U(p) = Kм / ((Tэp+1)(T2T1p2+T2p+1)),
где Y- перемещение якоря; Tэ = L0 / R0 - постоянная времени
электромагнита; L0 и R0 -индуктивность и активное сопротивление катушки
электромагнита, соответствующие начальному положению якоря; Т1 =
m/c П ; m - масса подвижных частей; c П - жесткость пружины; Т2 = Kд /
c П ; Kд - коэффициент демпфирования; Kм = 2K0/( c П K0) - коэффициент
передачи электромагнита; K0 - коэффициент пропорциональности между
тяговым усилием электромагнита и током Ik в его катушке.
Таблица 4.2. Характеристики электромагнитов переменного тока.
Момент Угол
Потреб. Потреб.
Время Время
Момент
Тип
массы поворота мощн.
мощн. при втяги- отпадаэлектром тяговый,
якоря, якоря,
при вкл., откл.,
вания, ния,
агнита Нм
град.
с
с
Нм
ВА
ВА
КМТ3А 350
125
50
19000
550
0,08
0,06
КМТ4А 700
240
50
38000
1700
0,14
0,08
КМТ6А 1150
460
60
85000
3000
0,25
0,12
КМТ7А 1400
520
80
110000 3500
0,35
0,14
МО550
50
7,5
2100
400
0,30
0,02
100Б
МО2000
360
5,5
4000
650
0,05
0,04
200Б
Если постоянная времени ОУ значительно больше постоянных времени
ЭМИМ (Тэ, Т1, Т2), то его передаточная функция может быть представлена
безынерционным усилительным звеном:
W(p) = Kм .
Расчет электромагнитных исполнительных механизмов. В задачу
расчета ЭМИМ входит нахождение конструктивных размеров и обмоточных
данных электромагнитов, соответствующих заданным условиям работы
устройства.
Обычно исходными условиями являются:
- противодействующая (механическая) характеристика, полученная
расчетным или экспериментальным путем;
- напряжение и ток входного сигнала, подаваемого на обмотку;
46
- временные параметры;
- габариты, вес и стоимость.
Кроме того, необходимо учитывать основные условия эксплуатации:
температуру окружающей среды, влажность, запыленность, наличие
вибраций.
К основным показателям ЭМИМ относятся:
- условная полезная работа
A  FL,
где F – тяговое усилие при определенном положении якоря; L – величина
хода якоря;
- показатель весовой экономичности электромагнита, который
характеризуется коэффициентом
Кэ = m/A,
где m - масса электромагнита;
- конструктивный фактор
Кф =
Fн
,
L
где Fн - начальное тяговое усилие.
Обобщенным показателем является показатель добротности магнитной
системы
Кd = A/(mP),
где P – потребляемая мощность;  – превышение температуры обмотки
над температурой окружающей среды.
При прочих равных условиях, т. е. при одинаковых значениях
магнитного потока и геометрических размерах, тяговое усилие
электромагнита постоянного тока в два раза больше, чем у электромагнита
переменного тока.
При выборе конструктивного фактора следует иметь в виду, что длина
сердечника электромагнита растет пропорционально увеличению величине
хода якоря, а поперечное сечение его пропорционально корню квадратному
из требуемой величины электромагнитного тягового усилия. На основании
опыта проектирования рекомендуются следующие значения ф: для
прямоходового электромагнита – 400; для клапанного – 2900.
Расчет обмоток на нагрев проводят, считая, что средняя допустимая
температура нагрева доп = 85...90 0С. Температуру нагрева определяю по
приращению сопротивления обмотки
 = ( R  R0 ) / (R 0   ) + 0 ,
где R - сопротивление нагретой обмотки; R0 - сопротивление обмотки
при 20 0С ; 0 - температура окружающей среды ;  - температурный
коэффициент сопротивления обмоточного провода.
Превышение температуры нагрева над допустимой приводит к
сокращению срока службы и разрушению изоляции обмотки.
47
Рабочий цикл ЭМИМ состоит из трех периодов: срабатывания,
включенного состояния и возврата в исходное положение. После включения
электромагнита происходит нарастание тока в его обмотке до величины тока
трогания, когда электромагнитная сила преодолевает внешнее сопротивление
и якорь приходит в движение. На якорь электромагнита кроме силы
электромагнитного притяжения действуют противодействующая сила
статического сопротивления, сила вязкого трения и сила инерции. Оценка
времени движения якоря проводится в предположении неизменности
динамического усилия на протяжении всего хода якоря и отсутствии вязкого
трения.
С учетом изложенного время втягивания можно определить как
Тв =
2
m L
,
F Fc
где Fc - противодействующая сила статического сопротивления; а время
отпадания равно
То =
2
m L
.
Fc
Электромеханические муфты. Муфта – устройство, служащее для
сцепления двух валов, т.е. для передачи вращающего момента с одного вала
(ведущего) на другой (ведомый). Ведущий вал вращается приводным
двигателем, а ведомый вал связан с нагрузкой. Муфта называется
электромеханической, если для передачи механического момента
используются электрические явления. Управление муфтой осуществляется
при этом с помощью электрического сигнала, следовательно, она
представляет собой преобразователь электрического сигнала в механический
вращающий момент. Так как развиваемая на ведомом валу мощность много
больше мощности управляющего сигнала, электромеханическая муфта
осуществляет также и усиление мощности сигнала. Двигатель, вращающий
ведущий вал, в энергетическом отношении играет ту же роль, что и источник
питания в обычном электрическом усилителе. В обоих случаях входной
электрический сигнал управляет потоком мощности от этого источника.
Электромеханические муфты нашли свое применение в ряде систем
сельскохозяйственной
автоматики
и
в
качестве
регулируемых
электроприводов сельскохозяйственных машин.
Муфты бывают релейного действия, осуществляющие жесткое
сцепление валов при подаче сигнала, и непрерывного действия,
осуществляющие гибкое сцепление, когда скорость ведомого вала зависит от
величины входного сигнала и эта зависимость может быть предоставлена
плавной статической характеристикой «скорость ведомого вала - входной
сигнал». Для автоматических систем основной интерес представляют муфты
гибкого сцепления.
48
Электромеханические муфты применяются в качестве исполнительных
элементов. Они заменяют исполнительный двигатель с управляемой
скоростью вращения, позволяя применять в качестве приводных двигателей
нерегулируемые электрические и неэлектрические двигатели. Такая замена,
как правило, упрощает схему и конструкцию автоматической системы в
целом, повышает ее надежность.
Однако основное преимущество электромеханических муфт перед
обычным управляемым электродвигателем в их большем быстродействии.
Это объясняется тем, что момент инерции вращающихся частей муфты,
связанных с ведомым валом, можно сделать значительно меньше момента
инерции приводного двигателя, определяющего быстродействие системы
управления скоростью нагрузки при воздействии на двигатель, а не на муфту.
Электромеханические муфты применяются в диапазоне мощности от
нескольких ватт (например, в маломощных следящих системах приборного
типа) до десятков тысяч киловатт (в электроприводах прокатных станов,
металлорежущих станков, в приводах гребных винтов на судах).
Исполнительные механизмы с электромеханическими муфтами
отличаются от электродвигательных ИМ более простой конструкцией,
низкой стоимостью, высокой надежностью и долговечностью и меньшей
экономичностью при большом диапазоне регулирования скорости вращения.
Их применение оказывается чаще всего целесообразным в тех
механизмах, где стоимость израсходованной энергии составляет небольшую
долю себестоимости продукции. В этих случаях повышение надежности, а,
следовательно, уменьшение простоев и брака, как правило, окупает
увеличение расхода энергии, а низкая себестоимость этих ИМ приводит к
минимуму расчетных затрат. Кроме того, рациональной областью их
применения являются механизмы с вентиляторным моментом нагрузки,
пропорциональным квадрату скорости вращения.
По принципу действия электромеханические муфты делятся на два
основных типа: электромеханические муфты трения (ЭМТ) и
электромеханические муфты скольжения (ЭМС). Они в большинстве случаев
выполняют две основные функции:
1.Соединение и разъединение приводного двигателя с рабочим
механизмом;
2. Регулирование скорости вращения рабочего механизма независимо
от скорости вращения приводного двигателя (как правило, при ее постоянной
величине).
Электромеханические муфты трения. В муфтах трения
вращающийся момент на ведомом валу создается за счет силы трения.
Электромеханические муфты трения в свою очередь подразделяются на
муфты сухого трения и ферропорошковые (магнитоэмульсионные) муфты
трения.
Электромеханические муфты сухого трения. Принцип действия
муфты сухого трения иллюстрируется рис. 5.1а. Муфта состоит из двух
49
половин 1 и 2 (полумуфт), на которых укреплены диски трения 3 из
фрикционного материала. Одна полумуфта может перемещаться вдоль
своего вала на шпонке, другая соединена со своим валом жестко. Если
прижать обе половины муфты друг к другу, то неподвижный до этого
ведомый вал станет вращаться заодно с ведущим, т.е. произойдет сцепление
валов за счет силы трения, препятствующей проскальзыванию дисков трения
друг относительно друга.
Рис. 5.1. Принцип действия муфт сухого трения:
а – реверсивной, b – нереверсивной.
На рис. 5.1b показан принцип действия реверсивной муфты трения,
позволяющей изменять направление вращения ведомого вала. Она
представляет собой комбинацию двух простых нереверсивных муфт:
ведомый диск 1 находится между двух ведущих дисков 2 и 3, вращающихся в
разные стороны. Направление вращения ведомого диска можно менять,
прижимая его то к одному, то к другому ведущему диску. Ведущие диски
приводятся во вращение или двумя отдельными двигателями или одним
общим. В последнем случае один из дисков соединяется с двигателем через
зубчатую передачу, изменяющую направление его вращения по сравнению с
другим диском.
Если необходимо быстро тормозить, то ведомый вал муфты трения
комбинируют с тормозом. Такая комбинированная муфта выглядит как
реверсивная (рис. 5.1 b), только второй ведущий диск в этом случае
заменяется неподвижным диском, жестко укрепленным на основании муфты.
Торможение ведомого диска осуществляется путем прижатия его к этому
неподвижному диску.
Прижатие частей муфты друг к другу может осуществляться, например,
с помощью гидравлического или пневматического сервомотора. Тогда мы
имеем соответственно гидравлическую или пневматическую муфту трения с
гидравлическим или пневматическим управлением. Если же части муфты
сжимаются с помощью какого-либо электромеханического преобразователя,
то получается электромеханическая муфта трения.
Основное распространение получили электромеханические муфты
трения с электромагнитным управлением, где для сцепления обеих половин
муфты применяется электромагнит. Наиболее быстродействующие
50
электромеханические муфты трения выполняются с магнитоэлектрическим
управлением. В этом случае вместо электромагнита применяется
магнитоэлектрический
преобразователь
электрического
сигнала
в
перемещение и силу.
На рис. 5.2а показан фрагмент простейшей нереверсивной муфты трения
с электромагнитным управлением. Она представляет собой электромагнит,
состоящий из якоря 1 и магнитопровода 2 с обмоткой 3. Подвод тока в
обмотку осуществляется с помощью двух контактных колец со щетками.
Рис. 5.2. Муфта трения с электромагнитным управлением:
а – однодисковая, b – многодисковая; 1 – якорь, 2 – магнитопровод, 3 –
обмотка, 4 – диски трения, 5 – контактное кольцо.
На магнитопроводе и якоре укреплены диски трения 4. Якорь может
перемещаться вдоль одного вала на шпонке. Магнитопровод укреплен на
другом валу жестко. Якорь оттягивается от магнитопровода возвратной
пружиной (она на рисунке не показана). Поэтому при отсутствии тока в
обмотке ведомый вал неподвижен. При подаче входного сигнала на обмотку
якорь притягивается к магнитопроводу и происходит сцепление валов.
Муфты трения с электромагнитным управлением бывают
однодисковыми (рис. 5.2 а) и многодисковыми (рис. 3.2 b). Многодисковыми
делают мощные муфты для уменьшения их габаритов.
На рис. 5.3 показан вариант муфты трения с электромагнитным
управлением и неподвижной обмоткой. Такие муфты не только свободны от
скользящих контактов для подвода тока в обмотку, но и обладают большим
быстродействием (имеют меньшую постоянную времени обмотки). Но зато
они отличаются повышенными размерами обмотки из-за увеличенного
воздушного зазора.
51
Рис. 5.3. Муфта трения с электромагнитным управлением и
неподвижной катушкой: 1 – обмотка, 2 – магнитопровод, 3 и 4 – полумуфты,
5 – диски трения
В электромагнитных муфтах трения применяют, как правило,
электромагниты постоянного тока, поскольку они обладают известными
преимуществами перед электромагнитами переменного тока. При наличии
сигнала переменного тока в электромагниты постоянного тока встраивают
выпрямитель.
Расчет муфты трения с электромагнитным управлением состоит из
расчета поверхностей трения и расчета электромагнита. Исходными данными
являются величина вращающего момента, который должен передаваться
муфтой, и габариты муфты. Рассмотрим порядок расчета муфты на примере
дисковой муфты.
Передаваемый муфтой вращающий момент
М


2π
m  p  K тр 1  K 3p  R 32 ,
3
где m - число поверхностей трения, определяемое числом дисков трения; Кр
= (R1/R2)Ктр – расчетное отношение; Ктр - коэффициент трения, зависящий от
материала дисков и состояния их поверхностей; R1 и R2 - внутренний и
52
наружный радиусы дисков трения; р - давление, с которым диски
прижимаются электромагнитом.
Задавшись наружным радиусом дисков трения R2, можно найти число
поверхностей трения m, необходимое для передачи заданного вращающего
момента M, или задавшись m, можем найти R2.
Тяговое усилие от электромагнита, определяется как
FT  p  π  R 2  R1   p  1  K 2   R 2 .
Далее проводится расчет электромагнита. Для уменьшения размеров
обмотки, ограниченных допустимым ее нагревом, в мощных муфтах
устраивают жидкостное охлаждение. Менее мощные просто снабжают
ребрами, повышающими охлаждения.
Ориентировочные значения входящих в формулы величин:
коэффициент трения Ктр для трущихся тел из стали, чугуна, бронзы
примерно равен 0,1 - 0,2; для специальных фрикционных материалов типа
ферродо его значение берут равным 0,4 - 0,8; отношение Кр берут равным
0,3-0,6; величина давления p=23 кг/см.
Рассмотрим динамику работы электромеханической муфты трения.
Переходный процесс от момента подачи напряжения на обмотку муфты,
когда ведомый вал неподвижен, до установления постоянной скорости
вращения ведомого вала состоит из следующих трех этапов.
Первый этап - от подачи входного напряжения до момента
соприкосновения поверхностей трения - представляет собой этап
срабатывания электромагнита. Его продолжительность равна времени
срабатывания электромагнита. При необходимости его уменьшения
применяют обычные способы изменения временных параметров
электромагнитов.
Второй этап заканчивается полным сцеплением поверхностей трения.
Это этап, на протяжении которого прекращается скольжение ведомого вала
относительно ведущего. Однако переходный период этим не заканчивается,
так как в результате сцепления полумуфт, к двигателю, вращающему
ведущий вал и работавшему ранее вхолостую, оказывается приложенной
нагрузка ведомого вала. Поэтому после второго этапа наступает третий
этап, представляющий собой переходный процесс для приводного
двигателя, вызванный набросом нагрузки.
Полное время срабатывания муфты с электромагнитным управлением,
равное сумме времен всех трех этапов переходного процесса измеряется
сотыми и десятыми долями секунды.
Рассмотренные муфты трения применяются, главным образом, для
жесткого соединения валов. Однако и с их помощью можно осуществить
53
плавное изменение установившегося значения скорости ведомого вала путем
импульсного управления муфтой. В этом случае входной сигнал
представляет собой импульсы напряжения, следующие с постоянной
частотой, За время импульса муфта срабатывает и ведомый вал начинает
разгоняться; за время паузы между импульсами происходит отпускание
муфты и торможение вала. При этом скорость ведомого вала колеблется
относительно некоторого среднего значения с частотой следования
управляющих импульсов.
Величиной этого среднего значения можно управлять, изменяя
скважность выходных импульсов.
Электромеханические муфты скольжения. Наибольшее применение
в промышленности и в сельском хозяйстве нашли ИМ с ЭМС и
автоматическим регулятором скорости, обеспечивающим ее жесткие
механические характеристики.
ЭМС в большинстве ИМ выполняют две основные функции:
1. Соединение и разъединение приводного двигателя с рабочим
механизмом;
2. Регулирование скорости вращения рабочего механизма
независимо от скорости вращения двигателя.
ИМ с ЭМС в сравнении с ЭМТ имеют следующие преимущества:
1. Возможность бесступенчатого регулирования скорости вращения
рабочего механизма при постоянной скорости вращения двигателя;
2. Повышенную надежность и долговечность, связанную с отсутствием
трущихся фрикционных элементов;
3. Предохранение двигателя и рабочего механизма от перегрузок и
поломок,
обусловленное
ограниченностью
величины
предельно
передаваемого момента;
4. Сглаживание (демпфирование) ударов и колебаний нагрузки,
повышающее срок службы рабочего механизма, механических передач и
двигателя.
К недостаткам ИМ с ЭМС относятся:
1. Меньшая экономичность, обусловленная наличием потерь
скольжения не только во время переходных процессов, но и в
установившихся рабочих режимах;
2. Меньшее быстродействие, связанное в большинстве случаев с
повышенными значениями электромеханической и электромагнитной
постоянных времени;
3. Меньшие значения удельных вращающих моментов, приходящихся
на единицу объема или веса муфты.
Приводы с ЭМС по своим конструктивным схемам и устройству
54
механической части отличаются большим разнообразием. Конструктивная
схема привода в ряде случаев
определяет величину минимального
воздушного зазора, что может повлиять на электромагнитные параметры
муфты скольжения.
Как правило, ЭМС применяемые для гибкого сцепления валов и
плавного регулирования скорости вращения выходного вала, состоят из двух
частей: индуктора и якоря. На рис. 5.5 показан вариант такой ЭМС. Индуктор
представляет собой электромагнит постоянного тока, магнитный поток
которого замыкается через якорь. Пусть, например, индуктор соединен с
ведущим валом, а якорь с ведомым валом (может быть и наоборот). При
вращении индуктора его магнитное поле будет вращаться относительно
якоря. В якоре при этом наводятся токи, которые, взаимодействуя с полем
индуктора, создают вращающий момент, увлекающий якорь в движение
вслед за индуктором.
Рис. 5.5. Электромеханическая муфта скольжения:
1 – якорь; 2 – индуктор; 3 – контактные кольца; 4 – обмотка индуктора;
5 – полюса индуктора.
55
Таким образом, эта муфта имеет индукционное управление. Принцип
действия ее такой же, как и асинхронного двигателя, только вращающееся
магнитное поле создается здесь не переменным многофазным током, а
вращением полюсов электромагнита постоянного тока.
В отличие от обычных асинхронных машин, в муфте, изображенной на
рис. 5.5, якорь - наружный, а индуктор находится внутри него. Однако
делаются муфты и с внутренним якорем. В муфтах скольжения, как и в
асинхронных двигателях, якорь выполняется в виде короткозамкнутой
обмотки – «беличье колесо», сплошного массивного ротора, а в
быстродействующих маломощных муфтах в виде полого ротора - стакана.
w
Mc
1
I = 1,0
0,8
0,5
0,5
0,05
0
0,1
0,5
0,2
1
M
1,5
Рис. 5.6. Статические характеристики ЭМС.
На рис. 5.6 показаны типичные статические характеристики муфты
скольжения: зависимость скорости ведомого вала от момента на нем при
разных значениях тока в обмотке индуктора. Если известна зависимость
момента сопротивления нагрузки от скорости ее вращения Mс = f(ω)
(пунктир на рис. 5.6), то, нанеся такую зависимость в той же системе
координат, по точкам пересечения характеристик муфты и нагрузки можно
построить результирующую статическую зависимость скорости вращения
нагрузки от тока в обмотке индуктора ω = f(I) или напряжения на ней.
ЭМС позволяют регулировать скорость нагрузки в диапазоне примерно
1:10. Такие муфты выполняются на мощности от десятков ватт до тысяч
киловатт. Как и муфты трения, они могут быть сделаны реверсивными.
56
Кроме того, применяются комбинированные муфты, где объединены
муфта скольжения с муфтой трения, последняя служит для жесткого
соединения валов после разгона нагрузки, осуществляемого с помощью
муфты скольжения.
Динамика муфты скольжения описывается такими же уравнениями, что
и ферропорошковой муфты трения.
Серийно выпускавшие комплектные привода серии ПМС состоят из
электродвигателя, муфты скольжения индукторного типа и автоматического
регулятора скорости. Они имеют шесть типоразмеров на вращающие
моменты от 1,7 до 30 Нм, могут использоваться в различных
производственных механизмах с постоянным и вентиляторными моментами
нагрузки. Технические данные этих приводов приведены в таблице 5.1.
В последствии привода с ЭМС серии ПМС были заменены на более
совершенные в конструктивном плане привода серии ПМС - М, имеющие в
основном аналогичные технические характеристики.
ЭМС серии ИМС также имеют шесть типоразмеров на моменты от 70
до 1600 Нм и предназначены для использования в качестве силового
электропривода, они применяются в основном для механизмов с
вентиляторной нагрузкой. Особенностью их конструкции является открытое
исполнение, что требует при монтаже применение защитных ограждений, а
также они поставляются без приводного электродвигателя. В
сельскохозяйственной автоматике привода серии ИМС практически не
используются.
Таблица 5.1. Технические данные приводов серии ПМС.
Показатели
ПМС
-0,17
ПМС - ПМС
0,4
0,6
- ПМС - 1
ПМС - 2 ПМС - 3
1
2
3
4
5
6
7
Номинальный
момент, Нм
1,7
4
6
10
20
30
Диапазон
регулирования
скорости,
об/мин
200 – 200 – 200
1100
1200
1300
– 250
1300
– 250
1300
– 270
1350
Число витков 800
обмотки
770
880
846
880
900
Диаметр
провода, мм
0,64
0,69
0,86
1,0
1,1
Сопротивление 20
обмотки, Ом
15
19
13
12
10
Номинальный
ток
1,5
1,7
2,0
2,0
2,2
0,51
1,2
57
–
возбуждения,
А
Мощность
0,27
электродвигате
ля, кВт
0,6
1,0
1,7
2,8
4,5
Номинальная
1460
скорость
вращения
электродвигате
ля, об/мин
1410
1410
1440
1440
1455
Вес
кг
45
54
120
145
300
привода, 20
Использование электромагнитных муфт скольжения. ЭМС широко
используются в качестве исполнительных элементов как в устройствах с
регулируемым электроприводом, так и в системах автоматического
управления. Они применяются для плавного изменения скорости вращения,
обеспечивают безударный пуск рабочих механизмов с большими маховыми
массами, используются для ограничения и регулирования вращающего
момента и в других случаях.
Плавное регулирование скорости вращения. Из рассмотрения
принципа действия ЭМС видно, что изменение ее скорости вращения
возможно за счет соответствующего изменения тока возбуждения муфты. В
связи с мягкими естественными характеристиками приходится применять
замкнутую систему автоматического регулирования скорости вращения. При
этом
за
счет
автоматического
изменения
тока
возбуждения,
компенсирующего отклонение скорости вращения от заданной, могут быть
обеспечены жесткие механические характеристики ЭМС. Изготовляются
комплектные электроприводы с использованием ЭМС, состоящие из
асинхронного двигателя, ЭМС и автоматического регулятора. Остановимся
на энергетических показателях такого электропривода.
Мощность потерь на скольжение расходуется на нагревание активной
поверхности якоря. При увеличении скольжения увеличивается ЭДС,
наводимая в якоре, что вызывает увеличение вихревых токов. В результате
джоулевые потери возрастают, вызывая нагрев якоря.
Мощность потерь ЭМС подсчитывается по формуле
Pн 
M  nд  s
; кВт,
975
где M - передаваемый момент, кгм; nд - скорость вращения

nд  nм 
 ; nм электродвигателя, об/мин; s – скольжение ЭМС  s 



скорость вращения ведомой части муфты.
58
nд

Коэффициент полезного действия муфты (без учета вентиляционных
потерь и потерь на возбуждение) равен
м  д  1  s  ,
где д – КПД электродвигателя.
Полученное выражение показывает, что КПД муфты тем ниже, чем
больше ее скольжение.
Коэффициент мощности привода с ЭМС зависит не от скорости
вращения, а от передаваемого момента. Также как у асинхронного
короткозамкнутого двигателя при полной загрузке муфты по моменту ее
cos максимален и равен номинальному значению cos электродвигателя.
Энергетические параметры привода с ЭДС при различных режимах показаны
на рис. 5.7. Последний режим работы (рис. 5.7 в) соответствует
вентиляторной нагрузке. Абсолютные потери при этом не превышают 17 %
максимальной мощности, передаваемой муфтой.
Для
этого
режима
выпускаются муфты как малой, так и большой мощности.
Для работы при постоянном моменте в связи с большими потерями на
скольжение мощность, передаваемая муфтой, не должна превышать 3-4 кВт.
Увеличение предельной мощности допустимо только для случаев повторнократковременного режима работы или режима, когда основное время работы
происходит при малых значениях скольжения.
Р,
кВт
100 10
,%
1
2
50
Р,
кВт
100 10
,%
Р,
кВт
100 10
1
50
2
,%
4
3,4
5
50
4
5
1 3
5
3
2
n,%
0
50
а)
100
0
50
б)
100
n,%
n,%
0
50
в)
100
Рис. 5.7. Энергетические параметры ЭМС в различных режимах работы:
а – М = const; б – Р = const; в – P  n ;
1 – потребляемая мощность; 2 – потери в муфте; 3 – полезная мощность на
ведомом валу; 4 – КПД муфты.
2
Релейные исполнительные механизмы. В системах автоматики
широко применяются элементы и устройства дискретного принципа
действия. Среди этих устройств одной из самых больших групп являются
реле. В системах управления и регулирования энергетических электрических
и энергомеханических потоков энергии релейные элементы применяются не
59
только как промежуточные и усилительные устройства автоматики, а также
они часто используются как оконечные выходные элементы этих систем. В
этом случае релейные элементы выполняют функции исполнительных
механизмов и называются релейными исполнительными механизмами
(РИМ). В настоящем пособии рассматриваются лишь те релейные элементы,
которые используются в системах автоматики в качестве РИМ.
В связи с широким внедрением полупроводниковой интегральной
техники область применения электромеханических устройств значительно
сузилась, но общее количество используемых реле из года в год растет,
причем в сельскохозяйственной автоматике они продолжают оставаться
основными элементами. Это объясняется тем, что электромеханические
устройства по сравнению с бесконтактными имеют ряд уникальных свойств:
полное отсутствие гальванической связи между входными и выходными
сигналами; возможность коммутации как постоянных, так и переменных
токов; допустимость значительных перегрузок в цепи контактов, как по току,
так и по напряжению; малые потери мощности в контактном переходе;
бесконечное отношение сопротивлений контакта в разомкнутом и замкнутом
состояниях; независимость от воздействия электрических и магнитных
полей; нечувствительность к температурным перегрузкам; высокая
электрическая прочность; простота в обслуживании и эксплуатации;
значительно низкая стоимость, чем у других типов реле и т. д.
В качестве РИМ в системах автоматики широко применяются:
электромагнитные реле, электромагнитные пускатели и контакторы,
герконовые реле и другие.
Общие сведения. Классификация электрических реле по принципу их
действия приведена на рис. 6.1.
РИМ представляет собой совокупность электромагнита, который
выполняет роль управляющего устройства, и перемещаемой им
механической нагрузки. Нагрузкой при этом могут быть, например,
разрывные контакты (в электромагнитных реле), реакция потока газа или
жидкости (в электромагнитных клапанах), регулирующий орган (задвижка
или заслонка) вместе с соответствующими возвратными пружинами,
противодействующими тяговым усилиям электромагнита. Следовательно,
РИМ в системах автоматики могут выполнять самые разнообразные
функциональные задачи.
60
Резонансные
Электротепловые
Герконовые
Электронные
Ферромагнитные
Индукционные
Электродинамические
Магнитоэлектрические
Электромагнитные
Электрические реле
Рис. 6.1. Классификация электрических реле по принципу действия.
Характеристики основных типов электрических реле приведены в таблице
6.1.
Таблица 6.1. Электрические реле.
Мощность Коммутируем
Тип реле
срабатыван ая мощность,
ия, Вт
Вт
Электромагни
10-3 - 103
0,1 - 104
тные
Магнитоэлект
10-9 - 10-4
0,1 - 2,0
рические
Электронные 10-12 - 10-8
10-3 - 102
Герконовые
10-4 - -10-3
0,1 - 103
Коэффициент Время
усиления по срабатывания
мощности, Кр , мс
10 - 105
1 - 200
104 - 108
10 - 500
104 - 108
104 - 106
10-6 - 10-5
10-3 - 10-2
Несмотря на различия в принципе действия и конструкции, свойства
реле характеризуются следующими основными параметрами:
1. Срабатывание - (Пср) минимальное значение входного сигнала, при
котором происходит переключение контактов реле, оно характеризует
чувствительность реле;
2. Отпускание - (Потп) максимальное значение входного сигнала, при
61
Хмах
котором происходит возврат реле в исходное состояние;
3. Коэффициент возврата - (Кв) связывает параметры срабатывания и
отпускания, он равен отношению параметра отпускания к параметру
срабатывания (Кв = Потп / Пср);
4. Рабочий параметр - (Пр) это установившееся значение входной
физической величины в номинальном режиме;
5. Коэффициент запаса при срабатывании - (Кз.ср) это отношение
рабочего параметра к параметру срабатывания (Кз.ср = Пр / Пср);
6. Коэффициент запаса при отпускании - (Кз.отп) это отношение
параметра отпускания к рабочему параметру (Кз.отп = Потп / Пр);
7. Время срабатывания - (tср) это интервал времени от момента
поступления сигнала управления на катушку реле до момента начала
действия контактов реле на управляемую цепь, т. е. до момента их полного
замыкания;
8. Время отпускания - (tотп) это интервал времени от момента снятия
сигнала управления на катушке реле до момента окончания действия
контактов реле на управляемую цепь, т. е. до момента их полного
размыкания;
9. Коэффициент усиления по мощности - (Кр) это отношение
номинальной коммутируемой контактами реле мощности нагрузки (Рнаг.н) к
номинальной потребляемой мощности катушки при срабатывании реле
(Ркон.н) , т. е. Кр = Рнаг.н / Ркон.н .
Эксплуатационные параметры РИМ, их надежность и коммутационная
способность в основном определяются режимами работы контактных групп
реле. Обычно подвижные контактные соединения, применяемые в реле,
называют просто контактами. При этом различают разомкнутые, замкнутые и
переключающиеся контакты – рис. 6.2.
1
2
5
3
а)
2
4
1
5 3
4
б)
2
4
1
2
в)
3
5
4
Рис. 6.2. Схемы контактного устройства:
а - с замыкающимся; б - с размыкающимся;
в - с переключающимися контактами;
1 - подвижный контакт; 2 - неподвижный контакт; 3,4 - плоские пружины;
5 – толкатель.
62
В процессе работы РИМ контакты могут находиться в одном из 4х
состояний: замкнутом, в процессе размыкания, разомкнутом и в процессе
замыкания. К тяжелым условиям работы контактов, при которых происходит
наибольший износ, относятся их замкнутое состояние, когда через контакты
протекает весь ток нагрузки, и процесс размыкания под нагрузкой, когда
между контактами возникает дуга.
Условия работы контактов, прежде всего, определяются величиной
напряжения в сети, мощностью и характером нагрузки (активная,
индуктивная или емкостная), а также частотой коммутации - числом
включений и отключений в единицу времени. Контакты принято
характеризовать
следующими
эксплуатационными
параметрами:
предельными значениями тока, напряжения, мощности и числом включений.
Предельно допустимый ток Iп - определяется температурой нагрева
контактов, при которой они еще не размягчаются и сохраняют необходимые
физико-химические свойства.
Предельно допустимое напряжение Uп - определяется напряжением
пробоя промежутка между разомкнутыми контактами.
Предельно допустимая мощность Рп - это мощность электрической
цепи, которую контакты могут разорвать без образования на них устойчивой
электрической дуги.
Явление искрения контактов наиболее развито в цепях постоянного
тока, так как запасенная в индуктивностях электромагнитная энергия при
разрыве цепи, исчезая, прерывается через расходящиеся контакты и вызывает
пробой воздушного промежутка. Это сопровождается эрозией, окислением и
разрушением контактов. Поэтому предельная допустимая мощность Рп
контактов в цепях переменного тока в 2 - 3 раза больше, чем в цепях
постоянного тока.
При замыкании контакты работают в облегченном режиме и могут
включать мощность, в 2 - 3 раза большую мощности Рп.
Во взрывоопасных, химически агрессивных средах и других
неблагоприятных условиях применяют вакуумные и ртутные (в частности,
герконовые) контакты, размещенные в герметически закрытых стеклянных
колбах.
РИМ имеют следующие виды статических характеристик (рис. 6.3):
- релейная нереверсивная (рис. 6.3 а);
- релейная реверсивная (рис. 6.3 б);
- релейная реверсивная двухпозиционная (рис. 6.3 в).
63
y
y
y
1
1
1
-x
x
-x
x
-1
-1
-x
x
-1
-y
в)
б)
Рис. 6.3. Статические характеристики реле:
а - нереверсивная; б - реверсивная; в - реверсивная двухпозиционная.
-y
-y
a)
Динамические характеристики РИМ, в общем виде описывающие
электромагнитные и механические переходные процессы, графическая
иллюстрация которых приведена на рис. 6.4, имеют вид
tср  t тр  tдв ;
I
I
tотп  t тр
 tдв
;
 К з.ср 
 К з.ср 
L


 ;   ,
t тр    ln
   ln
 К з.ср  1 
R
 Кв 


I ' - времена трогания соответственно при возрастании и
где t тр и t тр
уменьшении рабочего параметра Пр (например, входного напряжения на
I
катушке РИМ); t дв и t дв - времена движения соответственно при
возрастании и уменьшении Пр;  - постоянная времени обмотки управления;
L - индуктивность обмотки управления; R -активное сопротивление обмотки
управления; Кз.ср - коэффициент запаса при срабатывании; Кв коэффициент возврата.
I
Обычно значениями t дв и t дв ввиду их малости по сравнению с t тр и
I при проведении практических расчетов пренебрегают. Это объясняется
t тр
тем, что время перехода подвижных частей РИМ из одного состояния в
другое очень мало. Основное время занимает процесс нарастания рабочего
параметра (как правило, тока в катушке реле) до значения срабатывания и его
уменьшения после отключения до значения отпускания.
С учетом вышеизложенного передаточная функция РИМ имеет вид
апериодического звена первого порядка. Это является справедливым как при
питании катушки реле постоянным, так и переменным током.
64
Uу
t
а)
Iу
б)
t тр
t дв
t I тр
t I дв
t отп
t ср
Iн
в)
Рис. 6.4. Временные диаграммы срабатывания и отпускания реле:
а,б - процессы в обмотке реле; в - ток I=U/R, протекающий
через омическую нагрузку.
По основным электромеханическим параметрам РИМ рекомендуется
предусматривать эксплуатационные запасы. Наличие запасов позволяет
повысить надежность работы устройства и компенсировать неизбежные
погрешности в определении режимов и условий эксплуатации. Приведенные
в таблице 6.2 коэффициенты запаса представляют собой отношение
рекомендуемого эксплуатационного значения параметра к максимально
допустимому значению по паспортным данным.
Таблица 6.2. Коэффициенты запаса.
Параметр
Рабочий ток (напряжение)
Коммутируемое напряжение
Коммутируемый ток нагрузки:
активной
емкостной
индуктивной
Время срабатывания и отпускания
Количество срабатываний
Коэффициент
запаса
0,9 - 1,0
1,0
0,05 - 0,9
0,05 - 0,7
0,01 - 0,5
1,2
0,7
Определив требуемые параметры РИМ, необходимо по справочнику
65
выбрать соответствующий тип реле и его вид.
Электромагнитные релейные исполнительные механизмы. Из
группы РИМ наибольшее распространение получили электромагнитные реле.
Они подразделяются на реле постоянного и реле переменного тока. Реле
постоянного тока, в свою очередь, подразделяются на нейтральные и
поляризованные.
Нейтральные электромагнитные реле одинаково реагируют на
полярность входного сигнала постоянного тока (т.е. положение якоря не
зависит от направления тока в обмотке реле). Поляризованное реле реагирует
на полярность входного сигнала.
По характеру движения якоря электромагнитные нейтральные реле
подразделяются на два типа: с поворотным якорем и с втяжным якорем (рис.
6.5).
Обычно сердечник снабжается полюсными наконечниками, что
уменьшает магнитное сопротивление рабочего воздушного зазора.
При отсутствии управляющего сигнала якорь удален от сердечника на
максимальное расстояние за счет возвратной пружины. В этом случае одна
пара контактов замкнута (РК – размыкающиеся контакты), а другая пара разомкнута (ЗК – замыкающиеся контакты).
Рис. 6.5. Схемы электромагнитных реле:
а, b - клапанного типа; c - с втягиваемым внутрь катушки якорем; 1 - каркас
с обмоткой; 2 - ярмо; 3 - выводы обмотки; 4 - колодка; 5 - контактные
пружины; 6 - замыкающийся контакт ЗК; 7 - подвижные контакты; 8 размыкающиеся контакты РК; 9 - возвратная пружина; 10 - якорь; 11 - штифт
отлипания; 12 – сердечник.
Принцип действия реле (рис. 6.5) основан на следующем: при подаче
тока в обмотку (катушку) создается магнитный поток, который проходя через
сердечник, ярмо, якорь и воздушный зазор  создает магнитное (тяговое)
усилие, притягивающее якорь к сердечнику. При этом якорь, воздействуя на
66
колодку, перемещает ее таким образом, что контакты ЗК замыкаются, а РК размыкаются.
Таким образом, электромагнитное реле состоит из трех основных
частей: контактной системы, выполненной из материала нейзильбера,
магнитопровода (ярмо, сердечник, якорь), выполненные из мягкой стали, и
обмотки (катушки). Магнитную цепь составляют сердечник, якорь, ярмо и
воздушный зазор между якорем и сердечником.
Перемещение якоря электромагнитного реле происходит под
действием двух сил: силы тяги, обусловленной электромагнитным полем и
противодействующей силы, обусловленной упругой деформацией пружин.
Обе эти силы зависят от перемещения якоря, т.е. от величины зазора между
якорем и сердечником.
Зависимость между электромагнитной силой тяги Fэ и величиной зазора
называется тяговой характеристикой реле Fэ  f   . Зависимость между
противодействующей силой Fм и величиной зазора называется механической
характеристикой реле Fм  f   .
Значение электромагнитной силы при изменении воздушного зазора
описывается уравнением
Fэ 
2π  I  W 2  S
δ2
10 7 .
Отсюда следует, что электромагнитное (тяговое) усилие (сила
притяжения) прямо пропорционально квадрату магнитодвижущей силы
(IW), т.е. не зависит от направления тока в управляющей обмотке, и обратно
пропорционально квадрату длины воздушного зазора (2).
Тяговая характеристика представляет собой гиперболу (теоретическая
характеристика уходит в бесконечность при  =0 ), однако практически эта
характеристика отличается от гиперболы, что объясняется некоторой
приближенностью формулы, не учитывающей магнитное сопротивление
стальных элементов магнитопровода (сердечника, ярма и якоря).
Части магнитопровода реле после отключения обмотки питания
сохраняют некоторое намагничивание, обусловленное коэрцитивной силой.
Это намагничивание при   0 может создавать тяговое усилие,
достаточное для удержания якоря в притянутом состоянии. Может произойти
так называемое «залипание» якоря. Для исключения «залипания» на
вертикальной части якоря против оси сердечника (рис. 6.5 а, b) закрепляется
штифт (наклепки или прокладки) из немагнитного материала. При
притянутом якоре, благодаря наличию штифта, создается минимальный зазор
0  0,1мм . Наличие этого зазора облегчает отход якоря при обесточивании
обмотки реле.
По принципу действия реле переменного тока ничем не отличается от
электромагнитного реле постоянного тока. Это объясняется тем, что тяговое
усилие пропорционально квадрату намагничивающей силы и не зависит от
67
направления тока. Поэтому, хотя переменный ток периодически меняет свое
направление, знак тягового усилия не будет зависеть от направления тока,
оставаясь неизменным.
Электромагнитная сила, создаваемая обмоткой реле переменного тока
равна
Fэ  Fэmax  sin 2 w  t  
где
Ф 2 max
Fэ max 
2  0  S
Fэmax
 1  cos2w  t ,
2
-
максимальное
амплитудное
значение
электромагнитной силы, создаваемой катушкой реле.
i
t
T  2 w
Fэmax
Fэ
t
Рис. 6.6. Изменение тока и характеристика реле переменного тока.
Как видно из этой формулы, тяговое усилие колеблется с двойной
частотой 2  w и не меняет своего знака (рис. 6.6), но дважды за период
питающего напряжения обращается в нуль. Следовательно, якорь реле может
вибрировать, периодически втягиваться от сердечника противодействующей
пружиной, что вызывает дрожание якоря и, как следствие, быстрый износ
контактов.
Для устранения этого недостатка используют три способа:
1. Применение утяжеленного якоря. Утяжеленный якорь благодаря
большой инерции не может вибрировать с удвоенной частотой ( 2  w ), т.е. он
не успевает отходить от сердечника в те моменты времени, когда ток в
обмотке реле переходит через нуль. Вибрация якоря в этом случае
уменьшается. Однако применение утяжеленного якоря вызывает увеличение
его размеров, что приводит к уменьшению чувствительности реле, кроме
того, габариты, вес и стоимость реле увеличиваются. Значительно
ухудшаются временные параметры реле.
68
2. Применение двухфазного реле. Двухфазное реле имеет две обмотки,
расположенные на двух сердечниках, имеющих общий якорь. Обмотки реле
соединены параллельно относительно друг друга. В цепь одной из обмоток
включен конденсатор С, благодаря чему токи в обмотках реле будут
сдвинуты по фазе на угол  2 . Следовательно, и тяговые усилия,
развиваемые обмотками будут также сдвинуты по фазе на 90 0 . Это значит,
что в момент, когда тяговое усилие, развиваемое одной обмоткой равно
нулю, то тяговое усилие, развиваемое другой обмоткой в этот момент будет
иметь максимальное значение. Поэтому в любой момент времени
результирующее усилие не будет равно нулю, т. е.
Fэрез  Fэ1  Fэ2  Fэ1max  sin 2 w  t   Fэ2max  sin 2 w  t   2 .
Обычно магнитные потоки, развиваемые обмотками реле, равны. Тогда
Fэ  Fэ1  Fэ2 , а результирующее усилие равно
Fэрез  Fэ  [sin 2 w  t   cos2 w  t ]  const .
3. Применение короткозамкнутого витка. Короткозамкнутый виток
(экран) охватывает часть конца сердечника (расщепленный сердечник) и
является наиболее эффективным способом устранения явления дребезга
контактов у реле переменного тока.
На рис. 6.7а изображена схема реле переменного тока с короткозамкнутым
витком. Конец сердечника, обращенный к якорю, расщеплен (пропилен) на
две части, на одну из которых надета короткозамкнутая обмотка - экран Э
(один или несколько витков). Магнитопровод выполняют из отдельных
листов для уменьшения потерь.
Принцип работы реле заключается в следующем. Переменный
магнитный поток Фосн основной обмотки Wобм , проходя через
разрезанную часть сердечника, делится на две части. Часть потока Ф1
проходит через экранированную половину полюса сердечника S2, в которой
размещается короткозамкнутая обмотка (экран), а другая часть потока Ф1
проходит через неэкранированную половину полюса сечением S1 . Поток Ф2
наводит в короткозамкнутом витке ЭДС (eкз), которая создает ток iкз (на
рис. 6.10 б разрез паза показан в увеличенном масштабе). При этом возникает
еще один магнитный поток Фкз, который воздействует на магнитный поток
Ф2 и вызывает отставание этого потока по фазе относительно потока Ф1 на
угол φ = =60...80 0 . Благодаря этому результирующее тяговое усилие Fэ
никогда не доходит до нуля, так как оба потока проходят через нуль в разные
моменты времени.
69
Рис. 6.7. Реле переменного тока с короткозамкнутым витком.
Результирующее тяговое усилие, создаваемое обоими потоками, равно
2
Ф1max
Ф 22max
2
Fэрез 
sin w  t  
 sin 2 w  t    
2  0  S1
2  0  S2
 Fэ1  Fэ2  Fэср  Fэ ;
1
Fэср  (Fэ1max  Fэ2max );
2
1
Fэ  {Fэ1max  cos2w  t   Fэ2max  cos[2w  t   ]};
2
2
2μ 0  S1;
Fэ1max  Ф1max
Fэ2max  Ф 22max 2μ 0  S2 .
Для полного устранения переменной составляющей тягового усилия
необходимо выполнить следующие условия
1) чтобы Fэ1max  Fэ2 max , т.е. Ф1 max Ф 2 max  S1 S2 ;
2) чтобы фазовый угол  между потоками Ф1 и Ф2 был равен  2 .
Последнее условие выполнить невозможно вследствие наличия
активных
потерь
в
короткозамкнутом
витке
(сопротивление
короткозамкнутого витка не может быть равно нулю). Практически фазовый
2
70
2
сдвиг  может достигать 60-80 0 и, следовательно, тяговое усилие содержит
переменную составляющую, но в меньших пределах, чем у реле, не
имеющего короткозамкнутой обмотки и расщепленного сердечника. Среднее
тяговое усилие Fэср при наличии экрана меньше тягового усилия Fэoср без
экрана. Кроме того, для надежной работы реле необходимо, чтобы
минимальное усилие Fэmin было как можно больше, так как именно это
усилие определяет допустимую нагрузку реле без вибрации. Величина Fэmin
зависит от степени охвата сердечника короткозамкнутой обмотки и других
факторов. Опытным путем установлено, что наивыгоднейшие параметры
короткозамкнутой обмотки могут быть получены при условии, если площадь
поперечного сечения экранированного полюса будет в два раза больше
площади поперечного сечения неэкранированного полюса, т.е. S2=2S1.
Вопросы для самоконтроля:
1. С помощью каких устройств регулируют потоки газообразных
веществ?
2. С помощью каких устройств регулируют энергетические потоки?
3. Из каких элементов состоит исполнительный механизм?
4. По каким признакам принято различать исполнительные механизмы?
5. Какие требования предъявляются к исполнительным механизмам?
6. С какой целью применяют шаговые электродвигатели?
7. Чем отличаются однооборотные электродвигательные исполнительные
механизмы от многооборотных?
8. Какие виды электродвигателей чаще всего применяются в
электродвигательных исполнительных механизмах малой мощности?
9. Что используется для уменьшения выбега двигателя и улучшения
качества регулирования?
10.Какие основные технические требования предъявляются к
электродвигательным исполнительным механизмам?
11.Укажите характерную особенность электромагнитных исполнительных
механизмов?
12.Способны ли электромагнитные исполнительные механизмы работать
на постоянном токе?
13.Как различаются электромагнитные исполнительные механизмы по
конструктивному исполнению?
14.Каким образом различаются электромагнитные исполнительные
механизмы по принципу действия?
15.Каким образом различаются электромагнитные исполнительные
механизмы по назначению?
16.Какие электромагниты применяют, как правило, в электромагнитных
муфтах трения?
17.Как определить передаваемый муфтой вращательный момент?
18.Как определяется тяговое усилие от электромагнита?
71
19.Охарактеризуйте этапы переходного процесса от момента подачи
напряжения на обмотку муфты, когда ведомый вал неподвижен, до
установления постоянной скорости вращения ведомого вала.
20.Какими преимуществами обладают электромагнитные муфты
скольжения по сравнению с электромагнитными муфтами трения?
21.Почему у реле переменного тока знак тягового усилия не зависит от
направления тока?
22.С какой целью в реле переменного тока применяют утяжеленный
якорь?
23.Сколько обмоток имеет двухфазное реле и как они соединены?
24.Почему магнитопровод реле переменного тока с короткозамкнутым
витком выполняют из отдельных листов?
25.Как работает реле переменного тока с короткозамкнутым витком?
ТЕСТ 2.
Из предложенных Вам ответов на данный вопрос выберите
правильный.
2.1.Какой вид оптического кабеля используют для связи на короткие
расстояния?
а) Одномодовые волокна.
б) Многомодовые волокна.
в) Инфра-волокна..
2.2. Какова пропускная способность оптоволоконной линии между
Москвой и Петербургом?
а) 622 Мбит/c.
б) 2.5 Гбит/c.
в) 10 Гбит/c.
2.3.Для чего предназначены исполнительные механизмы?
а) для управления регулирующими органами.
б) для внесения изменений в работу контроллера..
в) для сбора информации.
2.4.Какие
наиболее
важные
требования
предъявляют
к
исполнительным механизмам?
а) компактность.
б) устойчивая работа в агрессивных условиях (широкие пределы
изменения влажности и температуры, наличие примесей, пыли).
в) энергосбережение.
2.5 Чем регулируют потоки газообразных веществ?
а) включением или отключением компрессорных или вентиляционных
установок.
б) автотрансформаторами.
в) редукторами.
72
ТЕСТ 3.
Из предложенных Вам ответов на данный вопрос выберите
правильный.
3.1.Какие виды электродвигательных исполнительных механизмов
малой мощности получили большее распространение?
а) трехфазные с короткозамкнутым или фазным ротором.
б) двухфазные асинхронные двигатели или двигатели постоянного тока
в) с поступательным перемещением выходного штока.
3.2.Что
понимается
под
выражением
однооборотные
электродвигательные исполнительные механизмы ?
а) электродвигатели с углом поворота выходного вала до 360°.
б) выходной вал электродвигателя может совершать большое число
оборотов.
в) выходной вал электродвигателя неподвижен.
3.3.В чем преимущество способа управления двигателем со стороны
якоря ?
а) он позволяет получить широкий диапазон регулирования скорости.
б) он позволяет добиться плавности регулирования.
в) оба вышеперечисленных варианта.
3.4.Из какого материала выполняют якорь электродвигателя для
обеспечения демпфирования ?
а) алюминий.
б) медь.
в) сталь.
3.5 Каким способом может быть осуществлено реверсирование
двигателя?
а) полупроводниковым коммутатором путем взаимного переключения
начала и концов обмоток.
б) изменением фазы входного напряжения.
в) изменением величины входного тока.
ТЕСТ 4.
Из предложенных Вам ответов на данный вопрос выберите
правильный.
4.1.Для чего служат исполнительные электромагнитные механизмы?
а) для преобразования электрического тока в механическое
перемещение.
б) для торможения электродвигателя.
в) для управления электродвигателем.
4.2.В чем различия исполнительных электромагнитных механизмов по
сравнению с обычными исполнительными механизмами?
а) ЭМИМ по сравнению с электродвигательными ИМ отличаются
простотой конструкции и схем управления.
73
б) меньшими весом и размерами и значительно меньшей стоимостью.
Кроме того, благодаря отсутствию редуктора они более надежны в
эксплуатации.
в) оба вышеперечисленных варианта.
4.3. В чем особенность нейтральных электромагнитов постоянного
тока?
а) они не реагируют на полярность напряжения питания.
б) они позволяют добиться плавности регулирования.
в) они потребляют малую мощность.
4.4.В чем особенность соленоидных электромагнитов постоянного
тока?
а) они имеют большой ход якоря и обладают высоким
быстродействием.
б) они имеют поступательные движения якоря.
в) они имеют небольшое движение якоря.
4.5 Сравните потребление
электроэнергии электромагнитами
переменного
и постоянного тока при одинаковых совершенных
механических работах?
а) электромагниты переменного тока потребляют
меньше
электроэнергии, чем электромагниты постоянного тока.
б) электромагниты переменного тока потребляют
больше
электроэнергии, чем электромагниты постоянного тока.
в) электромагниты переменного тока потребляют такое же количество
электроэнергии, как и электромагниты постоянного тока.
ТЕСТ 5.
Из предложенных Вам ответов на данный вопрос выберите
правильный.
5.1.Для чего служит муфта?
а) служит для сцепления двух валов, т.е. для передачи вращающего
момента с одного вала (ведущего) на другой (ведомый).
б) служит для торможения электродвигателя.
в) служит для изменения скорости вала двигателя.
5.2.В чем особенность муфт релейного действия?
а) они осуществляют жесткое сцепление валов при подаче сигнала
б) они могут сделать значительно меньше момента инерции.
в) муфты релейного действия способны выдерживать значительные
перегрузки.
5.3.Чем
отличаются
исполнительные
механизмы
с
электромеханическими муфтами от электродвигательных?
а) более простой конструкцией, низкой стоимостью, высокой
надежностью и долговечностью.
б) более сложной конструкцией, высокой стоимостью.
в) они потребляют малую мощность.
5.4.сколько бывает видов муфт с электромагнитным управлением?
74
а) 2.
б) 3.
в) 4
5.5 В каких механизмах применение электромеханических муфт
наиболее целесообразно?
а) В тех механизмах, где стоимость израсходованной энергии
составляет небольшую долю себестоимости продукции.
б) В тех механизмах, в которых повышение надежности, а,
следовательно, уменьшение простоев и брака, как правило, окупает
увеличение расхода энергии.
в) В тех механизмах, в которых низкая себестоимость этих ИМ
приводит к минимуму расчетных затрат.
ТЕСТ 6.
Из предложенных Вам ответов на данный вопрос выберите
правильный.
6.1.Что называется релейными исполнительными механизмами?
а) релейные элементы, выполняющие функции исполнительных
механизмов.
б) релейные элементы, служащие для изменения скорости вала
двигателя.
в) специальные устройства – герконы.
6.2.В чем особенность релейных исполнительных механизмов?
а) они осуществляют жесткое сцепление валов при подаче сигнала.
б) они представляют собой совокупность электромагнита, который
выполняет роль управляющего устройства, и перемещаемой им
механической нагрузки
в) они способны осуществлять управление электродвигателем.
6.3.Какова особенность коэффициента возврата?
а) коэффициентом возврата связывает параметры срабатывания и
отпускания.
б)коэффициент возврата равен отношению параметра отпускания к
параметру срабатывания.
в) верны оба вышеперечисленных варианта.
6.4. сколько бывает состояний у релейных исполнительных
механизмов?
а) 2.
б) 3.
в) 4
6.5 на сколько типов по характеру движения якоря подразделяют
электромагнитные нейтральные реле?
а) 1.
б) 2.
в) 3.
75
ТЕМА 3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ НА
ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
При создании современных АСУТП наблюдается мировая интеграция и
унификация технических решений. Фирмы-разработчики сосредоточивают
свои ресурсы на том, что они умеют делать лучше других, заимствуя лучшие
мировые достижения в остальных областях, становясь тем самым
системными интеграторами. Основное требование современных систем
управления - это открытость системы. Система считается открытой, если
для нее определены и описаны используемые форматы данных и
процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней «внешние»
независимо разработанные компоненты. Архитектура ibm pc занимает ведущее
место в области автоматизации.
В настоящее время автоматизация большинства технологических
процессов осуществляется на базе универсальных микропроцессорных
контроллерных средств, которые в России получили название программнотехнических комплексов (ПТК).
Программно-технические
комплексы
представляют
собой
совокупность
микропроцессорных
средств
автоматизации
(микропроцессорных контроллеров, устройств связи с объектом УСО),
дисплейных пультов оператора и серверов различного назначения,
промышленных сетей, которые позволяют связать перечисленные
компоненты, программного обеспечения контроллеров и дисплейных
пультов оператора. ПТК предназначены, в первую очередь, для создания
распределенных систем управления технологическими процессами
различной информационной мощности (от десятков входных/выходных
сигналов до сотни тысяч) в самых разных отраслях промышленности.
Широкому распространению ПТК в значительной мере способствовали
улучшение элементной базы для создания малогабаритных и
быстродействующих
микроконтроллеров,
повышение
надежности
управляющих
вычислительных
сетей,
разработка
эффективного
программного обеспечения для промышленных контроллеров и
операторских станций. В настоящее время на российском рынке нашли
распространение свыше сотни ПТК отечественного и зарубежного
производства. Среди отечественных выгодно выделяются ПТК Квинт,
Саргон, КРУГ, Круиз, Дирижер, Техноконт, Деконт.
1. Классификация
Все универсальные микропроцессорные ПТК подразделяются на классы,
каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций
и соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об
объекте управления.
1. Контроллер на базе персонального компьютера (PC)
Это направление существенно развилось в последнее время, что объясняется, в первую очередь, следующими причинами:
76
• повышением надежности рс;
• наличием множества модификаций персональных компьютеров в
обычном и промышленном исполнении;
• использовании открытой архитектуры;
• легкости подключения любых блоков ввода/вывода (модулей усо),
выпускаемых третьими фирмами;
• возможностью использования широкой номенклатуры наработанного
программного обеспечения (операционных систем реального времени, баз
данных, пакетов прикладных программ контроля и управления).
Контроллеры на базе pc, как правило, используют для управления небольшими замкнутыми объектами в промышленности, в специализированных системах автоматизации в медицине, научных лабораториях,
средствах коммуникации. общее число входов/выходов такого контроллера
обычно не превосходит нескольких десятков, а набор функций
предусматривает сложную обработку измерительной информации с
расчетом нескольких управляющих воздействий. рациональную область
применения контроллеров на базе pc можно очертить следующими
условиями:
• выполняется большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени при небольшом количестве входов и выходов объекта
управления (необходима большая вычислительная мощность);
• средства автоматизации работают в окружающей среде, не
слишком отличающейся от условий работы офисных персональных
компьютеров;
На рынке контроллеров на базе pc в России успешно работают кампании: octagon, advantech, analog devices и др. многие российские фирмы
закупают компьютерные платы и модули ввода/вывода этих фирм и строят
из них контроллеры.
2. Локальный программируемый контроллер (plc)
В настоящее время в промышленности используется несколько типов
локальных контроллеров.
а) встраиваемый в оборудование и являющийся его неотъемлемой
частью. Такой контроллер может управлять станком с чпу, современным
интеллектуальным аналитическим прибором, автомашинистом и другим
оборудованием. Выпускается на раме без специального кожуха, поскольку
монтируется в общий корпус оборудования.
б) автономный, реализующий функции контроля и управления небольшим достаточно изолированным технологическим объектом, как,
например, районные котельные, электрические подстанции. Автономные
контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные
условия окружающей среды. Почти всегда эти контроллеры имеют порты
для соединения в режиме «точка-точка» с другой аппаратурой и
интерфейсы, которые могут через сеть связывать их с другими средствами
77
автоматизации. в контроллер встраивается или подключается к нему
специальная панель интерфейса с оператором, состоящая из алфавитноцифрового дисплея и набора функциональных клавиш.
Контроллеры данного класса, как правило, имеют небольшую или
среднюю вычислительную мощность.
Локальные контроллеры чаще всего имеют десятки входов/выходов от
датчиков и исполнительных механизмов, но существуют модели
контроллеров, поддерживающие свыше сотни входов/выходов.
Контроллеры реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, блокировок, регулирования и программнологического управления. Многие из них имеют один или несколько физических портов для передачи информации на другие системы автоматизации.
В этом классе следует выделить специальный тип локальных контроллеров, предназначенных для систем противоаварийной защиты. Они
отличаются особенно высокой надежностью, живучестью и быстродействием. В них предусматриваются различные варианты полной
текущей диагностики неисправностей с локализацией их до отдельной
платы, резервирование как отдельных компонентов, так и всего устройства в
целом.
3. Сетевой комплекс контроллеров (plc, network).
Сетевые птк наиболее широко применяются для управления производственными процессами во всех отраслях промышленности. Минимальный состав данного класса птк подразумевает наличие следующих
компонентов:
• набор контроллеров;
• несколько дисплейных рабочих станций операторов;
• системную (промышленную) сеть, соединяющую контроллеры
между собою и контроллеры с рабочими станциями.
Контроллеры каждого сетевого комплекса, как правило, имеют ряд
модификаций, отличающихся друг от друга быстродействием, объемом
памяти, возможностями по резервированию, способностью работать в
разных условиях окружающей среды, числом каналов ввода/вывода. Это
облегчает использование сетевого комплекса для разнообразных технологических объектов, поскольку позволяет наиболее точно подобрать
контроллеры под отдельные элементы автоматизируемого объекта и разные
функции контроля и управления.
В качестве дисплейных рабочих станций (пультов оператора) почти
всегда используются персональные компьютеры в обычном или промышленном исполнении, большей частью с двумя типами клавиатур
(традиционной алфавитно-цифровой и специальной функциональной), и
оснащенные одним или несколькими мониторами, имеющими большой
экран.
78
Промышленная сеть может иметь различную структуру: шину, кольцо,
звезду; она часто подразделяется на сегменты, связанные между собой
повторителями и маршрутизаторами. к передаче сообщений предъявляются
жесткие
требования:
они
гарантированно
должны доставляться
адресату, а для сообщений высшего приоритета, например, предупреждающих об авариях, также следует обеспечить указанный срок
передачи сообщений.
В этом классе птк выделяют телемеханический тип сетевого комплекса
контроллеров,
предназначенный
для
автоматизации
объектов,
распределенных на большой области пространства.
Промышленная сеть с характерной структурой и особые физические
каналы связи (радиоканалы, выделенные телефонные линии, оптоволоконные кабели) позволяют интегрировать узлы объекта, отстоящие друг от
друга на многие десятки километров, в единую систему автоматизации.
Рассматриваемый класс сетевых комплексов контроллеров имеет
верхние ограничения как по сложности выполняемых функций (измерения,
контроля, учета, регулирования и блокировки), так и по объему автоматизируемого объекта (в пределах тысяч измеряемых и контролируемых
величин).
Чаще всего сетевые комплексы применяются на уровне цехов машиностроительных заводов, агрегатов нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств, а также цехов предприятий пищевой
промышленности. телемеханические сетевые комплексы контроллеров
используются для управления газо- и нефтепроводами, электрическими
сетями, транспортными системами.
4. Распределенные маломасштабные системы управления (dcs,
smoller scale).
Этот класс микропроцессорных птк превосходит большинство сетевых
комплексов контроллеров по мощности и сложности выполняемых функций.
В целом, этот класс еще имеет ряд ограничений по объему автоматизируемого производства (порядка десятка тысяч контролируемых
параметров) и набору реализуемых функций. Основные отличия от
предшествующего класса заключаются в несколько большем разнообразии
модификаций контроллеров, блоков ввода/вывода, большей мощности
центральных процессоров, более развитой и гибкой сетевой структуре. Как
правило, птк этого класс имеет развитую многоуровневую сетевую
структуру. Так нижний уровень может выполнять связь контроллеров и
рабочей станции компактно расположенного технологического узла, а
верхний уровень поддерживать взаимодействие нескольких узлов друг с
другом и с рабочей станцией диспетчера всего автоматизируемого участка
производства. На верхнем уровне (уровне рабочих станций операторов) эти
комплексы,
по
большей
части,
имеют
достаточно
развитую
информационную сеть. В некоторых случаях расширение сетевой
структуры идет в направлении применения стандартных цифровых полевых
79
сетей, соединяющих отдельные контроллеры с удаленными от них блоками
ввода/вывода и интеллектуальными приборами. Подобная простая и
дешевая сеть соединяет по одной витой паре проводов контроллер с
множеством интеллектуальных полевых приборов, что резко сокращает
длину кабельных сетей на предприятии и уменьшает влияние возможных
помех, поскольку исключается передача низковольтной аналоговой
информации на значительные расстояния.
Мощность контроллеров, применяемых в этом классе средств, позволяет в дополнение к типовым функциям контроля и управления
реализовывать более сложные и объемные алгоритмы управления
(например, самонастройку алгоритмов регулирования, адаптивное
управление).
Маломасштабные распределенные системы управления используются
для автоматизации отдельных средних и крупных технологических
объектов предприятий непрерывных отраслей промышленности, а также
цехов и участков дискретных производств и цехов заводов черной и цветной
металлургии.
5. Полномасштабные распределенные системы управления (dcs, full
scale).
Это наиболее мощный по возможностям и охвату производства
класс контроллерных средств, практически не имеющий границ ни по
выполняемым на производстве функциям, ни по объему автоматизируемого
производственного объекта. одна такая система может использоваться для
автоматизации производственной деятельности целого крупномасштабного
предприятия.
ТЕМА 4. ИНТЕРФЕЙСНЫЕ








УСТРОЙСТВА
В группу интерфейсных устройств, входят:
параллельные порты ввода-вывода;
последовательный порт SHI;
последовательный порт UART;
таймеры-счетчики общего назначения:
сторожевой таймер;
аналого-цифровой преобразователь;
аналоговый компаратор;
блок прерываний.
Параллельный порт ввода-вывода (Port,P).
Предназначен для ввода и вывода данных. Микроконтроллеры
семейства AVR имеют от одного до шести портов. Порт может иметь от трех
до восьми выводов.
Вывод порта может работать в режиме входа или в режиме выхода.
Направление передачи бита устанавливается для каждого вывода в
отдельности.
80
Некоторые выводы портов кроме ввода и вывода битов данных могут
использоваться для выполнения альтернативных функций при работе других
устройств.
Последовательный порт ввода-вывода SPI.
Предназначен для ввода и вывода байтов при обмене данными с
другими устройствами, имеющими порт SPI. Обмен выполняется под
управлением тактового сигнала порта. Устройство, инициализирующее
обмен и вырабатывающее тактовый сигнал, является ведущим (master).
Устройство, выполняющее обмен при поступлении тактового сигнала
является ведомым (slave). В процессе обмена оба устройства
последовательно бит за битом одновременно выдают и принимают байт.
Обмен выполняется с использованием трех шин.
Максимальная скорость приема/передачи (в битах в сек.) равна ¼
частоты тактового сигнала микроконтроллера.
К одному ведущему устройству могут быть подключены несколько
ведомых. Функции ведущего и ведомого могут меняться в процессе работы
системы.
Порт SPI, который может работать в режиме ведущего и ведомого и
использоваться для обмена данными в процессе работы, имеется у
микроконтроллеров типа 4433, 8515, 8535, m163 и m103. Микроконтроллеры
других типов (кроме t11 и t28) имеют порт SPI, который может работать
только в режиме ведомого и используется при программировании
микроконтроллера без дополнительного источника питания.
Последовательный порт ввода-вывода UART.
Предназначен для передачи и приема байтов данных по
двухпроводным линиям связи (например, по интерфейсу RS-232C или
«токовая петля»). Прием и передача могут вестись одновременно. При
передаче байта формируется последовательность из десяти или одиннадцати
битов (кадр), содержащая стартовый бит, имеющий нулевое значение, восемь
битов байт(D0,…D7) и стоповый бит, имеющий единичное значение. Между
старшим битом байта (D7) и стоповым битом может помещаться
дополнительный бит.
Таймер-счетчик общего назначения.
Предназначен для формирования запроса прерывания при истечении
заданного интервала времени (режим таймера) или свершении заданного
числа событий (режим счетчика). Микроконтроллеры семейства AVR могут
иметь от одного до трех таймеров-счетчиков общего назначения T/CX (X –
номер таймера-счетчика, X=0, 1, 2).
Основным элементом таймера-счетчика является базовый счетчик,
который ведет счет на сложение. При его переполнении формируется запрос
прерывания T/CX OVF.
Таймер-счетчик общего назначения может выполнять дополнительные
функции:
 функцию захвата;
81
 функцию сравнения;
 функцию широтно-импульсного модулятора;
 функцию счета реального времени.
Функция захвата заключается в запоминании кода, сформированного
в базовом счетчике, в специальном регистре захвата при изменении значения
определенного внешнего или внутреннего сигнала. При этом формируется
запрос прерывания T/CX CAPT.
Функция сравнения заключается в изменении значения сигнала на
определенном
выходе микроконтроллера при совпадении кода,
формируемого в базовом счетчике, с кодом в специальном регистре
сравнения. При этом формируется запрос прерывания T/CX COMP.
Функция широтно-импульсного модулятора (PWM) заключается в
формировании на определенном выходе микроконтроллера импульсной
последовательности с заданным периодом повторения и длительностью
импульсов.
Функции сравнения и ШИМ реализуются с использованием одного и
того же оборудования. Выбор нужной функции выполняется программными
средствами.
Функция счета реального времени реализуется в таймере-счетчике
при использовании дополнительного внутреннего генератора с внешним
кварцевым резонатором с частотой 32768 Гц (часовой кварц). При этом
параметры процессов в таймере-счетчике с высокой точностью привязаны к
единице измерения реального времени – секунде.
В зависимости от разрядности счетчика и выполняемых
дополнительных функций могут быть выделены пять типов таймеровсчетчиков общего назначения, входящих в группу периферийных устройств
микроконтроллеров семейства AVR.
Тип А. 8-разр. т-сч. без дополнительных функций (8515).
Тип В. 8-разр. т-сч. с функцией сравнения/ШИМ.
Тип С. 8-разр. т-сч. с функцией сравнения/ШИМ и функцией счета
реального времени.
Тип D. 16-разр.т-сч. с функциями захвата и сравнения/ШИМ.
Тип Е. 16-разр.т-сч. с функцией захвата и двумя каналами для
выполнения функций сравнения/ШИМ (8515).
Сторожевой таймер предназначен для ликвидации последствий сбоя в
ходе программы путем перезапуска микроконтроллера при обнаружении
сбоя. Сторожевой таймер имеется у микроконтроллеров всех типов.
82
Аналого-цифровой компаратор сравнивает по величине аналоговые
сигналы, поступающие на два входа микроконтроллера, и формирует запрос
прерывания ANA COMP, когда разность их значений меняет знак. При этом
также может быть выдан сигнал для выполнения функции захвата в таймересчетчике общего назначения.
Блок прерываний организует переход к выполнению прерывающей
программы при поступлении запроса прерывания, если прерывание по
данному запросу разрешено и он имеет более высокий приоритет, чем другие
запросы, поступившие одновременно с ним.
Прерывание разрешено, если разряд I регистра SREG находится в
единичном состоянии и в единичном состоянии находится разряд,
разрешающий/запрещающий
прерывание
по
данному
запросу,
расположенный в одном из регистров ввода-вывода. Приоритетность
запросов задана аппаратно.
При переходе к выполнению прерывающей программе разряд I
регистра SREG сбрасывается в нулевое состояние и сохраняется в этом
состоянии до завершения прерывающей программы. Разряд I может быть
переведен в единичное состояние по команде в прерывающей программе.
Запросы в блок прерываний поступают из внешних источников и
источников, расположенных во внутренних устройствах микроконтроллера.
Общее число запросов прерывания у микроконтроллеров разных типов
различное, у 8515 – 13 запросов.





В семействе AVR система команд у микроконтроллеров разных типов
содержит от 89 до 130 команд. У МК 2323, 2343, 2313, 4433, 8515 и 8535 в
систему команд входят 118 команд. Эту систему команд называют базовой.
Базовая система команд содержит6
33 команды регистровых операций, при выполнении которых используются
только регистры общего назначения (команды №1-33);
26 команд с обращением по адресу в адресном пространстве SRAM (команды
№34-59);
2 команды с обращением к регистрам ввода-вывода (команды№60 и 61);
1 команда с обращением к FlashROM (команда №62);
22 команды операций с битами в разрядах регистров общего назначения и
регистров ввода-вывода (команды №63-84);
* 34 команды управления ходом программы (команды №85-118).
При разработке программы работы микроконтроллера кроме
мнемокодов команд используются директивы ассемблера и другие средства
ассемблера.
83
ТЕМА 5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
УПРАВЛЯЕМЫХ ПРИВОДОВ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
В настоящее время получили свое развитие регулируемые
электроприводы с управляемым преобразователем и системами управления,
оптимально приспособленными по энергетическим и технологическим
показателям.
Управляемые преобразователи электроэнергии выполняются как
полупроводниковые, в виде неуправляемых и управляемых выпрямителей,
автономных инверторов напряжения (АИН) и тока (АИТ) инверторов,
ведомых сетью, преобразователей частоты с непосредственной связью. Для
устранения искажения формы напряжения сети в преобразователях
применяют фильтрокомпенсирующие устройства. Виды преобразователей и
их комбинации определяются типом электродвигателя и задачами
управления, мощностью, диапазоном регулирования, необходимостью
рекуперации энергии в сеть, влиянием преобразователей на питающую сеть.
Существуют следующие тенденции развития преобразователей:
расширение границ применения полностью управляемых приборов
(транзисторов мощностью до 3…5 МВт, тиристоров мощностью до
5…20 МВт); распространение методов широтно-импульсной модуляции
(ШИМ);
блочные принципы построения преобразователей на основе
унифицированных силовых гибридных модулей, выполняемых на базе
транзисторов и тиристоров; возможность выполнения преобразователей
постоянного и переменного тока и их комбинаций на единой конструктивной
основе, в том числе на базе интеллектуальных силовых модулей.
ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРИВОД С ШИМПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ
АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
1.1 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
За счет высокой выносливости, надежности, низкой стоимости и высокого
к.п.д. (80%) асинхронные электродвигатели широко используются в бытовых
электроприборах
(стиральные
машины,
вытяжки,
промышленных
электроприводах
(управление
движением,
центробежные
насосы,
робототехника и др.); автомобилях (электромобили).
Однако недостатком асинхронных двигателей является работа только на
номинальной скорости при подключении к сети. Это является причиной,
почему преобразователи частоты необходимы для регулировки частоты
вращения асинхронных электродвигателей. Наиболее популярным
алгоритмом управления трехфазным асинхронным электродвигателем
является
алгоритм
с
поддержанием
постоянства
отношения
напряжение/частота (правило Костенко) и использованием обычного
84
широтно-импульсного модулированного (ШИМ) управления инвертором
напряжения, как показано на рисунке 1.
Рис. 1. - Типичная структура инверторного асинхронного привода.
1.2. Принцип действия
1.2.1 Асинхронный электродвигатель
В
противоположность
коллекторным
и
бесколлекторным
электродвигателям постоянного тока асинхронные электродвигатели не
содержат постоянных магнитов. Ротор выполнен в виде короткозамкнутой
обмотки ("беличья клетка"), в которой вращающееся электрическое поле
создает магнитный поток. Благодаря различиям в скорости между
электрическим полем статора и магнитным потоком в роторе
электродвигатель способен создавать вращающий момент и совершать
вращательное движение.
1.2.2 Принцип постоянства отношения напряжение/частота (правило
Костенко). Математические модели системы управления
Принцип постоянства отношения напряжение/частота наиболее широко
распространен в современных регулируемых асинхронных приводах. Он
может использоваться в системах, которые не требуют высоких
динамических характеристик, а необходимо только эффективно варьировать
частотой вращения в полном диапазоне. Это позволяет использовать
синусоидальную установившуюся модель асинхронного электродвигателя, в
которой величина магнитного потока статора пропорциональна отношению
амплитуды и частоты напряжения статорной обмотки. Если данное
отношение поддерживать на постоянном уровне, то постоянство будет
сохранять и магнитный поток статора и, таким образом, вращающий момент
будет зависеть только от частоты скольжения.
Более точно, исходя из обычной модели асинхронного электродвигателя:
где
- напряжение статора, магнитные потоки статора и
ротора, токи статора и ротора, соответственно, а
общее сопротивление статора, сопротивление ротора, индуктивность статора,
индуктивность ротора, общая индуктивность рассеяния и угловая частота
85
вращения,
соответственно.
При
питании
электродвигателя
синусоидальным напряжением с частотой
токи в роторе и статоре будут также иметь
синусоидальную форму с частотой
3-фазным
, установившиеся
и
Преобразуем предыдущие выражения к виду
.
,
где
,
а
.
Однако, амплитудное значение
может оставаться постоянным при
сохранении постоянства отношения
На высоких скоростях
.
, амплитудное значение магнитного
потока ротора остается постоянным при постоянстве отношения
:
.
Тогда, вращающий момент электродвигателя пропорционален частоте
скольжения:
Данные выражения показывают, что желаемые значения вращающего
момента
и частоты
достигнуты, если
вращения
электродвигателя
могут
быть
.
На низких скоростях
,а
.
Когда частота статора снижается меньше определенной пороговой
частоты, амплитуду напряжения необходимо поддерживать на определенном
уровне для поддержания постоянства магнитного потока ротора. В
противоположность этому, когда частота становится выше номинального
значения, амплитуда напряжения останется на номинальном уровне ввиду
насыщения ключей инвертора. В этом случае поток ротора будет
непостоянным и вращающий момент снизится.
86
Рис. 2.- Зависимость амплитуды напряжения статора от частоты статора,
следуемая из принципа V/f.
Данный принцип может использоваться для построения контуров
автоматического управления скоростью (рисунок 3), в которых отклонение
желаемой скорости от фактического измеренного значения скорости
поступает в ПИ-регулятор, где вычисляется значение частоты напряжения
статора. В целях снижения сложности регулятора в качестве исходных
данных для правила V/f и векторного ШИМ-алгоритма используется
абсолютное значение частоты статорного напряжения. Если на выходе ПИрегулятора присутствует отрицательное значение, то для реверсирования
электродвигателя обменивается содержимое двух переменных, управляющие
силовыми транзисторами инвертора. Необходимо заметить, что принцип
управления, рассмотренный здесь, может использоваться только в
приложениях, где поддерживается постоянный уровень скорости при любом
допустимом моменте сопротивления. В приложениях, где необходимо
поддерживать постоянство момента сопротивления при любых значениях
частоты вращения, требуется измерение статорных токов и более сложные
принципы управления.
Рис. 3 - Блок-схема системы автоматического управления скоростью по
принципу V/f
1.2.3 Принцип обычной широтно-импульсной модуляции
Одним из способов решения задачи формирования с помощью инвертора
трехфазной синусоидальной системы напряжений со сдвигом по фазе 120
градусов на обмотках статора является использование таблицы синусов. В
этом случае частота статора s определяет три дискретных времени
87
интеграторов, которые вычисляют мгновенные значения фаз для каждого
статорного напряжения:
где
алгоритма управления.
, а Ts - период дискретизации для
области значений в
напряжений, которые необходимо приложить к статору:
- амплитуда напряжения статора, определенная по принципу
постоянства отношения напряжениеДостичь улучшения можно путем добавления к чистой синусоиде в
оказывает влияние на поведение электродвигателя и позволяет генерировать
сигна
по сравнению максимумом сигнала (см. рисунок 4).
С учетом данного улучшения имеется возможность генерировать более
высокое переменное напряжение
Рис.4. Использование несинусоидальной формы напряжения для
увеличения отношения между амплитудой первой гармоники максимальным
значением.
при питании от той же самой шины постоянного напряжения. Таким
образом,
имеется
возможность
увеличения
частоты
вращения
электродвигателя при сохранении постоянства отношения V/F.
Данные значения сравнивают с выходом реверсивного счетчика
(используется в качестве генератора треугольных импульсов). Когда
выходное значение реверсивного счетчика перешагивает через данные
88
значения, переключается соответствующий выход компаратора. Как
результат, в каждом ШИМ-канале генерируются импульсы, коэффициент
заполнения которых пропорционален соответствующему значению
напряжения статора. Поскольку данный реверсивный счетчик с тремя
компараторами достаточно сложен для программной реализации, то такое
устройство должно присутствовать в микроконтроллере в качестве
встроенного аппаратного блока. Это и послужило причиной выбора
микроконтроллера AT90PWM3, в состав которого входят три контроллера
силового каскада (PSC). Если рассмотреть в качестве примера первую фазу,
коэффициент заполнения импульсов, задаваемый содержимым регистра
сравнения соответствующего PSC, будет пропорционален
,
где
,
а Vs max и
-- наибольшее значение амплитуды напряжения статора и
длительность паузы неперекрытия силовых ключей, соответственно.
Результирующая блок-схема показана на рисунке5.
Как
Рис. 5. Блок-схема обычного ШИМ-управления.
1.2.4 Таблицы преобразования со значениями синусов
показано в предыдущем разделе обычное ШИМ-управление
тригонометрических функций, имеется возможность сократить размер
таблицы преобразования. Наиболее эффективным способом является
использование таблицы преобразования со значениями синусов в диапазоне
-
-
Однако данное решение не позволяет добавить третью гармонику к
функции синуса, необходимость чего обсуждалась в предыдущем разделе.
89
Это
является
причиной,
почему
необходимо
использовать
таблицу
Последнее решение позволяет достаточно легко обмениваться между
двумя возможными таблицами преобразования.
1.2.5. Принцип действия ПИ-регулятора
Алгоритм ПИ-регулятора может быть реализован без обращения к
сложной теории автоматического управления. Целью данного алгоритма
является определение управляющего сигнала объектом управления (в нашем
случае это частота статорного напряжения), при котором контролируемый
выходной сигнал объекта управления (в нашем случае это частота вращения
ротора) достигнет заданного значения (желаемая частота вращения, заданная
пользователем). ПИ это сокращение от "пропорциональный и интегральный".
Эти два термина описывают отдельные элементы регулятора:
пропорциональная
часть,
которая
выполняет
умножение
результирующего сигнала рассогласования (разницы измеренного выходного
сигнала объекта управления и заданного значения) на постоянную величину,
которая носит название коэффициент передачи пропорциональной части.
Пропорциональная часть определяет краткосрочное поведение регулятора,
т.к. она определяет, как сильно нужно реагировать регулятору на изменение
заданных значений;
интегральная часть, которая добавляет долговременную точность
регулятору. Данная часть регулятора выполняет произведение суммы всех
предшествующих сигналов рассогласования на постоянную величину,
которая называется коэффициентом передачи интегрирующей части.
Предшествующие значения сигнала рассогласования для вычисления суммы
хранятся в памяти и обновляются пока значение рассогласования не равно
нулю. Это позволяет регулятору убрать различия между измеренным
выходным значением и заданным, но, при этом, снижается быстродействие и
устойчивость замкнутой системы.
Иногда, помимо пропорциональной и интегрирующей части,
добавляется третья- дифференцирующая. В этом случае регулятор
называется
ПИД
(пропорционально-интегрально-дифференцирующий).
Применение
такого
регулятора
для
управления
асинхронным
электродвигателем по принципу постоянства V/f нецелесообразно. Его
применение позволяет повысить быстродействие контура регулирования, но
при этом также пропускаются шумы и снижается стабильность замкнутого
контура. Кроме того, Д-компонент сложен в настройке.
90
ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРИВОД С ШИМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
На рисунках 6 и 7 приведены переходные процессы для частоты вращения
и статорных напряжений, полученных под управлением микроконтроллера
при скачкообразном изменении заданных скоростей вращения между +700 и
-700 оборотов в минуту. Данные результаты получены при управлении
асинхронным электродвигателем мощностью 750 Вт (с нагрузкой не более
370Вт).
Рисунок 6. Экспериментальные результаты, полученные с помощью таблицы
преобразования идеальной синусоиды
Данными рисунками демонстрируется, что желаемая скорость достигается по
завершении 1 секундного переходного процесса и что при достижении
частотой статора на выходе ПИ-регулятора значения близкого к нулю
амплитуда напряжения статора становится равной пороговому напряжению
("boost voltage").
Данные рисунки также подтверждают, что одни и те же значения скоростей
вращения и вращающих моментов.
91
Рисунок 7. Экспериментальные результаты, полученные с помощью таблицы
преобразования, включающей третью гармонику.
ТЕМА 6. РЕГУЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА И АВТОМАТИЧЕСКИЕ
РЕГУЛЯТОРЫ
Главная задача систем регулирования состоит в том, чтобы
стабилизировать параметры процесса на заданном уровне при воздействии
внешних возмущающих воздействий, действующих на объект управления.
Этим занимаются системы автоматической стабилизации. Другой не менее
важной задачей является задача обеспечения программного перехода на
новые режимы работы. Решение этой проблемы осуществляется с помощью
той же системы стабилизации, задание которой изменяется от программного
датчика.
Структурная схема одноконтурной системы АР объектом управления
приведена на рис.1. Основными элементами ее являются: АР —
автоматический регулятор, УМ — усилитель мощности, ИМ —
исполнительный механизм, РО — регулируемый орган, СОУ — собственно
объект управления, Д — датчик, НП — нормирующий преобразователь, ЗД
— задатчик, ЭС — элемент сравнения.
92
Переменные: Yз — задающий сигнал, e — ошибка регулирования, U P
— выходной сигнал регулятора, U y — управляющее напряжение, h —
перемещение регулирующего органа, Q r — расход вещества или энергии, F
— возмущающее воздействие, T — регулируемый параметр, Y ОС — сигнал
обратной связи (выходное напряжение или ток преобразователя).
Нормирующий преобразователь выполняет следующие функции:

преобразует нестандартный сигнал датчика в стандартный
выходной сигнал;

осуществляет фильтрацию сигнала;

осуществляет линеаризацию статической характеристики датчика
с целью получения линейного диапазона.
Для расчетных целей исходную схему упрощают до схемы, показанной
на рис.2, где АР — регулятор, ОУ — объект управления.
Выбор канала регулирования
Одним и тем же выходным параметром объекта можно управлять по
разным входным каналам.
При выборе нужного канала управления исходят из следующих
соображений:

Из всех возможных регулирующих воздействий выбирают такой
поток вещества или энергии, подаваемый в объект или отводимый из него,
минимальное изменение которого вызывает максимальное изменение
регулируемой величины, то есть коэффициент усиления по выбранному
каналу должен быть, по возможности, максимальным. Тогда, по данному
каналу можно обеспечить наиболее точное регулирование.

Диапазон допустимого изменения управляющего сигнала должен
быть достаточен для полной компенсации максимально возможных
возмущений, возникающих в данном процессе, то есть должен быть
обеспечен запас по мощности управления в данном канале.

Выбранный канал должен иметь благоприятные динамические
свойства, то есть запаздывание  0 и отношение  0 /T 0 , где T 0 —
постоянная времени объекта, должны быть как можно меньшими. Кроме
того, изменение статических и динамических параметров объекта по
выбранному каналу при изменении нагрузки или во времени должны быть
незначительными.
Основные показатели качества регулирования
К автоматическим системам регулирования предъявляются требования
не только по устойчивости процессов регулирования во всем диапазоне
93
нагрузок на объект, но и по обеспечению определенных качественных
показателей процесса автоматического регулирования. Ими являются:

Ошибка
регулирования
(статистическая
или
среднеквадратическая составляющие).

Время регулирования.

Перерегулирование.

Показатель колебательности.
Динамический коэффициент регулирования R d , который определяется
из формулы
где смысл величин Y 0 и Y 1 ясен из рис.3.
Величина R d характеризует степень воздействия регулятора на
процесс, то есть степень снижения динамического отклонения в системе с
регулятором и без него.
Величина перерегулирования зависит от вида отрабатываемого
сигнала. При отработке ступенчатого воздействия по сигналу задания
величина перерегулирования определяется по формуле
где значения величин X m и X y показаны на рис.4.
94
При
отработке
возмущающего
воздействия
перерегулирования определяется из соотношения
величина
где значения величин X m и X y показаны на рис.5
Время регулирования — это время, за которое регулируемая
величина в переходном процессе начинает отличаться от установившегося
значения менее, чем на заранее заданное значение  , где  — точность
регулирования. Настройки регулятора выбираются так, чтобы обеспечить
либо минимально возможное значение общего времени регулирования, либо
минимальное значение первой полуволны переходного процесса.
В некоторых системах АР наблюдается ошибка, которая не исчезает
даже по истечении длительного интервала времени — это статическая
ошибка регулирования —  с .
У регуляторов с интегральной составляющей ошибки в
установившемся состоянии теоретически равны нулю, но практически
незначительные ошибки могут существовать из-за наличия зон
нечувствительности в элементах системы. Показатель колебательности M
характеризует величину максимума модуля частотной передаточной
функции замкнутой системы (на частоте резонанса)и, тем самым,
характеризует колебательные свойства системы. Показатель колебательности
наглядно иллюстрируется на графике рис.6.
95
Условно считается, что значение М=1,5…1,6 является оптимальным
для промышленных систем, так как в этом случае  обеспечивается в
пределах от 20 до 40%. При увеличении M колебательность в системе
возрастает.
В некоторых случаях нормируется полоса пропускания системы w п ,
которая соответствует уровню усиления в замкнутой системе 0,05. Чем
больше полоса пропускания, тем больше быстродействие замкнутой
системы. Однако при этом повышается чувствительность системы к шумам в
канале измерения и возрастает дисперсия ошибки регулирования.
При настройке регуляторов можно получить достаточно большое число
переходных процессов, удовлетворяющих заданным требованиям. Таким
образом, появляется некоторая неопределенность в выборе конкретных
значений параметров настройки регулятора. С целью ликвидации этой
неопределенности и облегчения расчета настроек вводится понятие
оптимальных типовых процессов регулирования.
Выделяют три типовых процесса:
1.
Апериодический
процесс
с
минимальным
временем
регулирования (рис.7). Этот типовой процесс предполагает, что
отрабатывается возмущение F (система автоматической стабилизации). В
данном случае настройки подбираются так, чтобы время регулирования t p
было минимальным. Данный вид типового процесса широко используется
для настройки систем, не допускающих колебаний в замкнутой системе
регулирования.
Процесс с 20-процентным перерегулированием и минимальным
временем первого полупериода (рис.8). Такой процесс применяется для
настройки большинства промышленных САР, так как он соединяет в себе
достаточно высокое быстродействие (t1=min) при ограниченной
колебательности (  =20%).
96
2.
Процесс, обеспечивающий минимум интегрального критерия
качества (рис.9). Интегральный критерий качества выражается формулой
где e — ошибка регулирования.
К достоинствам этого процесса можно отнести высокое
быстродействие
(1-й
полуволны)
при
довольно
значительной
колебательности. Кроме этого, оптимизация этого критерия по параметрам
настройки регулятора может быть выполнена аналитически, численно или
путем моделирования (на АВМ).
Типовая структурная схема регулятора
Автоматический регулятор (рис.10) состоит из: ЗУ — задающего
устройства, СУ - сравнивающего устройства, УПУ — усилительнопреобразующего устройства, БН — блока настроек.
Задающее устройство должно вырабатывать высокостабильный сигнал
задания (установку регулятора) либо изменять его по определенной
программе. Сравнивающее устройство позволяет сопоставлять сигнал
задания с сигналом обратной связи и тем самым сформировать величину
ошибки регулирования e p . Усилительно-преобразующее устройство состоит
из блока формирования алгоритма регулирования, блока настройки
параметров этого алгоритма и усилителя мощности.
Классификация регуляторов
Автоматичекские регуляторы классифицируются по разным признакам.
Например:
97
по виду регулируемого параметра: регуляторы давления, расход,
уровня , температуры и так далее;

по роду действия: регуляторы прерывистые и не прерывистые;

по способу действия: регуляторы косвенного и прямого действия.
Эти виды классификации регуляторов не являются определяющими,
так как не характеризуют их свойства. Основной признак, по которому
классифицируются регуляторы независимо от принадлежности к одной из
перечисленных выше групп, является характеристика действия, то есть
зависимость между изменением регулируемой величины и перемещением
регулирующего органа.
По характеристике действия регуляторы подразделяются на
следующие:

позиционные (Пз) регуляторы;

интегральные (И) регуляторы;

пропорциональные (П) регуляторы;

пропорционально-интегральные (ПИ) регуляторы;

дифференциальные
(Д)
регуляторы
(пропорциональнодифференциальные (ПД), пропорционально-интегрально-дифференциальные
(ПИД) регуляторы).
Входной величиной регулятора является сигнал, пропорциональный
разности между заданным и текущим значениями управляемой
(регулируемой) величины; выходной – положение регулирующего органа.
Позиционные регуляторы
Автоматические регуляторы (АР), у которых регулирующий орган
может занимать ограниченное число определенных положений, называются
позиционным. Позиционные (Пз) регуляторы относятся к группе
регуляторов прерывистого действия. Чаще всего применяется двух- или
трехпозиционные регуляторы.
У двухпозиционных регуляторов, в зависимости от знака отклонения
управляемой величины, регулирующий орган либо полностью открыт, либо
полностью закрыт. У двухпозиционных регуляторов, кроме двух крайних,
регулирующий орган имеет еще одно (среднее) положение, что способствует
более плавному изменению управляемой величины и сокращению числа
срабатываний регулирующего органа в единицу времени.

98
Рис. 7.2 Принципиальная схема (а) и статическая характеристика (б) Пз
регулятора: а) 1-объект; 2-10 трубы; 3-регулирующий клапан; 4-сердечник; 5шток; 6-поплавок; 7-рычаг-контакт; 8,9-передвижные упоры-контакты; 11пружина. б) I–заданное значение; II-нейтральная зона; 1-6 точки
характеристики.
Принцип действия Пз регулятора следующий. Например, в объекте
управления – бак 1 по трубе 2 подается жидкость, а по трубе 10 она
расходуется потребителем (рис.7.2а).
Чувствительный элемент регулятора – поплавок 6 измеряет уровень в
баке; текущее значение уровня определяется положением штока 5 и жестко с
ним соединенного рычага – контакта 7, который через пружину 11 соединен
с источником питания напряжением U. Заданные значения верхнего и
нижнего уровней определяются положением передвижных упоров –
контактов 8 и 9, устанавливаемых вручную.
При подъеме уровня выше заданного контакта 7 замкнется с контактом
8 и под напряжением окажется обмотка Б тягового электромагнита,
благодаря чему сердечник 4 мгновенно переместится вверх, что приведут к
закрытию регулирующего органа 3 (клапана). При понижении уровня ниже
заданного контакт 7 замкнется с контактом 9, под напряжением окажется
обмотка А тягового электромагнита, якорь 4 переместится вниз, что приведет
к открытию регулирующего органа. Приведенная схема является примером
двухпозиционного регулирования.
Уравнения регулятора:
и
Из статическая характеристика двухпозиционного регулятора
(рис.7.2,б) видно, что повышение уровня в баке соответствует перемещению
по точкам 1,2,3,4; точки 2 и 3 соответствуют мгновенному перемещению
регулирующего органа из положения “открыто” в положение “закрыто”,
когда замкнутся контакты 7 и 8. Понижение уровня соответствует
перемещению по точкам 4,5,6,1 статической характеристики.
Интегральный регуляторы
Автоматические регуляторы, у которых одному и тому же значению
регулируемой величины могут соответствовать различные положения
регулирующего органа, называется интегральными, или астатическими
(astatos – неустойчивый, беспокойный).
Скорость перемещения регулирующего органа этих регуляторов, тем
больше, чем больше отклонение регулируемой величины от заданного
значения.
Рассмотрим принцип работа регулятора на примере принципиальной
схемы гидравлического И-регулятора косвенного действия (рис.7.3). При
изменении давления p в трубопроводе изменяется давление на сильфон 1,
дно которого перемещается, что ведет к повороту рычага АВС относительно
точки А и перемещению поршней золотника 2 вверх или вниз. Когда p
99
больше заданного, тогда дно сильфона переместится вниз, рычаг АВС
повернется по часовой стрелке, поршни золотника отпустятся также вниз и
масло под давлением начнет поступать из камеры e цилиндра золотникового
устройства в полость m цилиндра исполнительного механизма 7. Поршень
исполнительного механизма (ИМ), связанный штоком с регулирующим
органом (шибер) 6, начнет перемещаться вверх, увеличивая степень
открытия шибера; это поведет к снижению давления p. В результате
снижения давления сильфон 1 разжимается, возвращая рычаг АВС в
исходном положение, поршни золотника перекрывают доступ масла в
цилиндр ИМ, регулирующее действие прекращается.
Во время перемещения поршня ИМ вверх масло из полости n цилиндра
вытесняется по трубке через камеру d цилиндра золотникового устройства и
срабатывается на слив 5. Слившееся масло очищается и вновь подается в
камеру e специальной насосной установкой.
Рис. 7.3 Принципиальная схема И–регулятора косвенного действия: 1сильфон; 2-золотник; 3-подача масла под давлением; 4,9-вентили; 5-слив
масла; 6-регулирующий орган; 7-испольнительный механизм; 8-задатчик.
Если предположить, что давление p стало ниже заданного, то дно
сильфона 1 переместится вверх, рычаг АВС повернется против часовой
стрелки, переместив поршни золотника вверх, и масло через полость e будет
поступать в полость n цилиндра ИМ. Это поведет к закрытию шибера и
увеличению давления p. При этом масло из полости цилиндра ИМ через
полость f цилиндра золотникового устройства поступает на слив.
Заданное значение регулируемой величины устанавливается с
помощью задатчика 8. Когда усилия, развиваемые сильфоном и пружиной
задатчика, равны рычаг АВС находится в нейтральном положении и масло из
камеры e не поступает в цилиндр ИМ.
В И-регуляторах отсутствует обратная связь, они просты по
устройству. Важнейшей их особенностью является то, что независимо от
100
величины нагрузки регулируемого объекта они приводят регулируемую
величину к заданному значению. И-регуляторы имеют некоторые
недостатки, обусловленными их динамическими свойствами. Малое
отклонение регулируемой величины от заданного значения, И-регулятор
продолжать перемещать регулирующий орган вплоть до положения полного
открытия или закрытия. Перемена направления движения РО наступает лишь
тогда, когда регулируемая величина проходит заданное значение.
Закон регулирования предусматривает воздействие регулятора со
скоростью, пропорционально отклонению регулируемой величины, и
описывается уравнением
Здесь S0 –специально рассчитываемый настроечный параметр
регулятора. Знак минус означает, что при положительном отклонении
регулируемой величины РО перемещается в сторону закрытия, а при
отрицательном отклонении (уменьшения против заданного значения) – в
сторону открытия.
Уравнение регулятора в интегральной форме:
Передаточная функция регулятора имеет вид
На рис 7.4,а показана статическая характеристика И-регулятора. Когда
регулируемая величина y ниже заданного значения, регулирующий орган
находится в крайнем нижнем положения. Как только регулируемая величина
достигнет заданного значения, РО начнет перемещается в сторону открытия
и может остановиться в любой точке вертикального отрезка характеристик.
Начиная с момента t0 , когда регулируемая величина y скачкообразно
изменилась, РО перемещается с постоянной скоростью, изменяя приток
(рис.7.4, б).
101
Рис. 7.4 Характеристики И – регулятора: а- статическая; б-кривая
разгона; в- переходный процесс.
В результате действия регулятора регулируемая величина y приходит к
заданному значению через некоторое время tр называемое временем
регулирования; причем переходный процесс является колебательным,
затухающим (рис.7.4, в).
И–регулятор применяется только в системах самовыравниванием, в
противном случае система будет неустойчивой.
Рис. 7.5 Принципиальная схема (а) и динамическая характеристика (б)
И –регулятора прямого действия:1-трубопровод; 2-груз; 3-рычаг; 4мембрана; 5-шток; 6-регулирующий орган; 7-корпус; 8-импульсная линия; 9вентиль.
На рис.7.5,а показано схема И-регулятора прямого действия. На
трубопроводе 1 с помощью фланцевых и болтовых соединений укреплен
корпус регулятор 7. Если регулируемая величина – давления p после
регулятора – будет изменяться, изменение давления через импульсную
линию 8 и вентиль 9 будет передаваться на мембрану 4 ИМ, связанную с РО
6 с помощью штока 5. В точке m имеется шарнир, соединяющий шток с
рычагом 3, на котором укреплен груз 2, являющийся задающим устройством.
Регулируемое давление p зависит от притока среды, т.е. от степени открытия
102
РО 6. Когда p равно заданному значению, усилия, развиваемые мембранной 4
и грузом 2, равны, и шток 5 неподвижен. При увеличении или уменьшении
давления по сравнению с заданным шток и РО 6 будет перемещается
соответственно вниз или вверх. Скорость перемежения пропорциональна
отклонению фактической величины регулируемого давления от заданной.
Как видно из графика (рис 7.5,б) при изменении нагрузки x объекта в
момент t0 начинает изменяться регулируемая величина y и перемещаться
регулирующий орган. Изменение перемещения регулирующего органа
происходит в момент перемены знака регулируемой величины (точки t1 ,t2).
Пропорциональный регуляторы
Автоматические регуляторы, у которых отключение регулируемой
величины от заданного значения вызывает перемещение регулирующего
органа на величину, пропорциональную величине этого отклонения,
называются пропорциональными, или статическому (statos -стоящий).
Каждому значению регулируемого параметра соответствует одно
определенное положение регулирующего органа. Эта пропорциональная
зависимость достигается за счет действия жесткой обратной связи, поэтому
П-регуляторы называются также регуляторами с жесткой обратной связью.
Скорость перемещения регулирующего органа таких регуляторов
пропорционально скорости изменения регулируемой величины. Регуляторы
как и интегральные, могут быть косвенного и прямого действия.
Схема П-регулятора (рис.-7.6) отличается от схемы И-регулятора тем,
что рычаг АВС не имеет шарнира в точке А, а с помощью штока 8 соединен с
поршнем ИМ 7. Это соединение и образуют жесткую обратную связь.
В результате возмущающего воздействия, которое приводит к
возрастанию давления p в трубопроводе, точка С переместится в положение
С’, а точка В – в положение В’- и рычаг займет положение АВ’С’. При этом
поршни золотника 2 смещаятся вниз и масло начнет поступать в полость m
цилиндра исполнительного механизма, перемещая поршень ИМ, а в месте с
ним и регулирующий орган 6 вверх. Вместе с поршнем изменяется
положение А в положение А’ (вверх) переместится левый конец рычага АВС,
точка В’ возвратится в положение В, а поршень золотника 2 возвратятся в
исходное положение, перекрыв доступ масла в исполнительный механизма.
На этом процесс регулирования закончится.
103
Рис. 7.6 Принципиальная схема П-регулятора косвенного действия:1сильфон; 2-золотник; 3-вход масла под давлением; 4-вентиль; 5-слив масла;
6-регулирующий орган; 7-испольнительный механизмам; 8-шток; 9-задатчик.
Измерительный узел (сильфон 1) и механизм обратной связи
воздействуют на РО практически одновременно. Поэтому перемещение РО
надо рассматривать как результат действия измерительной системы,
уменьшенный на какую-то величину обратной связью.
Быстродействие П-регулятора, чем И-регулятора, сравнительно быстро
стабилизирует процесс и приводит систему в равновесное состояние.
Простейший статический регулятор представляет собой усилительное
звено и описывается уравнением
Здесь S1–настроечный параметр (коэффициент усиления) П-регулятора.
Передаточная функция П-регулятора.
104
;
Рис. 7.7 Характеристики П-регулятора: а-статические; б-кривая
разгона; в-переходные процессы;1-статическая ошибка невелика; 2статическая ошибка несколько больше; 3-статическая ошибка большая.
Статические и динамические характеристики П-регулятора изображено
в рис. 7.7. Из семейство статических характеристик (рис. 7.7,а), видно, что
РО начинает перемещаться только при достижении регулируемой величиной
нижнего предела пропорциональности. Предположим, что регулируемая
величина
соответствует
50%
шкалы
регулятора,
а
предел
пропорциональности настроен на 40% ( =40%). Регулирующий орган
занимает среднее положение ( =50% хода). Этому положению соответствует
точка А на характеристике. Если теперь регулируемая величина начнет
возрастать, то регулирующий орган станет перемещаться в сторону закрытия.
Кривая разгона П-регулятора (рис. 7.7,б) аналогична усилительному
звену. Если в момент времени t0 регулируемая величина y скачкообразно
изменится (например, возрастет), регулирующий орган также скачкообразно
переместится ( ) в сторону закрытия.
На характеристики переходных процессов в автоматической системе с
П-регулятором в сильной степени влияют установленные пределы
пропорциональности. С увеличением коэффициента усиления S1, или, что то
же, с уменьшением предела пропорциональности
переходный процесс
протекает в виде медленно затухающих колебаний, а статическая ошибка Yст
невелика (рис. 7.7,в кривая 1). При оптимальном для данного объекта
коэффициенте усиления S1 переходный процесс быстро затухает, однако
статическая ошибка Yст несколько возрастает (рис. 7.7,в кривая 2). Если
коэффициент усиления S1 слишком мал ( -велик), то переходный процесс
может стать апериодическим с большой статической ошибкой (рис. 7.7,в
кривая 2).
Величина статической ошибки зависит как от настройки регулятора,
так и от характеристики и режима работы объекта. Настройка регулятора на
105
необходимую величину
(рис.7.6) производится путем изменения
соотношения плеч BC и AB рычага ABC. Чем меньше AB, тем больше .
Пропорциональные регуляторы могут применяться для управления
процессами, протекающими в объектах, как обладающих, так и не
обладающих самовыравниванием. При этом нужно иметь в виду, что
изменения нагрузки должны быть невелики, чтобы статическая ошибка
оставалась в допустимых пределах.
Рис. 7.8 Принципиальная схема (а) и динамическая характеристика (б)
П-регулятора прямого действия:1-трубопровод; 2-мебрана; 3-винт; 4пружина; 5-шток; 6-регулирующий орган; 7-импульсная линия; 8-корпус.
На рис. 7.8 показано схема П-регулятора прямого действия. В отличие
от И-регулятора, у П-регулятора прямого действия усилие, развиваемое
мембраной, уравновешивается не грузом, а пружиной 4; чем больше
отклонение давления p от заданного значения, тем сильнее прогибается
мембрана, но тем плотнее сжимается пружина, противодействуя прогибу;
этим и достигается пропорциональность между регулируемой величиной и
перемещением РО.
При увелечении нагрузки Q объекта в момент времени tо регулируемая
величина Y возрастает, но, благодаря перемещению регулирующего органа в
сторону закрытия, через некоторое время tр она стабилизируется (рис. 7.8,б).
Однако в силу статической ошибки ее величина будет отличаться от
заданного значения на Yуст.
Пропорционально-интегральные регуляторы
Сравнение П-регуляторов и И-регуляторов показывает, что первые
обладает преимуществом по динамическим свойствам и обеспечивают
лучший переходный процесс регулирования; преимущество вторых –
отсутствие статической ошибке, т.е. лучшие статические свойства.
ПИ – регулятор совмещает оба П и И регулятора. Таким образом,
аналогично И-регулятору изодромный (от греческого isos - равный,
подобный; dromos- бегущий) регулятор поддерживает постоянное значение
регулируемой величины вне зависимости от нагрузки объекто, а при
отклонении ее от заданного значения в начальный момент времени
106
переместит регулирующий орган на величину, пропорциональную величине
отклонения
(как
П-регулятор),
затем
продолжит
перемещение
регулирующего органа до исчезновения статической ошибке, т.е. приведет
регулируемую величину к заданному значению.
ПИ-регулятор
являются
регуляторами
косвенного
действия.
Принципиальная схема ПИ-регулятора гидравлического типа приведена на
рис. 7.9.
В первоначальный период регулятор работает как пропорциональный.
С увеличением регулируемой величины (давление p) поршень
исполнительного механизма 7 и регулирующий орган 6 начнут перемещаться
вверх. Поршень ИМ 7 соединяем с точкой А рычага АВС не жестко (как у П
регулятора), а через устройства изодрома, который состоит из цилиндра 9,
заполненного маслом, поршня 8, жестко соединенного штоком с поршнем 7,
игольчатого вентиля 12, установленного на линии перелива масла из
полостей g и h и пружины 10, противодействующей перемещению точки А.
При сравнительно быстром перемещении поршня ИМ 7 цилиндр 9 и
поршень 8 также перемещаются вверх, как одно целое, т.к. проходное
сечение дросселя 12 невелико и масло не успевает перетечь из полости g в
полость h. Точка А рычага АВС перемещается вверх, пружина 10 сжимается,
а поршни золотникового устройства возвращается в исходное положение,
прекращая подачу масла в цилиндр ИМ. Регулятор сработал как
пропорциональный, но его действие на этом не закончилось. Сила пружины
10, приложенная к цилиндру 9 в точке А, заставит последний перемещаться
вниз относительно неподвижного поршня 8; при этом масло из полости g
начнет перетекать, через вентиль 12 в полость h. Точка А начнет опускаться
вниз, точка В также опустится вниз и это приведет к дополнительному
срабатыванию ИМ, т.е. к дополнительному перемещению РО вверх.
Действие регулятора прекратится, когда пружина 10 израсходует всю
свою энергию, т.е. при достижение регулируемой величиной заданного
значения. Естественно, что быстродействие изодромной составляющей
регулятора будет зависеть от степени открытия вентиля 12.
107
Рис. 7.9 Принципиальная схема ПИ-регулятора косвенного действия: 1сильфон; 2-золотник; 3-вход масла под давлением; 4-вентиль; 5-слив масла;
6-регулирующий орган; 7-испольнительный механизм; 8-поршень; 9цилиндр; 10-пружина; 11-задатчик; 12-игольчатый вентиль.
ПИ - регуляторы могут применять в тех случаях, когда необходима
высокая точность регулирования, для объектов любой емкости, как при
наличии, так и при отсутствии самовыравнивания, при больших, но плавных
изменениях нагрузки.
ПИ –регулятор действует быстрее, чем И-регуляторы, но медленнее,
чем П-регуляторы.
Уравнение ПИ – регулятора имеет вид:
Передаточная функция ПИ-регулятора имеет вид:
108
.
.
Рис. 7.10 Характеристики ПИ-регулятора:а-статическая; б-кривая
разгона; в-кривые переходных процессов; г-кривые вынужденные
переходных процессов для ПИ- и И- регуляторов: 1-5 точки,
характеризующие положение регулирующего органа; 6-10 – кривые
переходных процессов.
Статическая характеристика ПИ-регулятора показана на рис. 7.10.
Пусть регулятор настроен так, что при изменении регулируемой величины y,
составляющем от 20 до 80% шкалы, регулирующий орган перемещается из
одного крайнего положения в другое ( =60%), и пусть система находится в
начале в равновесном состоянии при Y=50% и =50% (точки 1 и 2).
Предположим, что регулируемая величина скачкообразно возросла до 60%
шкалы (точка 3). Тогда вследствие воздействия пропорциональной
составляющей регулятора положение регулирующего органа быстро
изменится и достигнет примерно 68% своего хода (точка 4). Затем начнет
медленно действовать узел изодрома, который возвратит регулируемую
величину к заданному значению (точка 5); действие регулятора прекратится
при новом положении регулирующего органа (точка 5’), соответствующего
примерно 73% хода. Поскольку в процесс работы регулятора предел
пропорциональности не меняется, можно сделать вывод, что изодром как бы
перемещает статическую характеристику параллельно самой себе
(пунктирная линия). Как видно из кривой разгона ПИ- регулятора (рис.
7.10,б), при скачкообразном возмущающем воздействии (резкое уменьшение
регулируемой величины) в момент t0 регулирующий орган быстро
перемещается на величину под действием пропорциональной составляющей.
Затем он будет продолжать перемещаться в том же направлении с
постоянной скоростью (линии АВ) под действием изодромний
составляющей. Если в схеме регулятора (см. рис. 7.9) дроссель изодрома 12
закрыт (Ti), то регулятор работает как пропорциональный и его
характеристикой является пунктирная линия АС на рис. 7.10,б. Чем больше
открыт дроссель изодрома, т.е. чем меньше время изодрома Ti , тем больше
скорость перемещения регулирующего органа, т.е. тем круче линия АВ.
109
На рис 7.10,в изображены кривые вынужденных переходных процессов
при различной настройке коэффициента усиления S1 и времени Ti
регулятора. Кривая 6 соответствует переходному процессу при слишком
большом S1 или при слишком малом Ti. Время переходного процесса велико,
колебания затухают медленно. Кривая 7 представляет оптимальной
переходный процесс. Кривая 8 соответствует процессу при слишком малом
коэффициенте усиления или слишком большом времени изодрома. Процесс
апериодический, протекает медленно, регулируемая величина медленно
возвращается к заданному значению.
Дифференциальные регуляторы
Дифференциальные
регуляторы
бывают
двух
видов
ПДпропорционально-дифференциальные и ПИД-пропорционально-интегральнодифференциальные. Такие регуляторы целесообразно применять в тех
случаях, когда нагрузка объектов регулирования изменяется часто и быстро,
а запаздывания велики. Уравнение ПИД-регулятора имеет вид:
Здесь S2 – параметр настройки регулятора, учитывающий скорость
изменения регулируемой величины по времени.
Передаточная функция ПИД-регулятора имеет вид:
.
Дифференциальные регуляторы называются регуляторами с
предварением. Сущность предварения (без учета запаздывания) заключается
следующим.
Пусть регулируемый параметр y изменяется по экспоненте 1 (рис.
7.11,а). Первая производная от параметра (кривая 2) представляет собой
тангенс угла наклона к касательной к соответствующей точке экспоненты 1 и
имеет максимальное значение в начальный момент, когда параметр только
начинает изменяться, а в момент t1, когда изменение прекращается, равно
нулю.
Рис. 7.11. Характеристики регулятора с предварением: а-переходный
процесс (1) и его производная (2); б, в-варианты перемещения
регулирующего органа; I-для П регулятора; II-для Д регулятора.
110
Эффект предварения можно определить так. Если регулируемая
величина y (рис.7.11,б) изменит свое значение на величину А, то выходной
сигнал регулятора, подаваемый на регулирующий орган, будет иметь
характер, соответствующий сплошной кривой. Для сравнения пунктиром
показано действие П-регулятора. В процессе регулирования в регуляторах с
предварением происходит как бы изменение пределов пропорциональности.
Причем вначале это отклонение резкое, а затем оно приходит к настроечному
значению.
При непрерывном изменении регулируемой величины у, начиная с
момента времени t0 (рис.7.11,в), регулирующий орган П-регулятора будет
перемещаться согласно пунктирной прямой I, а у Д-регулятора– согласно
сплошной линии II. Регулятор как бы предваряет ожидаемое отклонение
параметра. Время предварения tп определяет относительную величину
дополнительного сигнала по производной (оно связано с настроечным
параметром) и настраивается обычно в пределах от 0,1 до 1 мин.
Действие регулятора с предварением рассматривается на примере
регулирования температуры в объекте управления, где в качестве
теплоносителя используется горячий газ (рис. 7.12,а).
Рис. 7.12 Принципиальная схема регулятора с предварением (а) и
график переходных процессов ПИ и ПИД регуляторов(б):ОР-объект
регулирования; 1-3 – термопара; r - реостат задатчика; ЭУ-усилитель; РДреверсивный двигатель; РО- регулирующий орган.
Устройство, осуществляющее действие с предварением, состоит из тех
термопар 1, 2, 3, которые являются чувствительным элементом регулятора.
Термопары 1 и 2 включены последовательно (их термо ЭДС складываются),
а термопара 3 включена встречно (ее термо ЭДС вычитается из суммы двух
первых). Масса горячего спая термопары 3 значительно больше массы спаев
каждой из первых двух. В состоянии теплового равновесия все три спая
имеют одинаковую температуру и разрываю равную ТЭДС. Общая ТЭДС
такой батареи будет равна ТЭДС одной из термопар 1 или 2.
Если регулируемая температура t в объекте управления начнет
изменяться с определенной скоростью, то ТЭДС первых двух термопар с
111
одинаковой скоростью будут отражать эти изменения, а изменение ТЭДС
термопары 3 будет отставать от первой и второй тем больше, чем больше
различие масс горячих спаев термопар 1 и 2, с одной стороны, и термопары 3
– с другой, а также, чем больше скорость изменения температуры.
Таким образом, термопара 1 вырабатывает сигнал, пропорциональный
самой регулируемой величине (температуре t), а термопары 2 и 3 – сигнал,
пропорциональный скорости ее изменения (t).
Результирующая ТЭДС всех трех термопар u сравнивается с падением
напряжения uо на сопротивлении r задатчика, которое пропорционально
заданному значению регулируемой величины. Термобатарея из трех
термапар и источник питания uз задатчика включены встречно. При
нарушении температурного режима в объекте на вход электронного
усилителя ЭУ поступает сигнал
о - u, причем в первый момент
величина сигнала значительна и реверсивный двигатель РД интенсивно
перемещает РО, резко изменяя подачу теплоносителя, а затем, когда сигнал
u, достигнув максимума, начнет уменьшатся, реверсивный двигатель начнет
плавно перемещать РО в другую сторону, уменьшая подачу теплоносителя и
приводя параметр к заданному значению.
На рис. 7.12,б показан график переходных процессов для ПИ и ПИД
законов регулирования.
Выбор типа регулятора
Задача проектировщика состоит в выборе такого типа регулятора,
который при минимальной стоимости и максимальной надёжности
обеспечивал бы заданное качество регулирования.
Для того чтобы выбрать тип регулятора и определить его настройки,
необходимо знать:

Статические
и
динамические
характеристики
объекта
управления.

Требования к качеству процесса регулирования.

Показатели качества регулирования для серийных регуляторов.

Характер возмущений, действующих на процесс регулирования.
Выбор типа регулятора обычно начинается с простейших
двухпозиционных
регуляторов
и
может
заканчиваться
самонастраивающимися микропроцессорными регуляторами.
Рассмотрим показатели качества серийных регуляторов. В качестве
серийных предполагаются непрерывные регуляторы, реализующие законы
управления И, П, ПИ и ПИД.
Теоретически, с усложнением закона регулирования качество работы
системы улучшается. Известно, что на динамику регулирования наибольшее
влияние оказывает величина отношения запаздывания к постоянной времени
объекта с . Эффективность компенсации ступенчатого возмущения
регулятором достаточно точно может характеризоваться величиной
динамического коэффициента регулирования R d , а быстродействие —
112
величиной времени регулирования. Теоретически, в системе с запаздыванием
минимальное время регулирования t pvin =2/.
Минимально возможное время регулирования для различных типов
регуляторов при оптимальной их настройке определяется таблицей 1.
Таблица 1
Закон регулирования
П ПИ ПИД
t p /  ,где t p – время регулирования,  –запаздывание в объекте 6,5 12 7
Руководствуясь таблицей, можно утверждать, что наибольшее
быстродействие обеспечивает закон управления П. Однако, если
коэффициент усиления П-регулятора KP мал (чаще всего это наблюдается в
системах с запаздыванием), то такой регулятор не обеспечивает высокой
точности регулирования, так как в этом случае велика величина статической
ошибки. Если KP имеет величину равную 10 и более, то П-регулятор
приемлем, а если KP<10 то требуется введение в закон управления
интегральной составляющей.
Наиболее распространенным на практик является ПИ-регулятор,
который обладает следующими достоинствами:
1.
Обеспечивает нулевую статическую ошибку регулирования.
2.
Достаточно прост в настройке, так как настраиваются только два
параметра, а именно коэффициент усиления K P и постоянная интегрирования
T i . В таком регуляторе имеется возможность оптимизации K p /T i >max, что
обеспечивает управление с минимально возможной среднеквадратичной
ошибкой регулирования.
3.
Обладает малой чувствительностью к шумам в канале измерения
(в отличие от ПИД-регулятора).
Для наиболее ответственных контуров можно рекомендовать
использование ПИД-регулятора, обеспечивающего наиболее высокое
113
быстродействие в системе. Однако следует учитывать, что это условие
выполняется только при его оптимальных настройках (настраиваются три
параметра). С увеличением запаздывания в системе резко возрастают
отрицательные фазовые сдвиги, что снижает эффект действия
дифференциальной составляющей регулятора. Поэтому качество работы
ПИД-регулятора для систем с большим запаздыванием становится сравнимо
с качеством работы ПИ-регулятора. Кроме этого, наличие шумов в канале
измерения в системе с ПИД-регулятором приводит к значительным
случайным колебаниям управляющего сигнала регулятора, что увеличивает
дисперсию ошибки регулирования. Таким образом, ПИД-регулятор следует
выбирать для систем регулирования с относительно малым уровнем шумов и
величиной запаздывания в объекте управления. Примерами таких систем
являются системы регулирования температуры.
При выборе типа регулятора рекомендуется ориентироваться на
величину отношения запаздывания к постоянной времени в объекте  /T.
Если  /T< 0,2, то можно выбрать релейный, непрерывный или цифровой
регуляторы. Если 0,2 <  /T< 1, то должен быть выбран непрерывный или
цифровой, ПИ или ПИД-регулятор. Если  /T >1, то выбирают специальный
цифровой регулятор с упредителем, который компенсирует запаздывание в
контуре управления. Однако этот же регулятор рекомендуется применять и
при меньших отношениях  /T.
Формульный метод определения настроек регулятора
Метод используется для быстрой приближенной оценки значений
параметров настройки регулятора для трех видов оптимальных типовых
процессов регулирования.
Метод применим как для статических объектов с самовыравниванием
(таблица 2), так и для объектов без самовыравнивания (таблица 3).
Примечание: T,  ,K оу — постоянная времени, запаздывание и
коэффициент усиления объекта.
В этих формулах предполагается, что настраивается регулятор с
зависимыми настройками, передаточная функция которого имеет вид:
114
где:
K p — коэффициент усиления регулятора;
T i —время изодрома (постоянная интегрирования регулятора);
T d —время предварения (постоянная дифференцирования).
Расчёт настроек по частотным характеристикам объекта
Существует специальная аппаратура для экспериментального
определения
амплитуднофазовой
характеристики
(АФХ)
объекта
управления: Эту характеристику можно использовать для расчета настроек
ПИ-регулятора, гд главным критерием является обеспечение заданных
запасов устойчивости в системе.
Запасы
устойчивости
удобно
характеризовать
показателем
колебательности системы M, величина которого в системе с ПИ-регулятором
совпадает с максимумом амплитудно-частотной характеристики замкнутой
системы. Для того чтобы этот максимум не превышал заданной величины,
АФХ разомкнутой системы не должна заходить внутрь окружности с
центром P 0 и радиусом R, где
Можно доказать, что оптимальными по минимуму среднеквадратичной
ошибки регулирования настройками будут такие, при которых система с
показателем колебательности M  M 1 будет иметь наибольший коэффициент
при интегральной составляющей, чему соответствует условие K p /T i >min.
В связи с этим расчет оптимальных настроек состоит из двух этапов:
1.
Нахождение в плоскости параметров K p и T i , границы области,
в которой система обладает заданным показателем колебательности M 1 .
2.
Определением на границе области точки, удовлетворяющей
требованию K p /T i .
Расчёт настроек по частотным характеристикам объекта. Методика
расчёта настроек ПИ регулятора по АФХ объекта
1.
Строится
семейство
амплитудно-фазовых
характеристик
разомкнутой системы при K p =1 и различных значениях T ij (5 –6 значений).
2.
Задаются значения показателя колебательности M из диапазона
1,55  M  2,3 (рекомендуется М=1,6). Из начала координат проводят
115
прямую OE под углом  =arcsin(1/M 1 ), где M 1 — выбранное значение
показателя колебательности.
3.
Строится семейство окружностей, касающихся АФХ oj и прямой
OE под углом  , причем центр окружностей все время лежит на
отрицательной действительной оси. В результате построения определяются
радиусы этих окружностей R j .
4.
Для каждой окружности вычисляют предельное значение K p
5.
По значениям K pj и K ij строят границу области заданного
показателя колебательности.
6.
На этой границе определяют точку, для которой отношение K p /T
i максимально.
Экспериментальные методы настройки регулятора
Для значительного числа промышленных объектов управления
отсутствуют достаточно точные математические модели, описывающие их
статические и динамические характеристики. В то ж время проведение
экспериментов по снятию этих характеристик весьма дорого и трудоемко.
Экспериментальный метод настройки регуляторов не требуют знания
математической модели объекта. Однако предполагается, что система
смонтирована и может быть запущена в работу, а также существует
возможность изменения настроек регулятора. Таким образом, можно
проводить некоторые эксперименты по анализу влияния изменения настроек
на динамику системы. В конечном итоге гарантируется получение хороших
настроек для данной системы регулирования.
Существуют два метода настройки — метод незатухающих колебаний
и метод затухающих колебаний.
Метод незатухающих колебаний
В
работающей
системе
выключаются
интегральная
и
дифференциальная составляющие регулятора (T i =  ,T d =0), то есть система
переводится в закон регулирования П.
Путем последовательного увеличения K p с одновременной подачей
небольшого скачкообразного сигнала задания добиваются возникновения в
системе незатухающих колебаний с периодом T kp . Это соответствует
выведению системы на границу колебательной устойчивости. При
возникновении данного режима работы фиксируются значения критического
коэффициента усиления регулятора K kp и периода критических колебаний в
системе T kp . При появлении критических колебаний ни одна переменная
системы не должна выходить на уровень ограничения.
По значениям T kp и K kp рассчитываются параметры настройки
регулятора:

П-регулятор: K p =0,55 K kp ;
116
ПИ-регулятор: K p =0,45 K kp ; T i =T kp /1,2;

ПИД-регулятор: K p =0,6 K kp ; T i =T kp /2; T d =T kp /8.
Расчет настроек регулятора можно производить по критической
частоте собственно объекта управления w п . Учитывая, что собственная
частота  п ОУ совпадает с критической частотой колебаний замкнутой
системы с П-регулятором, величины T kp и K kp могут быть определены по
амплитуде и периоду критических колебаний собственно объекта
управления.
При выведении замкнутой системы на границу колебательной
устойчивости, амплитуда колебаний может превысить допустимое значение,
что в свою очередь приведет к возникновению аварийной ситуации на
объекте или к выпуску бракованной продукции. Поэтому не все системы
управления промышленными объектами могут выводиться на критический
режим работы.
Метод затухающих колебаний
Применение этого метода позволяет настраивать регуляторы без
выведения системы на критические режимы работы. Так же, как и в
предыдущем методе, для замкнутой системы с П-регулятором путем
последовательного увеличения KP добиваются переходного процесса
отработки прямоугольного импульса по сигналу задания или возмущения с
декрементом затухания D=1/4. Далее определяется период этих колебаний T k
и значения постоянных интегрирования и дифференцирования регуляторов T
i ,T d .

Для ПИ-регулятора:T i =T k /6;

Для ПИД-регулятора:T i =T k /6;T d =T k /1,5.
После установки вычисленных значений T i и T d на регуляторе
необходимо экспериментально уточнить величину K P для получения
декремента затухания D=1/4. С этой целью производится дополнительная
подстройка K P для выбранного закона регулирования, что обычно приводит
к уменьшению K P на 20 –30%. Большинство промышленных систем
регулирования считаются качественно настроенными, если их декремент
затухания D равен 1/4 или 1/5.
Регулирование при наличии шумов
Наличие высокочастотных шумовых составляющих в измерительном
сигнале приводит к случайным колебаниям исполнительного механизма
системы, что увеличивает дисперсию ошибки регулирования и снижает
точность регулирования. В некоторых случаях сильные шумовые
составляющие могут привести систему к неустойчивому режиму работы
(стохастическая неустойчивость).
В промышленных системах в измерительных цепях часто
присутствуют шумы, связанные с частотой питающей сети. В связи с этим
важной задачей является правильная фильтрация измерительного сигнала, а
также выбор нужного алгоритма и параметров работы регулятора. Для этого
используются фильтры низкой частоты высокого порядка (5 –7), имеющие

117
большую крутизну спада. Их иногда встраивают в нормирующие
преобразователи.
Таким образом, главной задачей регулятора является компенсация
низкочастотных возмущений. При этом с целью получения минимальной
дисперсии ошибки регулирования, высокочастотные помехи должны быть
отфильтрованы. Однако, в общем случае, эта задача противоречивая, так как
спектры возмущения и шума могут накладываться друг на друга. Это
противоречие разрешается с помощью теории оптимального стохастического
управления, которая позволяет добиться хорошего быстродействия в системе
при минимально возможной дисперсии ошибки регулирования. Для
уменьшения влияния помех в практических ситуациях применяются два
способа, основанных на:

уменьшении коэффициента усиления регулятора K p , то есть,
фактически, переход на интегральный закон регулирования, который
малочувствителен к шумам;

фильтрации измеряемого сигнала.
Методы настройки двухсвязных систем регулирования
Из общего числа систем регулирования около 15% составляют
двухсвязные системы регулирования (рис.11). В таких системах даже при
наличии устойчивой автономной работы двух регуляторов вся система может
стать неустойчивой за счет действия перекрестной связи в объекте
управления.
Объект управления в двухсвязной системе представлен в Рканонической форме. Удобство такого представления заключается в том, что
путем активного эксперимента можно определить все передаточные функции
по соответствующим каналам. Промежуточные сигналы x 1 , x 2 , x 3 , x 4
обычно недоступны для измерения, поэтому управление ведется по вектору
выхода Y:
На практике довольно большое число систем являются двухсвязными.
Для объективной настройки регуляторов двухсвязных систем формируется
критерий качества вида:
118
где y 1 и y 2 — коэффициенты веса (штрафа), J1 и J 2 — критерии
качества первого и второго контуров. Путем перераспределения
коэффициентов веса y 1 и y 2 можно выделить более важный контур, качество
процессов управления в котором должно быть более высоким. Например,
если первый контур должен обеспечивать более высокую точность работы,
то y 1 требуется увеличить. Задача настройки регулятора состоит в том,
чтобы при заданных y 1 и y 2 обеспечить минимальное значение J 0 системы,
где
Рассмотрим различные методы настройки регуляторов в двухсвязных
системах.
Метод автономной настройки регуляторов
В этом случае настройка регуляторов Р 1 и Р 2 производится
последовательно, без учета взаимных влияний контуров. Процедура
настройки осуществляется следующим образом:

регулятор Р 2 переводится в ручной режим работы;

настраивается регулятор Р 1 так, чтобы критерий J 1 был
минимален;

отключается настроенный регулятор Р 1 и включается регулятор
Р2;

настраивается Р 2 , обеспечивая минимум J 2 ;

оба регулятора включаются в работу.
Такой подход рекомендуется использовать если:

наблюдается малое взаимное влияние контуров;

быстродействие одного контура значительно выше другого
(контуры разнесены по частотам);

в перекрестных связях одна из передаточных функций имеет
коэффициент передачи значительно меньше, чем другая, то есть наблюдается
одностороннее влияние.
Метод итеративной настройки регуляторов
Этот метода аналогичен предыдущему, но здесь осуществляется
многократная настройка регуляторов Р 1 и Р 2 (последовательная подстройка)
с целью обеспечения минимального значения критерия качества J 0 всей
системы.
Следует учитывать, что только метод итеративной настройки
регуляторов обеспечивает качественную работу двухсвязной системы даже
при наличии сильных перекрестных связей. Это объясняется тем, что
119
оптимизация критерия качества J 0 системы происходит при включенных Р 1
иР2.
Данный метод часто применяется при аналоговом и цифровом
моделировании двухсвязных систем, так как в реальных условиях он весьма
трудоемок.
Метод аналитического конструирования регуляторов
Этот метод позволяет синтезировать многомерный регулятор,
учитывающий в своей структуре взаимосвязь переменных в объекте
управления. Синтез ведется с помощью методов теории оптимального или
модального управления при описании объекта в пространстве состояний.
Структурная схема оптимального регулятора состояния, содержащего
наблюдающее устройство, приведена на рис.12. Схема содержит следующие
элементы: Н — наблюдатель, ОУ — объект управления, МОУ — модуль
объекта управления, ОРС — оптимальный регулятор состояния, Е Н —
ошибка наблюдения, X М — вектор состояния модели, X зад.— вектор
задания, U — вектор входа ОУ, Y — вектор выхода ОУ, Y М — вектор
выхода модели.
Оптимальный регулятор состояния, являясь наиболее совершенным
типом регулятора, требует измерения всех компонентов вектора состояния
объекта. Для получения их оценок (x) используется динамическая модель
объекта (цифровая или аналоговая), подключенная параллельно исходному
ОУ. Для обеспечения равенства движений в реальном объекте и модели
используется наблюдатель, который, сравнивая движения векторов Y и Y М ,
обеспечивает их равенство (E H >0 ). Параметры регулятора состояния
рассчитываются методами аналитического конструирования регуляторов
путем минимизации интегрального квадратичного критерия качества
120
где Q и R — матрицы штрафов (весов) на компоненты вектора
состояния и вектора управления.
ОТВЕТЫ НА ТЕСТЫ
ТЕСТ 1.
1.1. в.
1.2. а.
1.3. а.
1.4. а.
1.5. б.
ТЕСТ 2.
2.1. б.
2.2. б.
2.3. а.
2.4. б.
2.5. а.
ТЕСТ 3.
3.1. б.
3.2. а.
3.3. в.
3.4. а.
3.5. а.
ТЕСТ 4.
4.1. а.
4.2. в.
4.3. а.
4.4. а.
4.5. б.
ТЕСТ 5.
5.1. а.
5.2. а.
5.3. а.
5.4. б.
5.5. а.
ТЕСТ 6.
6.1. а.
6.2. б
6.3. в
6.4. в
6.5. б.
121
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ
И УПРАВЛЕНИЯ им. К.Г.Разумовского
Институт «Системной автоматизации и инноватики»
Кафедра «Автоматизация и управление в технических системах»
«УТВЕРЖДАЮ»
Директор Института
«Системной автоматизации
и инноватики»
_________________ А.В. Воробьева
«_______»_______________ 2013 г
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ДИСЦИПЛИНЫ
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
И УПРАВЛЕНИЯ
Специальность 220400 – Управление в технических системах
Квалификация: бакалавр
Форма обучения и срок подготовки:
- очная (4 года, полная программа подготовки)
- заочная (4 года, полная программа подготовки)
- заочная (3 года, сокращенная программа подготовки)
Курс: __
Москва- 2013
ББК
Обсуждена и одобрена на заседании кафедры «Автоматизация и
управление в технических системах» Московского государственного
университета технологий и управления (протокол №___
от
__________________2013 г.)
Одобрена и рекомендована к утверждению на заседании ученого совета
института «Системная автоматизация и инноватика» Московского
государственного университета технологий и управления (протокол №___ от
____________2013 г.).
Составители:
Жиров Михаил Вениаминович – заведующий кафедрой «Автоматизация и
управление в технических системах» ФГБОУ ВПО МГУТУ, д.т.н., профессор.
Гончаров Андрей Витальевич – старший преподаватель кафедры
«Автоматизация и управление в технических системах » ФГБОУ ВПО
МГУТУ, к.т.н..
Солдатов Виктор Владимирович – профессор кафедры «Автоматизация и
управление в технических системах » ФГБОУ ВПО МГУТУ, д.т.н.,
профессор.
Рецензенты:
Сартаков Михаил Валериевич – доцент кафедры «Информационные
технологии», к.т.н.
Жиров Михаил Вениаминович, Солдатов Виктор Владимирович,
Гончаров Андрей Витальевич. Технические средства автоматизации и
управления: Лабораторный практикум. – М.: МГУТУ, 2013. – 14 с.
Практикум дисциплины «Технические средства автоматизации и управления»
составлен в соответствии с Государственным образовательным стандартом
высшего профессионального образования по направлению подготовки
бакалавров 220400 – «Управление в технических системах».
Практикум предназначен для студентов всех форм обучения.
©Московский
государственный
университет
технологий и управления,
2013.
109004, Москва, Земляной вал, 73
©
Жиров
Михаил
Вениаминович,
Солдатов Виктор Владимирович, Гончаров
Андрей Витальевич
2
ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО
ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
(Лабораторный практикум)
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Лабораторную работу можно выполнять только на исправном стенде.
2. Выполнять лабораторную работу на одном стенде должны не менее
двух человек одновременно.
3. Перед началом работы на стенде необходимо убедиться, что все
выключатели стенда находятся в положении «Выключено».
4. При сборке электрических цепей особое внимание следует обратить на
исправность изоляции соединительных проводов, наличие изолирующих
держателей на штырях. Об обнаруженных неисправностях необходимо
сообщить лаборанту.
5. Категорически запрещается включать стенд без разрешения преподавателя.
6. При проведении опытов на испытательной панели стенда, находящейся
под напряжением, все переключения и регулировки с помощью
переключателей и реостатов должны производиться одним человеком и
только одной рукой. Вторая рука должна быть свободной и не должна
касаться аппаратуры стенда.
7. На лабораторном стенде, находящемся под напряжением, запрещается
производить какие-либо переключения при помощи соединительных
проводов. Перед любым изменением исследуемой цепи питание
лабораторного стенда должно быть отключено.
8. При обнаружении каких-либо повреждений или неисправностей
электрического оборудования стенда, а также при появлении дыма,
искрения или специфического запаха перегретой изоляции необходимо
немедленно обесточить стенд и сообщить об этом преподавателю или
лаборанту.
9. В случае поражения человека электрическим током следует
немедленно обесточить стенд, выключив питание стенда, и сообщить об
этом преподавателю.
10. При потере сознания и дыхания необходимо освободить
пострадавшего от стесняющей одежды и делать искусственное дыхание до
прибытия врача.
3
Лабораторная работа №1
«Расширение пределов измерения измерительных
механизмов магнитоэлектрической системы»
Цель работы: научиться использовать измерительный механизм
магнитоэлектрической системы в качестве амперметра или вольтметра.
Теоретические сведения
Принцип действия измерительного механизма магнитоэлектрической
системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и
подвижной катушки (рамки) по которой протекает ток. В результате этого
взаимодействия, создается вращающийся момент, воздействующий на
подвижную часть механизма.
Угол
поворота
подвижной
части
измерительного
механизма
магнитоэлектрической системы пропорционален измеряемому току, поэтому
измеряемый ток может быть определен по углу поворота подвижной части
измерительного механизма:
α = S1·I,
(1.1)
а
I = CI·α,
(1.2)
где α – угол поворота подвижной части; S1 – коэффициент
пропорциональности (чувствительность по току); СI – постоянная по току.
По углу поворота подвижной части можно определить также напряжение
на зажимах измерительного механизма. Так как ток протекает по рамке под
действием напряжения, приложенного к зажимам измерительного механизма,
то
U = I·R = CI·α·R = CU·α,
(1.3)
где СU – постоянная по напряжению.
Непосредственно измерительным механизмом магнитоэлектрической
системы можно измерить токи до 30 мА, а напряжения в несколько десятков
милливольт. Для того чтобы расширить пределы измерения по току
применяют шунты (рис. 1.1). Шунт представляет собой проводник малого
сопротивления, включаемый последовательно в цепь измеряемого тока с
помощью токовых зажимов “А” и “Б”. Параллельно шунту с помощью
потенциальных зажимов “а” и “б” присоединяется измерительный механизм.
Измеряемый ток I, дойдя до точки “а”, разветвляется на две части: Iш – ток,
проходящий через шунт, и Iи – ток, проходящий через измерительный
механизм.
4
+
а
I
б
IШ
PA
A
А
Б
Rш
IИ
Rнаг
И
М
Rи
_
Рис. 1.1. Схема для расширения пределов измерения измерительного механизма по току.
Чем меньше сопротивление шунта, тем больший ток проходит через него и
тем меньший через измерительный механизм:
Iш / Iи = Rи / Rш,
(1.4)
где Rш – сопротивление шунта; Rи – сопротивление измерительного
механизма.
Отсюда Iш = Iи · Rи / Rш, а измеряемый ток:
I = Iи + Iш = Iи + Iи · Rи / Rш = Iи · (1 + Rи / Rш ).
(1.5)
Чтобы каждый раз не производить эти вычисления, шкала прибора обычно
сразу градуируется в значениях измеряемого тока. Очевидно, что эта
градуировка будет верна только для определенного шунта (с определенным
сопротивлением Rш).
Отношение измеряемого тока к току в измерительном механизме
называется коэффициентом расширения пределов измерения амперметром n:
n = I / Iи.
(1.6)
Зная этот коэффициент и сопротивление измерительного механизма,
можно определить сопротивление шунта, необходимого для получения
требуемого предела измерения:
Rш = Rи / (n – 1)
(1.7)
Для расширения пределов измерения по напряжению применяются
добавочные сопротивления. Добавочные сопротивления включаются
последовательно с измерительным механизмом (рис. 1.2). При этом падения
напряжения распределяются между измерительным механизмом и
добавочным сопротивлением пропорционально величинам их сопротивлений:
Uи / Uд = Rи / Rд
5
(1.8)
+
PV
RР
Uи
ИМ Rи
Uд
Rд
V
I
_
Рис. 1.2. Схема для расширения пределов измерения
измерительного механизма по напряжению.
Отношение величины напряжения, до которой необходимо расширить
предел измерения, к падению напряжения на сопротивлении измерительного
механизма называется коэффициентом расширения пределов измерения
вольтметром m:
m = U / Uи
(1.9)
Если предел измерения по напряжению необходимо расширить в m раз, то
U = Uи · m = Uи + Uд = I · (Rи + Rд),
(1.10)
Откуда величина добавочного сопротивления равна:
Rд = Rи · (m - 1).
(1.11)
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для
выполнения работы и записать их основные технические данные.
2. Рассчитать сопротивление шунта Rш для имеющегося на рабочем месте
измерительного механизма с целью расширения его предела измерения по
току до 1 А.
3. Изготовить из манганиновой проволоки необходимый шунт,
подключить его параллельно к измерительному механизму и с учетом шунта
определить цену деления полученного амперметра по существующей шкале
измерительного механизма.
4. Собрать схему (см. рис. 1.1) и предъявить ее для проверки
преподавателю.
5. Включить схему в сеть постоянного тока напряжением U = 24 В и
плавно изменяя ток записать показания полученного и образцового
амперметра (5–6 показаний).
6. Вычислить для каждого измерения абсолютную и относительную
погрешности, приняв за действительные значения показания образцового
амперметра. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 1.1.
6
Таблица 1.1
№
п/п
Опытные данные
показания
показания
полученного
образцового
амперметра, А
амперметра,
А
Расчетные данные
, А
I, %
7. Рассчитать величину добавочного сопротивления для расширения
предела измерения измерительного механизма по напряжению до 20 В.
8. Установить на магазине сопротивлений необходимое добавочное
сопротивление, подключить его последовательно с измерительным механизмом
и с учетом добавочного сопротивления определить цену деления полученного
вольтметра по существующей шкале измерительного механизма.
9. Собрать схему (см. рис. 1.2) и предъявить ее для проверки
преподавателю.
10. Включить схему в сеть постоянного тока напряжением U = 24 В и
плавно изменяя напряжение записать показания полученного и образцового
вольтметра (5–6 показаний).
11. Вычислить для каждого измерения абсолютную и относительную
погрешности, приняв за действительные значения показания образцового
вольтметра. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Расчетные
данные
U,
U,
В
%
Опытные данные
N
п/п
показания
полученного
вольтметра,
В
показания
образцового
вольтметра,
В
Отчет по лабораторной работе должен содержать
1. Технические данные оборудования и измерительных приборов,
используемых в работе.
2. Схемы произведенных измерений (2 схемы).
3. Расчет шунта и добавочного сопротивления.
4. Таблицы с опытными и расчетными данными.
5. Ответы на контрольные вопросы.
6. Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. В каких измерительных механизмах и для каких целей применяются
шунты?
7
2. В каких измерительных механизмах и для каких целей применяются
добавочные сопротивления?
3. Какие данные необходимо иметь для подбора шунта?
4. Какие данные необходимо иметь для подбора добавочного
сопротивления?
5. Как рассчитать добавочное сопротивление?
Список литературы
Основная литература
1. Коновалов
Л.Н.,
Петелин
Д.П.
Элементы
и
системы
электроавтоматики.- М.: Высшая школа, 2008, 276с.
2. Бечева М.К., Златенов И.Д., Новиков П.Н., Шанкин Е.В.
Электротехника и электроника.- М.: Высшая школа, 2007, 224с.
3. Денисов А.А., Нагорный Б.С. Пневматические и гидравлические
устройства автоматики.- М.: Высшая школа, 2008, 214с.
4. Бушуев С.Д., Михайлов В.С.
Автоматика и автоматизация
производственных процессов. - М.: Высшая школа, 2009, 256с.
Дополнительная литература
1. Попов Е.П., Письменный Г.В. Основы робототехники. Введение в
специальность. - М.: Высшая школа, 2008, 224с.
2. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины и микромашины. - М.:
Высшая школа, 2007, 423с.
Лабораторная работа №2
«Расширение пределов измерения приборов переменного тока с
помощью измерительных трансформаторов»
Цель работы: научиться расширять пределы измерений приборов
переменного тока с помощью измерительных трансформаторов тока и
напряжения.
Теоретические сведения
В цепях переменного тока для расширения пределов измерения приборов
по напряжению применяются измерительные трансформаторы напряжения.
Они используются для подключения вольтметров, частотомеров и обмоток
напряжения ваттметров, счетчиков и других приборов. Схема включения
трансформатора напряжения показана на рис. 2.1.
8
U
ZНАГ
X TV
А
а
PV
х
V
Hz
PF
* PW
*
Рис. 2.1. Схема включения измерительных приборов
через трансформатор напряжения.
Так как вторичная обмотка трансформатора напряжения замкнута на
большие сопротивления обмоток напряжения приборов, то ток во вторичной
обмотке мал, т. е. трансформатор напряжения работает в режиме, близком к
режиму холостого хода. Это дает право пренебречь незначительными
падениями напряжений в обмотках трансформатора, которые составляют
около 1% от соответствующих номинальных напряжений обмоток, и принять
U1 ≈ Е1 и U2 ≈ Е2
(2.1)
Тогда
КU = U1 / U2 ≈ E1 / E2 = w1 / w2,
(2.2)
где КU – коэффициент трансформации трансформатора напряжения.
Применение трансформаторов напряжения вносит дополнительную
погрешность в измерения, которая зависит от нагрузки во вторичной цепи
трансформатора.
В цепях переменного тока для расширения пределов измерения приборов по
току применяются измерительные трансформаторы тока. Они используются
для подключения амперметров и токовых обмоток ваттметров, счетчиков и
других приборов. Схема включения трансформатора тока показана на рис. 2.2.
9
U
ZНАГ
Л1
И1
TA
Л2
И2
РA
A
*
*
PW
Рис. 2.2. Схема включения измерительных приборов
через трансформатор тока.
Так как вторичная обмотка трансформатора тока замкнута на малые
сопротивления токовых обмоток приборов, то трансформатор тока работает в
режиме, близком к режиму короткого замыкания. Если пренебречь
магнитодвижущей силой холостого хода, которая составляет 0,5–1 % от
магнитодвижущей силы первичной обмотки, то
I1 · w1 = I2 · w2 и КI = I1 / I2 = w2 / w1 ,
(2.3)
где КI – коэффициент трансформации трансформатора тока.
Применение трансформаторов тока вносит дополнительную погрешность в
измерения, которая зависит от нагрузки вторичной обмотки трансформатора.
Если разомкнуть вторичную обмотку трансформатора тока, то вследствие
исчезновения размагничивающего магнитного потока вторичной обмотки,
поток трансформатора возрастает и, следовательно, возрастает ЭДС
вторичной обмотки до опасной величины. С другой стороны, с увеличением
потока возрастают потери в стали трансформатора, что приводит к
чрезмерному нагреву сердечника и порче изоляции обмоток. Поэтому
запрещается работать с трансформатором тока, вторичная обмотка которого
разомкнута.
При любом измерении с помощью измерительных трансформаторов
полученное значение величины отличается от истинного. Точность измерения
оценивается относительной погрешностью измерения:
δ (%) = (А' – А)·100 / А,
(2.4)
'
где А – измеренное значение измеряемой величины; А – действительное
значение измеряемой величины.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для
выполнения работы и записать их основные технические данные.
2. Собрать схему (рис. 2.3) и предъявить ее для проверки преподавателю.
10
3. Вычислить коэффициент трансформации трансформатора тока при
номинальных первичных токах I1 = 0,5; 1; 2 А и номинальном вторичном токе
I2 = 5 А.
4. Включить схему в сеть переменного тока напряжением 220 В. При трех
различных значениях нагрузки (1, 2 и 3 лампы накаливания), измерить ток
амперметром прямого включения и амперметром, включенным через
TA
измерительный трансформатор тока.
A
РA1
Л1
Л2
И2
И1
PA2
A
U=220 В
RНАГ
Рис.2.3. Схема для расширения пределов измерения
амперметра переменного тока.
5. Принимая за действительное значение тока величину, измеренную
амперметром прямого включения, а за измеренное – определенную по
показанию амперметра, включенного через трансформатор тока, вычислить
погрешность при измерении тока δi.
6. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 2.1.
Таблица 2.1
№
Опытные
п/п
данные
I1, А
I2, А
1.
2.
3.
Расчетные данные
I 1= I2КI, А
К1
δI, %
7. Собрать схему (рис. 2.4) и предъявить ее для проверки преподавателю.
А
U=220 В
а
PV1
V PV2
V
X
х
Рис. 2.4. Схема для расширения пределов измерения
вольтметра переменного тока.
11
8. Вычислить коэффициент трансформации трансформатора напряжения
при номинальном первичном напряжении U1 = 380/ 3 В и номинальном
вторичном напряжении U2 = 100; 100/ 3 ; 100/3 В.
9. Включить схему и измерить линейное напряжение сети лаборатории
вольтметром на 150 В, включенным через измерительный трансформатор
напряжения при различных коэффициентах трансформации, и вольтметром
прямого включения.
10. Принимая за действительное значение напряжения величину,
измеренную вольтметром прямого включения, а за измеренное –
определенную по показанию вольтметра, включенного через трансформатор
напряжения, вычислить погрешность при измерении напряжения δU.
11. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 2.2.
Таблица 2.2
№
п/п
Опытные данные
U1, В
U2, В
КU
Расчетные данные
δU, %
U1=U2К
U, В
1.
2.
3.
12. Собрать схему (рис. 2.5) и предъявить ее для проверки преподавателю.
РA
А
A
TV
а
U=220 В
*
Л1
TA Л
И1
И2
*
*
*
х
РW1
2
R
PW2
X
Рис. 2.5. Схема для расширения пределов измерения
однофазного ваттметра.
13. Включить схему в сеть переменного тока напряжением 220 В. При трех
различных значениях нагрузки (1, 2 и 3 лампы) измерить мощность
ваттметром прямого включения и ваттметром, включенным через
измерительные трансформаторы тока и напряжения.
14. Принимая за действительные значение мощности величину,
измеренную ваттметром прямого включения, а за измеренные –
определенную по показанию ваттметра, включенного через измерительные
трансформаторы, вычислить погрешность при измерении мощности δР.
15. Результаты измерения и расчетов записать в табл. 2.3.
Таблица 2.3.
12
№
п/п
Опытные данные
I, P1, Вт P2, Вт
А
К
I
Расчетные данные
КU P1=KI KUP2,
Вт
δР,
%
1.
2.
3.
Отчет по лабораторной работе должен содержать
1. Технические данные оборудования и измерительных приборов,
используемых в работе.
2. Схемы произведенных измерений (3 схемы).
3. Расчет тока, напряжения и мощности с учетом коэффициента
трансформации измерительных трансформаторов и погрешностей при
измерении.
4. Таблицы с опытными и расчетными данными.
5. Ответы на контрольные вопросы.
6. Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. В каких режимах работают трансформатор тока и трансформатор
напряжения?
2. Что произойдет, если разомкнуть вторичную обмотку трансформатора
тока, когда по его первичной обмотке протекает ток?
3. Как определяется цена деления электроизмерительных приборов при
включении их через измерительные трансформаторы?
Список литературы
Основная литература
5. Коновалов
Л.Н.,
Петелин
Д.П.
Элементы
и
системы
электроавтоматики.- М.: Высшая школа, 2008, 276с.
6. Бечева М.К., Златенов И.Д., Новиков П.Н., Шанкин Е.В.
Электротехника и электроника.- М.: Высшая школа, 2007, 224с.
7. Денисов А.А., Нагорный Б.С. Пневматические и гидравлические
устройства автоматики.- М.: Высшая школа, 2008, 214с.
8. Бушуев С.Д., Михайлов В.С.
Автоматика и автоматизация
производственных процессов. - М.: Высшая школа, 2009, 256с.
Дополнительная литература
3. Попов Е.П., Письменный Г.В. Основы робототехники. Введение в
специальность. - М.: Высшая школа, 2008, 224с.
4. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины и микромашины. - М.:
Высшая школа, 2007, 423с.
13
4. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ ПРОГРАММЫ И ФОРМА
ТЕКУЩЕГО И ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ
(Экзаменационные вопросы, вопросы для самопроверки)
Для решения профессиональных задач инженер должен быть:
 подготовлен к участию во всех фазах исследования, проектирования,
разработки систем интегрированного управления;
 подготовлен к участию в разработке всех видов документации на
аппаратные, программные средства и аппаратно-программные комплексы
систем интегрированного управления;
 готов к участию в научных исследованиях и выполнению
технических разработок в своей профессиональной области;
 уметь осуществлять сбор, обработку и систематизацию научнотехнической информации по заданному направлению профессиональной
деятельности, применять для этого современные информационные
технологии;
 способен изучать специальную литературу, анализировать
достижения отечественной и зарубежной науки и техники в области
профессиональной деятельности;
 способен взаимодействовать со специалистами смежного профиля
при разработке математических моделей объектов и процессов различной
физической природы, алгоритмического и программного обеспечения систем
автоматизации и управления, в научных исследованиях и проектноконструкторской деятельности;
 уметь на научной основе организовать свой труд, владеть
современными информационными технологиями, применяемыми в сфере
его профессиональной деятельности;
 способен в условиях развития науки и изменяющейся социальной
практики к переоценке накопленного опыта, анализу своих возможностей,
умеет приобретать новые знания, используя современные информационные
образовательные технологии.
Авторы:
Жиров Михаил Вениаминович
Гончаров Андрей Витальевич
Солдатов Виктор Владимирович
Практикум дисциплины «Технические средства автоматизации и управления».
– М.: МГУТУ, 2013
Подписано к печати:
Тираж:
14
Заказ №
15
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ
И УПРАВЛЕНИЯ им. К.Г.Разумовского
Институт «Системной автоматизации и инноватики»
Кафедра «Автоматизация и управление в технических системах»
«УТВЕРЖДАЮ»
Директор Института
«Системной автоматизации
и инноватики»
_________________ А.В. Воробьева
«_______»_______________ 2013 г
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ДИСЦИПЛИНЫ
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
И УПРАВЛЕНИЯ
Специальность 220400 – Управление в технических системах
Квалификация: бакалавр
Форма обучения и срок подготовки:
- очная (4 года, полная программа подготовки)
- заочная (4 года, полная программа подготовки)
- заочная (3 года, сокращенная программа подготовки)
Курс: __
Москва- 2013
ББК
Обсуждена и одобрена на заседании кафедры «Автоматизация и
управление в технических системах» Московского государственного
университета технологий и управления (протокол №___
от
__________________2013 г.)
Одобрена и рекомендована к утверждению на заседании ученого совета
института «Системная автоматизация и инноватика» Московского
государственного университета технологий и управления (протокол №___ от
____________2013 г.).
Составители:
Жиров Михаил Вениаминович – заведующий кафедрой «Автоматизация и
управление в технических системах» ФГБОУ ВПО МГУТУ, д.т.н., профессор.
Гончаров Андрей Витальевич – старший преподаватель кафедры
«Автоматизация и управление в технических системах » ФГБОУ ВПО
МГУТУ, к.т.н..
Солдатов Виктор Владимирович – профессор кафедры «Автоматизация и
управление в технических системах » ФГБОУ ВПО МГУТУ, д.т.н.,
профессор.
Рецензенты:
Сартаков Михаил Валериевич – доцент кафедры «Информационные
технологии», к.т.н.
Жиров Михаил Вениаминович, Солдатов Виктор Владимирович,
Гончаров Андрей Витальевич. Технические средства автоматизации и
управления: Лабораторный практикум. – М.: МГУТУ, 2013. – 14 с.
Практикум дисциплины «Технические средства автоматизации и управления»
составлен в соответствии с Государственным образовательным стандартом
высшего профессионального образования по направлению подготовки
бакалавров 220400 – «Управление в технических системах».
Практикум предназначен для студентов всех форм обучения.
©Московский
государственный
университет
технологий и управления,
2013.
109004, Москва, Земляной вал, 73
©
Жиров
Михаил
Вениаминович,
Солдатов Виктор Владимирович, Гончаров
Андрей Витальевич
2
ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО
ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
(Лабораторный практикум)
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Лабораторную работу можно выполнять только на исправном стенде.
2. Выполнять лабораторную работу на одном стенде должны не менее
двух человек одновременно.
3. Перед началом работы на стенде необходимо убедиться, что все
выключатели стенда находятся в положении «Выключено».
4. При сборке электрических цепей особое внимание следует обратить на
исправность изоляции соединительных проводов, наличие изолирующих
держателей на штырях. Об обнаруженных неисправностях необходимо
сообщить лаборанту.
5. Категорически запрещается включать стенд без разрешения преподавателя.
6. При проведении опытов на испытательной панели стенда, находящейся
под напряжением, все переключения и регулировки с помощью
переключателей и реостатов должны производиться одним человеком и
только одной рукой. Вторая рука должна быть свободной и не должна
касаться аппаратуры стенда.
7. На лабораторном стенде, находящемся под напряжением, запрещается
производить какие-либо переключения при помощи соединительных
проводов. Перед любым изменением исследуемой цепи питание
лабораторного стенда должно быть отключено.
8. При обнаружении каких-либо повреждений или неисправностей
электрического оборудования стенда, а также при появлении дыма,
искрения или специфического запаха перегретой изоляции необходимо
немедленно обесточить стенд и сообщить об этом преподавателю или
лаборанту.
9. В случае поражения человека электрическим током следует
немедленно обесточить стенд, выключив питание стенда, и сообщить об
этом преподавателю.
10. При потере сознания и дыхания необходимо освободить
пострадавшего от стесняющей одежды и делать искусственное дыхание до
прибытия врача.
3
Лабораторная работа №1
«Расширение пределов измерения измерительных
механизмов магнитоэлектрической системы»
Цель работы: научиться использовать измерительный механизм
магнитоэлектрической системы в качестве амперметра или вольтметра.
Теоретические сведения
Принцип действия измерительного механизма магнитоэлектрической
системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и
подвижной катушки (рамки) по которой протекает ток. В результате этого
взаимодействия, создается вращающийся момент, воздействующий на
подвижную часть механизма.
Угол
поворота
подвижной
части
измерительного
механизма
магнитоэлектрической системы пропорционален измеряемому току, поэтому
измеряемый ток может быть определен по углу поворота подвижной части
измерительного механизма:
α = S1·I,
(1.1)
а
I = CI·α,
(1.2)
где α – угол поворота подвижной части; S1 – коэффициент
пропорциональности (чувствительность по току); СI – постоянная по току.
По углу поворота подвижной части можно определить также напряжение
на зажимах измерительного механизма. Так как ток протекает по рамке под
действием напряжения, приложенного к зажимам измерительного механизма,
то
U = I·R = CI·α·R = CU·α,
(1.3)
где СU – постоянная по напряжению.
Непосредственно измерительным механизмом магнитоэлектрической
системы можно измерить токи до 30 мА, а напряжения в несколько десятков
милливольт. Для того чтобы расширить пределы измерения по току
применяют шунты (рис. 1.1). Шунт представляет собой проводник малого
сопротивления, включаемый последовательно в цепь измеряемого тока с
помощью токовых зажимов “А” и “Б”. Параллельно шунту с помощью
потенциальных зажимов “а” и “б” присоединяется измерительный механизм.
Измеряемый ток I, дойдя до точки “а”, разветвляется на две части: Iш – ток,
проходящий через шунт, и Iи – ток, проходящий через измерительный
механизм.
4
+
а
I
б
IШ
PA
A
А
Б
Rш
IИ
Rнаг
И
М
Rи
_
Рис. 1.1. Схема для расширения пределов измерения измерительного механизма по току.
Чем меньше сопротивление шунта, тем больший ток проходит через него и
тем меньший через измерительный механизм:
Iш / Iи = Rи / Rш,
(1.4)
где Rш – сопротивление шунта; Rи – сопротивление измерительного
механизма.
Отсюда Iш = Iи · Rи / Rш, а измеряемый ток:
I = Iи + Iш = Iи + Iи · Rи / Rш = Iи · (1 + Rи / Rш ).
(1.5)
Чтобы каждый раз не производить эти вычисления, шкала прибора обычно
сразу градуируется в значениях измеряемого тока. Очевидно, что эта
градуировка будет верна только для определенного шунта (с определенным
сопротивлением Rш).
Отношение измеряемого тока к току в измерительном механизме
называется коэффициентом расширения пределов измерения амперметром n:
n = I / Iи.
(1.6)
Зная этот коэффициент и сопротивление измерительного механизма,
можно определить сопротивление шунта, необходимого для получения
требуемого предела измерения:
Rш = Rи / (n – 1)
(1.7)
Для расширения пределов измерения по напряжению применяются
добавочные сопротивления. Добавочные сопротивления включаются
последовательно с измерительным механизмом (рис. 1.2). При этом падения
напряжения распределяются между измерительным механизмом и
добавочным сопротивлением пропорционально величинам их сопротивлений:
Uи / Uд = Rи / Rд
5
(1.8)
+
PV
RР
Uи
ИМ Rи
Uд
Rд
V
I
_
Рис. 1.2. Схема для расширения пределов измерения
измерительного механизма по напряжению.
Отношение величины напряжения, до которой необходимо расширить
предел измерения, к падению напряжения на сопротивлении измерительного
механизма называется коэффициентом расширения пределов измерения
вольтметром m:
m = U / Uи
(1.9)
Если предел измерения по напряжению необходимо расширить в m раз, то
U = Uи · m = Uи + Uд = I · (Rи + Rд),
(1.10)
Откуда величина добавочного сопротивления равна:
Rд = Rи · (m - 1).
(1.11)
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для
выполнения работы и записать их основные технические данные.
2. Рассчитать сопротивление шунта Rш для имеющегося на рабочем месте
измерительного механизма с целью расширения его предела измерения по
току до 1 А.
3. Изготовить из манганиновой проволоки необходимый шунт,
подключить его параллельно к измерительному механизму и с учетом шунта
определить цену деления полученного амперметра по существующей шкале
измерительного механизма.
4. Собрать схему (см. рис. 1.1) и предъявить ее для проверки
преподавателю.
5. Включить схему в сеть постоянного тока напряжением U = 24 В и
плавно изменяя ток записать показания полученного и образцового
амперметра (5–6 показаний).
6. Вычислить для каждого измерения абсолютную и относительную
погрешности, приняв за действительные значения показания образцового
амперметра. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 1.1.
6
Таблица 1.1
№
п/п
Опытные данные
показания
показания
полученного
образцового
амперметра, А
амперметра,
А
Расчетные данные
, А
I, %
7. Рассчитать величину добавочного сопротивления для расширения
предела измерения измерительного механизма по напряжению до 20 В.
8. Установить на магазине сопротивлений необходимое добавочное
сопротивление, подключить его последовательно с измерительным механизмом
и с учетом добавочного сопротивления определить цену деления полученного
вольтметра по существующей шкале измерительного механизма.
9. Собрать схему (см. рис. 1.2) и предъявить ее для проверки
преподавателю.
10. Включить схему в сеть постоянного тока напряжением U = 24 В и
плавно изменяя напряжение записать показания полученного и образцового
вольтметра (5–6 показаний).
11. Вычислить для каждого измерения абсолютную и относительную
погрешности, приняв за действительные значения показания образцового
вольтметра. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Расчетные
данные
U,
U,
В
%
Опытные данные
N
п/п
показания
полученного
вольтметра,
В
показания
образцового
вольтметра,
В
Отчет по лабораторной работе должен содержать
1. Технические данные оборудования и измерительных приборов,
используемых в работе.
2. Схемы произведенных измерений (2 схемы).
3. Расчет шунта и добавочного сопротивления.
4. Таблицы с опытными и расчетными данными.
5. Ответы на контрольные вопросы.
6. Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. В каких измерительных механизмах и для каких целей применяются
шунты?
7
2. В каких измерительных механизмах и для каких целей применяются
добавочные сопротивления?
3. Какие данные необходимо иметь для подбора шунта?
4. Какие данные необходимо иметь для подбора добавочного
сопротивления?
5. Как рассчитать добавочное сопротивление?
Список литературы
Основная литература
1. Коновалов
Л.Н.,
Петелин
Д.П.
Элементы
и
системы
электроавтоматики.- М.: Высшая школа, 2008, 276с.
2. Бечева М.К., Златенов И.Д., Новиков П.Н., Шанкин Е.В.
Электротехника и электроника.- М.: Высшая школа, 2007, 224с.
3. Денисов А.А., Нагорный Б.С. Пневматические и гидравлические
устройства автоматики.- М.: Высшая школа, 2008, 214с.
4. Бушуев С.Д., Михайлов В.С.
Автоматика и автоматизация
производственных процессов. - М.: Высшая школа, 2009, 256с.
Дополнительная литература
1. Попов Е.П., Письменный Г.В. Основы робототехники. Введение в
специальность. - М.: Высшая школа, 2008, 224с.
2. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины и микромашины. - М.:
Высшая школа, 2007, 423с.
Лабораторная работа №2
«Расширение пределов измерения приборов переменного тока с
помощью измерительных трансформаторов»
Цель работы: научиться расширять пределы измерений приборов
переменного тока с помощью измерительных трансформаторов тока и
напряжения.
Теоретические сведения
В цепях переменного тока для расширения пределов измерения приборов
по напряжению применяются измерительные трансформаторы напряжения.
Они используются для подключения вольтметров, частотомеров и обмоток
напряжения ваттметров, счетчиков и других приборов. Схема включения
трансформатора напряжения показана на рис. 2.1.
8
U
ZНАГ
X TV
А
а
PV
х
V
Hz
PF
* PW
*
Рис. 2.1. Схема включения измерительных приборов
через трансформатор напряжения.
Так как вторичная обмотка трансформатора напряжения замкнута на
большие сопротивления обмоток напряжения приборов, то ток во вторичной
обмотке мал, т. е. трансформатор напряжения работает в режиме, близком к
режиму холостого хода. Это дает право пренебречь незначительными
падениями напряжений в обмотках трансформатора, которые составляют
около 1% от соответствующих номинальных напряжений обмоток, и принять
U1 ≈ Е1 и U2 ≈ Е2
(2.1)
Тогда
КU = U1 / U2 ≈ E1 / E2 = w1 / w2,
(2.2)
где КU – коэффициент трансформации трансформатора напряжения.
Применение трансформаторов напряжения вносит дополнительную
погрешность в измерения, которая зависит от нагрузки во вторичной цепи
трансформатора.
В цепях переменного тока для расширения пределов измерения приборов по
току применяются измерительные трансформаторы тока. Они используются
для подключения амперметров и токовых обмоток ваттметров, счетчиков и
других приборов. Схема включения трансформатора тока показана на рис. 2.2.
9
U
ZНАГ
Л1
И1
TA
Л2
И2
РA
A
*
*
PW
Рис. 2.2. Схема включения измерительных приборов
через трансформатор тока.
Так как вторичная обмотка трансформатора тока замкнута на малые
сопротивления токовых обмоток приборов, то трансформатор тока работает в
режиме, близком к режиму короткого замыкания. Если пренебречь
магнитодвижущей силой холостого хода, которая составляет 0,5–1 % от
магнитодвижущей силы первичной обмотки, то
I1 · w1 = I2 · w2 и КI = I1 / I2 = w2 / w1 ,
(2.3)
где КI – коэффициент трансформации трансформатора тока.
Применение трансформаторов тока вносит дополнительную погрешность в
измерения, которая зависит от нагрузки вторичной обмотки трансформатора.
Если разомкнуть вторичную обмотку трансформатора тока, то вследствие
исчезновения размагничивающего магнитного потока вторичной обмотки,
поток трансформатора возрастает и, следовательно, возрастает ЭДС
вторичной обмотки до опасной величины. С другой стороны, с увеличением
потока возрастают потери в стали трансформатора, что приводит к
чрезмерному нагреву сердечника и порче изоляции обмоток. Поэтому
запрещается работать с трансформатором тока, вторичная обмотка которого
разомкнута.
При любом измерении с помощью измерительных трансформаторов
полученное значение величины отличается от истинного. Точность измерения
оценивается относительной погрешностью измерения:
δ (%) = (А' – А)·100 / А,
(2.4)
'
где А – измеренное значение измеряемой величины; А – действительное
значение измеряемой величины.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для
выполнения работы и записать их основные технические данные.
2. Собрать схему (рис. 2.3) и предъявить ее для проверки преподавателю.
10
3. Вычислить коэффициент трансформации трансформатора тока при
номинальных первичных токах I1 = 0,5; 1; 2 А и номинальном вторичном токе
I2 = 5 А.
4. Включить схему в сеть переменного тока напряжением 220 В. При трех
различных значениях нагрузки (1, 2 и 3 лампы накаливания), измерить ток
амперметром прямого включения и амперметром, включенным через
TA
измерительный трансформатор тока.
A
РA1
Л1
Л2
И2
И1
PA2
A
U=220 В
RНАГ
Рис.2.3. Схема для расширения пределов измерения
амперметра переменного тока.
5. Принимая за действительное значение тока величину, измеренную
амперметром прямого включения, а за измеренное – определенную по
показанию амперметра, включенного через трансформатор тока, вычислить
погрешность при измерении тока δi.
6. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 2.1.
Таблица 2.1
№
Опытные
п/п
данные
I1, А
I2, А
1.
2.
3.
Расчетные данные
I 1= I2КI, А
К1
δI, %
7. Собрать схему (рис. 2.4) и предъявить ее для проверки преподавателю.
А
U=220 В
а
PV1
V PV2
V
X
х
Рис. 2.4. Схема для расширения пределов измерения
вольтметра переменного тока.
11
8. Вычислить коэффициент трансформации трансформатора напряжения
при номинальном первичном напряжении U1 = 380/ 3 В и номинальном
вторичном напряжении U2 = 100; 100/ 3 ; 100/3 В.
9. Включить схему и измерить линейное напряжение сети лаборатории
вольтметром на 150 В, включенным через измерительный трансформатор
напряжения при различных коэффициентах трансформации, и вольтметром
прямого включения.
10. Принимая за действительное значение напряжения величину,
измеренную вольтметром прямого включения, а за измеренное –
определенную по показанию вольтметра, включенного через трансформатор
напряжения, вычислить погрешность при измерении напряжения δU.
11. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 2.2.
Таблица 2.2
№
п/п
Опытные данные
U1, В
U2, В
КU
Расчетные данные
δU, %
U1=U2К
U, В
1.
2.
3.
12. Собрать схему (рис. 2.5) и предъявить ее для проверки преподавателю.
РA
А
A
TV
а
U=220 В
*
Л1
TA Л
И1
И2
*
*
*
х
РW1
2
R
PW2
X
Рис. 2.5. Схема для расширения пределов измерения
однофазного ваттметра.
13. Включить схему в сеть переменного тока напряжением 220 В. При трех
различных значениях нагрузки (1, 2 и 3 лампы) измерить мощность
ваттметром прямого включения и ваттметром, включенным через
измерительные трансформаторы тока и напряжения.
14. Принимая за действительные значение мощности величину,
измеренную ваттметром прямого включения, а за измеренные –
определенную по показанию ваттметра, включенного через измерительные
трансформаторы, вычислить погрешность при измерении мощности δР.
15. Результаты измерения и расчетов записать в табл. 2.3.
Таблица 2.3.
12
№
п/п
Опытные данные
I, P1, Вт P2, Вт
А
К
I
Расчетные данные
КU P1=KI KUP2,
Вт
δР,
%
1.
2.
3.
Отчет по лабораторной работе должен содержать
1. Технические данные оборудования и измерительных приборов,
используемых в работе.
2. Схемы произведенных измерений (3 схемы).
3. Расчет тока, напряжения и мощности с учетом коэффициента
трансформации измерительных трансформаторов и погрешностей при
измерении.
4. Таблицы с опытными и расчетными данными.
5. Ответы на контрольные вопросы.
6. Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. В каких режимах работают трансформатор тока и трансформатор
напряжения?
2. Что произойдет, если разомкнуть вторичную обмотку трансформатора
тока, когда по его первичной обмотке протекает ток?
3. Как определяется цена деления электроизмерительных приборов при
включении их через измерительные трансформаторы?
Список литературы
Основная литература
5. Коновалов
Л.Н.,
Петелин
Д.П.
Элементы
и
системы
электроавтоматики.- М.: Высшая школа, 2008, 276с.
6. Бечева М.К., Златенов И.Д., Новиков П.Н., Шанкин Е.В.
Электротехника и электроника.- М.: Высшая школа, 2007, 224с.
7. Денисов А.А., Нагорный Б.С. Пневматические и гидравлические
устройства автоматики.- М.: Высшая школа, 2008, 214с.
8. Бушуев С.Д., Михайлов В.С.
Автоматика и автоматизация
производственных процессов. - М.: Высшая школа, 2009, 256с.
Дополнительная литература
3. Попов Е.П., Письменный Г.В. Основы робототехники. Введение в
специальность. - М.: Высшая школа, 2008, 224с.
4. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины и микромашины. - М.:
Высшая школа, 2007, 423с.
13
4. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ ПРОГРАММЫ И ФОРМА
ТЕКУЩЕГО И ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ
(Экзаменационные вопросы, вопросы для самопроверки)
Для решения профессиональных задач инженер должен быть:
 подготовлен к участию во всех фазах исследования, проектирования,
разработки систем интегрированного управления;
 подготовлен к участию в разработке всех видов документации на
аппаратные, программные средства и аппаратно-программные комплексы
систем интегрированного управления;
 готов к участию в научных исследованиях и выполнению
технических разработок в своей профессиональной области;
 уметь осуществлять сбор, обработку и систематизацию научнотехнической информации по заданному направлению профессиональной
деятельности, применять для этого современные информационные
технологии;
 способен изучать специальную литературу, анализировать
достижения отечественной и зарубежной науки и техники в области
профессиональной деятельности;
 способен взаимодействовать со специалистами смежного профиля
при разработке математических моделей объектов и процессов различной
физической природы, алгоритмического и программного обеспечения систем
автоматизации и управления, в научных исследованиях и проектноконструкторской деятельности;
 уметь на научной основе организовать свой труд, владеть
современными информационными технологиями, применяемыми в сфере
его профессиональной деятельности;
 способен в условиях развития науки и изменяющейся социальной
практики к переоценке накопленного опыта, анализу своих возможностей,
умеет приобретать новые знания, используя современные информационные
образовательные технологии.
Авторы:
Жиров Михаил Вениаминович
Гончаров Андрей Витальевич
Солдатов Виктор Владимирович
Практикум дисциплины «Технические средства автоматизации и управления».
– М.: МГУТУ, 2013
Подписано к печати:
Тираж:
14
Заказ №
15
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Дайте определение электроавтоматики как науки, укажите ее
значение для технологических процессов в пищевой промышленности.
2. Дайте краткую характеристику перспектив развития систем и
устройств электроавтоматики.
3. Приведите примеры применения в различных технологических
процессах систем электроавтоматики.
4.
Поясните
классификацию
устройств
электроавтоматики
по
устройств
электроавтоматики
по
функциональному назначению.
5.
Поясните
классификацию
физическим принципам, лежащим в основе их работы.
6.
Приведите
примеры
устройств,
в
которых
происходит
преобразование электрической энергии в другие виды энергии.
7. Укажите основные преимущества электроэнергии по сравнению с
другими видами энергии.
8. Приведите примеры структурных схем электроавтоматики.
9. Перечислите основные требования, предъявляемые к устройствам
автоматики в пищевой промышленности.
10. Поясните роль автоматики в повышении производительности труда
и качества выпускаемой продукции.
11. Какие достоинства гидропневмоавтоматики обеспечивают её
широкое применение в технике наряду с электрическими и электронными
средствами автоматики?
12.
Чем
обусловлена
большая
эффективность
использования
гидропневмоавтоматики в таких отраслях промышленности, как газовая,
химическая, нефтеперерабатывающая, пищевая и другие?
13.
По
каким
признакам
разделяются
системы
гидропневмоавтоматики?
14. Поясните принцип действия и приведите типовую конструкцию
реостатного преобразователя перемещения.
15. Опишите принципы передачи и преобразования выходных сигналов
преобразователей систем электроавтоматики.
16. Поясните принцип действия и приведите типовую конструкцию
полупроводникового и проволочного тензодатчиков.
17.
Приведите
основные
типы
характеристик
емкостных
преобразователей перемещения.
18. Приведите основные типы и характеристики индуктивных
преобразователей перемещения.
19. Опишите принцип действия и основные типы тахогенераторов
переменного тока и приведите схемы включения их в сеть.
20. Опишите принцип действия тахогенератора переменного тока и
приведите схему включения его в сеть.
21.
Поясните
принцип
преобразования
световой
энергии
в
электрическую, дайте определение внешнего и внутреннего фотоэффекта.
22. Приведите пример электрической схемы фотопреобразователя с
фоторестором.
23. Опишите принцип действия оптрона и укажите возможность его
применения в преобразователях перемещения и частоты вращения.
24. Поясните принцип действия СВЧ - диода. Дайте характеристику
СВЧ - диапазона.
25.
Поясните
принцип
действия
электровакуумных
(клистронов, магнетронов, ламп бегущей и отраженной волны).
приборов
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
СОДЕРЖАНИЕ
1. Самостоятельная работа как важнейшая форма учебного процесса…..….2
2. Цели и основные задачи СРС……………………………………………..….3
3. Виды самостоятельной работы…………………………………………..…..4
4. Организация СРС……………………………………………………….....….5
5. Общие рекомендации по организации самостоятельной работы……..…..6
6. Самостоятельная работа студента – необходимое звено
становления исследователя и специалиста…………………………………9
7. Методические рекомендации для студентов по отдельным формам
самостоятельной работы………………………………………………….…11
8. Самостоятельная работа студентов в условиях балльно-рейтинговой
системы обучения……………………………………….……………….…..18
1
Самостоятельная работа бакалавров является важным компонентом образовательного процесса, формирующим личность студента, его мировоззрение и
культуру профессиональной деятельности, способствует развитию способности
к самообучению и постоянного повышения своего профессионального уровня.
Самостоятельная работа заключается в изучении отдельных тем по рекомендуемой учебной литературе, в подготовке к практическим занятиям, к текущему контролю – аудиторным контрольным работам, выполнении домашних контрольных работ, промежуточной аттестации (рубежному контролю) –
зачету или экзамену.
1. Самостоятельная работа как важнейшая форма учебного процесса.
Самостоятельная работа - планируемая учебная, учебно-исследовательская,
научно-исследовательская работа студентов, выполняемая во внеаудиторное
(аудиторное) время по заданию и при методическом руководстве преподавателя, но без его непосредственного участия (при частичном непосредственном
участии преподавателя, оставляющем ведущую роль за работой студентов).
Самостоятельная работа студентов в ВУЗе является важным видом учебной и научной деятельности студента. Самостоятельная работа студентов играет значительную роль в рейтинговой технологии обучения. Государственным
стандартом предусматривается, как правило, 50% часов из общей трудоемкости
дисциплины на самостоятельную работу студентов (далее СРС). В связи с этим,
обучение в ВУЗе включает в себя две, практически одинаковые по объему и
взаимовлиянию части – процесса обучения и процесса самообучения. Поэтому
СРС должна стать эффективной и целенаправленной работой студента.
Концепцией модернизации российского образования определены основные задачи профессионального образования - "подготовка квалифицированного
работника соответствующего уровня и профиля, конкурентоспособного на
рынке труда, компетентного, ответственного, свободно владеющего своей профессией и ориентированного в смежных областях деятельности, способного к
эффективной работе по специальности на уровне мировых стандартов, готового
к постоянному профессиональному росту, социальной и профессиональной мобильности".
Решение этих задач невозможно без повышения роли самостоятельной
работы студентов над учебным материалом, усиления ответственности преподавателей за развитие навыков самостоятельной работы, за стимулирование
профессионального роста студентов, воспитание творческой активности и инициативы.
К современному специалисту общество предъявляет достаточно широкий
перечень требований, среди которых немаловажное значение имеет наличие у
выпускников определенных способностей и умения самостоятельно добывать
знания из различных источников, систематизировать полученную информацию,
давать оценку конкретной финансовой ситуации. Формирование такого умения
происходит в течение всего периода обучения через участие студентов в практических занятиях, выполнение контрольных заданий и тестов, написание кур2
совых и выпускных квалификационных работ. При этом самостоятельная работа студентов играет решающую роль в ходе всего учебного процесса.
Формы самостоятельной работы студентов разнообразны. Они включают
в себя:
 изучение и систематизацию официальных государственных документов законов, постановлений, указов, нормативно-инструкционных и справочных
материалов с использованием информационно-поисковых систем "Консультант-плюс", "Гарант", глобальной сети "Интернет";
 изучение учебной, научной и методической литературы, материалов периодических изданий с привлечением электронных средств официальной, статистической, периодической и научной информации;
 подготовку докладов и рефератов, написание курсовых и выпускных квалификационных работ;
 участие в работе студенческих конференций, комплексных научных исследованиях.
Самостоятельная работа приобщает студентов к научному творчеству,
поиску и решению актуальных современных проблем.
2. Цели и основные задачи СРС. Ведущая цель организации и осуществления СРС должна совпадать с целью обучения студента – подготовкой
специалиста и бакалавра с высшим образованием. При организации СРС важным и необходимым условием становятся формирование умения самостоятельной работы для приобретения знаний, навыков и возможности организации
учебной и научной деятельности.
Целью самостоятельной работы студентов является овладение фундаментальными знаниями, профессиональными умениями и навыками деятельности
по профилю, опытом творческой, исследовательской деятельности. Самостоятельная работа студентов способствует развитию самостоятельности, ответственности и организованности, творческого подхода к решению проблем
учебного и профессионального уровня.
Задачами СРС являются:
 систематизация и закрепление полученных теоретических знаний и практических умений студентов;
 углубление и расширение теоретических знаний;
 формирование умений использовать нормативную, правовую, справочную
документацию и специальную литературу;
 развитие познавательных способностей и активности студентов: творческой
инициативы, самостоятельности, ответственности и организованности;
 формирование самостоятельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации;
 развитие исследовательских умений;
 использование материала, собранного и полученного в ходе самостоятельных занятий на семинарах, на практических и лабораторных занятиях, при
написании курсовых и выпускной квалификационной работ, для эффективной подготовки к итоговым зачетам и экзаменам.
3
3. Виды самостоятельной работы. В образовательном процессе высшего профессионального образовательного учреждения выделяется два вида
самостоятельной работы – аудиторная, под руководством преподавателя, и внеаудиторная. Тесная взаимосвязь этих видов работ предусматривает дифференциацию и эффективность результатов ее выполнения и зависит от организации,
содержания, логики учебного процесса (межпредметных связей, перспективных
знаний и др.):
Аудиторная самостоятельная работа по дисциплине выполняется на
учебных занятиях под непосредственным руководством преподавателя и по его
заданию.
Внеаудиторная самостоятельная работа выполняется студентом по заданию преподавателя, но без его непосредственного участия.
Основными видами самостоятельной работы студентов без участия преподавателей являются:
 формирование и усвоение содержания конспекта лекций на базе рекомендованной лектором учебной литературы, включая информационные образовательные ресурсы (электронные учебники, электронные библиотеки и др.);
 написание рефератов;
 подготовка к семинарам и лабораторным работам, их оформление;
 составление аннотированного списка статей из соответствующих журналов
по отраслям знаний (педагогических, психологических, методических и
др.);
 подготовка рецензий на статью, пособие;
 выполнение микроисследований;
 подготовка практических разработок;
 выполнение домашних заданий в виде решения отдельных задач, проведения типовых расчетов, расчетно-компьютерных и индивидуальных работ по
отдельным разделам содержания дисциплин и т.д.;
 компьютерный текущий самоконтроль и контроль успеваемости на базе
электронных обучающих и аттестующих тестов.
(В зависимости от особенностей факультета перечисленные виды работ
могут быть расширены, заменены на специфические).
Основными видами самостоятельной работы студентов с участием преподавателей являются:
 текущие консультации;
 коллоквиум как форма контроля освоения теоретического содержания дисциплин: (в часы консультаций, предусмотренных учебным планом);
 прием и разбор домашних заданий (в часы практических занятий);
 прием и защита лабораторных работ (во время проведения л/р);
 выполнение курсовых работ (проектов) в рамках дисциплин (руководство,
консультирование и защита курсовых работ (в часы, предусмотренные
учебным планом);
4
 выполнение учебно-исследовательской работы (руководство, консультирование и защита УИРС);
 прохождение и оформление результатов практик (руководство и оценка
уровня сформированности профессиональных умений и навыков);
 выполнение выпускной квалификационной работы (руководство, консультирование и защита выпускных квалификационных работ) и др.
4. Организация СРС. Методика организации самостоятельной работы студентов зависит от структуры, характера и особенностей изучаемой дисциплины, объема часов на ее изучение, вида заданий для самостоятельной работы
студентов, индивидуальных качеств студентов и условий учебной деятельности.
Процесс организации самостоятельной работы студентов включает в себя
следующие этапы:
 подготовительный (определение целей, составление программы, подготовка методического обеспечения, подготовка оборудования);
 основной (реализация программы, использование приемов поиска информации, усвоения, переработки, применения, передачи знаний, фиксирование
результатов, самоорганизация процесса работы);
 заключительный (оценка значимости и анализ результатов, их систематизация, оценка эффективности программы и приемов работы, выводы о
направлениях оптимизации труда).
Организацию самостоятельной работы студентов обеспечивают: факультет, кафедра, учебный и методический отделы, преподаватель, библиотека, ТСО, ИВТ, издательство и др.
Деятельность студентов по формированию и развитию навыков
учебной самостоятельной работы.
В процессе самостоятельной работы студент приобретает навыки самоорганизации, самоконтроля, самоуправления, саморефлексии и становится активным самостоятельным субъектом учебной деятельности.
Выполняя самостоятельную работу под контролем преподавателя
студент должен:
 освоить минимум содержания, выносимый на самостоятельную работу
студентов и предложенный преподавателем в соответствии с Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования
(ГОС ВПО/ГОС СПО) по данной дисциплине.
 планировать самостоятельную работу в соответствии с графиком самостоятельной работы, предложенным преподавателем.
 самостоятельную работу студент должен осуществлять в организационных формах, предусмотренных учебным планом и рабочей программой преподавателя.
 выполнять самостоятельную работу и отчитываться по ее результатам в
соответствии с графиком представления результатов, видами и сроками отчетности по самостоятельной работе студентов.
студент может:
5
сверх предложенного преподавателем (при обосновании и согласовании
с ним) и минимума обязательного содержания, определяемого ГОС ВПО/ГОС
СПО по данной дисциплине:
 самостоятельно определять уровень (глубину) проработки содержания
материала;
 предлагать дополнительные темы и вопросы для самостоятельной проработки;
 в рамках общего графика выполнения самостоятельной работы предлагать обоснованный индивидуальный график выполнения и отчетности по результатам самостоятельной работы;
 предлагать свои варианты организационных форм самостоятельной
работы;
 использовать для самостоятельной работы методические пособия, учебные пособия, разработки сверх предложенного преподавателем перечня;
 использовать не только контроль, но и самоконтроль результатов самостоятельной работы в соответствии с методами самоконтроля, предложенными
преподавателем или выбранными самостоятельно.
Самостоятельная работа студентов должна оказывать важное влияние на
формирование личности будущего специалиста, она планируется студентом
самостоятельно. Каждый студент самостоятельно определяет режим своей работы и меру труда, затрачиваемого на овладение учебным содержанием по
каждой дисциплине. Он выполняет внеаудиторную работу по личному индивидуальному плану, в зависимости от его подготовки, времени и других условий.
5. Общие рекомендации по организации самостоятельной работы.
Основной формой самостоятельной работы студента является изучение конспекта лекций, их дополнение, рекомендованной литературы, активное участие
на практических и семинарских занятиях. Но для успешной учебной деятельности, ее интенсификации, необходимо учитывать следующие субъективные факторы:
1. Знание школьного программного материала, наличие прочной системы
зияний, необходимой для усвоения основных вузовских курсов. Это особенно
важно для математических дисциплин. Необходимо отличать пробелы в знаниях, затрудняющие усвоение нового материала, от малых способностей. Затратив силы на преодоление этих пробелов, студент обеспечит себе нормальную
успеваемость и поверит в свои способности.
2. Наличие умений, навыков умственного труда:
а) умение конспектировать на лекции и при работе с книгой;
б) владение логическими операциями: сравнение, анализ, синтез, обобщение, определение понятий, правила систематизации и классификации.
3. Специфика познавательных психических процессов: внимание, память,
речь, наблюдательность, интеллект и мышление. Слабое развитие каждого из
них становится серьезным препятствием в учебе.
4. Хорошая работоспособность, которая обеспечивается нормальным физическим состоянием. Ведь серьезное учение - это большой многосторонний и
6
разнообразный труд. Результат обучения оценивается не количеством сообщаемой информации, а качеством ее усвоения, умением ее использовать и развитием у себя способности к дальнейшему самостоятельному образованию.
5. Соответствие избранной деятельности, профессии индивидуальным
способностям. Необходимо выработать у себя умение саморегулировать свое
эмоциональное состояние и устранять обстоятельства, нарушающие деловой
настрой, мешающие намеченной работе.
6. Овладение оптимальным стилем работы, обеспечивающим успех в деятельности. Чередование труда и пауз в работе, периоды отдыха, индивидуально
обоснованная норма продолжительности сна, предпочтение вечерних или
утренних занятий, стрессоустойчивость на экзаменах и особенности подготовки
к ним,
7. Уровень требований к себе, определяемый сложившейся самооценкой.
Адекватная оценка знаний, достоинств, недостатков - важная составляющая самоорганизации человека, без нее невозможна успешная работа по управлению своим поведением, деятельностью.
Одна из основных особенностей обучения в высшей школе заключается
в том, что постоянный внешний контроль заменяется самоконтролем, активная
роль в обучении принадлежит уже не столько преподавателю, сколько студенту.
Зная основные методы научной организации умственного труда, можно
при наименьших затратах времени, средств и трудовых усилий достичь
наилучших результатов.
Эффективность усвоения поступающей информации зависит от работоспособности человека в тот или иной момент его деятельности.
Работоспособность - способность человека к труду с высокой степенью напряженности в течение определенного времени. Различают внутренние и
внешние факторы работоспособности.
К внутренним факторам работоспособности относятся интеллектуальные особенности, воля, состояние здоровья.
К внешним:
- организация рабочего места, режим труда и отдыха;
- уровень организации труда - умение получить справку и пользоваться
информацией;
- величина умственной нагрузки.
Выдающийся русский физиолог Н. Е. Введенский выделил следующие
условия продуктивности умственной деятельности:
- во всякий труд нужно входить постепенно;
- мерность и ритм работы. Разным людям присущ более или менее разный темп работы;
- привычная последовательность и систематичность деятельности;
- правильное чередование труда и отдыха.
7
Отдых не предполагает обязательного полного бездействия со стороны
человека, он может быть достигнут простой переменой дела. В течение дня работоспособность изменяется. Наиболее плодотворным является утреннее время
(с 8 до 14 часов), причем максимальная работоспособность приходится на период с 10 до 13 часов, затем послеобеденное - (с 16 до 19 часов) и вечернее (с 20
до 24 часов). Очень трудный для понимания материал лучше изучать в начале
каждого отрезка времени (лучше всего утреннего) после хорошего отдыха. Через 1-1,5 часа нужны перерывы по 10 - 15 мин, через 3 - 4 часа работы отдых
должен быть продолжительным - около часа.
Составной частью научной организации умственного труда является
овладение техникой умственного труда.
Физически здоровый молодой человек, обладающий хорошей подготовкой и нормальными способностями, должен, будучи студентом, отдавать учению 9-10 часов в день (из них 6 часов в вузе и 3 - 4 часа дома). Любой предмет
нельзя изучить за несколько дней перед экзаменом. Если студент в году работает систематически, то он быстро все вспомнит, восстановит забытое. Если же
подготовка шла аврально, то у студента не будет даже общего представления о
предмете, он забудет все сданное.
Следует взять за правило: учиться ежедневно, начиная с первого дня семестра.
Время, которым располагает студент для выполнения учебного плана,
складывается из двух составляющих: одна из них - это аудиторная работа в вузе
по расписанию занятий, другая - внеаудиторная самостоятельная работа. Задания и материалы для самостоятельной работы выдаются во время учебных занятий по расписанию, на этих же занятиях преподаватель осуществляет контроль за самостоятельной работой, а также оказывает помощь студентам по
правильной организации работы.
Чтобы выполнить весь объем самостоятельной работы, необходимо заниматься по 3 - 5 часов ежедневно. Начинать самостоятельные внеаудиторные занятия следует с первых же дней семестра, пропущенные дни будут потеряны
безвозвратно, компенсировать их позднее усиленными занятиями без снижения
качества работы и ее производительности невозможно. Первые дни семестра
очень важны для того, чтобы включиться в работу, установить определенный
порядок,
равномерный
ритм
на
весь
семестр.
Ритм в работе - это ежедневные самостоятельные занятия, желательно в одни и
те же часы, при целесообразном чередовании занятий с перерывами для отдыха. Вначале для того, чтобы организовать ритмичную работу, требуется сознательное напряжение воли. Как только человек втянулся в работу, принуждение
снижается, возникает привычка, работа становится потребностью.
Если порядок в работе и ее ритм установлены правильно, то студент изо
дня в день может работать, не снижая своей производительности и не перегружая себя. Правильная смена одного вида работы другим позволяет отдыхать, не
прекращая работы.
8
Таким образом, первая задача организации внеаудиторной самостоятельной работы – это составление расписания, которое должно отражать время занятий, их характер (теоретический курс, практические занятия, графические
работы, чтение), перерывы на обед, ужин, отдых, сон, проезд и т.д. Расписание
не предопределяет содержания работы, ее содержание неизбежно будет изменяться в течение семестра. Порядок же следует закрепить на весь семестр и
приложить все усилия, чтобы поддерживать его неизменным (кроме исправления ошибок в планировании, которые могут возникнуть из-за недооценки объема работы или переоценки своих сил).
При однообразной работе человек утомляется больше, чем при работе разного характера. Однако не всегда целесообразно заниматься многими учебными дисциплинами в один и тот же день, так как при каждом переходе нужно
вновь сосредоточить внимание, что может привести к потере времени. Наиболее целесообразно ежедневно работать не более чем над двумя-тремя дисциплинами.
Начиная работу, не нужно стремиться делать вначале самую тяжелую ее
часть, надо выбрать что-нибудь среднее по трудности, затем перейти к более
трудной работе. И напоследок оставить легкую часть, требующую не столько
больших интеллектуальных усилий, сколько определенных моторных действий
(черчение, построение графиков и т.п.).
Самостоятельные занятия потребуют интенсивного умственного труда, который необходимо не только правильно организовать, но и стимулировать. При
этом очень важно уметь поддерживать устойчивое внимание к изучаемому материалу. Выработка внимания требует значительных волевых усилий. Именно
поэтому, если студент замечает, что он часто отвлекается во время самостоятельных занятий, ему надо заставить себя сосредоточиться. Подобную процедуру необходимо проделывать постоянно, так как это является тренировкой
внимания. Устойчивое внимание появляется тогда, когда человек относится к
делу с интересом.
Следует правильно организовать свои занятия по времени: 50 минут - работа, 5-10 минут - перерыв; после 3 часов работы перерыв - 20-25 минут. Иначе
нарастающее утомление повлечет неустойчивость внимания. Очень существенным фактором, влияющим на повышение умственной работоспособности, являются систематические занятия физической культурой. Организация активного отдыха предусматривает чередование умственной и физической деятельности, что полностью восстанавливает работоспособность человека.
6. Самостоятельная работа студента - необходимое звено становления
исследователя и специалиста. Прогресс науки и техники, информационных
технологий приводит к значительному увеличению научной информации, что
предъявляет более высокие требования не только к моральным, нравственным
свойствам человека, но и в особенности, постоянно возрастающие требования в
области образования – обновление, модернизация общих и профессиональных
знаний, умений специалиста.
9
Всякое образование должно выступать как динамический процесс, присущий человеку и продолжающийся всю его жизнь. Овладение научной мыслью и языком науки является необходимой составляющей в самоорганизации
будущего специалиста исследователя. Под этим понимается не столько накопление знаний, сколько овладение научно обоснованными способами их приобретения. В этом, вообще говоря, состоит основная задача вуза.
Специфика вузовского учебного процесса, в организации которого самостоятельной работе студента отводятся все больше места, состоит в том, что он
является как будто бы последним и самым адекватным звеном для реализации
этой задачи. Ибо во время учебы в вузе происходит выработка стиля, навыков
учебной (познавательной) деятельности, рациональный характер которых будет
способствовать постоянному обновлению знаний высококвалифицированного
выпускника вуза.
Однако до этом пути существуют определенные трудности, в частности,
переход студента от синтетического процесса обучения в средней школе, к аналитическому в высшей. Это связано как с новым содержанием обучения (расширение общего образования и углубление профессиональной подготовки), так
и с новыми, неизвестными до сих пор формами: обучения (лекции, семинары,
лабораторные занятия и т.д.). Студент получает не только знания, предусмотренные программой и учебными пособиями, но он также должен познакомиться со способами приобретения знаний так, чтобы суметь оценить, что мы знаем,
откуда мы это знаем и как этого знания мы достигли. Ко всему этому приходят
через собственную самостоятельную работу.
Это и потому, что самостоятельно приобретенные знания являются более
оперативными, они становятся личной собственностью, а также мотивом поведения, развивают интеллектуальные черты, внимание, наблюдательность, критичность, умение оценивать. Роль преподавателя в основном заключается в руководстве накопления знаний (по отношению к первокурсникам), а в последующие годы учебы, на старших курсах, в совместном установлении проблем и
заботе о самостоятельных поисках студента, а также контролирования за их деятельностью. Отметим, что нельзя ограничиваться только приобретением знаний предусмотренных программой изучаемой дисциплины, надо постоянно
углублять полученные знания, сосредотачивая их на какой-нибудь узкой определенной области, соответствующей интересам студента. Углубленное изучение всех предметов, предусмотренных программой, на практике является возможным, и хорошая организация работы позволяет экономить время, что создает условия для глубокого, систематического, заинтересованного изучения самостоятельно выбранной студентом темы.
Конечно, все советы, примеры, рекомендации в этой области, даваемые
преподавателем, или определенными публикациями, или другими источниками, не гарантируют никакого успеха без проявления собственной активности в
этом деле, т.е. они не дают готовых рецептов, а должны способствовать анализу
собственной работы, ее целей, организации в соответствии с индивидуальными
особенностями. Учитывая личные возможности, существующие условия жизни
10
и работы, навыки, на основе этих рекомендаций, возможно, выработать индивидуально обоснованную совокупность методов, способов, найти свой стиль
или усовершенствовать его, чтобы изучив определенный материал, иметь время
оценить его значимость, пригодность и возможности его применения, чтобы, в
конечном счете, обеспечить успешность своей учебе с будущей профессиональной деятельности
7. Методические рекомендации для студентов по отдельным формам
самостоятельной работы. С первых же сентябрьских дней на студента обрушивается громадный объем информации, которую необходимо усвоить. Нужный материал содержится не только в лекциях (запомнить его – это только малая часть задачи), но и в учебниках, книгах, статьях. Порой возникает необходимость привлекать информационные ресурсы Интернет.
Система вузовского обучения подразумевает значительно большую самостоятельность студентов в планировании и организации своей деятельности. Вчерашнему школьнику сделать это бывает весьма непросто: если в школе ежедневный контроль со стороны учителя заставлял постоянно и систематически
готовиться к занятиям, то в вузе вопрос об уровне знаний вплотную встает перед студентом только в период сессии. Такая ситуация оборачивается для некоторых соблазном весь семестр посвятить свободному времяпрепровождению
(«когда будет нужно – выучу!»), а когда приходит пора экзаменов, материала,
подлежащего усвоению, оказывается так много, что никакая память не способна с ним справиться в оставшийся промежуток времени.
Работа с книгой
При работе с книгой необходимо подобрать литературу, научиться правильно ее читать, вести записи. Для подбора литературы в библиотеке используются алфавитный и систематический каталоги.
Важно помнить, что рациональные навыки работы с книгой - это всегда
большая экономия времени и сил.
Правильный подбор учебников рекомендуется преподавателем, читающим лекционный курс. Необходимая литература может быть также указана в
методических разработках по данному курсу.
Изучая материал по учебнику, следует переходить к следующему вопросу
только после правильного уяснения предыдущего, описывая на бумаге все выкладки и вычисления (в том числе те, которые в учебнике опущены или на лекции даны для самостоятельного вывода).
При изучении любой дисциплины большую и важную роль играет самостоятельная индивидуальная работа.
Особое внимание следует обратить на определение основных понятий
курса. Студент должен подробно разбирать примеры, которые поясняют такие
определения, и уметь строить аналогичные примеры самостоятельно. Нужно
добиваться точного представления о том, что изучаешь. Полезно составлять
опорные конспекты. При изучении материала по учебнику полезно в тетради
(на специально отведенных полях) дополнять конспект лекций. Там же следует
отмечать вопросы, выделенные студентом для консультации с преподавателем.
11
Выводы, полученные в результате изучения, рекомендуется в конспекте
выделять, чтобы они при перечитывании записей лучше запоминались.
Опыт показывает, что многим студентам помогает составление листа
опорных сигналов, содержащего важнейшие и наиболее часто употребляемые
формулы и понятия. Такой лист помогает запомнить формулы, основные положения лекции, а также может служить постоянным справочником для студента.
Различают два вида чтения; первичное и вторичное. Первичное - эти внимательное, неторопливое чтение, при котором можно остановиться на трудных
местах. После него не должно остаться ни одного непонятного олова. Содержание не всегда может быть понятно после первичного чтения.
Задача вторичного чтения полное усвоение смысла целого (по счету это
чтение может быть и не вторым, а третьим или четвертым).
Правила
самостоятельной
работы
с
литературой.
Как уже отмечалось, самостоятельная работа с учебниками и книгами (а также
самостоятельное теоретическое исследование проблем, обозначенных преподавателем на лекциях) – это важнейшее условие формирования у себя научного
способа познания. Основные советы здесь можно свести к следующим:
• Составить перечень книг, с которыми Вам следует познакомиться; «не
старайтесь запомнить все, что вам в ближайшее время не понадобится, – советует студенту и молодому ученому Г. Селье, – запомните только, где это можно
отыскать» (Селье, 1987. С. 325).
• Сам такой перечень должен быть систематизированным (что необходимо для семинаров, что для экзаменов, что пригодится для написания курсовых
и дипломных работ, а что Вас интересует за рамками официальной учебной деятельности, то есть что может расширить Вашу общую культуру...).
• Обязательно выписывать все выходные данные по каждой книге (при
написании курсовых и дипломных работ это позволит очень сэкономить
время).
• Разобраться для себя, какие книги (или какие главы книг) следует прочитать более внимательно, а какие – просто просмотреть.
• При составлении перечней литературы следует посоветоваться с преподавателями и научными руководителями (или даже с более подготовленными и
эрудированными сокурсниками), которые помогут Вам лучше сориентироваться, на что стоит обратить большее внимание, а на что вообще не стоит тратить
время...
•Естественно, все прочитанные книги, учебники и статьи следует конспектировать, но это не означает, что надо конспектировать «все подряд»: можно выписывать кратко основные идеи автора и иногда приводить наиболее яркие и показательные цитаты (с указанием страниц).
• Если книга – Ваша собственная, то допускается делать на полях книги
краткие пометки или же в конце книги, на пустых страницах просто сделать
свой «предметный указатель», где отмечаются наиболее интересные для Вас
мысли и обязательно указываются страницы в тексте автора (это очень хоро12
ший совет, позволяющий экономить время и быстро находить «избранные» места в самых разных книгах).
• Если Вы раньше мало работали с научной литературой, то следует выработать в себе способность «воспринимать» сложные тексты; для этого лучший прием – научиться «читать медленно», когда Вам понятно каждое прочитанное слово (а если слово незнакомое, то либо с помощью словаря, либо с помощью преподавателя обязательно его узнать), и это может занять немалое
время (у кого-то – до нескольких недель и даже месяцев); опыт показывает, что
после этого студент каким-то «чудом» начинает буквально заглатывать книги и
чуть ли не видеть «сквозь обложку», стоящая это работа или нет...
• «Либо читайте, либо перелистывайте материал, но не пытайтесь читать
быстро... Если текст меня интересует, то чтение, размышление и даже фантазирование по этому поводу сливаются в единый процесс, в то время как вынужденное скорочтение не только не способствует качеству чтения, но и не приносит чувства удовлетворения, которое мы получаем, размышляя о прочитанном», – советует Г. Селье (Селье, 1987. – С. 325-326).
• Есть еще один эффективный способ оптимизировать знакомство с научной литературой – следует увлечься какой-то идеей и все книги просматривать
с точки зрения данной идеи. В этом случае студент (или молодой ученый) будет
как бы искать аргументы «за» или «против» интересующей его идеи, и одновременно он будет как бы общаться с авторами этих книг по поводу своих идей
и размышлений... Проблема лишь в том, как найти «свою» идею...
Чтение научного текста является частью познавательной деятельности.
Ее цель – извлечение из текста необходимой информации. От того на сколько
осознанна читающим собственная внутренняя установка при обращении к печатному слову (найти нужные сведения, усвоить информацию полностью или
частично, критически проанализировать материал и т.п.) во многом зависит
эффективность осуществляемого действия.
Выделяют четыре основные установки в чтении научного текста:
1. информационно-поисковый (задача – найти, выделить искомую информацию)
2. усваивающая (усилия читателя направлены на то, чтобы как можно полнее осознать и запомнить как сами сведения излагаемые автором, так и
всю логику его рассуждений)
3. аналитико-критическая (читатель стремится критически осмыслить материал, проанализировав его, определив свое отношение к нему)
4. творческая (создает у читателя готовность в том или ином виде – как отправной пункт для своих рассуждений, как образ для действия по аналогии и т.п. – использовать суждения автора, ход его мыслей, результат
наблюдения, разработанную методику, дополнить их, подвергнуть новой
проверке).
С наличием различных установок обращения к научному тексту связано
существование и нескольких видов чтения:
13
1. библиографическое – просматривание карточек каталога, рекомендательных списков, сводных списков журналов и статей за год и т.п.;
2. просмотровое – используется для поиска материалов, содержащих нужную информацию, обычно к нему прибегают сразу после работы со списками литературы и каталогами, в результате такого просмотра читатель
устанавливает, какие из источников будут использованы в дальнейшей
работе;
3. ознакомительное – подразумевает сплошное, достаточно подробное прочтение отобранных статей, глав, отдельных страниц, цель – познакомиться с характером информации, узнать, какие вопросы вынесены автором
на рассмотрение, провести сортировку материала;
4. изучающее – предполагает доскональное освоение материала; в ходе такого чтения проявляется доверие читателя к автору, готовность принять
изложенную информацию, реализуется установка на предельно полное
понимание материала;
5. аналитико-критическое и творческое чтение – два вида чтения близкие
между собой тем, что участвуют в решении исследовательских задач.
Первый из них предполагает направленный критический анализ, как самой информации, так и способов ее получения и подачи автором; второе
– поиск тех суждений, фактов, по которым или в связи с которыми, читатель считает нужным высказать собственные мысли.
Из всех рассмотренных видов чтения основным для студентов является
изучающее – именно оно позволяет в работе с учебной литературой накапливать знания в различных областях. Вот почему именно этот вид чтения в рамках учебной деятельности должен быть освоен в первую очередь. Кроме того,
при овладении данным видом чтения формируются основные приемы, повышающие эффективность работы с научным текстом.
Основные виды систематизированной записи прочитанного:
1. Аннотирование – предельно краткое связное описание просмотренной или
прочитанной книги (статьи), ее содержания, источников, характера и назначения;
2. Планирование – краткая логическая организация текста, раскрывающая содержание и структуру изучаемого материала;
3. Тезирование – лаконичное воспроизведение основных утверждений автора
без привлечения фактического материала;
4. Цитирование – дословное выписывание из текста выдержек, извлечений,
наиболее существенно отражающих ту или иную мысль автора;
5. Конспектирование – краткое и последовательное изложение содержания
прочитанного.
Конспект – сложный способ изложения содержания книги или статьи в
логической последовательности. Конспект аккумулирует в себе предыдущие
виды записи, позволяет всесторонне охватить содержание книги, статьи. Поэтому умение составлять план, тезисы, делать выписки и другие записи определяет и технологию составления конспекта.
14
Методические рекомендации по составлению конспекта:
1. Внимательно прочитайте текст. Уточните в справочной литературе непонятные слова. При записи не забудьте вынести справочные данные на поля
конспекта;
2. Выделите главное, составьте план;
3. Кратко сформулируйте основные положения текста, отметьте аргументацию автора;
4. Законспектируйте материал, четко следуя пунктам плана. При конспектировании старайтесь выразить мысль своими словами. Записи следует вести
четко, ясно.
5. Грамотно записывайте цитаты. Цитируя, учитывайте лаконичность, значимость мысли.
В тексте конспекта желательно приводить не только тезисные положения,
но и их доказательства. При оформлении конспекта необходимо стремиться к
емкости каждого предложения. Мысли автора книги следует излагать кратко,
заботясь о стиле и выразительности написанного. Число дополнительных элементов конспекта должно быть логически обоснованным, записи должны распределяться в определенной последовательности, отвечающей логической
структуре произведения. Для уточнения и дополнения необходимо оставлять
поля.
Овладение навыками конспектирования требует от студента целеустремленности, повседневной самостоятельной работы.
Практические занятия
Для того чтобы практические занятия приносили максимальную пользу,
необходимо помнить, что упражнение и решение задач проводятся по вычитанному на лекциях материалу и связаны, как правило, с детальным разбором отдельных вопросов лекционного курса. Следует подчеркнуть, что только после
усвоения лекционного материала с определенной точки зрения (а именно с той,
с которой он излагается на лекциях) он будет закрепляться на практических занятиях как в результате обсуждения и анализа лекционного материала, так и с
помощью решения проблемных ситуаций, задач. При этих условиях студент не
только хорошо усвоит материал, но и научится применять его на практике, а
также получит дополнительный стимул (и это очень важно) для активной проработки лекции.
При самостоятельном решении задач нужно обосновывать каждый этап
решения, исходя из теоретических положений курса. Если студент видит несколько путей решения проблемы (задачи), то нужно сравнить их и выбрать самый рациональный. Полезно до начала вычислений составить краткий план
решения проблемы (задачи). Решение проблемных задач или примеров следует
излагать подробно, вычисления располагать в строгом порядке, отделяя вспомогательные вычисления от основных. Решения при необходимости нужно сопровождать комментариями, схемами, чертежами и рисунками.
Следует помнить, что решение каждой учебной задачи должно доводиться до окончательного логического ответа, которого требует условие, и по воз15
можности с выводом. Полученный ответ следует проверить способами, вытекающими из существа данной задачи. Полезно также (если возможно) решать
несколькими способами и сравнить полученные результаты. Решение задач
данного типа нужно продолжать до приобретения твердых навыков в их решении.
Самопроверка
После изучения определенной темы по записям в конспекте и учебнику, а
также решения достаточного количества соответствующих задач на практических занятиях и самостоятельно студенту рекомендуется, используя лист опорных сигналов, воспроизвести по памяти определения, выводы формул, формулировки основных положений и доказательств.
В случае необходимости нужно еще раз внимательно разобраться в материале.
Иногда недостаточность усвоения того или иного вопроса выясняется
только при изучении дальнейшего материала. В этом случае надо вернуться
назад и повторить плохо усвоенный материал. Важный критерий усвоения теоретического материала - умение решать задачи или пройти тестирование по
пройденному материалу. Однако следует помнить, что правильное решение задачи может получиться в результате применения механически заученных формул без понимания сущности теоретических положений.
Консультации
Если в процессе самостоятельной работы над изучением теоретического
материала или при решении задач у студента возникают вопросы, разрешить
которые самостоятельно не удается, необходимо обратиться к преподавателю
для получения у него разъяснений или указаний. В своих вопросах студент
должен четко выразить, в чем он испытывает затруднения, характер этого затруднения. За консультацией следует обращаться и в случае, если возникнут
сомнения в правильности ответов на вопросы самопроверки.
Подготовка к экзаменам и зачетам
Изучение многих общепрофессиональных и специальных дисциплин завершается экзаменом. Подготовка к экзамену способствует закреплению,
углублению и обобщению знаний, получаемых, в процессе обучения, а также
применению их к решению практических задач. Готовясь к экзамену, студент
ликвидирует имеющиеся пробелы в знаниях, углубляет, систематизирует и
упорядочивает свои знания. На экзамене студент демонстрирует то, что он приобрел в процессе обучения по конкретной учебной дисциплине.
Экзаменационная сессия - это серия экзаменов, установленных учебным
планом. Между экзаменами интервал 3-4 дня. Не следует думать, что 3-4 дня
достаточно для успешной подготовки к экзаменам.
В эти 3-4 дня нужно систематизировать уже имеющиеся знания. На консультации перед экзаменом студентов познакомят с основными требованиями,
ответят на возникшие у них вопросы. Поэтому посещение консультаций обязательно.
16
Требования к организации подготовки к экзаменам те же, что и при занятиях в течение семестра, но соблюдаться они должны более строго. Во-первых,
очень важно соблюдение режима дня; сон не менее 8 часов в сутки, занятия заканчиваются не позднее, чем за 2-3 часа до сна. Оптимальное время занятий,
особенно по математике - утренние и дневные часы. В перерывах между занятиями рекомендуются прогулки на свежем воздухе, неутомительные занятия
спортом. Во-вторых, наличие хороших собственных конспектов лекций. Даже в
том случае, если была пропущена какая-либо лекция, необходимо во время ее
восстановить (переписать ее на кафедре), обдумать, снять возникшие вопросы
для того, чтобы запоминание материала было осознанным. В-третьих, при подготовке к экзаменам у студента должен быть хороший учебник или конспект
литературы, прочитанной по указанию преподавателя в течение семестра. Здесь
можно эффективно использовать листы опорных сигналов.
Вначале следует просмотреть весь материал по сдаваемой дисциплине,
отметить для себя трудные вопросы. Обязательно в них разобраться. В заключение еще раз целесообразно повторить основные положения, используя при
этом листы опорных сигналов.
Систематическая подготовка к занятиям в течение семестра позволит использовать время экзаменационной сессии для систематизации знаний.
Правила подготовки к зачетам и экзаменам:
• Лучше сразу сориентироваться во всем материале и обязательно расположить весь материал согласно экзаменационным вопросам (или вопросам, обсуждаемым на семинарах), эта работа может занять много времени, но все
остальное – это уже технические детали (главное – это ориентировка в материале!).
• Сама подготовка связана не только с «запоминанием». Подготовка также предполагает и переосмысление материала, и даже рассмотрение альтернативных идей.
• Готовить «шпаргалки» полезно, но пользоваться ими рискованно. Главный смысл подготовки «шпаргалок» – это систематизация и оптимизация знаний по данному предмету, что само по себе прекрасно – это очень сложная и
важная для студента работа, более сложная и важная, чем простое поглощение
массы учебной информации. Если студент самостоятельно подготовил такие
«шпаргалки», то, скорее всего, он и экзамены сдавать будет более уверенно, так
как у него уже сформирована общая ориентировка в сложном материале.
• Как это ни парадоксально, но использование «шпаргалок» часто позволяет отвечающему студенту лучше демонстрировать свои познания (точнее –
ориентировку в знаниях, что намного важнее знания «запомненного» и «тут же
забытого» после сдачи экзамена).
• Сначала студент должен продемонстрировать, что он «усвоил» все, что
требуется по программе обучения (или по программе данного преподавателя), и
лишь после этого он вправе высказать иные, желательно аргументированные
точки зрения.
17
Правила написания научных текстов (рефератов, курсовых и дипломных работ):
• Важно разобраться сначала, какова истинная цель Вашего научного текста - это поможет Вам разумно распределить свои силы, время и.
• Важно разобраться, кто будет «читателем» Вашей работы.
• Писать серьезные работы следует тогда, когда есть о чем писать и когда
есть настроение поделиться своими рассуждениями.
• Как создать у себя подходящее творческое настроение для работы над
научным текстом (как найти «вдохновение»)? Во-первых, должна быть идея, а
для этого нужно научиться либо относиться к разным явлениям и фактам несколько критически (своя идея – как иная точка зрения), либо научиться увлекаться какими-то известными идеями, которые нуждаются в доработке (идея –
как оптимистическая позиция и направленность на дальнейшее совершенствование уже известного). Во-вторых, важно уметь отвлекаться от окружающей
суеты (многие талантливые люди просто «пропадают» в этой суете), для чего
важно уметь выделять важнейшие приоритеты в своей учебноисследовательской деятельности. В-третьих, научиться организовывать свое
время, ведь, как известно, свободное (от всяких глупостей) время – важнейшее
условие настоящего творчества, для него наконец-то появляется время. Иногда
именно на организацию такого времени уходит немалая часть сил и талантов.
• Писать следует ясно и понятно, стараясь основные положения формулировать четко и недвусмысленно (чтобы и самому понятно было), а также
стремясь структурировать свой текст. Каждый раз надо представлять, что ваш
текст будет кто-то читать и ему захочется сориентироваться в нем, быстро
находить ответы на интересующие вопросы (заодно представьте себя на месте
такого человека). Понятно, что работа, написанная «сплошным текстом» (без
заголовков, без выделения крупным шрифтом наиболее важным мест и т, п.), у
культурного читателя должна вызывать брезгливость и даже жалость к автору
(исключения составляют некоторые древние тексты, когда и жанр был иной и к
текстам относились иначе, да и самих текстов было гораздо меньше – не то, что
в эпоху «информационного взрыва» и соответствующего «информационного
мусора»).
• Объем текста и различные оформительские требования во многом зависят от принятых в конкретном учебном заведении порядков.
8. Самостоятельная работа студентов в условиях балльнорейтинговой системы обучения. Рейтинговая система обучения предполагает
многобалльное оценивание студентов, но это не простой переход от пятибалльной шкалы, а возможность объективно отразить в баллах расширение диапазона оценивания индивидуальных способностей студентов, их усилий, потраченных на выполнение того или иного вида самостоятельной работы. Существует
большой простор для создания блока дифференцированных индивидуальных
заданий, каждое из которых имеет свою «цену». Правильно организованная
технология рейтингового обучения позволяет с самого начала уйти от пятибалльной системы оценивания и прийти к ней лишь при подведении итогов, ко18
гда заработанные студентами баллы переводятся в привычные оценки (отлично, хорошо, удовлетворительно, неудовлетворительно). Кроме того, в систему
рейтинговой оценки включаются дополнительные поощрительные баллы за
оригинальность, новизну подходов к выполнению заданий для самостоятельной
работы или разрешению научных проблем. У студента имеется возможность
повысить учебный рейтинг путем участия во внеучебной работе (участие в
олимпиадах, конференциях; выполнение индивидуальных творческих заданий,
рефератов; участие в работе научного кружка и т.д.). При этом студенты, не
спешащие сдавать работу вовремя, могут получить и отрицательные баллы.
Вместе с тем, поощряется более быстрое прохождение программы отдельными
студентами. Например, если учащийся готов сдавать зачет или писать самостоятельную работу раньше группы, можно добавить ему дополнительные баллы.
Рейтинговая система  это регулярное отслеживание качества усвоения
знаний и умений в учебном процессе, выполнения планового объема самостоятельной работы. Ведение многобалльной системы оценки позволяет, с одной
стороны, отразить в балльном диапазоне индивидуальные особенности студентов, а с другой  объективно оценить в баллах усилия студентов, затраченные
на выполнение отдельных видов работ. Так каждый вид учебной деятельности
приобретает свою «цену». Получается, что «стоимость» работы, выполненной
студентом безупречно, является количественной мерой качества его обученности по той совокупности изученного им учебного материала, которая была
необходима для успешного выполнения задания. Разработанная шкала перевода
рейтинга по дисциплине в итоговую пятибалльную оценку доступна, легко
подсчитывается как преподавателем, так и студентом: 85%-100% максимальной
суммы баллов  оценка «отлично», 70%-85%  оценка «хорошо», 50%-70% 
«удовлетворительно», 50% и менее от максимальной суммы  «неудовлетворительно».
При использовании рейтинговой системы:
 основной акцент делается на организацию активных видов учебной деятельности, активность студентов выходит на творческое осмысление предложенных
задач;
 во взаимоотношениях преподавателя со студентами есть сотрудничество и
сотворчество, существует психологическая и практическая готовность преподавателя к факту индивидуального своеобразия «Я-концепции» каждого студента;
 предполагается
разнообразие
стимулирующих,
эмоциональнорегулирующих, направляющих и организующих приемов вмешательства (при
необходимости) преподавателя в самостоятельную работу студентов;
 преподаватель выступает в роли педагога-менеджера и режиссера обучения,
готового предложить студентам минимально необходимый комплект средств
обучения, а не только передает учебную информацию; обучаемый выступает в
качестве субъекта деятельности наряду с преподавателем, а развитие его индивидуальности выступает как одна из главных образовательных целей;
 учебная информация используется как средство организации учебной деятельности, а не как цель обучения.
19
Рейтинговая система обучения обеспечивает наибольшую информационную, процессуальную и творческую продуктивность самостоятельной познавательной деятельности студентов при условии ее реализации через технологии
личностно-ориентированного обучения (проблемные, диалоговые, дискуссионные, эвристические, игровые и другие образовательные технологии).
Большинство студентов положительно относятся к такой системе отслеживания результатов их подготовки, отмечая, что рейтинговая система обучения способствует равномерному распределению их сил в течение семестра,
улучшает усвоение учебной информации, обеспечивает систематическую работу без «авралов» во время сессии. Большое количество разнообразных заданий,
предлагаемых для самостоятельной проработки, и разные шкалы их оценивания
позволяют студенту следить за своими успехами, и при желании у него всегда
имеется возможность улучшить свой рейтинг (за счет выполнения дополнительных видов самостоятельной работы), не дожидаясь экзамена. Организация
процесса обучения в рамках рейтинговой системы обучения с использованием
разнообразных видов самостоятельной работы позволяет получить более высокие результаты в обучении студентов по сравнению с традиционной вузовской
системой обучения.
Использование рейтинговой системы позволяет добиться более ритмичной работы студента в течение семестра, а так же активизирует познавательную
деятельность студентов путем стимулирования их творческой активности.
Весьма эффективно использование тестов непосредственно в процессе обучения, при самостоятельной работе студентов. В этом случае студент сам проверяет свои знания. Не ответив сразу на тестовое задание, студент получает подсказку, разъясняющую логику задания и выполняет его второй раз.
Следует отметить и все шире проникающие в учебный процесс автоматизированные обучающие и обучающе-контролирующие системы, которые позволяют студенту самостоятельно изучать ту или иную дисциплину и одновременно контролировать уровень усвоения материала.
20
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ
АКТИВНЫХ ФОРМ ОБУЧЕНИЯ
Цель и задачи:
1.Обеспечить активное участие в учебной работе как подготовленных
студентов, так и не подготовленных;
2. Установить непрерывный контроль за процессом усвоения учебного
материала.
Активные формы обучения
Неимитационные
Имитационные формы
формы
игровые
неигровые
1. Проблемная лекция, лекция 1. Деловая игра;
1. Коллективная
вдвоём, лекция с заранее за2. Педагогические мыслительная деяпланированными ошибками, ситуации;
тельность;
лекция пресс-конференция;
3. Педагогические 2. Тестирование;
2. Эвристическая беседа;
задачи;
3. Устный блиц3. Поисково4. Инсценирование опрос;
исследовательская работа;
различной деятель- 4.
Письменный
4. Учебная дискуссия;
ности.
блиц-опрос.
5. Самостоятельная работа с
литературой;
6.Семинар
прессконференция;
7. Дискуссия.
Формы работы, повышающие уровень активности обучения
1. Нетрадиционные формы проведения учебных занятий (деловая игра;
соревнование; семинар; экскурсия; интегрированные занятия, объединенные единой темой, проблемой; комбинированные, проектные занятия; творческие мастерские и др.);
2. Использование игровых форм;
3. Диалогическое взаимодействие;
4. Проблемно-задачный подход (проблемные вопросы, проблемные ситуации и др.)
5. Групповые, бригадные, парные, индивидуальные, фронтальные и др.
формы работы;
6. Интерактивные методы обучения (репродуктивный, частичнопоисковый, творческий и др.);
7. Использование дидактических средств (тесты, терминологические
кроссворды и др.);
8. Внедрение развивающих дидактических приемов (речевых оборотов
типа “Хочу спросить…”, “Для меня сегодняшний урок…”, “Я бы сделал так…” и т.д.; работа с помощью схем, символов, рисунков и др.);
9. Использование всех методов мотивации (эмоциональных, познавательных, социальных и др.);
1
10.Различные виды домашней работы (групповые, творческие, дифференцированные, для соседа и др.);
11.Деятельностный подход в обучении.
К активным методам обучения относятся:
1. Мозговой штурм (мозговая атака, брейнсторминг) - широко применяемый способ продуцирования новых идей для решения научных и практических проблем. Его цель — организация коллективной мыслительной деятельности по поиску нетрадиционных путей решения проблем.
2. Деловая игра — метод имитации ситуаций, моделирующих профессиональную или иную деятельность путем игры, по заданным правилам.
3. «Круглый стол» — это метод активного обучения, одна из организационных форм познавательной деятельности обучающихся, позволяющая
закрепить полученные ранее знания, восполнить недостающую информацию, сформировать умения решать проблемы, укрепить позиции,
научить культуре ведения дискуссии.
4. Анализ конкретных ситуаций (case-study) — один из наиболее эффективных и распространенных методов организации активной познавательной деятельности обучающихся. Метод анализа конкретных ситуаций развивает способность к анализу нерафинированных жизненных и
производственных задач. Сталкиваясь с конкретной ситуацией, обучаемый должен определить: есть ли в ней проблема, в чем она состоит,
определить свое отношение к ситуации.
5. Проблемное обучение — такая форма, в которой процесс познания
учащихся приближается к поисковой, исследовательской деятельности.
Успешность проблемного обучения обеспечивается совместными усилиями преподавателя и обучаемых. Основная задача педагога — не
столько передать информацию, сколько приобщить слушателей к объективным противоречиям развития научного знания и способам их разрешения. В сотрудничестве с преподавателем учащиеся «открывают»
для себя новые знания, постигают теоретические особенности отдельной науки.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего
профессионального образования (ФГОС ВПО) представляет собой совокупность требований, обязательных при реализации основных образовательных
программ (ООП) бакалавриата (подготовки специалиста) по направлениям
подготовки образовательными учреждениями высшего профессионального
образования (высшими учебными заведениями, вузами), на территории Российской Федерации, имеющими государственную аккредитацию.
Одно из требований к условиям реализации основных образовательных
программ бакалавриата (подготовки специалиста) на основе ФГОС является
широкое использование в учебном процессе активных и интерактивных форм
2
проведения занятий в сочетании с внеаудиторной работой с целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся.
Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах, определяется главной целью ООП, особенностью контингента обучающихся и содержанием конкретных дисциплин. Во многих направлениях подготовки в
целом они должны составлять не менее 20 процентов аудиторных занятий
(таб.1.1).
Таблица 1.1
Доля занятий, проводимых в интерактивной форме по требованиям ФГОС
Доля интеШифр
ООП
рактива, %
030900.62 Юриспруденция
20
050100.62 Педагогическое образование
20
072500.62 Дизайн
20
072600.62 Декоративно-прикладное искусство и народные
20
промыслы
080100.62 Экономика
20
080200.62 Менеджмент
30
081100.62 Государственное и муниципальное управление
30
090900.62 Информационная безопасность
20
100100.62 Сервис
20
100400.62 Туризм
20
100700.62 Торговое дело
20
Шифр
100800.62
101100.62
120700.62
140400.62
151000.62
190600.62
190700.62
201000.62
210700.62
220400.62
221700.62
222900.62
Продолжение таб.1.1.
Доля интеООП
рактива, %
Товароведение
20
Гостиничное дело
20
Землеустройство и кадастры
20
Электроэнергетика и электротехника
20
Технологические машины и оборудование
20
Эксплуатация
транспортно-технологических
20
машин и комплексов
Технология транспортных процессов
20
Биотехнические системы и технологии
20
Инфокоммуникационные технологии и системы
20
связи
Управление в технических системах
20
Стандартизация и метрология
20
Нанотехнологии и микросистемная техника
20
3
Информационные системы и технологии
10
Прикладная информатика
20
Продукты питания из растительного сырья
20
Технология продукции и организация общест20
венного питания
270300.62 Дизайн архитектурной среды
40
270800.62 Строительство
20
280700.62 Техносферная безопасность
20
036401.65 Таможенное дело
30
Внедрение интерактивных форм обучения – одно из важнейших направлений совершенствования подготовки студентов в современном вузе.
Теперь для преподавателя недостаточно быть компетентным в области своей
специальности и передавать огромною базу знаний в аудитории, заполненной
жаждущими познания студентами. И хотя новые взгляды на обучение не
принимаются многими преподавателями, нельзя игнорировать данные многих исследований, подтверждающих, что использование активных подходов
является наиболее эффективным путем, способствующим обучению студентов. Говоря простым языком, студенты легче вникают, понимают и запоминают материал, который они изучали посредством активного вовлечения в
учебный процесс. Исходя из этого, основные методические инновации связаны сегодня с применением именно интерактивных методов обучения.
В процессе обучения необходимо обращать внимание в первую очередь на те методы, при которых слушатели идентифицируют себя с учебным
материалом, включаются в изучаемую ситуацию, побуждаются к активным
действиям, переживают состояние успеха и соответственно мотивируют свое
поведение. Всем этим требованиям в наибольшей степени отвечают интерактивные методы обучения.
Учебный процесс, опирающийся на использование интерактивных методов обучения, организуется с учетом включенности в процесс познания
всех студентов группы без исключения. Совместная деятельность означает,
что каждый вносит свой особый индивидуальный вклад, в ходе работы идет
обмен знаниями, идеями, способами деятельности. Организуются индивидуальная, парная и групповая работа, используется проектная работа, ролевые
игры, осуществляется работа с документами и различными источниками информации. Интерактивные методы основаны на принципах взаимодействия,
активности обучаемых, опоре на групповой опыт, обязательной обратной
связи. Создается среда образовательного общения, которая характеризуется
открытостью, взаимодействием участников, равенством их аргументов, накоплением совместного знания, возможностью взаимной оценки и контроля.
Ведущий преподаватель вместе с новыми знаниями ведет участников
обучения к самостоятельному поиску. Активность преподавателя уступает
место активности студентов, его задачей становится создание условий для их
инициативы. Преподаватель отказывается от роли своеобразного фильтра,
пропускающего через себя учебную информацию, и выполняет функцию по230400.62
230700.62
260100.62
260800.62
4
мощника в работе, одного из источников информации. Поэтому интерактивное обучение призвано изначально использоваться в интенсивном обучении
достаточно взрослых обучающихся.
В образовании сложились, утвердились и получили широкое распространение в общем три формы взаимодействия преподавателя и студентов,
которые для наглядности представим схемами.
1. Пассивные методы
2. Активные методы
3. Интерактивные методы
Каждый из них имеет свои особенности.
Рисунок 1.1 Пассивный метод
Пассивный метод (рис.1.1) – это форма взаимодействия преподавателя и студента, в которой преподаватель является основным действующим
лицом и управляющим ходом занятия, а студенты выступают в роли пассивных слушателей, подчиненных директивам преподавателя. Связь преподавателя со студентами на пассивных занятиях осуществляется посредством опросов, самостоятельных, контрольных работ, тестов и т. д. С точки зрения
современных педагогических технологий и эффективности усвоения студентами учебного материала пассивный метод мало эффективен, но, несмотря на
это, он имеет и некоторые плюсы. Это относительно легкая подготовка к занятию со стороны преподавателя и возможность преподнести сравнительно
большее количество учебного материала в ограниченных временных рамках
занятия.
Активный метод (рис.1.2) – это форма взаимодействия студентов и
преподавателя, при которой они взаимодействуют друг с другом в ходе занятия и студенты здесь не пассивные слушатели, а активные участники, студенты и преподаватель находятся на равных правах. Если пассивные методы
предполагали авторитарный стиль взаимодействия, то активные больше
предполагают демократический стиль.
Многие между активными и интерактивными методами ставят знак равенства, однако, несмотря на общность, они имеют различия. Интерактивные
методы можно рассматривать как наиболее современную форму активных
методов.
5
Рисунок 1.2 Активный метод
Рисунок 1.3 Интерактивный метод
Интерактивный метод (рис.1.3). Интерактивный («Inter» - это взаимный, «act» - действовать) – означает взаимодействовать, находиться в режиме беседы, диалога с кем-либо. Другими словами, в отличие от активных
методов, интерактивные ориентированы на более широкое взаимодействие
студентов не только с преподавателем, но и друг с другом и на доминирование активности студентов в процессе обучения. Место преподавателя на интерактивных занятиях сводится к направлению деятельности студентов на
достижение целей занятия. Преподаватель также разрабатывает план занятия
(обычно, это интерактивные упражнения и задания, в ходе выполнения которых студент изучает материал).
Интерактивное обучение — это специальная форма организации познавательной деятельности. Она подразумевает вполне конкретные и прогнозируемые цели. Цель состоит в создании комфортных условий обучения, при
которых студент или слушатель чувствует свою успешность, свою интеллектуальную состоятельность, что делает продуктивным сам процесс обучения,
дать знания и навыки, а также создать базу для работы по решению проблем
после того, как обучение закончится.
Другими словами, интерактивное обучение – это, прежде всего, диалоговое обучение, в ходе которого осуществляется взаимодействие между студентом и преподавателем, между самими студентами.
6
Задачами интерактивных форм обучения являются:
пробуждение у обучающихся интереса;
эффективное усвоение учебного материала;
самостоятельный поиск учащимися путей и вариантов решения поставленной учебной задачи (выбор одного из предложенных вариантов или
нахождение собственного варианта и обоснование решения);
установление воздействия между студентами, обучение работать в команде, проявлять терпимость к любой точке зрения, уважать право каждого на
свободу слова, уважать его достоинства;
формирование у обучающихся мнения и отношения;
формирование жизненных и профессиональных навыков;
выход на уровень осознанной компетентности студента.
При использовании интерактивных форм роль преподавателя резко меняется, перестаёт быть центральной, он лишь регулирует процесс и занимается его общей организацией, готовит заранее необходимые задания и формулирует вопросы или темы для обсуждения в группах, даёт консультации,
контролирует время и порядок выполнения намеченного плана. Участники
обращаются к социальному опыту – собственному и других людей, при этом
им приходится вступать в коммуникацию друг с другом, совместно решать
поставленные задачи, преодолевать конфликты, находить общие точки соприкосновения, идти на компромиссы.
Для решения воспитательных и учебных задач преподавателем могут
быть использованы следующие интерактивные формы:
Круглый стол (дискуссия, дебаты)
Мозговой штурм ( брейнсторм, мозговая атака)
Деловые и ролевые игры
Case-study (анализ конкретных ситуаций, ситуационный анализ)
Мастер класс
В данных методических рекомендациях предложены к рассмотрению
ведущие интерактивные формы обучения. Существуют и другие виды интерактивного обучения (методики «Займи позицию», «Дерево решений»,
«Попс-формула», тренинги, сократический диалог, групповое обсуждение,
интерактивная экскурсия, видеоконференция, фокус-группа и д.р.), которые
можно использовать в процессе обучения студентов. Кроме того, преподаватель кафедры может применять не только ныне существующие интерактивные формы, а также разработать новые в зависимости от цели занятия, т.е.
активно участвовать в процессе совершенствования, модернизации учебного
процесса.
Следует обратить внимание на то, что в ходе подготовки занятия на основе интерактивных форм обучения перед преподавателем стоит вопрос не
только в выборе наиболее эффективной и подходящей формы обучения для
изучения конкретной темы, а открывается возможность сочетать несколько
методов обучения для решения проблемы, что, несомненно, способствует
лучшему осмыслению студентов. Представляется целесообразным рассмот7
реть необходимость использования разных интерактивных форм обучения
для решения поставленной задачи.
Принципы работы на интерактивном занятии:
занятие – не лекция, а общая работа.
все участники равны независимо от возраста, социального статуса, опыта, места работы.
каждый участник имеет право на собственное мнение по любому
вопросу.
нет места прямой критике личности (подвергнуться критике может только идея).
все сказанное на занятии – не руководство к действию, а информация к размышлению.
Алгоритм проведения интерактивного занятия:
1. Подготовка занятия
Ведущий (куратор, педагог) производит подбор темы, ситуации, определение дефиниций (все термины, понятия и т.д. должны быть одинаково поняты всеми обучающимися), подбор конкретной формы интерактивного занятия, которая может быть эффективной для работы с данной темой в данной
группе.
При разработке интерактивного занятия рекомендуем обратить особое
внимание на следующие моменты:
1) Участники занятия, выбор темы:
возраст участников, их интересы, будущая специальность.
временные рамки проведения занятия.
проводились ли занятия по этой теме в данной студенческой группе ранее.
заинтересованность группы в данном занятии.
2) Перечень необходимых условий:
должна быть четко определена цель занятия.
подготовлены раздаточные материалы.
обеспечено техническое оборудование.
обозначены участники.
определены основные вопросы, их последовательность.
подобраны практические примеры из жизни.
3) Что должно быть при подготовке каждого занятия:
уточнение проблем, которые предстоит решить.
обозначение перспективы реализации полученных знаний.
определение практического блока (чем группа будет заниматься на занятии).
4) Раздаточные материалы:
программа занятия.
раздаточные материалы должны быть адаптированы к студенческой аудитории («Пишите для аудитории!»).
8
материал должен быть структурирован.
использование графиков, иллюстраций, схем, символов.
2. Вступление
Сообщение темы и цели занятия.
– участники знакомятся с предлагаемой ситуацией, с проблемой, над
решением которой им предстоит работать, а также с целью, которую им
нужно достичь;
– педагог информирует участников о рамочных условиях, правилах работы в группе, дает четкие инструкции о том, в каких пределах участники
могут действовать на занятии;
– при необходимости нужно представить участников (в случае, если
занятие межгрупповое, междисциплинарное);
– добиться однозначного семантического понимания терминов, понятий и т.п. Для этого с помощью вопросов и ответов следует уточнить понятийный аппарат, рабочие определения изучаемой темы. Систематическое
уточнение понятийного аппарата сформирует у студентов установку, привычку оперировать только хорошо понятными терминами, не употреблять
малопонятные слова, систематически пользоваться справочной литературой.
Примерные правила работы в группе:
быть активным.
уважать мнение участников.
быть доброжелательным.
быть пунктуальным, ответственным.
не перебивать.
быть открытым для взаимодействия.
быть заинтересованным.
стремится найти истину.
придерживаться регламента.
креативность.
уважать правила работы в группе.
3. Основная часть
Особенности основной части определяются выбранной формой интерактивного занятия, и включает в себя:
3.1. Выяснение позиций участников;
3.2. Сегментация аудитории и организация коммуникации между сегментами (Это означает формирование целевых групп по общности позиций
каждой из групп. Производится объединение сходных мнений разных участников вокруг некоторой позиции, формирование единых направлений разрабатываемых вопросов в рамках темы занятия и создается из аудитории набор
групп с разными позициями. Затем – организация коммуникации между сегментами. Этот шаг является особенно эффективным, если занятие проводится с достаточно большой аудиторией: в этом случае сегментирование представляет собой инструмент повышения интенсивности и эффективности
коммуникации);
9
3.3. Интерактивное позиционирование включает четыре этапа интерактивного позиционирования: 1) выяснение набора позиций аудитории, 2) осмысление общего для этих позиций содержания, 3) переосмысление этого
содержания и наполнение его новым смыслом, 4) формирование нового набора позиций на основании нового смысла)
4. Выводы (рефлексия)
Рефлексия начинается с концентрации участников на эмоциональном
аспекте, чувствах, которые испытывали участники в процессе занятия. Второй этап рефлексивного анализа занятия – оценочный (отношение участников к содержательному аспекту использованных методик, актуальности выбранной темы и др.). Рефлексия заканчивается общими выводами, которые
делает педагог.
Примерный перечень вопросов для проведения рефлексии:
что произвело на вас наибольшее впечатление?
что вам помогало в процессе занятия для выполнения задания, а что мешало?
есть ли что-либо, что удивило вас в процессе занятия?
чем вы руководствовались в процессе принятия решения?
учитывалось ли при совершении собственных действий мнение участников группы?
как вы оцениваете свои действия и действия группы?
если бы вы играли в эту игру еще раз, чтобы вы изменили в модели своего поведения?
Интерактивное обучение позволяет решать одновременно несколько
задач, главной из которых является развитие коммуникативных умений и навыков. Данное обучение помогает установлению эмоциональных контактов
между учащимися, обеспечивает воспитательную задачу, поскольку приучает
работать в команде, прислушиваться к мнению своих товарищей, обеспечивает высокую мотивацию, прочность знаний, творчество и фантазию, коммуникабельность, активную жизненную позицию, ценность индивидуальности,
свободу самовыражения, акцент на деятельность, взаимоуважение и демократичность. Использование интерактивных форм в процессе обучения, как
показывает практика, снимает нервную нагрузку обучающихся, дает возможность менять формы их деятельности, переключать внимание на узловые вопросы темы занятий.
Преподавателю кафедры необходимо глубоко вникнуть в данный вид
обучения. Применение и подготовка студентов к той или иной интерактивной форме обучения для изучения конкретной дисциплины (темы занятия)
должны быть отражены в рабочей программе дисциплины и в методических
рекомендациях по подготовке к занятию в интерактивной (конкретной) форме.
ОСНОВНЫЕ ИНТЕРАКТИВНЫЕ МЕТОДЫ
Круглый стол, дискуссия, дебаты
Круглый стол — это метод активного обучения, одна из организацион10
ных форм познавательной деятельности учащихся, позволяющая закрепить
полученные ранее знания, восполнить недостающую информацию, сформировать умения решать проблемы, укрепить позиции, научить культуре ведения дискуссии. Характерной чертой «круглого стола» является сочетание тематической дискуссии с групповой консультацией.
Основной целью проведения «круглого стола» является выработка у
учащихся профессиональных умений излагать мысли, аргументировать свои
соображения, обосновывать предлагаемые решения и отстаивать свои убеждения. При этом происходит закрепление информации и самостоятельной работы с дополнительным материалом, а также выявление проблем и вопросов
для обсуждения.
Важной задачей при организации «круглого стола» является:
обсуждение в ходе дискуссии одной-двух проблемных, острых ситуаций
по данной теме;
иллюстрация мнений, положений с использованием различных наглядных материалов (схемы, диаграммы, графики, аудио-, видеозаписи, фото-,
кинодокументы);
тщательная подготовка основных выступающих (не ограничиваться докладами, обзорами, а высказывать свое мнение, доказательства, аргументы).
При проведении «круглого стола» необходимо учитывать некоторые
особенности:
а) нужно, чтобы он был действительно круглым, т.е. процесс коммуникации, общения, происходил «глаза в глаза». Принцип «круглого стола» (не
случайно он принят на переговорах), т.е. расположение участников лицом
друг к другу, а не в затылок, как на обычном занятии, в целом приводит к
возрастанию активности, увеличению числа высказываний, возможности
личного включения каждого учащегося в обсуждение, повышает мотивацию
учащихся, включает невербальные средства общения, такие как мимика, жесты, эмоциональные проявления.
б) преподаватель также располагался в общем кругу, как равноправный
член группы, что создает менее формальную обстановку по сравнению с общепринятой, где он сидит отдельно от студентов они обращены к нему лицом. В классическом варианте участники адресуют свои высказывания преимущественно ему, а не друг другу. А если преподаватель сидит среди студентов, обращения членов группы друг к другу становятся более частыми и
менее скованными, это также способствует формированию благоприятной
обстановки для дискуссии и развития взаимопонимания между преподавателем и студентами.
«Круглый стол» целесообразно организовать следующим образом:
1) Преподавателем формулируются (рекомендуется привлекать и самих
студентов) вопросы, обсуждение которых позволит всесторонне рассмотреть
проблему;
11
2) Вопросы распределяются по подгруппам и раздаются участникам
для целенаправленной подготовки;
3) Для освещения специфических вопросов могут быть приглашены
специалисты (юрист, социолог, психолог, экономист);
4) В ходе занятия вопросы раскрываются в определенной последовательности.
Выступления специально подготовленных студентов обсуждаются и
дополняются. Задаются вопросы, студенты высказывают свои мнения, спорят, обосновывают свою точку зрения.
Основную часть «круглого стола» по любой тематике составляют дискуссия и дебаты.
Дискуссия (от лат. discussio — исследование, рассмотрение) — это всестороннее обсуждение спорного вопроса в публичном собрании, в частной
беседе, споре. Другими словами, дискуссия заключается в коллективном обсуждении какого-либо вопроса, проблемы или сопоставлении информации,
идей, мнений, предложений. Цели проведения дискуссии могут быть очень
разнообразными: обучение, тренинг, диагностика, преобразование, изменение установок, стимулирование творчества и др.
1. Подготовка занятия. При организации дискуссии в учебном процессе обычно ставятся сразу несколько учебных целей, как чисто познавательных, так и коммуникативных. При этом цели дискуссии, конечно, тесно
связаны с ее темой. Если тема обширна, содержит большой объем информации, в результате дискуссии могут быть достигнуты только такие цели, как
сбор и упорядочение информации, поиск альтернатив, их теоретическая интерпретация и методологическое обоснование. Если тема дискуссии узкая, то
дискуссия может закончиться принятием решения.
Во время дискуссии студенты могут либо дополнять друг друга, либо
противостоять один другому. В первом случае проявляются черты диалога, а
во втором дискуссия приобретает характер спора. Как правило, в дискуссии
присутствуют оба эти элемента, поэтому неправильно сводить понятие дискуссии только к спору. И взаимоисключающий спор, и взаимодополняющий,
взаиморазвивающий диалог играют большую роль, так как первостепенное
значение имеет факт сопоставления различных мнений по одному вопросу.
Для того чтобы организовать дискуссию и обмен информацией в полном смысле этого слова, чтобы «круглый стол» не превратился в минилекцию, монолог преподавателя, занятие необходимо тщательно подготовить. Для этого организатор «круглого стола» должен:
заранее подготовить вопросы, которые можно было бы ставить на обсуждение по выводу дискуссии, чтобы не дать ей погаснуть;
не допускать ухода за рамки обсуждаемой проблемы;
обеспечить широкое вовлечение в разговор как можно большего количества студентов, а лучше — всех;
не оставлять без внимания ни одного неверного суждения, но не давать
сразу же правильный ответ; к этому следует подключать учащихся, свое12
временно организуя их критическую оценку;
не торопиться самому отвечать на вопросы, касающиеся материала
«круглого стола»: такие вопросы следует переадресовывать аудитории;
следить за тем, чтобы объектом критики являлось мнение, а не участник,
выразивший его.
сравнивать разные точки зрения, вовлекая учащихся в коллективный анализ и обсуждение, помнить слова К.Д. Ушинского о том, что в основе познания всегда лежит сравнение.
В проведении дискуссии используются различные организационные
методики.
Методика «вопрос – ответ». Данная методика – это разновидность
простого собеседования; отличие состоит в том, что применяется определённая форма постановки вопросов для собеседования с участниками дискуссиидиалога.
Процедура «Обсуждение вполголоса». Данная методика предполагает
проведение закрытой дискуссии в микрогруппах, после чего проводится общая дискуссия, в ходе которой мнение своей микрогруппы докладывает ее
лидер и это мнение обсуждается всеми участниками.
Методика клиники. При использовании «методики клиники» каждый
из участников разрабатывает свой вариант решения, предварительно представив на открытое обсуждение свой «диагноз» поставленной проблемной
ситуации, затем это решение оценивается как руководителем, так и специально выделенной для этой цели группой экспертов по балльной шкале либо
по заранее принятой системе «принимается – не принимается».
Методика «лабиринта». Этот вид дискуссии иначе называют методом
последовательного обсуждения, он представляет собой своеобразную шаговую процедуру, в которой каждый последующий шаг делается другим участником. Обсуждению здесь подлежат все решения, даже неверные (тупиковые).
Методика эстафеты. Каждый заканчивающий выступление участник
может передать слово тому, кому считает нужным.
Свободно плавающая дискуссия. Сущность данного вида дискуссии состоит в том, что группа к результату не приходит, но активность продолжается за рамками занятия. В основе такой процедуры групповой работы лежит
«эффект Б.В. Зейгарник», характеризующийся высоким качеством запоминания незавершенных действий, поэтому участники продолжают «домысливать» наедине идеи, которые оказались незавершенными.
Эффективность проведения дискуссии зависит от таких факторов, как:
подготовка (информированность и компетентность) студента по предложенной проблеме;
семантическое однообразие (все термины, дефиниции, понятия и т.д.
должны быть одинаково поняты всеми учащимися);
корректность поведения участников;
умение преподавателя проводить дискуссию.
13
Правильная организация «круглого стола» в форме дискуссии проходит три стадии развития: ориентация, оценка и консолидация.
2. Вступление. На первой стадии студенты адаптируются к проблеме и
друг к другу, т.е. в это время вырабатывается определенная установка на решение поставленной проблемы. При этом перед преподавателем (организатором дискуссии) ставятся следующие задачи:
сформулировать проблему и цели дискуссии. Для этого надо объяснить,
что обсуждается, что должно дать обсуждение.
провести знакомство участников (если группа в таком составе собирается
впервые). Для этого можно попросить представиться каждого студента
или использовать метод «интервьюирования», который заключается в
том, что участники разбиваются на пары и представляют друг друга после
короткой ознакомительной (не более 5 минут), направленной беседы.
создать необходимую мотивацию, т.е. изложить проблему, показать ее
значимость, выявить в ней нерешенные и противоречивые вопросы, определить ожидаемый результат (решение).
установить регламент дискуссии, а точнее, регламент выступлений.
сформулировать правила ведения дискуссии, основное из которых — выступить должен каждый. Кроме того, необходимо: внимательно выслушивать выступающего, не перебивать, аргументировано подтверждать
свою позицию, не повторяться, не допускать личной конфронтации, сохранять беспристрастность, не оценивать выступающих, не выслушав до
конца и не поняв позицию.
создать доброжелательную атмосферу, а также положительный эмоциональный фон. Здесь преподавателю могут помочь персонифицированные
обращения к студентам, динамичное ведение беседы, использование мимики и жестов, и, конечно, улыбки. Следует помнить, что основой любого активного метода обучения является бесконфликтность!
добиться однозначного семантического понимания терминов, понятий и
т.п. Для этого с помощью вопросов и ответов следует уточнить понятийный аппарат, рабочие определения изучаемой темы. Систематическое
уточнение понятийного аппарата сформирует у студентов установку,
привычку оперировать только хорошо понятными терминами, не употреблять малопонятные слова, систематически пользоваться справочной
литературой.
3. Основная часть. Вторая стадия — стадия оценки — обычно предполагает ситуацию сопоставления, конфронтации и даже конфликта идей,
который в случае, неумелого руководства дискуссией может перерасти в
конфликт личностей. На этой стадии перед преподавателем (организатором
«круглого стола») ставятся следующие задачи:
начать обмен мнениями, что предполагает предоставление слова конкретным участникам. Преподавателю не рекомендуется брать слово первым.
собрать максимум мнений, идей, предложений. Для этого необходимо ак14
тивизировать каждого студента. Выступая со своим мнением, каждый
может сразу внести свои предложения, а может сначала просто выступить, а позже сформулировать свои предложения.
не уходить от темы, что требует некоторой твердости организатора, а
иногда даже авторитарности. Следует тактично останавливать отклоняющихся, направляя их в заданное «русло».
поддерживать высокий уровень активности всех участников. Не допускать чрезмерной активности одних за счет других, соблюдать регламент,
останавливать затянувшиеся монологи, подключать к разговору всех присутствующих.
оперативно проводить анализ высказанных идей, мнений, позиций, предложений перед тем, как переходить к следующему витку дискуссии. Такой анализ, предварительные выводы или резюме целесообразно делать
через определенные интервалы (каждые 10—15 минут), подводя при этом
промежуточные итоги. Подведение промежуточных итогов очень полезно
поручать учащимся, предлагая им временную роль ведущего.
4. Выводы (рефлексия). Третья стадия — стадия рефлексии — предполагает выработку определенных единых или компромиссных мнений, позиций, решений. На этом этапе осуществляется контролирующая функция
занятия. Задачи, которые должен решить преподаватель, можно сформулировать следующим образом:
проанализировать и оценить проведенную дискуссию, подвести итоги,
результаты. Для этого надо сопоставить сформулированную в начале
дискуссии цель с полученными результатами, сделать выводы, вынести
решения, оценить результаты, выявить их положительные и отрицательные стороны.
помочь участникам дискуссии прийти к согласованному мнению, чего
можно достичь путем внимательного выслушивания различных толкований, поиска общих тенденций для принятия решений.
принять групповое решение совместно с участниками. При этом следует
подчеркнуть важность разнообразных позиций и подходов.
в заключительном слове подвести группу к конструктивным выводам,
имеющим познавательное и практическое значение.
добиться чувства удовлетворения у большинства участников, т.е. поблагодарить всех студентов за активную работу, выделить тех, кто помог в
решении проблемы.
При проведении «круглого стола» в форме дискуссии студенты воспринимают не только высказанные идеи, новую информацию, мнения, но и
носителей этих идей и мнений, и, прежде всего преподавателя. Поэтому целесообразно конкретизировать основные качества и умения, которыми организатор должен обладать в процессе проведения «круглого стола»:
высокий профессионализм, хорошее знание материала в рамках учебной
программы;
речевая культура и, в частности, свободное и грамотное владение профес15
сиональной терминологией;
коммуникабельность, а точнее — коммуникативные умения, позволяющие преподавателю найти подход к каждому студенту, заинтересованно и
внимательно выслушать каждого, быть естественным, найти необходимые методы воздействия на учащихся, проявить требовательность, соблюдая при этом педагогический такт;
быстрота реакции;
способность лидировать;
умение вести диалог;
прогностические способности, позволяющие заранее предусмотреть все
трудности в усвоении материала, а также спрогнозировать ход и результаты педагогического воздействия, предвидеть последствия своих действий;
умение анализировать и корректировать ход дискуссии;
умение владеть собой
умение быть объективным.
Составной частью любой дискуссии является процедура вопросов и ответов. Умело поставленный вопрос (каков вопрос, таков и ответ) позволяет
получить дополнительную информацию, уточнить позиции выступающего и
тем самым определить дальнейшую тактику проведения «круглого стола».
С функциональной точки зрения, все вопросы можно разделить на две
группы:
уточняющие (закрытые) вопросы, направленные на выяснение истинности или ложности высказываний, грамматическим признаком которых
обычно служит наличие в предложении частицы «ли», например: «Верно
ли, что?», «Правильно ли я понял, что?». Ответить на такой вопрос можно
только «да» или «нет».
восполняющие (открытые) вопросы, направленные на выяснение новых
свойств или качеств интересующих нас явлений, объектов. Их грамматический признак — наличие вопросительных слов: что, где, когда, как,
почему и т.д.
С грамматической точки зрения, вопросы бывают простые и сложные,
т.е. состоящие из нескольких простых. Простой вопрос содержит в себе упоминание только об одном объекте, предмете или явлении.
Если на вопросы смотреть с позиции правил проведения дискуссии, то
среди них можно выделить корректные и некорректные как с содержательной точки зрения (некорректное использование информации), так и с коммуникативной точки зрения (например, вопросы, направленные на личность, а
не на суть проблемы). Особое место занимают так называемые, провокационные или улавливающие вопросы. Такие вопросы задаются для того, чтобы
сбить с толку оппонента, посеять недоверие к его высказываниям, переключить внимание на себя или нанести критический удар.
С преподавательской точки зрения, вопросы могут быть контролирующими, активизирующими внимание, активизирующими память, разви16
вающими мышление.
В дискуссии предпочтительнее использовать простые вопросы, так как
они не несут в себе двусмысленности, на них легко дать ясный и точный ответ. Если студент задает сложные вопросы, целесообразно попросить его
разделить свой вопрос на несколько простых.
В основе «круглого стола» в форме дебатов - свободное высказывание,
обмен мнениями по предложенному студентами тематическому тезису. Участники дебатов приводят примеры, факты, аргументируют, логично доказывают, поясняют, дают информацию и т.д. Процедура дебатов не допускает
личностных оценок, эмоциональных проявлений. Обсуждается тема, а не отношение к ней отдельных участников.
Основное отличие дебатов от дискуссий состоит в следующем: эта
форма «круглого стола» посвящена однозначному ответу на поставленный
вопрос – да или нет. Причем одна группа (утверждающие) является сторонниками положительного ответа, а другая группа (отрицающие) – сторонниками отрицательного ответа. Внутри каждой из групп могут образовываться
2 подгруппы, одна подгруппа – подбирает аргументы, а вторая – разрабатывает контраргументы.
Дебаты формируют:
умение формировать и отстаивать свою позицию;
ораторское мастерство и умение вести диалог;
командный дух и лидерские качества.
«Круглый стол» в форме дебатов развивает способности и формирует
необходимые навыки для ведения диалога:
развитие критического мышления (рациональное, рефлексивное и творческое мышление, необходимое при формулировании, определении, обосновании и анализе обсуждаемых мыслей и идей);
развитие коммуникативной культуры, навыков публичного выступления;
формирование исследовательских навыков (приводимые аргументы требуют доказательства и примеров, для поиска которых необходима работа
с источниками информации);
формирование организационных навыков (подразумеваются не только
организацию самого себя, но и излагаемых материалов);
формирование навыков слушания и ведения записей.
В дебатах принимают участие две команды (одна утверждает тезис, а
другая его отрицает). Команды в зависимости от формата дебатов состоят из
двух или трех игроков (спикеров). Суть игры заключается в том, чтобы убедить нейтральную третью сторону, судей, в том, что ваши аргументы лучше
(убедительнее), чем аргументы вашего оппонента.
Каждый этап дебатов имеет собственную структуру и систему используемых методов и приемов.
1. Подготовка занятия. Разработка подготовительного этапа для проведения «Дебатов». Для этого вместе с инициативными студентами определяют следующее:
17
учебный предмет;
тема «Дебатов» (несколько вариантов);
цель «Дебатов»;
принципы формирования команд;
виды работы с информацией по теме «Дебатов»;
подготовка команд к «Дебатам»;
критерии оценки «Дебатов»;
форма анализа и оценки «Дебатов».
Реализация разработанных занятий со студентами или коллегами. Обсуждение результатов.
Подготовка к дебатам начинается с определения темы (тезисов). В дебатах, как правило, она формулируется в виде утверждения, например: «Технический прогресс ведет к гибели цивилизации». При подборе темы необходимо учитывать требования, согласно которым «хорошая» тема должна:
провоцировать интерес, затрагивая значимые для дебатеров проблемы;
быть сбалансированной и давать одинаковые возможности командам в
представлении качественных аргументов;
иметь четкую формулировку;
стимулировать исследовательскую работу;
иметь положительную формулировку для утверждающей стороны.
Обобщенно структура подготовительного этапа может быть представлена следующим образом.
Работа с информацией по теме:
активизация знаний обучающихся (мозговой штурм);
поиск информации с использованием различных источников;
систематизация полученного материала;
составление кейсов (системы аргументации) утверждения и отрицания тезиса, подготовка раунда вопросов и т. д.
Формирование общих и специальных умений и навыков:
формулирование и обоснование аргументов, подпор, поддержек;
построение стратегии отрицающей стороны;
умение правильно формулировать вопросы;
овладение знаниями риторики и логики, применение их на практике;
овладение навыками эффективной работы в группе, аутотренинга и релаксации.
Итак, на подготовительном этапе студенты должны не только глубоко
изучить и тщательно проработать содержание предлагаемой для игры темы,
но также дать определения каждому понятию в тезисе, составить кейсы (систему аргументов) как для утверждающей, так и для отрицающей стороны, так
как жеребьевка команд осуществляется незадолго до начала самой игры. При
этом для каждой стороны продумывается стратегия отрицания, то есть составляются контраргументы на возможные аргументы оппонентов, и предла18
гаются вопросы, которые способствуют обнаружению противоречий в позиции противоположной стороны.
2. Вступление. Каждая команда (в составе трех спикеров) имеет возможность брать тайм-ауты между любыми раундами общей продолжительностью 8 минут.
Роли спикеров
Спикер У1:
представление команды;
формулировка темы, актуальность;
определение ключевых понятий, входящих в тему;
выдвижение критерия (ценность или цель команды);
представление кейса утверждающей стороны;
заключение (таким образом... готов ответить на вопросы...).
Спикер О1:
представление команды;
формулировка тезиса отрицания;
принятие определений ключевых понятий;
атака или принятие критерия оппонентов;
опровержение позиции утверждения;
представление кейса отрицающей стороны.
Специально выбранные судьи или нейтральная аудитория оценивают
выступления команд по выбранным критериям и объявляют победителя.
3. Основная часть
Форма дебатов
У1 — первый спикер команды утверждения;
О1 — первый спикер команды отрицания и т. д.
Каждый спикер во время игры выполняет строго определенные технологией игры роли и функции, причем роли первых спикеров отличаются друг
от друга, а роли вторых и третьих совпадают.
За временем на протяжении всей игры следит «тайм-кипер», который
предупреждает команды и судей за 2, 1 и 0,5 минуты об окончании времени
выступления (подготовки). Для этого он использует карточки с написанным
на них временем, которые показывает командам.
Таблица 2.1
Регламент «Дебатов»
Действие
Время
Выступление У1
6 минут
Вопросы О3 к У1
3 минуты
Выступление О1
6 минут
Вопросы У3 к О1
3 минуты
Выступление У2
5 минут
Вопросы О1 к У2
3 минуты
Выступление О2
5 минут
19
Вопросы У1 к О2
3 минуты
Выступление У3
5 минут
Выступление О3
5 минут
4. Выводы (рефлексия). После завершения «круглого стола» в форме
дебатов происходит рефлексивный разбор деятельности всех участников.
Анализируется подготовка команд к «Дебатам», их способы выдвижения аргументов и ответов на вопросы оппонентов, другие элементы деятельности.
«Круглый стол» помогает вести студентов к обобщению, развивать самостоятельность их мысли, учиться выделить главное в учебном материале,
развить речь и многое другое. Как показывает практика, использование активных методов в вузовском обучении является необходимым условием для
подготовки высококвалифицированных специалистов и приводит к положительным результатам: они позволяют формировать знания, умения и навыки
студентов путем вовлечения их в активную учебно-познавательную деятельность, учебная информация переходит в личностное знание студентов.
Мозговой штурм, брейнсторм, мозговая атака
Метод мозгового штурма (мозговая атака, braine storming) — оперативный метод решения проблемы на основе стимулирования творческой активности, при котором участникам обсуждения предлагают высказывать как
можно большее количество вариантов решения, в том числе самых фантастичных. Затем из общего числа высказанных идей отбирают наиболее удачные, которые могут быть использованы на практике.
Мозговой штурм — один из наиболее популярных методов стимулирования творческой активности. Широко используется во многих организациях
для поиска нетрадиционных решений самых разнообразных задач.
Используется при тупиковых или проблемных ситуациях.
Сущность метода заключается в том, что процесс выдвижения, предложения идей отделен от процесса их критической оценки и отбора. Кроме
того, используются разнообразные приемы "включения" фантазии, для лучшего использования "чисто человеческого" потенциала в поиске решений.
Например, иногда используется привлечение неспециалистов, которые могут
благодаря неосведомленности сделать "безумные" предложения, которые в
свою очередь стимулируют воображение "специалистов".
Оптимальный состав группы от 6 до 12 человек.
Мозговой штурм - это:
новаторский метод решения проблем;
максимум идей за короткий отрезок времени;
расслабление, полет фантазии, самоудовлетворение (чем неожиданнее
идея, тем лучше, нужны необычные, самые "дикие" идеи);
отсутствие какой-либо критики (любые оценки идеи откладываются на
более поздний период);
это развитие, комбинация и модификация как своих, так и чужих идей.
Для активизации процесса генерирования идей в ходе «штурма», рекомендуется использовать некоторые приемы:
20
инверсия (сделай наоборот)
аналогия (сделай так, как это сделано в другом решении)
эмпатия (считай себя частью задачи, выясни при этом свои чувства, ощущуния)
фантазия (сделай нечто фантастическое)
Гипотезы оцениваются по 10 бальной системе, и выводиться средний
бал по оценкам всех экспертов.
Цель мозгового штурма – создать новые идеи, получить лучшую идею
или лучшее решение, а так же поиск как можно более широкого спектра направлений решения задачи.
Основной задачей метода мозгового штурма является выработка (генерирование) возможно большего количества и максимально разнообразных по
качеству идей, пригодных для решения поставленной проблемы. Чтобы за
короткий промежуток времени получить большое количество идей, к решению привлекается целая группа людей, которая, как единый мозг, штурмует
поставленную проблему. Их, как правило, собирают в одну комнату на одиндва часа. Оптимальными считаются группы в 7—11 человек.
Метод включает следующие шаги:
1) Выбирается объект (тема);
2) Составляется список основных характеристик или частей объекта;
3) Для каждой характеристики или части перечисляются ее возможные
исполнения;
4) Выбираются наиболее интересные сочетания возможных исполнений всех частей объекта.
1. Подготовка занятия. Необходимо сформировать группу генераторов идей (как правило, 5-10 человек). Это должны быть творческие люди,
студенты, обладающие подвижным, активным умом.
Требуется создать экспертную группу, которой предстоит подвергнуть
анализу все выдвинутые идеи и отобрать лучшие. На практике нередко сами
генераторы, завершив выдвижение идей, выступают как эксперты.
За день-два до штурма нужно раздать участникам оповещение о штурме с кратким описанием темы и задачи. Возможно, кто-то придёт с готовыми
идеями.
Следует подготовить всё необходимое для записи идей и демонстрации
списка. Варианты:
Доска и мел
Листы бумаги на планшетах и фломастеры
Разноцветные стикеры
Ноутбук в связке с проектором
2. Вступление. Требуется назначить ведущего мозгового штурма. В
большинстве случаев ведущий известен изначально, он и организует мозговой штурм.
Желательно, выбрать одного или двух секретарей, которые будут фиксировать все идеи.
21
Назначить продолжительность первого этапа.
Участники должны знать, что время ограничено, и им необходимо выдать как можно больше идей в сжатые сроки. Это активизирует, заставляет
выложиться.
Так же нужно поставить задачу. Что конкретно нужно получить в результате мозговой атаки? Записать задачу так, чтобы она всё время была на
виду.
Участники должны чётко представлять, зачем они собрались и какую
проблему собираются решить. В мозговой атаке приветствуется сумятица
идей, но не сумятица задач.
3. Основная часть. Использование методики «мозговой штурм» стимулирует группу студентов к быстрому генерированию как можно большего
вариантов ответа на вопрос.
На первом этапе проведения «мозгового штурма» группе дается определенная проблема для обсуждения, участники высказывают по очереди любые предложения в точной и краткой форме, ведущий записывает все предложения (на доске, плакате) без критики их практической применимости.
На втором этапе проведения «мозгового штурма» высказанные предложения обсуждаются. Группе необходимо найти возможность применения
любого из высказанных предложений или наметить путь его усовершенствования. На данном этапе возможно использование различных форм дискуссии.
На третьем этапе проведения «мозгового штурма» группа представляет презентацию результатов по заранее оговоренному принципу:
самое оптимальное решение,
несколько наиболее удачных предложений;
самое необычное решение и т.п.
Для проведения «мозгового штурма» возможно деление участников на
несколько групп:
генераторы идей, которые высказывают различные предложения, направленные на разрешение проблемы;
критики, которые пытаются найти отрицательное в предложенных идеях;
аналитики, которые будут привязывать выработанные предложения к
конкретным реальным условиям с учетом критических замечаний и др.
При решении простых проблем или при ограничении по времени наиболее подходящая продолжительность обсуждения - 10-15 минут.
Ведущий мозговой атаки:
Ведущий (фасилитатор, модератор) поочередно даёт слово генераторам
идей, чтобы они не галдели все одновременно. Следит, чтобы все участники
штурма имели равную возможность высказаться. Ведущий может вносить
свои идеи наравне со всеми.
Корректно, но решительно пресекает критику идей, которая почти всегда непроизвольно возникает, особенно поначалу.
Типичные фразы idea killers (убийц идей), и как на них нужно отвечать:
22
— Из этого ничего не выйдет. — «Конечно, если не развивать эту
идею, из неё ничего не получится».
— Это не работает — «Но идея ведь неплохая?»
— Это чересчур — «И что?»
— Ну и что в этом оригинального? — «То, что это раньше никто не
предлагал».
— Кто угодно может придумать такое — «Точно!»
Ведущий обеспечивает непрерывность выдвижения идей. Он всеми мерами не допускает зажима «плохих» идей, снимает боязнь участников «ляпнуть что-нибудь не то».
Доброжелательность ведущего стимулирует рождение новых идей у
членов группы. Но он не должен слишком хвалить даже явно удачные гипотезы, чтобы не нарушить равенство участников штурма.
Ведущий следит за регламентом. Напоминает, сколько времени осталось до конца выступления занятия. Тактично останавливает креатора, который высказывает свою идею дольше полуминуты. Мозговой штурм — это
интенсивный, быстро протекающий творческий процесс.
Искусство ведущего мозговой атаки заключается в умении раскрепостить мышление членов творческой группы, вдохновить их на свободное самовыражение.
Рекомендуемая последовательность действий при решении задач «мозгового штурма»:
1. Продумайте все аспекты проблемы. Наиболее важные из них часто
бывают так сложны, что для их выявления требуется работа воображения.
2. Отберите подпроблемы для "атаки". Необходимо обратиться к списку всевозможных аспектов проблемы, тщательно проанализировать их, выделить несколько целей.
3. Обдумайте, какие данные могут пригодиться. Когда сформулирована
проблема, требуется вполне определенная информация.
4. Отберите самые предпочтительные источники информации.
5. Придумайте всевозможные идеи - "ключи" к проблеме. Эта часть
процесса мышления, безусловно, требует свободы воображения, не сопровождаемой и не прерываемой критическим мышлением.
6. Отберите идеи, которые вероятнее всего ведут к решению. Этот процесс связан в основном с логическим мышлением. Акцент здесь делается на
сравнительном анализе.
7. Придумайте всевозможные пути для проверки. Часто удается обнаружить совершенно новые способы проверки.
8. Отберите наиболее основательные способы проверки. Принимая решение о том, как лучше проверять, будьте строги и последовательны. Отберите те способы, которые кажутся наиболее убедительными.
9. Представьте себе все возможные области применения. Даже если
окончательное решение подтверждено экспериментально, надо иметь представление о том, что может произойти в результате его использования в раз23
личных областях. Например, каждая военная стратегия окончательно формируется на основании представления о том, что может сделать неприятель.
10. Дайте окончательный ответ.
Здесь ясно видно чередование творческих, синтезирующих этапов и
аналитических, рассудочных. Это чередование расширений и сужений поискового поля присуще всем развитым методам поиска.
4. Выводы (рефлексия). Метод мозгового штурма эффективен:
При решении задач, которые не имеют однозначного решения, и задач,
где решения требуются нетрадиционные.
Когда необходимо быстро найти выход из критической ситуации.
Везде, где нужно получить много идей за короткое время. Методика мозгового штурма универсальна.
Деловые и ролевые игры
Деловая игра – форма воссоздания предметного и социального содержания профессиональной деятельности, моделирования систем отношений,
разнообразных условий профессиональной деятельности, характерных для
данного вида практики.
В деловой игре обучение участников происходит в процессе совместной деятельности. При этом каждый решает свою отдельную задачу в соответствии со своей ролью и функцией. Общение в деловой игре – это не просто общение в процессе совместного усвоения знаний, но первым делом –
общение, имитирующее, воспроизводящее общение людей в процессе реальной изучаемой деятельности. Деловая игра - это не просто совместное обучение, это обучение совместной деятельности, умениям и навыкам сотрудничества.
Специфика обучающих возможностей деловой игры как метода активного обучения состоит в следующем:
процесс обучения максимально приближен к реальной практической деятельности руководителей и специалистов. Это достигается путем использования в деловых играх моделей реальных социально-экономических
отношений.
метод деловых игр представляет собой не что иное, как специально организованную деятельность по активизации полученных теоретических
знаний, переводу их в деятельностный контекст. То, что в традиционных
методах обучения «отдается на откуп» каждому учащемуся без учета его
готовности и способности осуществить требуемое преобразование, в деловой игре приобретает статус метода. Происходит не механическое накопление информации, а деятельностное распредмечивание какой-то
сферы человеческой реальности.
Виды деловых игр
На сегодняшний день в литературе существует большое разнообразие
типологий и классификаций деловых игр. Приведем примеры некоторых из
них.
Например, классификация деловых игр:
24
1. По типу человеческой практики, воссоздаваемой в игре и каковы
целям: учебная, исследовательская, управленческие, аттестационная;
2. По времени проведения:
без ограничения времени;
с ограничением времени;
игры, проходящие в реальное время;
игры, где время сжато;
3. По оценке деятельности:
балльная или иная оценка деятельности игрока или команды;
оценка того, кто как работал, отсутствует;
4. По конечному результату:
жесткие игры – заранее известен ответ (например, сетевой график), существуют жесткие правила;
свободные, открытые игры – заранее известного ответа нет, правила изобретаются для каждой игры свои, участники работают над решением неструктурированной задачи;
5. По конечной цели:
обучающие – направлены на появление новых знаний и закрепление навыков участников;
констатирующие - конкурсы профессионального мастерства;
поисковые – направлены на выявление проблем и поиск путей их решения;
6. По методологии проведения:
луночные игры – игра проходит на специально организованном поле, с
жесткими правилами, результаты заносятся на бланки;
ролевые игры – каждый участник имеет или определенное задание, или
определенную роль, которую он должен исполнить в соответствии с заданием;
групповые дискуссии – связаны с отработкой проведения совещаний или
приобретением навыков групповой работы. Участники имеют индивидуальные задания, существуют правила ведения дискуссии (например, игра
«Координационный Совет», «Кораблекрушение») (см. подробнее об организации дискуссии п. 2.1);
имитационные – имеют цель создать у участников представление, как
следовало бы действовать в определенных условиях («Сбыт» - для обучения менеджеров по специальности «Экономика и управление на предприятии (по отраслям)» и т.д.);
организационно-деятельностные игры – не имеют жестких правил, у участников нет ролей, игры направлены на решение междисциплинарных
проблем. Активизация работы участников происходит за счет жесткого
давления на личность;
инновационные игры – формируют инновационное мышление участников, выдвигают инновационные идеи в традиционной системе действий,
25
отрабатывают модели реальной, желаемой, идеальной ситуаций, включают тренинги по самоорганизации;
ансамблевые игры – формируют управленческое мышление у участников,
направлены на решение конкретных проблем предприятия методом организации делового партнерского сотрудничества команд, состоящих из
руководителей служб.
1. Подготовка занятия. Проведению деловых игр предшествует разработка единых требований к отдельным этапам:
целевая установка проведения игры;
сценарий всех этапов деловой игры;
структура конкретных ситуаций, отражающих моделируемый процесс
или явление;
критерии оценки, полученных в ходе игры результатов;
рекомендации по дальнейшему совершенствованию профессиональных
умений и навыков.
Условия проведения деловых игр:
проигрывать реальные события;
приводимые факты должны быть интересными, «живыми»;
ситуации должны быть проблемными;
обеспечение соответствия выбранной игровой методики учебным целям и
уровню подготовленности участников;
проверка пригодности аудитории для занятия;
использование адекватных характеру игры способов фиксации ее процесса поведения игроков;
определение способов анализа игрового процесса, оценка действий игроков с помощью системы критериев;
оптимизация требований к участникам;
структурирование игры во времени, обеспечение примерного соблюдения
ее временного регламента, продолжительности пауз, завершении этапов и
всего процесса игры;
формирование игровой группы;
руководство игрой, контроль за ее процессом;
подведение итогов и оценка результатов.
2. Вступление. Для разработки деловой игры принципиальными моментами являются также определение темы и целей. Так, например, в теме
могут быть отражены: характер деятельности; масштаб управления; состав
инстанций и условия обстановки.
При определении целей разработчику важно ответить на несколько принципиальных вопросов:
1) Для чего проводится данная деловая игра?
2) Для какой категории обучаемых?
3) Чему именно следует их обучать?
26
4) Какие результаты должны быть достигнуты (Примеры учебных целей: «показать, как следует привлечь к выполнению конкретной задачи целый комплекс инструментов (рекламу, прессу, телевидение, деловое общение
специалистов различных профилей и др.); проверить уровень подготовленности должностных лиц в определенном виде производственной деятельности и
др.»).
При постановке целей необходимо различать учебные цели игры (её
ставит перед собой преподаватель, руководитель игры) и цели действий её
участников (студентов), которые ставятся ими, исходя из игровых ролей. Таким образом, деловая игра имеет достаточно сложную целевую систему.
Задачи преподавателя в подготовке деловой игры:
отобрать необходимые ситуации;
подготовить дидактический материал, карточки-задания для каждого
(можно с подсказкой о характере его деятельности);
подобрать подгруппы студентов;
поставить задачу (проблему), по которой группа должна высказывать
свою точку зрения;
продумать предполагаемые ответы и реплики;
проявлять к студентам интерес, постоянное внимание и т.п.
Основой разработки деловой игры является создание имитационной и
игровой моделей, которые должны органически накладываться друг на друга,
что и определяет структуру деловой игры.
Имитационная модель отражает выбранный фрагмент реальной действительности, который можно назвать прототипом модели или объектом имитации, задавая предметный контекст профессиональной деятельности специалиста в учебном процессе. Игровая модель является фактически описанием работы участников с имитационной моделью, что задает социальный контекст профессиональной деятельности специалиста.
Таким образом, преподаватель при подготовке деловой игры должен
решать как профессиональную, так и педагогическую задачу.
При конструировании деловой игры необходимо опираться на структурное описание последней.
Одним из самых сложных этапов конструирования деловой игры является выбор и описание объекта имитации. В качестве такого объекта выбирается наиболее типичный фрагмент профессиональной реальности выполнение, которого специалистами требует системного применения, разнообразных умений и навыков, «заготовленных» у учащихся в период обучения,
предшествующей игре, при чем это применение связано с трудностями; в
решение профессиональных задач вовлечен тот или иной круг специалистов,
имеющих разные интересы и свои предметы деятельности. Таким образом,
отнюдь не любое содержание профессиональной деятельности подходит для
игрового моделирования, а только такое, которое достаточно сложно, содержит в себе проблемность и не может быть усвоено индивидуально.
27
Базовым элементом деловой игры является сценарий. Сценарий деловой игры является основным документом для её проведения.
Как правило, в сценарии отображается общая последовательность игры, разбитой на основные этапы, операции и шаги.
Схема сценария может быть описана с помощью следующих элементов:
реальное противоречие (следует отличать от игрового конфликта, обусловленного разностью позиций игроков), конфликт — наличие в ситуации «рассогласования параметров деятельности, столкновения разноплановых явлений…, противоречивости критериев принятия решений» и т.п.
Игровой конфликт также может присутствовать в сценарии. Деловой
игре в наибольшей мере присущ смешанный способ генерирования событий,
когда процесс игры следует какому-то обобщенному алгоритму, отражающему технологию производственного процесса, но учитывающему вероятностный характер событий.
Деловую игру можно проводить перед изложением лекционного материала для обнаружения пробелов в знаниях, когда их основой является только личный опыт, либо после лекционного курса для закрепления и актуализации знаний в опыт. Можно также осуществлять организацию всего учебного процесса на основе сквозной деловой игры. В последнем случае динамика
интереса обусловливается динамикой смены традиционных и деловых форм
проведения занятий, которые целостно воспроизводят процесс будущей профессиональной деятельности.
Деловая игра в зависимости от содержания может длиться от одного до
2-3 академических часов, т.е. это могут быть небольшие фрагменты или полноценная деловая игра. Учитывая большую эмоциональную нагрузку на участников игры, целесообразно деловыми играми заканчивать учебный день.
Деловую игру можно использовать и как форму проведения зачета. В этом
случае преподаватель определяет, какие проблемы выносятся в ее содержание, по каким критериям будет оцениваться уровень знаний. Содержание,
ход игры и участие в ней обговариваются в студенческой аудитории заранее.
Можно выбрать группу экспертов (3-4 человека), которая, внимательно наблюдая за ходом игры, выносит решение о получении зачета каждым ее участником. Преподаватель как бы снимает с себя ответственность за принятие
или непринятие зачета, но в действительности он создает для обучающихся
условие, в котором требуются проявление ответственности за знания, как
собственные, так и других слушателей, аргументированность решения, умение критически оценить происходящее, высказать замечание, видеть позитивные начала в действиях и поступках окружающих.
Успех игр как метода обучения в гораздо большей степени, чем традиционных, зависит от материально-технического обеспечения, в состав которого входят аудитории (классы), специально оборудованные для игр, средства отображения информации, средства управления, тренажеры, вычислительная техника и т.п. Разумеется, состав материально-технического обеспе28
чения и размещение в решающей степени зависят от формы игрового занятия, числа участников и многих других факторов.
Оценка деятельности участников игры всякий раз складывается из
оценки анализа обстановки, выработанного и принятого решения, а также его
реализации в установленное нормативами время.
3. Основная часть. Рассмотрим этапы проведения деловой игры (таб. 2.3.1).
Таблица 2.3.1.
Этапы проведения деловой игры
Этап
1
2
3
4
Содержание деятельности
Постановка целей, задач, формирование
команд. Выбор экспертов.
Ознакомление с правилами деловой игры,
правами и обязанностями.
Выполнение заданий в паре участников
Обмен информацией между парами участников в команде.
Обсуждение выступления.
Время (минуты)
3-5
15
10
5
5
Выступление экспертов с критериями
5
оценки деятельности.
Обмен опытом участников деловой игры.
5
Выступление преподавателя с научным
10-15
обобщением.
Подведение итогов. Выступление экспер6
10
тов.
Заключение о результатах деловой игры.
Пример правил деловой игры
работа по изучению, анализу и обсуждению заданий в командах осуществляется в соответствии с предложенной схемой сотрудничества.
выступление должно содержать анализ и обобщение. Ответы на предложенные вопросы должны быть аргументированными и отражать практическую значимость рассматриваемой проблемы.
после выступления любым участником могут быть заданы вопросы на
уточнение или развитие проблемы. Вопросы должны быть краткими и
четкими.
ответы на вопросы должны быть строго по существу, обоснованными и
лаконичными.
при необходимости развития и уточнения проблемы любым участником
игры могут быть внесены предложения и дополнения. Они должны быть
корректны и доброжелательны.
29
Пример прав и обязанностей участников:
1) Преподаватель:
инструктирует участников деловой игры по методике ее проведения;
организует формирование команд, экспертов;
руководит ходом деловой игры в соответствии с дидактическими елями и
правилами деловой игры;
вносит в учебную деятельность оперативные изменения, задает вопросы,
возражает и при необходимости комментирует содержание выступлений;
вникает в работу экспертов, участвует в подведении итогов. Способствует
научному обобщению результатов;
организует подведение итогов.
2) Экспертная группа:
оценивает деятельность участников деловой игры в соответствии с разработанными критериями;
дорабатывает в ходе деловой игры заранее подготовленные критерии
оценки деятельности команд;
готовит заключение по оценке деятельности команд, обсуждают его с
преподавателем;
выступает с результатами оценки деятельности команд;
распределяет по согласованию с преподавателем места между командами.
3) Участники игры:
выполняют задания и обсуждают проблемы в соответствии со схемой сотрудничества в командах;
доброжелательно выслушивают мнения;
готовят вопросы, дополнения;
строго соблюдают регламент;
активно участвуют в выступлении.
4. Выводы (рефлексия). Обучение в деловых играх направлено на
формирование коммуникативных умений: налаживать и поддерживать общение, направлять обсуждение вопросов по заданному руслу, вырабатывать
правильный стиль отношений. В играх формируются умения, связанные с
организацией работы: правильно распределять работу, выделять наиболее
важные вопросы для обсуждения, четко организовывать работу в соответствии с намеченным планом, готовить проекты документов. Деловые игры развивают культуру принятия решений, воспитывают ограничения в эмоциональных проявлениях, сдержанность в словах и поступках.
Ожидаемая эффективность деловых игр:
познавательная: в процессе деловой игры студенты знакомятся с методами аргументации и мышления в исследовании вопроса (проблемы), организацией работы коллектива, функциями своей «должности» на личном
примере;
воспитательная: в процессе деловой игры формируется сознание принадлежности ее участников к коллективу, что формирует критичность, сдер30
жанность, уважение к мнению других, внимательность к товарищам по
игре;
развивающая: в процессе деловой игры развиваются логическое мышление, способность к поиску ответов на поставленные вопросы, речь, умение общаться в процессе дискуссии.
Эффективность деловых игр обеспечивается рядом факторов:
когда они составляют систему формирования специалиста на протяжении всего периода обучения, развиваясь от простых к сложным на различных этапах обучения;
когда они способствуют интеграции различных дисциплин, приобретая
комплексный характер;
когда содержание деловых игр, моделирование деятельности руководителей и специалистов строится на практическом материале конкретных
предприятий, на связи теоретического обучения с производством.
Отличаясь, друг от друга обучающими целями, деловые иг ры решают единые задачи:
развития навыков поиска, сбора, обработки и анализа экономической,
правовой, коммерческой и другой информации; применения полученных знаний и умений в решении практических ситуаций предпринимательской, организаторской и правовой деятельности;
формирования умений работы в коллективе и с коллективом; воспитания
творческой личности будущего специалиста, сочетающего профессионализм, организаторские способности, самостоятельность.
Оценка итогов игры осуществляется с целью подведения промежуточных и окончательных итогов результатов деятельности предприятий. Главная задача оценки – получение представления о характере действий команд
– участников игры. Используется два варианта оценки итогов игры: оценка
игры ее участниками; оценка игры ее руководителем. Оценка игры ее участниками производится по каждому предприятию и охватывает все периоды
игры. Оценка игры ее руководителем проводится как итоговая по совокупности периодов игры и осуществляется путем сравнительного анализа результата деятельности всех участников игры, т.е. носит обобщающий характер и осуществляется по основным направлениям деятельности предприятия.
Подведение итогов деловой игры должно сопровождаться наряду с ранжированием участников тщательным анализом факторов успеха лидеров и
причин отставания аутсайдеров игры.
Деловая игра дает возможность наглядно и просто представить моделирующий процесс. Полученные в результате проведения деловой игры умения и навыки имеют более высокую степень усвояемости по сравнению с
другими традиционными методами обучения.
Case-study (анализ конкретных ситуаций, ситуационный анализ)
Метод анализа конкретной ситуации (ситуационный анализ, анализ
конкретных ситуаций, case-study) – это педагогическая технология, основан31
ная на моделировании ситуации или использования реальной ситуации в целях анализа данного случая, выявления проблем, поиска альтернативных решений и принятия оптимального решения проблем.
Ситуационный анализ (разбор конкретных ситуаций, case-study), дает
возможность изучить сложные или эмоционально значимые вопросы в безопасной обстановке, а не в реальной жизни с ее угрозами, риском, тревогой о
неприятных последствиях в случае неправильного решения.
Анализ конкретных ситуаций (case-study) - эффективный метод активизации учебно-познавательной деятельности обучаемых.
Ситуация – это соответствующие реальности совокупность взаимосвязанных факторов и явлений, размышлений и надежд персонажей, характеризующая определенный период или событие и требующая разрешения путем
анализа и принятия решения.
Учебный процесс должен организовываться таким образом, чтобы
практически все учащиеся оказывались вовлеченными в процесс познания.
Они имеют возможность понимать и рефлектировать по поводу того, что они
знают и думают. Совместная деятельность учащихся в процессе познания,
освоения учебного материала означает, что каждый вносит свой особый индивидуальный вклад, идет обмен знаниями, идеями, способами деятельности.
Причем, происходит это в атмосфере доброжелательности и взаимной поддержки, что позволяет не только получать новое знание, но и развивает саму
познавательную деятельность, переводит ее на более высокие формы кооперации и сотрудничества.
Цель обучаемых - проанализировать данные ситуации, найденные решения, использовав при этом приобретенные теоретические знания.
1. Подготовка занятия. Прежде всего, необходимо:
внимательно ознакомиться с ситуацией, попытаться войти в положение группы и каждого из участников;
определить значение фактора времени при решении ситуации;
определить очередность действий или последовательность оказания помощи;
определить приемы, которые необходимо осуществить;
решить, какие инструменты требуются для решения конкретной
задачи, их оптимальное или минимальное количество, и что можно сделать
при отсутствии их;
из нескольких возможных вариантов решений выбрать и обосновать оптимальный вариант;
рассмотреть, как и с помощью чего участник, оказавшийся в критической ситуации, может выйти из неё без помощи товарищей.
Чтобы подготовить кейс нужно:
1. Определить цель создания кейса, например, обучение эффективным
коммуникациям внутри предприятия. Для этого можно разработать кейс по
конкретному хорошо известному предприятию, описав его коммуникации,
используемые менеджерами для организации работы с персоналом внутри
32
фирмы. Разработать вопросы и задания, которые позволят студентам освоить
различные виды коммуникаций (совещания разного уровня, ежегодный отчет, внутрифирменная газета, объявления, брифинги и пр.).
2. Идентифицировать соответствующую цели конкретную реальную
ситуацию или фирму (сектор экономики).
3. Провести предварительную работу по поиску источников информации для кейса. Можно использовать поиск по ключевым словам в Internet,
анализ каталогов печатных изданий, журнальных статей, газетных публикаций, статистических сводок.
4. Собрать информацию и данные для кейса, используя различные источники, включая контакты с фирмой.
5. Подготовить первичный вариант представления материала в кейсе.
Этот этап включает макетирование, компоновку материала, определение
формы презентации (видео, печатная и т.д.)
6. Получить разрешение на публикацию кейса, в том случае если информация содержит данные по конкретной фирме.
7. Обсудить кейс, привлекая как можно более широкую аудиторию и
получить экспертную оценку коллег перед его апробацией. Как результат такой оценки может быть внесение необходимых изменений и улучшение кейса.
8. Подготовить методические рекомендации по использованию кейса.
Разработать задания для студентов и возможные вопросы для ведения дискуссии и презентации кейса, описать предполагаемые действия учащихся и
преподавателя в момент обсуждения кейса.
Отличительной особенностью метода case-study является создание
проблемной ситуации на основе фактов из реальной жизни.
2. Вступление. Для того чтобы учебный процесс на основе case-study
был эффективным, важны два момента: хороший кейс и определенная методика его использования в учебном процессе кейс – не просто правдивое описание событий, а единый информационный комплекс, позволяющей понять
ситуацию. Кроме того, он должен включать набор вопросов, подталкивающих к решению поставленной проблемы.
Кейс должен удовлетворять следующим требованиям:
соответствовать четко поставленной цели создания
иметь соответствующий уровень трудности
иллюстрировать несколько аспектов дисциплины
быть актуальным на сегодняшний день
иллюстрировать типичные ситуации в бизнесе
развивать аналитическое мышление
провоцировать дискуссию
иметь несколько решений
использовать междисциплинарные связи
33
Некоторые ученые считают, что кейсы бывают «мертвые» и «живые».
К «мертвым» кэйсам можно отнести кейсы, в которых содержится вся необходимая для анализа информация. Чтобы «оживить» кейс, необходимо построить его так, чтобы спровоцировать учащихся на поиск дополнительной
информации для анализа. Это позволяет кейсу развиваться и оставаться актуальным длительное время.
Существуют 3 возможные стратегии поведения преподавателя в ходе
работы с кейсом:
1. Преподаватель будет давать ключи к разгадке в форме дополнительных вопросов или (дополнительной) информации;
2. В определенных условиях преподаватель будет сам давать ответ;
3. Преподаватель может ничего не делать, (оставаться молчаливым)
пока кто-то работает над проблемой. При разборе учебной ситуации преподаватель может занимать "активную" или "пассивную" роль. Иногда он "дирижирует" разбором, а иногда ограничивается подведением итогов дискуссии. Увидев интересную линию доказательств, он может ее поддержать или
даже настоять на том, чтобы она стала приоритетной, выведя из поля обсуждения другие.
3. Основная часть. На практических занятиях организуется индивидуальная, парная и групповая работа, применяются исследовательские проекты,
ролевые игры, идет работа с документами и различными источниками информации, используются элементы творческой работы.
Технология работы с кейсом в учебном процессе включает в себя следующие этапы:
1) индивидуальная самостоятельная работа обучаемых с материалами
кейса (идентификация проблемы, формулирование ключевых альтернатив,
предложение решения или рекомендуемого действия);
2) работа в малых группах по согласованию видения ключевой проблемы и ее решений;
3) презентация и экспертиза результатов малых групп на общей дискуссии (в рамках учебной группы).
4. Выводы. При использовании интерактивных методов обучаемый
становится полноправным участником процесса восприятия, его опыт служит основным источником учебного познания. Преподаватель не даёт готовых знаний, но побуждает обучаемых к самостоятельному поиску. По сравнению с традиционными формами ведения занятий, в интерактивном обучении меняется взаимодействие преподавателя и обучаемого: активность педагога уступает место активности обучаемых, а задачей педагога становится
создание условий для их инициативы. Педагог отказывается от роли своеобразного фильтра, пропускающего через себя учебную информацию, и выполняет функцию помощника в работе, одного из источников информации. Интерактивное обучение обеспечивает взаимопонимание, взаимодействие,
взаимообогащение. Интерактивные методики ни в коем случае не заменяют
34
лекционный материал, но способствуют его лучшему усвоению и, что особенно важно, формируют мнения, отношения, навыки поведения.
Мастер класс
Мастер–класс – это главное средство передачи концептуальной новой
идеи своей (авторской) педагогической системы. Преподаватель как профессионал на протяжении ряда лет вырабатывает индивидуальную (авторскую)
методическую систему, включающую целеполагание, проектирование, использование последовательности ряда известных дидактических и воспитательных методик, занятий, мероприятий, собственные «ноу-хау», учитывает
реальные условия работы с различными категориями учащихся и т.п.
Форма работы мастер-класса зависит от наработанного мастером стиля
своей профессиональной деятельности, который, в конечном итоге, и задает
на мастер-классе изначальную точку отсчета в построении общей схемы проведения этого интереснейшего мероприятия.Мастер-классы способствуют
личностной ориентации студента, формированию его художественных вкусов и культурных интересов, вводят молодого человека в мир гуманитарной
культуры.
Мастер-класс характеризируется следующим:
метод самостоятельной работы в малых группах, позволяющий провести
обмен мнениями;
создание условий для включения всех в активную деятельность;
постановка проблемной задачи и решение ее через проигрывание различных ситуаций;
приемы, раскрывающие творческий потенциал как Мастера, так и участников мастер-класса;
формы, методы, технологии работы должны предлагаться, а не навязываться участникам;
представление возможности каждому участнику отнестись к предлагаемому методическому материалу;
процесс познания гораздо важнее, ценнее, чем само знание;
форма взаимодействия - сотрудничество, сотворчество, совместный поиск.
Целью проведения мастер-класса является:
-профессиональное, интеллектуальное и эстетическое воспитание студента.
В это понятие вкладывается, прежде всего, развитие в ходе мастеркласса способности студента самостоятельно и нестандартно мыслить. В
контексте мастер-класса профессиональное мастерство означает прежде всего умение быстро и качественно решать образовательную задачу в практическом поле выбранного предмета
Задачами являются:
преподавание студенту основ профессионального отношения к избранной
специальности.
35
обучение профессиональному языку той или иной науки (экономической,
юридической, искусствоведческой и т.д.).
передача продуктивных способов работы - прием, метод, методика или
технология.
адекватные формы и способы представления своего опыта.
Методика проведения мастер-классов не имеет каких-либо строгих и
единых норм. В большинстве своем, она основывается как на педагогической
интуиции преподавателя ("учителя"), так и на художественной восприимчивости студента ("ученика"). Мастер-класс - это двусторонний процесс, и отношения "учитель-ученик" являются совершенно оправданными. Поэтому
мастер-класс нередко называют школой
1. Подготовка занятия. Определение алгоритма проведения мастеркласса:
идея;
подготовка, постановка цели, задач;
план;
найти личность мастера (подбор команды);
подбор информации;
реализация проекта;
показ своей презентации (методов, приемов работы);
привлечение параллельно участников к активной деятельности;
рефлексия (последний и обязательный этап — отражение чувств, ощущений, возникших у участников в ходе мастер-класса. Это богатейший
материал для рефлексии самого Мастера, для усовершенствования им
конструкции мастер-класса, для дальнейшей работы)
Для проведения мастер-класса необходимо:
сочетание имеющегося опыта и аналитичности, понимаемой как способности мастера смотреть «внутрь своего опыта», принципы и механизмы
осуществляемой системы обучающих действий.
гармония теоретико-аналитического и описательно-методического начал:
наличие у преподавателя письменно оформленных теоретикоаналитических разработок или каких-либо других иллюстративнометодических материалов. (иллюстрации в виде схем, таблиц, моделей,
видеозарисовки)
участники конкретного мастер-класса должны быть готовы к обстоятельному теоретико-методическому анализу представляемого опыта.
Критерии качества подготовки и проведения мастер-класса:
презентативность. Выраженность инновационной идеи, уровень ее
представленности, культура презентации идеи, популярность идеи в педагогике, методике и практике образования.
эксклюзивность. Ярко выраженная индивидуальность (масштаб и уровень
реализации идей). Выбор, полнота и оригинальность решения инновационных идей.
36
прогрессивность. Актуальность и научность содержания и приемов обучения, наличие новых идеей, выходящих за рамки стандарта и соответствующих тенденциям современного образования и методике обучения
предмета, способность не только к методическому, но и к научному
обобщению опыта.
мотивированность. Наличие приемов и условий мотивации, включения
каждого в активную творческую деятельность по созданию нового продукта
оптимальность. Достаточность используемых средств на занятии, их сочетание, связь с целью и результатом (промежуточным и конечным).
эффективность. Результативность, полученная для каждого участника
мастер-класса. Каков эффект развития? Что это дает конкретно участникам? Умение адекватно проанализировать результаты своей деятельности.
технологичность. Четкий алгоритм занятия (фазы, этапы, процедуры),
наличие оригинальных приемов актуализации, проблематизации («разрыва»), приемов поиска и открытия, удивления, озарения, рефлексии (самоанализа, самокоррекции).
артистичность. Возвышенный стиль, педагогическая харизма, способность к импровизации, степень воздействия на аудиторию, степень готовности к распространению и популяризации своего опыта
общая культура. Эрудиция, нестандартность мышления, стиль общения,
культура интерпретации своего опыта.
2. Вступление. Презентация педагогического опыта учителеммастером:
дается краткая характеристика студентов, обосновываются результаты
предварительной диагностики, прогнозируется развитие студентов;
кратко характеризуются основные идеи технологии:
описываются достижения в работе;
доказывается результативность деятельности студентов, свидетельствующая об эффективности технологии;
определяются проблемы и перспективы в работе учителя-мастера.
Представление системы учебных занятий:
описывается система учебных занятий в режиме презентуемой технологии;
определяются основные приемы работы, которые мастер будет демонстрировать слушателям.
3. Основная часть. Проведение имитационной игры:
учитель-мастер проводит учебное занятие со слушателями, демонстрируя
приемы эффективной работы со студентами;
слушатели одновременно играют две роли: учащихся экспериментального класса и экспертов, присутствующих на открытом занятии.
Моделирование:
37
учителя-ученики выполняют самостоятельную работу по конструированию собственной модели учебного занятия в режиме технологии учителямастера;
мастер выполняет роль консультанта, организует самостоятельную работу слушателей и управляет ею;
мастер совместно со слушателями проводит обсуждение авторских моделей учебного занятия
Выводы:
проводится дискуссия по результатам совместной деятельности
мастера и слушателей.
Мастер-класс как локальная технология трансляции педагогического
опыта должен демонстрировать конкретный методический прием или метод,
методику преподавания, технологию обучения и воспитания. Он должен состоять из заданий, которые направляют деятельности участников для решения поставленной педагогической проблемы, но внутри каждого задания
участники абсолютно свободны: им необходимо осуществить выбор пути исследования, выбор средств для достижения цели, выбор темпа работы. Мастер-класс должен всегда начинаться с актуализации знаний каждого по предлагаемой проблеме, что позволит расширить свои представления знаниями
других участников. Основные преимущества мастер-класса — это уникальное сочетание короткой теоретической части и индивидуальной работы, направленной на приобретение и закрепление практических знаний и навыков.
ДРУГИЕ ИНТЕРАКТИВНЫЕ МЕТОДЫ
Современная педагогика богата целым арсеналом интерактивных подходов, среди которых можно выделить следующие:
творческие задания;
работа в малых группах;
интерактивная экскурсия;
видеоконференция;
социально-психологический тренинг;
фокус группа;
метод портфолио;
метод проектов;
сократический диалог;
метод «Займи позицию»;
групповое обсуждение;
метод «Дерево решений»;
метод «Попс-формула» и д.р.
Творческие задания: под творческими заданиями понимаются такие
учебные задания, которые требуют от студента не простого воспроизводства
информации, а творчества, поскольку задания содержат больший или меньший элемент неизвестности и имеют, как правило, несколько подходов.
Творческое задание составляет содержание, основу любого интерактивного
38
метода. Творческое задание (особенно практическое и близкое к жизни) придает смысл обучению, мотивирует студента. Неизвестность ответа и возможность найти свое собственное «правильное» решение, основанное на своем
персональном опыте и опыте своего коллеги, друга, позволяют создать фундамент для сотрудничества, самообучения, общения всех участников образовательного процесса, включая преподавателя.
Работа в малых группах — это одна из самых популярных стратегий,
так как она дает всем студентам возможность участвовать в работе, практиковать навыки сотрудничества, межличностного общения (в частности, умение активно слушать, вырабатывать общее мнение, разрешать возникающие
разногласия).
Интерактивная экскурсия. Занятие-экскурсия – это такая форма
обучения, при которой обучающиеся воспринимают и усваивают знания на
месте расположения изучаемых объектов (природы, предприятия, музеи, выставки, исторические места и памятники и т.д.) и непосредственного ознакомления с ними.
Главное преимущество виртуальных экскурсий – не покидая аудитории
ознакомиться с объектами, расположенными за пределами кабинета, города и
даже страны. Это повышает информативность и производительность учебной
деятельности.
В ходе экскурсии зрители не только видят объекты, на основе которых
раскрывается тема, слышат об этих объектах необходимую информацию, но
и овладевают практическими навыками самостоятельного наблюдения и анализа.
Виртуальные экскурсии - это новый эффективный презентационный
инструмент, с помощью которого возможна наглядная и увлекательная демонстрация любого реального места широкой общественности – будь то
страна, город, национальный парк, музей, курорт, производственный объект
и т.д.
Видеоконференция. Методикой интерактивного занятия в форме видеоконференции является конференция. Визуализация и использование видеоконференцсвязи относится к использованию информационно- коммуникативных технологий в образовании.
Видеоконференцсвязь - это дву- или многосторонняя связь для передачи звука и изображения, которая может использоваться для всех типов совещаний, когда в дополнение к передаче звука необходима визуализация. Участники разделены географически, но все равно, могут видеть и слышать друг
друга. Видеоконференции могут быть проведены между двумя или несколькими студиями как внутри страны, так и между разными странами. Многосторонние конференции часто координируется внешней организацией.
Формат видеоконференции раскрывает для участников новые возможности. Во-первых, не всегда есть возможность поехать в командировку на несколько дней в другой город, чтобы выступить на семинаре. Видеоконференция же позволяет выступить с докладом без затрат времени и сил на путеше39
ствие. Во-вторых, данный формат проведения встречи позволяет объединить
участников не только из разных городов, но и из разных стран, что, безусловно, способствует обмену опытом.
Для успешного проведения видеоконференционных сеансов, необходима практическая и педагогическая подготовка. Докладчики и слушатели
должны иметь возможность проанализировать обучение и дать конструктивную оценку проведения конференции.
Проведение видеоконференций в процессе обучения требует специальных знаний в области электронной педагогики. Поскольку видеоконференция
предполагает интерактивное общение преподавателя со студентами, то электронная педагогика предъявляет особые требования к психологопедагогической подготовки и организации самого учебного процесса как со
стороны преподавателя, так и слушателей. Поэтому в обучаемой аудитории
обязательно должен находиться сотрудник (тьютор), который помогает организовывать процесс обучения в аудитории. Для организации учебного процесса в виде видеоконференции преподаватель должен быть подготовленным
не только с методологической, но и с технической точки зрения, что требует
знаний и умений работать с компьютером, с другими управляющими системами для переключения режима мониторов, различных приложений
Социально-психологический тренинг – это интерактивная форма
обучения, целью которой является формирование недостающих поведенческих навыков и умений. Эта форма групповой работы позволяет работать с
жизненными ситуациями. Тренинг как форма групповой работы позволяет
использовать самые разнообразные интерактивные технологии. Активные
групповые методы, применяемые в тренинге, составляют три блока:
дискуссионные методы (групповая дискуссия, разбор ситуаций из практики, моделирование практических ситуаций, метод кейсов и др.);
игровые методы (имитационные, деловые, ролевые игры, мозговой
штурм и др.);
сенситивный тренинг (тренировка самопонимания, межличностной чувствительности, эмпатии к другим людям).
В ходе тренинга развивающаяся группа оказывает воздействие на каждого члена группы в трех плоскостях:
познавательный – участник группы осознает, как его привычное поведение и способы отношений позволяют разрешать ситуации, осмысливает
причины своего поведения и понимает, как в дальнейшем более эффективно вести себя в подобных ситуаций;
эмоциональный – участник тренинга, поддержанный другими членами
группы, осознает свои психологические защитные механизмы, корректирует отношения с другими, изменяет эмоциональное отношение к себе, и,
как результат, повышается его самоуважение, стабилизируется самооценка;
поведенческий – участник группы вырабатывает адекватные ситуации,
способы поведения.
40
Фокус-группа - это сообщество людей, объединенных в группы по каким-то критериям, в результате чего в ходе групповой дискуссии продуцируются данные, имеющие качественный характер.
Фокус группы - наиболее распространенный метод качественного исследования. В фокус группах изучаются модели потребительского поведения, осуществляется поиск идей коммуникационных стратегий и тактик,
идей позиционирования. Обычно в состав фокус группы входит 8-10 человек,
но специфика решаемых в ходе исследования задач может в отдельных случаях требовать участия 3-4 человек (минигруппы) или 15-20 человек (супергруппы).
Длительность фокус группы обычно не превышает 2 часов. Фокус
группы проводятся в специально оборудованных помещениях, оснащенных
записывающей аудио и видео техникой, совмещенных с комнатой для скрытого наблюдения за процессом дискуссии.
Фокус группы проводят опытные специалисты в области психологии,
социологии и маркетинга, товароведения. Все специалисты имеют богатый
опыт модерации фокус групп и непрерывно совершенствуют компетенции в
сфере качественных исследований, посещая тренинги и мастер-классы российских и иностранных профессионалов в этой области.
Метод Портфолио – один из тех методов, который растянут во времени, так как результат формируется к окончанию курса обучения, либо отдельной темы. Каждый студент самостоятельно отслеживает и фиксирует результаты обучения, формируя из них своего рода учебную и творческую копилку. В связи с развитием информационно-коммуникационных технологий
такая копилка формируется либо на сайте учебного заведения, либо в социальных сетях.
Метод проектов – выполнение индивидуального или группового творческого проекта, по какой – либо теме.
В данном методе учащиеся: самостоятельно и охотно приобретают недостающие знания из разных источников; учатся пользоваться приобретенными знаниями для решения познавательных и практических задач; приобретают коммуникативные умения, работая в различных группах; развивают исследовательские умения (умения выявления проблем, сбора информации, наблюдения, проведения эксперимента, анализа, построения гипотез, общения);
развивают системное мышление.
Сократический диалог - построен на задавании особым образом
сформулированных, «наведенных» (но не наводящих) вопросов, он имеет
давние традиции в преподавании.
Данная методика может использоваться в научно-исследовательской
работе, в учебном процессе и в практической деятельности. Возможна также
организация преподавания в форме отдельных самостоятельных тренингов.
Методика «Займи позицию»
41
1.Использование методики «займи позицию» позволяет выявить
имеющиеся мнения, увидеть сторонников и противников той или иной позиции, начать аргументированное обсуждение вопроса.
2. Обсуждение начинается с постановки дискуссионного вопроса, т.е.
вопроса, предполагающего противоположные, взаимоисключающие ответы
(например, «Вы за или против отмены смертной казни?»).
3. Все участники, подумав над вопросом, подходят к одной из четырех
табличек, размещенных в разных частях аудитории:
Абсолютно за
Абсолютно против
Скорее за
Скорее против
Полностью согласен
Полностью не согласен
Скорее согласен
Скорее не согласен
4. Заняв позицию, участники обмениваются мнениями по дискуссионной проблеме и приводят аргументы в поддержку своей позиции.
5. Любой участник может свободно поменять позицию под влиянием
убедительных аргументов.
Групповое обсуждение
1. Групповое обсуждение какого-либо вопроса направлено на нахождении истины или достижение лучшего взаимопонимания. Групповые обсуждения способствуют лучшему усвоению изучаемого материала.
2. На первом этапе группового обсуждения перед студентами ставится
проблема (например, правовой казус), выделяется определенное время, в течение которого студенты должны подготовить аргументированный развернутый ответ.
3. Преподаватель может устанавливать определенные правила проведения группового обсуждения:
задавать определенные рамки обсуждения (например, указать не менее 10
ошибок);
ввести алгоритм выработки общего мнения;
назначить лидера, руководящего ходом группового обсуждения и др.
4. На втором этапе группового обсуждения вырабатывается групповое
решение совместно с преподавателем.
Методика «Дерево решений»
1. Использование методики «дерево решений» позволяет овладеть навыками выбора оптимального варианта решения, действия и т.п.
2. Построение «дерева решений» - практический способ оценить преимущества и недостатки различных вариантов. Дерево решений для трех вариантов может выглядеть следующим образом:
Проблема: …
Вариант 1: …
Вариант 2: …
Вариант 3: …
42
Плюсы
Минусы
Плюсы
Минусы
Плюсы
Минусы
Методика «Попс-формула»
1. Использование методики «ПОПС - формула» позволяет помочь студентам аргументировать свою позицию в дискуссии.
2. Краткое выступление в соответствии с ПОПС - формулой состоит из
четырех элементов:
П – позиция (в чем заключается точка
я считаю, что …
зрения)
О – обоснование (довод в поддержку
… потому, что …
позиции)
П – пример (факты, иллюстрирующие
… например …
довод)
С – следствие (вывод)
… поэтому …
СТРУКТУРА МЕТОДИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОДГОТОВКЕ К ЗАНЯТИЯМ В ИНТЕРАКТИВНОЙ ФОРМЕ
Рекомендуется в структуру методических рекомендаций по подготовке
студентов к интерактивным занятиям включать следующий алгоритм их проведения:
1.
Подготовка занятия
2.
Вступление
3.
Основная часть
4.
Выводы (рефлексия)
В методических рекомендациях необходимо отразить следующие ключевые моменты:
как студент может должен подготовиться к проведению данного вида занятий (изучение определенного материала, получение определенных специальных навыков, изучение различных методик решения поставленной
задачи и т.п.)
какую литературу при подготовке необходимо использовать
знания из каких разделов дисциплины (междисциплинарные связи) необходимо использовать
какой инструментарий будет необходим при проведении занятия
каким образом будет проводиться занятие (ход проведения занятия, сценарий, темы для обсуждения и т.п.)
какие специальные средства будут использованы на интерактивном занятии (информационные, специальное оборудование и прочее)
каковы правила поведения на данном занятии
какова роль каждого студента на данном занятии
Проведение интерактивного занятия включает следующие правила поведения студентов:
43
 студенты должны способствовать тщательному анализу разнообразных
проблем, признавая, что уважение к каждому человеку и терпимость – это
основные ценности, которые должны быть дороги всем людям;
 способствовать и воодушевлять на поиск истины, нежели чем простому
упражнению в риторике;
 распространять идеал терпимости к точкам зрения других людей, способствуя поиску общих ценностей, принимая различия, которые существуют между людьми.
 соревнование и желание победить не должны преобладать над готовностью к
пониманию и исследованию обсуждаемых проблем.
 при обсуждении сторон воздержаться от личных нападок на своих оппонентов;
 спорить в дружественной манере;
 быть честными и точными в полную меру своих познаний, представляя
поддержки и информацию. Студенты никогда не должны умышленно искажать факты, примеры или мнения;
 внимательно слушать своих оппонентов и постараться сделать все, чтобы не
искажать их слова во время дебатов.
 язык и жесты, используемые обучающимися, должны отражать их уважение
к другим.
Этика преподавателя включает следующие моменты:
 преподаватель должен способствовать личному вкладу студентов и свободному обмену мнениями при подготовке к интерактивному обучению;
 преподаватель должен обеспечить дружескую атмосферу для студентов и
проявлять положительную и стимулирующую ответную реакцию;
 преподаватель должен облегчать подготовку занятиям, но не должен сам
придумывать аргументы при дискуссиях;
 преподаватель должен подчеркивать образовательные, а не соревновательные цели студентов;
 преподаватель должен обеспечить отношения между собой и студентами,
они должны основываться на взаимном доверии.
 преподаватель должен провоцировать интерес, затрагивая значимые для
студентов проблемы;
 стимулировать исследовательскую работу;
 заранее подготовить вопросы, которые можно было бы ставить на обсуждение по ходу занятия, чтобы не дать погаснуть дискуссии, обсуждению;
 не допускать ухода за рамки обсуждаемой проблемы;
 обеспечить широкое вовлечение в разговор как можно большего количества
студентов, а лучше — всех;
 не оставлять без внимания ни одного неверного суждения, но не давать сразу
же правильный ответ; к этому следует подключать учащихся, своевременно
организуя их критическую оценку;
 не торопиться самому отвечать на вопросы, касающиеся материала занятия
такие вопросы следует переадресовывать аудитории;
44
 следить за тем, чтобы объектом критики являлось мнение, а не участник,
выразивший его.
 проанализировать и оценить проведенное занятие, подвести итоги, результаты. Для этого надо сопоставить сформулированную в начале занятия цель с
полученными результатами, сделать выводы, вынести решения, оценить результаты, выявить их положительные и отрицательные стороны.
 помочь участникам занятия прийти к согласованному мнению, чего можно
достичь путем внимательного выслушивания различных толкований, поиска
общих тенденций для принятия решений.
 принять групповое решение совместно с участниками. При этом следует
подчеркнуть важность разнообразных позиций и подходов.
 в заключительном слове подвести группу к конструктивным выводам,
имеющим познавательное и практическое значение.
 добиться чувства удовлетворения у большинства участников, т.е. поблагодарить всех студентов за активную работу, выделить тех, кто помог в решении
проблемы.
 показать высокий профессионализм, хорошее знание материала в рамках
учебной программы;
 обладать речевой культурой и, в частности, свободным и грамотным владением профессиональной терминологией;
 проявлять коммуникабельность, а точнее — коммуникативные умения,
позволяющие преподавателю найти подход к каждому студенту, заинтересованно и внимательно выслушать каждого, быть естественным, найти необходимые методы воздействия на учащихся, проявить требовательность, соблюдая при этом педагогический такт;
 обеспечить быстроту реакции;
 способность лидировать;
 умение вести диалог;
 иметь прогностические способности, позволяющие заранее предусмотреть
все трудности в усвоении материала, а также спрогнозировать ход и результаты педагогического воздействия, предвидеть последствия своих действий;
 уметь владеть собой
 умение быть объективным.
45
Методические рекомендации по проведению активных форм
обучения
Учебная дискуссия представляет собой процесс обсуждения какоголибо спорного вопроса с целью установления истины, поэтому она
предполагает взаимодействие конкретных действующих лиц, каждый из
которых
выдвигает
и
отстаивает
свою
систему
аргументов
и
контраргументов. Дискуссия по изучаемой дисциплине проходит через три
этапа: обмен мнениями по спорным вопросам, выявление и сопоставление
их; полемика и аргументация; получение результатов.
Семинар-презентация – занятие с целью углубленной проработки
учебного материала наиболее важной темы модуля дисциплины. Это одна из
форм организации практической и самостоятельной деятельности студентов.
Семинарские занятия способствуют формированию у студентов научного
мировоззрения, культуры умственного труда и высокой эмоциональной
культуры,
способности
превращать
знания
в
твердые
убеждения.
Критериями оценок учебной деятельности студентов на семинарском
занятии являются содержательность и глубина самостоятельной проработки
поставленного
вопроса.
Семинар
представляет
собой
занятие
с
заслушиванием докладов-презентаций на заданную тему.
Тренинги. Необходимость введения тренингов в учебный процесс
обусловлена ориентацией высшей школы на получение практически
значимого результата в процессе подготовки магистра. Тренинги позволяют
перевести знания в умения и довести последние до устойчивых навыков. Это
дает возможность выпускникам оперативно включиться в трудовой процесс,
сократив до минимума время адаптации к условиям работы.
Основными результатами организуемых кафедрой «Автоматизация и
управление в технических системах» тренингов являются:
- умение интегрировать и уплотнять знания;
- навыки участия в дискуссии;
- умение увязать теоретические знания с решением практических задач;
- навыки поиска необходимой информации;
- владение коммуникативными приемами.
Цели: Знать основные понятия и термины дисциплины в объеме,
достаточном для выполнения своих профессиональных задач в процессе
дальнейшей трудовой деятельности.
ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ
Методические указания по выполнению контрольной работы
Каждый вариант контрольной работы содержит десять вопросов,
которые поставлены таким образом, что в ответах на них студенты должны
проявить знание принципов действия технических средств автоматизации
технологических процессов. Ответы на эти вопросы должны быть
развернутыми и подтверждаться схемами, расчетами и графиками. Схемы
необходимо выполнять в соответствии с единой системой конструкторской
документации (ЕСКД). На экзамене от студентов требуется умение подробно
пояснить любой из поставленных вопросов по контрольной работе, а также
отвечать на дополнительные вопросы экзаменатора.
Номер варианта контрольной работы выбирается по последней цифре
шифра студента.
Вопросы к контрольной работе
1. Дайте определение электроавтоматики как науки, укажите ее
значение для технологических процессов в пищевой промышленности.
2. Дайте краткую характеристику перспектив развития систем и
устройств электроавтоматики.
3. Приведите примеры применения в различных технологических
процессах систем электроавтоматики.
4.
Поясните
классификацию
устройств
электроавтоматики
по
устройств
электроавтоматики
по
функциональному назначению.
5.
Поясните
классификацию
физическим принципам, лежащим в основе их работы.
6.
Приведите
примеры
устройств,
в
которых
преобразование электрической энергии в другие виды энергии.
происходит
7. Укажите основные преимущества электроэнергии по сравнению с
другими видами энергии.
8. Приведите примеры структурных схем электроавтоматики.
9. Перечислите основные требования, предъявляемые к устройствам
автоматики в пищевой промышленности.
10. Поясните роль автоматики в повышении производительности труда
и качества выпускаемой продукции.
11. Какие достоинства гидропневмоавтоматики обеспечивают её
широкое применение в технике наряду с электрическими и электронными
средствами автоматики?
12.
Чем
обусловлена
большая
эффективность
использования
гидропневмоавтоматики в таких отраслях промышленности, как газовая,
химическая, нефтеперерабатывающая, пищевая и другие?
13.
По
каким
признакам
разделяются
системы
гидропневмоавтоматики?
Назовите
основные
виды
выходных
сигналов
электрических
преобразователей механических величин.
14. Поясните принцип действия и приведите типовую конструкцию
контактного преобразователя перемещения.
15. Поясните принцип действия и приведите типовую конструкцию
реостатного преобразователя перемещения.
16. Поясните принцип действия и приведите типовую конструкцию
полупроводникового и проволочного тензодатчиков.
17.
Приведите
основные
типы
характеристик
емкостных
преобразователей перемещения.
18. Приведите основные типы и характеристики индуктивных
преобразователей перемещения.
19. Опишите принцип действия и основные типы тахогенераторов
переменного тока и приведите схемы включения их в сеть.
20. Опишите принцип действия тахогенератора переменного тока и
приведите схему включения его в сеть.
21.
Поясните
принцип
преобразования
световой
энергии
в
электрическую, дайте определение внешнего и внутреннего фотоэффекта.
22. Приведите пример электрической схемы фотопреобразователя с
фоторестором.
23. Опишите принцип действия оптрона и укажите возможность его
применения в преобразователях перемещения и частоты вращения.
24. Поясните принцип действия СВЧ - диода. Дайте характеристику
СВЧ - диапазона.
25.
Поясните
принцип
действия
электровакуумных
приборов
(клистронов, магнетронов, ламп бегущей и отраженной волны).
26. Опишите основные схемы включения СВЧ-транзисторов, диодов
Ганна, лавинно-пролетных диодов.
27. Приведите примеры графического метода расчета характеристик
преобразователей.
28. Укажите основные источники погрешностей измерения с помощью
преобразователей частоты вращения.
29. Опишите принципы передачи и преобразования выходных сигналов
преобразователей систем электроавтоматики.
30. Приведите обобщенную схему усилителя и поясните принцип
усиления входных сигналов.
31. Приведите примеры статических характеристик усилителей и
укажите на них зоны нечувствительности и насыщения.
32. Приведите простейшую схему усилителя с трех электродной
лампой.
33. Приведите схему включения транзистора с общим эммитером и
общей базой.
34. Опишите принцип действия операционного усилителя и укажите, из
каких элементов он может быть выполнен.
35. Приведите схему дифференцирования входного сигнала на
операционном усилителе.
36.
Приведите
схему
интегрирования
входного
сигнала
на
операционном усилителе.
37. Опишите принцип действия дроссельного магнитного усилителя и
приведите его статическую характеристику.
38. Приведите дифференциальные и мостовые схемы магнитных
усилителей, укажите их принцип действия.
39. Опишите принцип действия магнитного усилителя с внутренней
обратной связью.
40. Опишите принцип действия усилителя с внешней обратной связью.
41.
Приведите
принципиальную
электрическую
схему
кратковременной ячейки памяти на магнитном элементе.
42. Начертите схему ЭМУ с поперечным полем и приведите его
статическую характеристику.
43. Укажите основные преимущества и недостатки ЭМУ по сравнению
с другими типами усилителей.
44. Приведите примеры применения преобразователей на теристорах и
тиратронах в силовых электрических цепях.
45. Поясните особенности применения гидро- и пневмоусилителей при
автоматизации технологических процессов.
46. При каких условиях запорно-регулирующий элемент может
работать как усилитель мощности.
47. Дайте примеры статических характеристик реле, опишите основные
параметры.
48. Дайте определение времени срабатывания и времени опускания
реле, укажите от каких факторов они зависят.
49.
Приведите
типовую
конструкцию
постоянного тока, опишите принцип его действия.
электромагнитного
реле
50.
Приведите
типовую
конструкцию
электромагнитного
реле
переменного тока, опишите принцип его действия.
51. Укажите разновидности поляризованных магнитных реле, поясните
особенности их применения.
52. Приведите типовую конструкцию и опишите принцип действия
магнитоуправляемых контактов (герконов).
53. Приведите принципиальную схему полупроводникового реле на
трех электродной лампе.
54. Приведите принципиальную схему полупроводникового реле на
тиристоре, опишите принцип его действия.
55.
Начертите
принципиальную
схему
триггера
и
поясните
возможность его использования в качестве релейного устройства.
56.
Укажите
принцип
построения
и
особенности
применения
интегральных логических микросхем.
57. Дайте классификацию реле времени по принципу действия.
Приведите сравнительную характеристику различных типов реле.
58. Приведите типовую схему контактора и укажите его назначение.
59. Приведите типовую конструкцию магнитного пускателя и укажите
его назначение.
60. Дайте общую характеристику и поясните назначение командного
электрического прибора КЭП-12У.
62. Каково назначение дросселя в пневмоавтоматике?
63. Опишите принцип действия и основные характеристики генератора
переменного тока.
64. Опишите принцип действия и основные характеристики генератора
постоянного тока.
65. Составьте блок-схему выпрямителя и приведите форму выходных
сигналов каждого блока.
66. Приведите принципиальные схемы РС, LC, PLC – фильтров,
укажите их частотные характеристики.
67. Приведите принципиальные схемы стабилизаторов тока и
напряжения.
68. Опишите типовые конструкции и особенности применения
электромагнитных исполнительных механизмов.
69. Укажите основные параметры исполнительных механизмов
пропорционального и позиционного действия.
70. Начертите механические характеристики электродвигателей и дайте
примеры жестких и мягких характеристик.
71. Приведите пример схемы запуска электродвигателей постоянного
тока параллельного возбуждения.
72.
Приведите
пример
схемы
торможения
электродвигателей
постоянного тока.
73.
Приведите
механические
характеристики
трехфазного
асинхронного двигателя с фазным ротором.
74.
Опишите
принцип
регулирования
частоты
вращения
исполнительных двигателей систем электроавтоматики.
75. Дайте определение электропривода и укажите, какие основные
устройства входят в его состав.
76. Приведите конструктивные примеры дроссельных исполнительных
механизмов для жидких и газообразных продуктов.
77. Приведите примеры конструктивного выполнения исполнительных
механизмов регуляторов параметров сыпучих веществ.
78. Принцип действия и устройство гидравлического исполнительного
механизма объемного регулирования.
79. Принцип действия и устройство гидравлического исполнительного
механизма дроссельного регулирования.
80. Принцип действия и устройство пневматического исполнительного
механизма.
81. Укажите основные принципы построения агрегатных комплексов
систем электроавтоматики.
82. Поясните классификацию электрических аппаратов по принципу
действия, по способу управления.
83. Укажите роль регуляторов для технологических процессов
приведите примеры аппаратуры неавтоматического управления.
84.
Сформулируйте
основные
требования,
предъявляемые
к
электрическим регуляторам в пищевой промышленности.
85. Приведите примеры переходных процессов и передаточных
функций регуляторов.
86.
Дайте
сравнительную
характеристику
позиционных,
пропорциональных и изодромных регуляторов.
87. Приведите схемы дифференциальных цепочек и укажите их
частотные характеристики.
88.
Сформулируйте
принципы,
положенные
в
основу
выбора
регулятора для определенного технологического процесса.
89. Укажите основные принципы построения современных систем
электроавтоматики.
90.
Приведите
примеры
применения
электрических
систем
автоматического регулирования в технологических процессах пищевой
промышленности.
91. Приведите определение и дайте общую характеристику АСУ ТП,
перечислите решаемые задачи.
92.
Приведите
примеры
и
характеристики
устройств
связи
вычислительных комплексов АСВТ.
93.
Поясните основные требования программного обеспечения
АСВТ.
94. Составьте структурную схему комплекса АСВТ и поясните
назначение его блоков.
95. Укажите назначение ПТК на базе полномастабных РСУ, опишите
его функции, состав и структуру.
96. Укажите назначение ПТК на базе сетевого комплекса контроллеров,
оишите его функции, состав и структуру.
97.Укажите, как делятся электрические устройства по степени
опасности.
98. Опишите основные средства защиты обслуживающего персонала от
поражения электрическим током.
99. Дайте определение промышленных помех, укажите их источники и
средства снижения их интенсивности.
100. Опишите аппаратуру контроля электрических устройств и
вопросы профилактики систем электроснабжения.
Варианты контрольной работы
1. x  0 . Номера вопросов: 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90.
2. x  1. Номера вопросов: 2, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91.
3. x  2 . Номера вопросов: 3, 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72, 82, 92.
4. x  3 . Номера вопросов: 4, 13, 23, 33, 43, 53, 63, 73, 83, 93.
5. x  4 . Номера вопросов: 5, 14, 24, 34, 44, 54, 64, 74, 84, 94.
6. x  5 . Номера вопросов: 6, 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 95.
7. x  6 . Номера вопросов: 7, 16, 26, 36, 46, 56, 66, 76, 86, 96.
8. x  7 . Номера вопросов: 8, 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77, 87, 97.
9. x  8 . Номера вопросов: 9, 18, 28, 38, 48, 58, 68, 78, 88, 98.
10. x  9 . Номера вопросов: 100, 19, 29, 39, 49, 59, 69, 79, 89, 99.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ
1. Релейноконтактные схемы электроавтоматики.
2. Реле времени, контакторы, магнитные пускатели.
3. Триггеры.
4. Фильтры.
5. Электроприводы
6. Пневмоприводы
7. Электронные реле
8. Тиристоры и многослойные структуры
9. Классификация основных логических элементов
10.Схемы интегральных логических элементов (ТТЛ, ЭСТЛ, МОПТЛ)
11.Особенности
применения
фотоэлементов
и
оптоэлектронных
устройств
12.Основы синтеза логических устройств
13.Электровакуумные лампы, их типы
14.Операционные усилители
15.Автоматические системы контроля, сигнализации и регулирования
16.Пневматические исполнительные механизмы
17.Магнитные усилители
18.Первичные преобразователи СВЧ - диапазонов
19.Сельсины и вращающие трансформаторы
20.Усилительно- преобразовательные устройства
21.Использование персональных компьютеров в системах автоматизации
и управления
22.Аналого-цифровые
и
цифро-аналоговые
преобразователи,
их
использование в АСУ ТП
23.Емкостные преобразователи
24.Источники питания постоянного и переменного тока
25.Импульсные
схемы
вычислительной
мультивибраторы, блокинг-генераторы).
техники
(триггеры,
26.Логические элементы типа: И, ИЛИ, НЕ, сложные логические
элементы
27.Регуляторы, их типы
28.Принципы построения АСУ ТП. Применение элементов автоматики и
ЭВМ в АСУ ТП.
29.Микропроцессоры,
принципы
их
использования
в
системах
автоматизации и управления
30.Контроллеры. Программируемые логические контроллеры в АСУ ТП
31.Принципы построения и классификация электрических регуляторов, их
типы
32.Современные системы электроавтоматики
33.Верхний и нижний уровень управления в АСУ ТП
34.Современные
средства
автоматики
и
вычислительной
техники
используемые на верхнем и нижнем уровнях управления в АСУ ТП
35.Дискретные системы электроавтоматики, их типы
36.Современные операторские (диспетчерские) станции в АСУ ТП
37.Современные пакеты прикладных программ для моделирования систем
автоматизации и управления (на примере АСУ ТП).
38.Современные ЭВМ, используемые в системах автоматизации и
управления (на примере АСУ ТП).
39.Современные
отечественные
программно-технические
комплексы
управления технологическими процессами.
40.Современные
зарубежные
программно-технические
комплексы
управления технологическими процессами
41.Современные программируемые и непрограммируемые логические
контроллеры, используемые на нижнем уровне АСУ ТП.
МОДУЛЬНО-РЕЙТИНГОВАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ОБУЧЕНИЯ
Балльно-рейтинговая система необходима для оценки степени освоения
студентом всех видов учебной работы. В процессе обучения студент должен
полностью выполнить учебный план, предусмотренный учебной программой
дисциплины, по всем видам учебных занятий, набрать 6 зачетных единиц
трудоемкости.
Результаты по всем видам учебной деятельности и рейтингового
контроля фиксируются в рейтинг-листке каждого студента.
Общее количество баллов за виды учебной деятельности студента,
предусмотренные основной программой освоения дисциплины, может
составлять не менее 50 баллов (зачетный балл). Если по результатам работы
в семестре студент не набрал минимально допустимого количества баллов –
50, ему выставляется итоговая оценка по дисциплине «незачет».
За выполнение учебных заданий сверх предусмотренных основной
программой
освоения
самостоятельное
дисциплины
углубленное
(учебно-исследовательская
освоение
отдельных
тем,
работа,
участие
в
предметных олимпиадах различного уровня (призовые места) и пр.)
преподаватель может выставлять дополнительные баллы (не более 20 или 40
в зависимости от формы итоговой аттестации по дисциплине), что должно
быть отражено в правилах текущей аттестации по курсу.
Если с учетом работ, сверх предусмотренных основной программой
освоения курса, студент набрал 80 баллов, итоговая оценка по дисциплине
может быть выставлена без проведения итоговой аттестации – зачета
(«автомат»).
Максимальное количество баллов, которое студент может получить на
зачете (экзамене) принято за 20 баллов.
Виды учебной работы
Модуль 1.
в том числе
Максимальный балл Зачетный балл
100
50
Посещение лекций
20
10
Посещение практических занятий
20
10
Выполнение аудиторной контрольной работы
20
10
Выполнение домашней контрольной работы
20
10
Промежуточная аттестация
Итого по дисциплине:
20
100
10
50
Баллы за посещение лекций и практических занятий рассчитываются
исходя из аудиторных часов, баллы за другие виды учебной работы
рассчитываются кафедрой индивидуально.
Суммарный балл при оценке степени освоения материала дисциплины
и
уровня
сформированных
компетенций,
знаний,
определяется, как сумма баллов по всем видам работ.
умений,
навыков
МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
Аудиторный фонд (аудитория №24 и №25), оснащенные
мультимедийным проектором, антивирусным программным обеспечением и
средствами вычислительной техники. Минимальные требования к
персональным компьютерам: тактовая частота центрального процессора не
ниже 2 ГГц, оперативная память объемом не менее 512 Мбайт, жесткие
магнитные диски с интерфейсом Serial ATA и емкостью не менее 300 Мбайт.
Персональный компьютер преподавателя с мультимедиа-проектором и
экраном — 1 комплект. Лаборатория новых технологий автоматизации в
пищевой промышленности и АПК на базе 8 ПК и 6 стендов ПЛК Schneider
Electric. Лаборатория программируемых логических контроллеров и
частотно-регулируемого электропривода на базе 10 ПК и 7 стендов ПЛК
Schneider Electric.
№
п/п
1
1
Наименование
дисциплин в
соответствии с
учебным планом
2
Технические
средства
автоматизации и
управления
Наименование
специализированных
аудиторий, кабинетов,
лабораторий и пр. с перечнем
основного оборудования
3
Лаборатория №25
PREMIUM:
TSX P57203- 2 шт.
MICRO:
TSX 3705001- 1 шт.
TSX 3722001- 1 шт.
MOMENTUM:
TSX Momentum- 2 шт.
ZELIO:
SR1 B121BD- 2 шт.
ЧРП:
ATV58HU09M2- 1 шт.
МАНИПУЛЯТОР:
Nokia PM-01 – 1 шт.
Форма владения,
пользования
(собственность,
оперативное
управление,
аренда и т.п.)
4
Собственность