CC BY
4УДК 004.35; 53.07
DOI: 10.24412/2222-7520-2022-1-11-17
Зюзгин Алексей Викторович
доктор физ.-мат. наук, доцент, профессор кафедры информатики и ВТ ПГГПУ, профессор кафедры общей физики ПГНИУ
ФГБОУ ВО «Пермский государственный гуманитарно-педагогический
университет», г. Пермь, Россия 614990, Пермский край, г. Пермь, ул. Сибирская, 24 e-mail: alexey.zyuzgin@gmail.com
ФГАОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский
университет» г. Пермь, Россия 614068, Пермский край, г. Пермь, ул. Букирева, 15 e-mail: alexey.zyuzgin@gmail. com
ПРИМЕНЕНИЕ ИКТ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ
РАБОТАХ. ЧАСТЬ 1
Alexey V. Zyuzgin
Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Professor of Computer Sciences and Engineering Department of PGGPU, Professor of General Physics Department of PGU
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education 'Perm State Humanitarian Pedagogical University' 614990, Russia, Perm, 24, Sibirskaya Str. e-mail: alexey.zyuzgin@gmail.com
Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education
'Perm State University' 614068, Russia, Perm Krai, Perm, Bukireva str., 15 e-mail: alexey.zyuzgin@gmail. com
APPLICATION OF INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES IN AUTOMATED LABORATORY WORKS. PART 1
Аннотация: рассматривается пример создания и апробации реальной лабораторной работы по автоматическому цифровому управлению с отрицательной обратной связью конвекцией в термосифоне; приводится
© Зюзгин АВ., 2022
способ дистанционного мониторинга и контроля лабораторного комплекса с помощью сети Интернет.
Ключевые слова: механическое равновесие, управление с обратной связью, лабораторная установка, дистанционная лабораторная работа, автоматическое динамическое управление.
Abstract: an example of creating and testing a real laboratory work on automatic digital control with negative feedback by convection in a thermosiphon is considered; a method for remote monitoring and control of a laboratory complex using the Internet is given.
Key words: mechanical equilibrium, feedback control, laboratory setup, remote laboratory work, automatic dynamic control.
Недавний опыт сплошного внедрения дистанционных технологий образования показал, как достоинства, так и недостатки такого подхода. Можно отметить, что виртуальные лабораторные работы не обеспечивают достижения некоторых из основных целей проведения, например, общефизического лабораторного практикума для студентов естественно-научных специальностей, таких как умение измерять, регистрировать результаты измерений, обеспечивать достоверность и сохранность данных, обрабатывать и представлять данные многократных измерений в соответствии с требованиями ГОСТ. Поэтому становится актуальным использование опыта создания компьютеризированных лабораторных установок, позволяющих проводить исследования удаленно, используя коммуникационные возможности глобальных информационных сетей. Такой подход позволит задействовать в дистанционном образовании значительный потенциал лабораторной базы и опыт вузов. В первой части данной работы, в качестве примера, рассмотрим аппаратную и программную компоненты лабораторной установки по дистанционному автоматическому управлению состоянием конвективной системы.
Конвекция или перенос тепла и массы в жидких и газообразных средах широко распространены в природных явлениях и технологических процессах и могут играть как положительную, так и отрицательную роль. Поэтому является актуальным поиск возможностей управления состоянием конвективной системы и режимами течений.
Известно много способов пассивного управления, таких как рифление обтекаемых поверхностей или динамическое воздействие, например, вибрациями, но наиболее эффективным является активное управление с обратной связью. Принцип обратной связи позволяет минимизировать энергозатраты на достижение цели управления, так как возмущения стабилизируемого состояния системы подавляются малыми динамическими воздействиями. К тому же с точки зрения технологии особенно актуальна организация управления, действующего по принципу «включил и забыл».
Поэтому лабораторная установка автоматически поддерживала механическое равновесие неоднородно нагретой жидкости в конвективной
петле (термосифоне). Известно, что такая система, с одной стороны, во многом моделирует тепломассоперенос в замкнутых полостях [2], что важно для спецпрактикумов, а с другой - значительно проще для исследования в силу квазиодномерности течения и знакомит с такими общефизическими понятиями, как равновесие, кризис устойчивости, стационарное и колебательное движение и такими терминами теории автоматического управления и кибернетики, как активный контроль, управление с обратной связью, запаздывание управляющего воздействия, что важно для школьников и студентов нефизических специальностей.
Механическое равновесие неравномерно нагретой жидкости, неустойчивое без управления, динамически стабилизировалось с помощью цифровой управляющей подсистемы, которая реагировала на возникновение конвективного движения посредством малых изменений пространственной ориентации термосифона в поле тяжести [5].
Рассмотрим принцип управления состоянием конвективной системы. Отклонение градиента температуры от вертикали влияет на скорость и вид течения, а значит, дает возможность управлять последним. Поэтому в качестве управляющего воздействия в лабораторной установке использовалось отклонение конвективной петли от вертикального положения в плоскости ее каналов. Объясним возникающие при этом эффекты.
Конвективная петля в связанной с каналами системе координат (х, у), изображена на рис. 1 б.
Рис. 1. Компоненты силы Архимеда Еа, действующей на нагретый элемент жидкости
в термосифоне
Обозначим через Еа силу Архимеда, появление которой вызывает циркуляционное течение жидкости в неоднородно нагретой, вертикально расположенной конвективной петле. Предположим, что это движение направлено по часовой стрелке. Тогда, при отклонении кюветы в плоскости
а
б
в
каналов на некоторый угол р, отсчитываемый от вертикали, сила Fа, действующая на единичный нагретый элемент жидкости, будет иметь две составляющие Fаx и Fаy. В случае поворота кюветы на угол +р (рис. 1 в) проекция силы Архимеда на ось x будет направлена в сторону движения жидкости, что приведет к увеличению скорости течения. Если кювету отклонить на угол -р (рис. 1 а), то компонента Fаx будет направлена против движения жидкости, при этом последующее развитие течения будет зависеть от соотношения величин x - и у - компонент архимедовой силы Fа.
Таким образом, возможны два варианта развития событий:
- если абсолютная величина проекции силы Fа на ось у больше абсолютной величины проекции Fа на ось x (^ау| > ^а^), то в этом случае скорость течения уменьшится в зависимости от вклада каждой компоненты;
- в противном случае (^ау| < ^а^) течение затухнет, система пройдет через состояние неустойчивого механического равновесия, после чего циркуляция сменит направление.
Следовательно, чем больше угол отклонения каналов термосифона от вертикали, тем больше компонента Fax, и соответственно, тем ярче выражено ее влияние на скорость конвекции. Таким образом, меняя угол наклона конвективной петли, можно изменять направление движения жидкости.
Очевидно, что при смене направления течения скорость проходит нулевое значение в окрестности состояния неустойчивого механического равновесия. Это нестабильное состояние можно превратить в квазиустойчивое при помощи управления с обратной связью.
В описываемой лабораторной установке применялось автоматическое управление с пропорциональной обратной связью, которая описывается формулой: р = k ■V, где k - коэффициент усиления обратной связи (либо назначаемый оператором в ходе лабораторной работы, либо автоматически рассчитываемый с помощью интеллектуального алгоритма [1]); V -конвективное искажение равновесного профиля температуры, измеряемое на половине высоты каналов дифференциальной термопарой 1 (см. рис. 2 а); р -угол наклона конвективной петли, отсчитываемый от вертикали.
При написании программного обеспечения был введен параметр время отмены команды tc - это время, которое выделяется системе для измерения конвективного искажения, расчета угла поворота и выполнения поворота петли шаговым двигателем. Иначе говоря, это время, по истечении которого система переходит к выполнению следующей команды, независимо от полноты выполнения предыдущей.
Интерфейс программы позволял вводить время запаздывания т, т.е. дополнительное время между расчетом угла и выполнением поворота термосифона. Варьирование этого параметра либо позволит изучить влияние на состояние управляемой системы запаздывания управляющего воздействия (неизбежного в реальных технологических и роботизированных системах), либо, в зависимости от режима конвекции, позволит перейти к интеллектуальному управлению, так как система становится более
чувствительной к внутренним изменениям, и, следовательно, быстрее достигается цель управления.
Управляемой системой была выбрана прямоугольная конвективная петля, представляющая собой (рис. 2 а) два вертикальных канала связанных перемычками и заполненных жидкостью. Они выполнялись в дюралюминиевом блоке с одной стороны накрытом плексигласовой пластиной для обеспечения визуализации структур течений с помощью добавленных в рабочую жидкость светорассеивающих частиц. Теплообменники, подключенные к цифровым струйным криотермостатам, располагались снизу и сверху от блока. На рис. 2 б размещено фотоизображение конвективной петли.
а б
Рис. 2. Трехмерная схема а и фотоизображение б прямоугольной конвективной петли
(термосифона)
Дистанционное подключение удаленного компьютера к управляющему ПК лабораторной установки (см. рис. 3) осуществлялось через штатный компонент линейки операционных систем Windows - удаленный рабочий стол [3]. Эта технология позволяет дистанционно получить доступ удаленного компьютера к рабочему столу лабораторной ЭВМ и управлению им, разворачивая его на экране удаленного ПК в окне Windows или полноэкранном режиме. Причем, удаленный пользователь получает полный функционал оператора управляющей лабораторной ЭВМ. В числе прочих возможностей дистанционный пользователь получает доступ к программному обеспечению проведения эксперимента (см. правую часть схематического изображения удаленного компьютера на рис. 3), устройствам управляющего ПК и сопряженному с ним лабораторному оборудованию [4]. Для обеспечения возможности визуального наблюдения около лабораторной установки устанавливалась интернет (IP)-видеокамера. Это устройство потоковой передачи видео через беспроводное подключение Wi-Fi создает в сети Интернет сайт и осуществляет трансляцию
на него видеосигнала. Помимо этого, сайт служит веб-интерфейсом устройства, позволяющим изменять как пространственную ориентацию видеокамеры, так и увеличение изображения (см. левую часть схематического изображения удаленного рабочего стола на рис. 3). Удаленный пользователь, открыв на своем компьютере интернет-браузер и обратившись в адресной строке к 1Р-адресу видеокамеры, может в реальном времени управлять областью захвата изображения видеоустройства и наблюдать «со стороны» за лабораторной установкой. Во время удаленного выполнения лабораторной работы обмен сообщениями происходил с помощью 1Р-видеотелефонии в рамках видеоконференции между обслуживающим установку лаборантом и удаленными преподавателем, а также оператором установки, выполняющим лабораторную работу.
Для апробации дистанционной лабораторной работы была выбрана пермская школа № 9 им. А.С. Пушкина с углубленным изучением предметов физико-математического цикла. Удаленный компьютер (см. рис. 3) был развернут в кабинете физики и подключен к проектору и мультимедийной доске для удобства коллективной работы учеников. Экспериментальная установка находилась в лаборатории «Экспериментального изучения тепловой конвекции» Пермского государственного национального исследовательского университета.
Рис. 3. Схема лабораторной установки с дистанционным доступом
Позже обсуждаемая работа прошла апробацию в практикумах «Гидромеханика невесомости» и «Конвекция в замкнутых объемах» для студентов физического факультета по специализациям «Физическая гидродинамика» и «Теоретическая физика», а также «Физика атмосферы и океана» для студентов специализации «Метеорология» географического факультета ПГНИУ.
В заключение отмечу, что дистанционные лабораторные работы на обсуждаемой установке вызывали неизменный интерес обучаемых и позволяли им приобретать опыт и навыки использования пространственно-распределенных технологических систем и наращивать информационно -коммуникационную компетентность.
Автор благодарит учеников школы № 9 Д. Агафонова, С. Мандрыкина и К. Остаповича, принявших участие в создании веб-интерфейса лабораторной установки, И.С. Попова, системного администратора школы и С.О. Макарова, бывшего на момент апробации директором интернет-центра ПГНИУ, сделавших эту работу возможной.
Список литературы
1. Брацун Д.А., Зюзгин А.В., Путин Г.Ф. О выборе параметра интеллектуального управления конвективной системой // Вестник Пермского университета. Серия: Физика. - 2012. - Вып. 2 (20). - С. 38-43.
2. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость // Итоги науки и техники. Серия «Механика жидкости и газа». - 1978. - Т. 11. - С. 66154.
3. Зюзгин А.В. Информационно-коммуникационная среда учебно-научной лаборатории университета. - Пермь: ПермГУ, 2007. - 298 с.
4. Зюзгин А.В. Информационно-коммуникационные технологии в преподавании и изучении естественно-научных дисциплин. - Пермь: ПермГУ, 2007. - 291 с.
5. Об активном управлении равновесием жидкости в термосифоне / Д.А. Брацун, А.В. Зюзгин, К.В. Половинкин, Г.Ф. Путин // Письма в журнал технической физики. - 2008. - Т. 34. - С. 36-42.
