CC BY
129
УДК 004.942 Дата подачи статьи: 29.02.16
DOI: 10.15827/0236-235X.115.154-162
СИСТЕМА ВИРТУАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ И ПРИБОРОВ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ УЧЕБНЫХ И НАУЧНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В.М. Дмитриев, д.т.н., профессор; Т.В. Ганджа, к.т.н., доцент, [email protected]; С.А. Панов, аспирант (Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, просп.. Ленина, 40, г. Томск, 634050, Россия)
В статье рассматривается структура системы виртуальных инструментов и приборов (системы ВИП), представляющей собой комплекс программ автоматизации реально-виртуальных экспериментов. Такие эксперименты могут проводиться как на реальном объекте, так и на его компьютерной модели с использованием разработанных виртуальных приборов, каковыми являются генераторы и измерительные приборы со встроенными в них блоками математической обработки результатов измерения и моделирования. Методологическую основу системы ВИП составляет метод многоуровневого компьютерного моделирования, в формате которого строится многоуровневая компьютерная модель системы ВИП. Предназначенная для автоматизации реально-виртуальных экспериментов, она состоит из трех взаимосвязанных уровней: визуального, на котором расположены средства визуализации и интерактивного изменения значений параметров, логического, где располагается алгоритм проведения реально-виртуального эксперимента, и объектного, представляющего собой реальный технический объект и его компьютерную модель, сформированную в формате метода компонентных цепей. Будучи универсальным методом компьютерного моделирования, метод компонентных цепей позволяет автоматизировать моделирование механических, гидравлических, теплоэнергетических, электрических и электромеханических, физико-химических и химико-технологических систем. Его программной реализацией является универсальное вычислительное ядро, осуществляющее формирование и решение систем алгебро-дифференциальных уравнений, составленных на основе компонентных цепей, представляющих собой компьютерные модели анализируемых объектов в формате метода компонентных цепей. Для максимального приближения виртуального эксперимента к натурному используются виртуальные приборы, представленные своими многоуровневыми моделями. Для автоматизации натурных экспериментов над реальными объектами в рамках системы ВИП реализован блок компонентов взаимодействия с измерительно-управляющим контроллером аппаратно-программного комплекса «Лабораторное автоматизированное рабочее место». Подключаемый к компьютеру посредством шины USB, он включает в себя источник постоянного напряжения, генератор напряжения произвольной формы, вольтметр, амперметр, а также двухканальный осциллограф. Они осуществляют генерацию или измерение характеристик реальных электрических сигналов с последующей их передачей в компьютер, математической обработкой и визуализацией с помощью разработанных виртуальных инструментов и приборов.
Ключевые слова: реально-виртуальный эксперимент, виртуальные инструменты и приборы, многоуровневое компьютерное моделирование, технические объекты.
Для автоматизации научно-технических исследований и практических форм обучения студентов технических вузов широко применяются средства компьютерного моделирования и созданные на их основе автоматизированные учебные практикумы и лаборатории [1]. При этом активно развиваются два направления. Одно из них, называемое виртуальным, основано на анализе компьютерных моделей (КМ) технических объектов (ТО) в рамках комплексов программ, позволяющих формировать виртуальные лаборатории [2]. Второе - реально-виртуальное [3] - предполагает создание и использование для исследований реальных ТО аппаратно-программных комплексов с универсальными возможностями сбора, компьютерной обработки и отображения информации на компьютере.
Предлагаемые в настоящее время на российском рынке программные и программно-аппаратные продукты либо узконаправленные, либо очень широкого назначения. К отечественным программным продуктам, предназначенным для автоматизации учебных и научно-исследовательских экспериментов, можно отнести виртуальные приборы
фирмы «АКТАКОМ» [4] и ПО ZetLab [5]. Созданные в этих программных комплексах виртуальные приборы позволяют интегрироваться с реальными исследуемыми объектами с помощью плат сбора данных и универсальных контроллеров. Но они не содержат средства компьютерного моделирования мультифизических ТО, что ограничивает сферу их применения при автоматизации экспериментов учебного и научно-исследовательского характера.
Одной из известных в России зарубежных программных систем для формирования виртуальных инструментов и приборов (ВИП) с целью их использования при исследовании реальных ТО является система LabView [6] фирмы National Instrument. Созданные в ней виртуальные приборы широко применяются для автоматизации реальных экспериментов над ТО с использованием аппаратно-программного комплекса Evlis. Являясь системой имитационного моделирования, LabView позволяет разрабатывать в формате графического G-языка модели достаточно простых ТО, которые могут быть явно разрешены относительно наблю-
даемых переменных. Их создание трудоемко, а полученная в результате модель зачастую не отражает топологическую структуру объекта, сложна для понимания обучающимися и не позволяет анализировать модель объекта в различных режимах.
Таким образом, актуально построение комплекса программ, позволяющего формировать ВИП [7], предназначенные для максимального приближения виртуальных экспериментов, выполняемых над моделями исследуемых мультифизиче-ских объектов с возможностью интерактивного изменения значений параметров исследуемых моделей, к реальным экспериментам. Причем эти же ВИП должны использоваться для автоматизации реальных экспериментов, выполняемых над ТО. Таким образом, появляется возможность замены дорогостоящих измерительных приборов, источников и генераторов виртуальными приборами, выполняющими визуализацию значений и характеристик наблюдаемых сигналов, а также максимально приближающими виртуальные эксперименты к реальным.
Для решения этой задачи реализована система ВИП [8] как комплекс программ автоматизации реально-виртуальных экспериментов. На ее базе разрабатываются автоматизированные лабораторные комплексы [9] по различным техническим (в основном электротехническим) дисциплинам. Методологической основой системы ВИП является метод многоуровневого компьютерного моделирования [10], позволяющий формировать многоуровневые КМ виртуальных приборов со встроенными в них блоками математической обработки результатов экспериментов, компонентами визуализации численных значений и графических зависимостей, а также средствами интерактивного управления параметрами прибора и управляющими воздействиями на исследуемый объект или модель.
Для проведения экспериментов над реальными ТО наряду с исследованием их КМ в рамках системы ВИП предусмотрена интеграция с аппаратно-программным комплексом Лабораторное автоматизированное рабочее
место (ЛАРМ). Он подсоединяется к компьютеру посредством шины USB и включает в себя источник постоянного тока и генератор сигналов различной формы, параметры которых управляются подаваемыми с компьютера командами, а также набор измерительных приборов: вольтметр и амперметр постоянного тока, осциллограф, измеряющий два канала напряжения относительно общей для всех приборов земли. Результаты измерения в пакетном режиме передаются в компьютер, где подхватываются определенными функциональными блоками системы ВИП. Они осуществляют предварительную математическую обработку входящих в пакеты данных, их подготовку и визуализацию в числовом или графическом виде.
Архитектура многоуровневой КМ для формирования виртуальных приборов
Система ВИП позволяет с применением одних и тех же программно-алгоритмических принципов исследовать реальные ТО и их КМ, автоматизируя тем самым реально-виртуальный эксперимент, то есть эксперимент, проводимый над реальным ТО и/или его КМ, представляющий собой совокупность реального и виртуального экспериментов с возможностями их одновременного проведения. Сформированная в формате метода многоуровневого компьютерного моделирования многоуровневая КМ состоит из объектного, логического и визуального взаимосвязанных уровней (рис. 1), каждый
Команды интерактивного управления
Визуальный уровень
Средства визуализации и интерактивного изменения значений параметров модели
Значения параметров КМ и управляющих воздействий на реальный объект
Логический уровень
Данные для визуализации
Алгоритм проведения реально-виртуального эксперимента 1---- ---'
Система документирования
Значения
Объектный уровень переменных КМ и данные измерения характеристик реального объекта
КМ исследуемого объекта
Реальный исследуемый объект
Рис. 1. Структура многоуровневой КМ для проведения реально-виртуальных
экспериментов
Fig. 1. The structure of a multi-level computer model for real-virtual experiments
из которых поддерживается соответствующим графическим языком представления модели.
• На объектном уровне располагаются средства интеграции с реальным ТО и его КМ, представленная в формате языка моделирования сложных ТО, допускающих декомпозицию на компоненты с неоднородными векторными связями, позволяющими одновременное описание энергетических и информационных потоков между компонентами. Использование классов данного типа открывает возможности построения и исследования моделей многофазных электрических цепей, многосвязных механических и многокомпонентных химико-технологических систем. Данному уровню также принадлежат компоненты, осуществляющие взаимодействие многоуровневой модели с аппаратно-программным комплексом ЛАРМ. Они выполняют такие функции, как подключение к комплексу ЛАРМ, прием результатов измерений наблюдаемых характеристик реального объекта и передача ему команд управления параметрами источников, генераторов и измерительных приборов. Данные измерения реальных сигналов наравне с результатами анализа КМ ТО передаются с объектного уровня многоуровневой КМ на ее логический уровень.
• На логическом уровне с помощью выражений языка математико-алгоритмических конструкций, являющегося развитием языка представления математических выражений в формат метода компонентных цепей, формируются алгоритмы выполнения реально-виртуальных экспериментов с использованием значений, поступающих из информационных источников данных, и возможностью формирования документов на основе интерактивных отчетных форм. Их внутримашинной формой представления являются алгоритмические компонентные цепи, для анализа которых используется алгоритм передачи сообщений.
• На визуальном уровне с помощью визуальных компонентов формируются лицевые панели виртуальных приборов, предназначенные для визуализации результатов и управления параметрами исследуемых объектов и моделей. Элементами языка ВИП являются визуальные компоненты: компоненты-визуализаторы, отображающие поступающую к ним информацию, и компоненты-регуляторы, позволяющие пользователю изменять значения соответствующих параметров исследуемой модели и переменных, входящих в алгоритмы управления.
Интеграция представленных уровней многоуровневой КМ (рис. 1) осуществляется с помощью
- измерительных компонентов, реализующих функцию передачи данных измерения характеристик объекта и результатов анализа КМ с объектного уровня на логический;
- компонентов-атрибутов, осуществляющих передачу сформированных команд управления ТО
и вычисленных значений параметров компонентов КМ объекта с логического уровня на объектный;
- компонентов-визуализаторов, выполняющих отображение переданной с логического уровня информации на визуальном уровне;
- компонентов-регуляторов, с помощью которых с визуального на логический уровень передаются пользовательские команды, направленные на изменение параметров КМ и значений управляющих воздействий на реальный ТО.
Представленные многоуровневые КМ, состоящие из моделей объектов и алгоритмов управления, а также включающие ВИП [11], предназначенные для численной обработки и визуализации результатов измерения и моделирования с возможностями интерактивного управления параметрами исследуемых объектов, моделей и алгоритмов, позволяют автоматизировать
- проведение экспериментов учебного и научно-исследовательского характера, выполняемых над реальными управляемыми ТО и (или) их КМ;
- решение задач исследования и функционального проектирования сложных ТО и систем управления ими, в основе которых лежит многократный анализ их КМ при различных значениях параметров входящих в них компонентов;
- формирование алгоритмов функционирования устройств управления, на основе которых осуществляется автоматическая генерация кода программы функционирования управляющего контроллера;
- этапы разработки и отладки ТО, измерение характеристик которых производится измерительно-управляющими контроллерами с их последующей математической обработкой и визуализацией.
Структура системы ВИП
Структура данной системы (рис. 2), входящей в состав комплекса программ автоматизации реально-виртуальных экспериментов, включает в себя следующие программно-инструментальные блоки:
- многослойный редактор КМ, позволяющий в графическом виде формировать многоуровневые КМ реально-виртуальных экспериментов, каждый слой которого соответствует определенному уровню многоуровневой КМ экспериментов;
- интерпретатор языка ТО, предназначенный для построения компонентной цепи ТО на основе схемы его КМ, представленной в виде компонентов на объектном слое редактора;
- универсальное вычислительное ядро, осуществляющее анализ модели ТО, представленной в формате метода компонентных цепей;
- измерительные компоненты, выполняющие измерения значений соответствующих перемен-
Рис. 2. Структура системы ВИП Fig. 2. The structure of the system of virtual instruments and devices
ных и их передачу в алгоритмические компонентные цепи логического уровня;
- интерпретатор математико-алгоритмиче-ских выражений, осуществляющий преобразование сформированных схем алгоритмов в алгоритмические компонентные цепи, подлежащие обработке универсальным имитационным ядром;
- универсальное имитационное ядро, осуществляющее анализ представленных на логическом слое редактора алгоритмических компонентных цепей на основе алгоритма передачи сообщений;
- библиотека моделей компонентов, включающая в себя программно-реализованные модели визуальных и алгоритмических компонентов, а также модели компонентов ТО, обладающих неоднородными векторными связями;
- интерактивные панели, представляющие собой компоненты логического и объектного уровней и обладающие графическим интерфейсом для формирования и редактирования математических выражений и уравнений, являющихся моделями соответствующих компонентов;
- генератор моделей компонентов, представляющий собой инструментальное средство для автоматизированного создания (генерации) программно-алгоритмических текстов моделей визуальных
и алгоритмических компонентов, а также моделей компонентов ТО;
- измерительно-управляющий контроллер, представляющий собой аппаратно-программный комплекс ЛАРМ для подключения исследуемого реального объекта к компьютеру с установленной системой ВИП;
- средства подключения к хранилищам данных и знаний, представляющие собой отдельную группу компонентов логического уровня многоуровневой КМ, предназначенных для подключения к БД и БЗ;
- система интерактивного документирования, предназначенная для формирования отчетов о реально-виртуальных экспериментах, проводимых с помощью многоуровневой КМ.
Учебный эксперимент с помощью учебно-иллюстративных модулей
Основными задачами учебного эксперимента являются демонстрация некоторого физического эффекта, явления, а также иллюстрация принципов, законов и теорем изучаемых дисциплин. Для его выполнения в системе ВИП реализована возможность разработки учебно-иллюстративных
модулей (УИМ) [12]. Они представляют собой многоуровневые КМ, предназначенные для пояснения и визуализации основных положений и законов технических дисциплин. Такие модели разрабатываются в формате представленной на рисунке 1 структуры многоуровневой КМ. В этом случае на ее объектном уровне располагается КМ ТО, демонстрирующая изучаемый физический закон или эффект. Логический уровень содержит модель алгоритма функционирования УИМ. На визуальном уровне располагаются средства визуализации результатов выполняемых в УИМ вычислительных экспериментов и данные их математической обработки. Также на этом уровне представлены компоненты интерактивного управления значениями параметров модели исследуемого объекта.
Для варьирования параметров компонентов объектного уровня каждому изменяемому компоненту может быть поставлен в соответствие компонент «Атрибут» располагающийся на логическом уровне. Представленный на рисунке 3б компонент «Атрибут» предназначен для изменения параметра «Сопротивление» компонента «Резистор», представленного на рисунке 3 а и отображаемого на объектном уровне многоуровневой КМ УИМ.
100 Ом
R1: Сопротивление, Ом
а б
Рис. 3. Использование атрибутных компонентов
для параметризации компонентов ТО: а - компонент ТО; б - атрибутный компонент
Fig. 3. The use of attributive components for technical objects' components parameterization: a - a component of a technical object; b - an attribute component
На логическом уроне многоуровневой КМ из алгоритмических компонентов и интерактивных математических панелей могут быть набраны выражения предварительного расчета параметров компонентов исследуемой модели УТО, представленной на объектном уровне, и блоки обработки результатов моделирования. Если математическое выражение, предназначенное для вычисления параметров или обработки результатов моделирования, достаточно простое, оно может быть набрано из взаимосвязанных компонентов, каждый из которых на логическом уровне редактора отображает определенную математическую операцию (оператор или функцию). Для ввода и вычисления достаточно сложного математического выражения реализован компонент «Интерактивная математическая панель» (рис. 4). Он представляет собой компонент с переменным числом связей „1, „2, ..., п„, находящихся слева от него. Для каждой из них в его свойствах задается имя переменной, которым
nn+2
ni
П2 R -°nn+1
...
Пп
Рис. 4. Компонент «Интерактивная математическая панель»
Fig. 4. Component "Interactive mathematical panel"
она представлена в математическом выражении, введенном пользователем в редакторе математико-алгоритмических выражений. Он открывается по двойному щелчку мыши по изображению данного компонента в многослойном редакторе КМ реально-виртуальных экспериментов.
Также компонент «Интерактивная математическая панель» имеет одну связь „„+1, находящуюся справа от него. С его помощью осуществляется передача результата вычисления математического выражения, введенного в редактор математико-ал-горитмических выражений. Узел „„+2 предназначен для передачи данного выражения в компонент «Ви-зуализатор математических выражений», который отображает его на визуальном уровне многоуровневой КМ УИМ.
К узлам „1, „2, ..., „„ могут быть подключены компоненты-регуляторы, предоставляющие возможность пользователю задавать значения соответствующих параметров анализируемой в УИМе модели ТО, и компоненты-измерители результатов первичных измерений значений переменных расположенной на объектном уровне КМ исследуемого объекта.
Результаты выполняемых с помощью компонента «Интерактивная математическая панель» вычислений могут являться новыми значениями параметров модели объекта либо итоговыми результатами и выводиться на средства визуализации. На рисунке 5 приведен пример расчета значения со-
противления резистора по удельному сопротивлению материала р, его длине I и диаметру d.
В случае применения компонента «Интерактивная математическая панель» для обработки результатов вычислительных экспериментов и вычисления их косвенных результатов на основе прямых он может быть подключен так, как показано на рисунке 6, где V и А - измерительные компоненты вольтметр и амперметр, осуществляющие передачу результатов моделирования с объектного уровня на логический.
Таким образом, предназначенный для интерактивной демонстрации некоторого теоретического положения, закона, теоремы или расчетной формулы некоторой учебной дисциплины УИМ представляет собой многоуровневую КМ, созданную в системе ВИП.
На объектном уровне системы располагается КМ подлежащего изучению ТО. На рисунке 7 представлена модель объекта, предназначенная для изучения закона Ома.
1.0
V
1.0
A
U R=U/I
I R
Рис. 6. Пример построения блока обработки результатов вычислительных экспериментов
Fig. 6. Example of constructing a processing unit of the result of computational experiments
Рис. 7. Модель объекта для изучения закона Ома Fig. 7. The object model for studying Omh 's Law
На логическом уровне многоуровневой КМ УИМ с помощью компонента «Интерактивная математическая модель» и других математико-алго-ритмических компонентов сформированы расчетные схемы, представленные на рисунках 5 и 6. Его шагами являются предварительный расчет параметров компонентов модели исследуемого объекта, а также компоненты математико-алгоритми-ческой обработки результатов ее анализа.
Рис. 8. Блок визуализации и интерактивного управления параметрами УИМ
Fig. 8. The unitfor imaging and interactive control of educational and illustrative module parameters
Визуальный уровень включает в себя средства визуализации результатов расчетов и экспериментов, а также средства интерактивного изменения варьируемых параметров. В рассматриваемом случае, представленном на рисунке 8, - удельного сопротивления Ro, длины сопротивления l и площади поперечного сечения S.
Таким образом, построенный УИМ, сформированный на трех взаимосвязанных уровнях многоуровневой КМ виртуального прибора, включает в себя модель исследуемого объекта, блоки предварительного расчета параметров ее компонентов и блоки обработки результатов выполняемых вычислительных экспериментов.
Реально-виртуальные эксперименты
Для проведения реально-виртуальных экспериментов с помощью аппаратно-программного комплекса ЛАРМ в системе ВИП разработан виртуальный прибор «Измерительно-генераторный стенд». Его основными задачами являются отображение измеренных временных характеристик реальных сигналов с управлением масштабами визуализации по оси абсцисс и оси ординат, а также варьирование значений характеристик задающих приборов: источника постоянного напряжения и генератора переменного напряжения. Лицевая панель ВИП «Измерительно-генераторный стенд» представлена на рисунке 9.
Взаимодействие виртуального прибора «Измерительно-генераторный стенд» с аппаратно-программным комплексом ЛАРМ, представленным на рисунке 10, осуществляется с помощью USB.
Рис. 9. Лицевая панель виртуального прибора «Измерительно-генераторный стенд»
Fig. 9. The front panel of a virtual device "Measuring and generating stand"
Рис. 10. Аппаратно-программный комплекс ЛАРМ
Fig. 10. Hardware-software complex "LaboratoryWorkstation "
Аппаратно-программный комплекс ЛАРМ является универсальным измерительным комплексом широкого назначения. Области его возможного использования - учебные лаборатории, автоматизация научных исследований в физике, электротехнике, теории и системах автоматического и автоматизированного управления, диагностика в медицине, настройка электронных схем. Он может быть использован для создания автоматизированных измерительных систем, являющихся основой рабочих мест исследователя, настройщика, метролога, а также учащегося и студента. В его состав
входят источник постоянного напряжения, генератор переменного периодического напряжения различной формы, осциллограф двухканальный цифровой, вольтметр и амперметр. На макетной плате ЛАРМ может быть собрана электрическая цепь из реальных элементов, к которой с помощью коммутационных проводов подключаются источники, генератор и измерительные приборы. Аппаратно-программный комплекс ЛАРМ реализован на основе микроконтроллера X-Mega, который функционирует на основе сценария, сформированного на языке Х-ЯоЪог [4].
Управление характеристиками генератора заключается в изменении формы, амплитуды и частоты его сигнала. Варьирование амплитуды генератора производится аппаратным способом с помощью органа управления «Генератор», выведенного на панель ЛАРМ. Изменение формы сигнала и его частоты осуществляется с помощью компонентов на лицевой панели виртуального прибора «Измерительно-генераторный стенд», образующих блок управления «Генератор». Форма сигнала генератора изменяется с помощью соответствующего комбинированного списка и может принимать значения: синус, треугольник и прямоугольник. Плавное изменение частоты сигнала осуществляется с помощью регулятора с бегунком, а его максимальное значение изменяется с помощью цифрового табло со спином и комбинированного списка, образующих группу визуальных компонентов «Предел изменения частоты». Для точного задания частоты, которая может изменяться от 10 Гц до 1000 кГц, на лицевой панели виртуального прибора «Измерительно-генераторный стенд» предусмотрена группа визуальных компонентов «Частота».
Характеристикой осциллографа является развертка лучей, которая одинакова как для луча А, так и для луча В, подаваемых по двум одноименным каналам осциллографа. Для каждого из каналов по отдельности задаются усиление и смещение сигнала.
Под разверткой луча осциллографа в данном случае понимается цена одного деления по оси абсцисс. Она может задаваться в секундах, миллисекундах или микросекундах. Управление разверткой лучей осциллографа осуществляется с помощью группы визуальных компонентов «Развертка луча осциллографа».
Параметрами лучей осциллографа, позволяющими изменять их визуализацию по оси ординат, являются усиление и смещение, которые устанавливаются для каждого канала в отдельности. Усилением называется величина, соответствующая цене деления оси. Она задается визуальными компонентами. С помощью цифрового табло «В/дел» задается значение усиления, изменяющееся от 1 до 10. Комбинированным списком «Множитель» задается степень числа 10, имеющая возможность изменяться от -6 до 6. Число, полученное в резуль-
тате возведения цены деления на множитель, является истинным усилением сигнала.
Смещением является величина, на которую относительно центра окна визуализации смещается ось абсцисс, то есть ноль синусоидального сигнала без смещения. Эта величина задается с помощью регулятора «Смещение луча А» или «Смещение луча В». Около каждого из них установлена кнопка «0», с помощью которой производится автоматическая установка смещения сигнала в 0.
Для получения неподвижного изображения временных диаграмм на экране каждые последующие траектории луча должны пробегать по экрану в циклах развертки по одной и той же кривой. Эта возможность обеспечивается схемой синхронизации переводом выключателя в положение «Вкл.». Также с помощью группы визуальных компонентов «Синхронизация» выбираются сигнал, по которому осуществляется синхронизация, и его фронт -передний или задний, а также задается уровень синхронизации, который может варьироваться с помощью соответствующего регулятора в диапазоне от -9 до 9.
Для исследования размахов, амплитуд и временных (фазовых сдвигов) сигналов используются сканеры, которые представлены уголками на левой и нижней сторонах поля визуализации осциллограмм. На каждой стороне используются по два сканера, разница значений между которыми выводится в цифровые табло, входящие в группу визуальных компонентов «Сканеры».
С помощью соответствующих цифровых табло и представленных цифровых табло на лицевой панели прибора «Измерительно-генераторный стенд» осуществляется визуализация значений источника сигнала постоянного тока, амперметра и вольтметра, с помощью которых измеряются ток и напряжение цепей постоянного тока.
Для калибровки нулей измерительных приборов аппаратно-программного комплекса ЛАРМ, которые требуется устанавливать всякий раз в силу особенностей измерительных каналов, на лицевую панель прибора выведена кнопка «Калибровка». С помощью группы визуальных компонентов «Аппаратное усиление» осуществляется установка значения усиления измерительных каналов, что позволяет с помощью ЛАРМ исследовать сигналы достаточно малой амплитуды.
Таким образом, виртуальный прибор «Измерительно-генераторный стенд» содержит в себе все необходимые функциональные возможности для исследования электрических сигналов, проходящих в реальных цепях и измеряемых с помощью аппаратно-программного комплекса ЛАРМ. На базе компонентов, осуществляющих связь виртуального прибора с ЛАРМ, могут быть реализованы и другие виртуальные приборы, расширяющие возможности реально-виртуального эксперимента.
В заключение сделаем следующие выводы. Система ВИП позволяет выполнять реально-виртуальные эксперименты учебного и научно-исследовательского характера. На ее базе могут реали-зовываться виртуальные и реально-виртуальные лаборатории, компьютерные задачники и интерактивные тренажеры, применяемые в средних и высших учебных заведениях технического профиля, а также автоматизироваться процессы подготовки, переподготовки и аттестации управленческих кадров на предприятиях.
Система ВИП, являющаяся комплексом программ автоматизации реально-виртуального эксперимента, реализована на основе многоуровневой КМ, разработанной в формате метода многоуровневого компьютерного моделирования. Он расширяет перспективы компьютерного моделирования, открывая дополнительные возможности использования одних и тех же виртуальных инструментов и приборов для исследования реальных объектов и их КМ.
Литература
1. Черкашин С.В., Любенко А.Ю., Баран Е.Д., Кухто А.В., Марченко И.О. Автоматизированные учебные практикумы и лаборатории // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabView и технологии National Instruments: сб. тр. V Междунар. науч.-практич. конф. М.: Изд-во РУДН, 2006. С. 465.
2. Тумковский С.Р. Виртуальная лаборатория как элемент электронного обучения // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2014. № 1. С. 115-117.
3. Зеленский В.И. Изучение закона Ома и определение удельного электрического сопротивления вещества проводника (Реально-виртуальная лаборатория по физике). Ханты-Мансийск: Изд-во Югорского гос. ун-та, 2006. 5 с.
4. АКТАКОМ - программное обеспечение. URL: http:// www.aktakom.ru/support/software/ (дата обращения: 04.02.2016).
5. Программное обеспечение ZetLAB. URL: http://www. zetlab.ru/catalog/programmnoe-obespechenie-zetlab/ (дата обращения: 04.02.2016).
6. Федосов В.П., Нестеренко А.К. Цифровая обработка сигналов в LabVIEW: учеб. пособие. М.: ДМК Пресс, 2007. 456 с.
7. Пец А.В., Раздорский И.И. Дидактические функции виртуальных приборов в системе подготовки будущих инженеров // Изв. Балтийской гос. акад. рыбопромыслового флота: пси-холого-педагогич. науки. 2015. № 2 (32). С. 103-108.
8. Дмитриев В.М., Ганджа Т.В., Ганджа В.В., Мальцев Ю.И. СВИП - система виртуальных инструментов и приборов. Томск: В-Спектр, 2014. 216 с.
9. Дмитриев В.М., Кураколов А.Н., Мальцев Ю.И., Коро-тина Т.Ю. Автоматизированные лабораторные комплексы в учебном процессе: монография. Томск: В-Спектр, 2007. 182 с.
10. Дмитриев В.М., Ганджа Т.В. Принцип формирования многоуровневых компьютерных моделей SCADA-систем для управления сложными технологическими объектами // Информатика и системы управления. 2013. № 2 (36). C. 24-36.
11. Пец А.В. Виртуальные приборы - инструмент исследования двух реальностей // Вестн. БФУ им. И. Канта. 2013. № 10. С. 144-146.
12. Шутенков А.В. Интерпретация граничных условий учебно-иллюстративным модулем в анализе переходных процессов // Электронные средства и системы управления: докл. XI Междунар. науч.-практич. конф. Томск: Изд-во ТУСУР. 2015. № 1-2. С. 268-271.
DOI: 10.15827/0236-235X.115.154-162 Received 29.02.16
VIP. THE SYSTEM OF VIRTUAL INSTRUMENTS AND DEVICES FOR EDUCATION AND SCIENTIFIC EXPERIMENT AUTOMATION
1 Dmitriev V.M., Dr.Sc. (Engineering), Professor
lGandzha T.V., Ph.D. (Engineering), Associate Professor, [email protected] 1Panov S.A., Postgraduate Student
1Tomsk State University of Control Systems and Radio electronics, Lenina Ave. 40, Tomsk, 634050, Russian Federation
Abstract. The paper describes the structure of the system of virtual instruments and devices (System VID), which is a software complex for automating real-virtual experiments. These experiments can be carried out both on the real object and its computer model using developed virtual instruments, e.g. generators and measuring devices with the built-in units for mathematical processing of measurement and modeling results. The multi-level VID system is based on a computer simulation approach, which is used for constructing a VID computer model. This computer model is designed to automate real-virtual experiments. It consists of three interrelated levels: visual (with visualization and interactive change of parameters' values), logic (with the algorithm of real-virtual experiment) and object (a real technical object and its computer model in the format of the method of component circuits (MCC)). As a universal computer modeling method, MCC allows automating modeling of mechanical, hydraulic, thermal energy, electrical and electro-mechanical, physical and chemical processes. It is implemented as a general purpose computing kernel that forms and solves of algebraic and differential equation systems from component circuits, which are computer models of analyzed objects in the MCC format. Virtual instruments represented by their multilevel models are used to maximize the virtual approach to a full-scale experiment. To automate field experiments on real objects within the VID system there is a block of components interacting with measuring and control hardware-software complex "Laboratory workstation". It connects to a computer via USB and includes a constant-voltage source, a free form constant-voltage generator, a voltmeter, an ammeter and a dual-channel oscilloscope. They generate and measure characteristics of real electrical signals and then transmit them to a computer, use mathematical processing and rendering using virtual instruments and devices.
Keywords: real-virtual experiment, virtual instrument and devices, multilevel computer modeling, technical objects.
References
1. Cherkashin S.V., Lyubenko A.Yu., Baran E.D., Kukhto A.V., Marchenko I.O. Automated education practicums and laboratories Obrazovatelnye, nauchnye i inzhenernye prilozheniya v srede LabView i tekhnologii National Instruments: sb. tr. VMezhdunar. nauch.-praktich. konf. [Educational, Scientific and Engineering Applications in LabView and National Instruments Technology. Proc. 5th Int. Science and Practice Conf.]. Moscow, Peoples' Friendship Univ. of Russia Publ., 2006, p. 465 (in Russ.).
2. Tumkovsky S.R. Virtual Laboratory as a part of the e-learning. Innovatsii na osnove informatsionnykh i kommu-nikatsionnykh tekhnology [Innovations Based on Information and Communication Technologies]. 2014, no. 1, pp. 115-117.
3. Zelensky V.I. Izuchenie zakona Oma i opredelenie udelnogo elektricheskogo soprotivleniya veshchestva provodnika (Realno-virtualnaya laboratoriyapofizike) [Studying Ohm's Law and the Definition of the Specific Electrical Resistance of a Conductor Material (Real-virtual Physics Laboratory)]. Khanty-Mansiysk, Yugra State Univ. Publ., 2006, 5 p.
4. AKTAKOM- Software. Available at: http://www.aktakom.ru/support/software/ (accessed February 4, 2016).
5. ZetLAB Software. Available at: http://www.zetlab.ru/catalog/programmnoe-obespechenie-zetlab/ (accessed February 4, 2016).
6. Fedosov V.P., Nesterenko A.K. Tsifrovaya obrabotka signalov v LabVIEW [Signal Digital Processing in LabVIEW]. Tutorial. Moscow, DMK Pess, 2007, 456 p.
7. Pets A.V., Razdorsky I.I. Didactic functions of virtual instruments in training future engineers. Izvestiya Baltiyskoy gos. akademii rybopromyslovogoflota: psikhologo-pedagogicheskie nauki [Proc. of the Baltic Fishing Fleet State Academy: Psychological and Pedagogical Sciences]. 2015, no. 2 (32), pp. 103-108 (in Russ.).
8. Dmitriev V.M., Gandzha T.V., Gandzha V.V., Maltsev Yu.I. SVIP - sistema virtualnykh instrumentov i priborov [SWID. The System of Virtual Instruments and Devices]. Tomsk, V-Spectr Publ., 2014, 216 p.
9. Dmitriev V.M., Kurakolov A.N., Maltsev Yu.I., Korotina T.Yu. Avtomatizirovannye laboratornye kompleksy v uchebnomprotsesse [Automated Laboratory Facilities in the Educational Process]. Monograph. Tomsk, V-Spectr Publ., 2007, 182 p.
10. Dmitriev V.M., Gandzha T.V. The principle of forming multilevel computer models of SCADA-systems to control complex technological objects. Informatika i sistemy upravleniya [Informatics and Control Systems]. 2013, no. 2 (36), pp. 24-36 (in Russ.).
11. Pets A.V. Virtual Instruments. A research tool of two realities. Vestnik Baltiyskogo fed. univ. im. I. Kanta [Herald of the Baltic Federal Univ. n.a. I. Kant]. 2013, no. 10, pp. 144-146 (in Russ.).
12. Shutenkov A.V. Interpretation of the boundary conditions using an education and exemplary module in transient analysis. Elektronnye sredstva i sistemy upravleniya. Dokl. XI Mezhdunar. nauch.-praktich. konf. [Electronic Instruments and Control Systems. Proc. 11 Int. Science and Practice Conf.]. Tomsk, TUSUR Publ., 2015, no. 1-2, pp. 268-271 (in Russ.).
