методы и средства научных исследований объектов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Сибирский Федеральный университет»
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА НАУЧНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ОБЪЕКТОВ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ И
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Организационно-методические указания
Красноярск 2007
2
УДК658.26;621.31(07)
Э
Рецензенты:
Е.Б.Измайлов, В.И. Пантелеев, Е.Ю. Сизганова, А.Н.Филатов, Г.Н.Чистяков.
Методы и средства научных исследований объектов электроэнергетики и
электротехники: Организационно-методические указания / Красноярск: СФУ,
2007.
Предназначены для подготовки студентов по направлению 140200 –
«Электроэнергетика и электротехника» при изучении дисциплины
«Методы и средства научных исследований объектов электроэнергетики и
электротехники»
УДК 658.262.246621.31(07)
СФУ, 2007
3
Дисциплина «Методы и средства научных исследований объектов
электроэнергетики и электротехники» относится к базовой части
дисциплин профессионального цикла проекта ФГОС 1 по направлению
подготовки 140200 – «Электроэнергетика и электротехника». Изучение этой
дисциплины предполагается в 9-ом семестре. Итогом изучения дисциплины
является зачет, экзамен.
1 Цели и задачи изучения дисциплины
1.1 Цель преподавания дисциплины
Целью дисциплины является реализация уровневой системы высшего
профессионального образования в направлении подготовки 140200 –
Электроэнергетика и электротехника в части углубленного профессионального
образования, позволяющего выпускнику успешно работать в избранной сфере
деятельности, обладать универсальными и предметно-специализированными
компетенциями, способствующими его социальной мобильности и устойчивости на
рынке труда.
Дисциплина является частью основной образовательной программы
подготовки магистров.
1.2 Задачи изучения дисциплины
Задачами курса «Методы и средства научных исследований объектов
электроэнергетики
и
электротехники»
являются
формирование
профессиональных компетенций в следующих областях:
 Математическое моделирование процессов и объектов на базе
стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований.
 Проведение экспериментов по заданной методике, составление
описания проводимых исследований и анализ результатов.

Анализ состояния и динамики показателей качества объектов
4
деятельности с
исследований.

использованием
необходимых
методов
и
средств
методик
проведения
Создание математических моделей.
 Разработка
исследований.
планов,
программ
и
 Способность собирать, обрабатывать с использованием
современных
информационных
технологий
и
интерпретировать
необходимые данные для формирования суждений по соответствующим
научным и социальным проблемам (УК-2).
 Способность вскрывать естественнонаучную сущность проблем,
возникающих в ходе профессиональной деятельности, провести их
качественный и количественный анализ (УК-7).

Способность к нестандартным решениям (УК-8).
 Готовность
использовать
современные
компьютерные и информационные технологии (УК-9).
перспективные
 Готовность к выполнению простых операций по алгоритмизации
и программированию компьютерных средств с использованием основных
языков программирования (ОНК-8).
 Способность использовать методы анализа и моделирования
линейных и нелинейных электрических цепей постоянного и переменного
тока (ПК-4).
 Способность применять современные методы исследования
объектов и систем электроэнергетики и электротехники (ПК-31).
 готовность спланировать необходимый эксперимент, получить
адекватную модель и исследовать ее (ПК-33);
 способность выполнять экспериментальные исследования по
заданной методике, обрабатывать результаты экспериментов (ПК-37).
 готовность решать инженерно-технические и экономические
задачи с применением средств прикладного программного обеспечения (ПК3);
 способность разработки планов, программ и методик проведения
испытаний электротехнических и электроэнергетических устройств и систем
5
(ПК-6);
 способность планировать и ставить задачи исследования,
выбирать методы экспериментальной работы, интерпретировать и
представлять результаты научных исследований (ПК-20)
II.
Объем и структура дисциплины
Лекциионный курс – 34 час.;
Практические занятия – 17 час.;
Лабораторные занятия – 17 час.;
Самотоятельная работа – 76 час., в том числе изучение
теоретического курса 36 час., расчетные задания 40 час.
Итого 144 часа.
III.
Учебно-методические материалы по дисциплине
А). Для изучения теоретического курса разработан курс лекций,
который разбит на 3 раздела (модуля), содержащих 17 тем:
часов
Название модулей, разделов и тем
МОДУЛЬ 1
ауд сам
.
.
14
14
Раздел 1. Общие сведения об объектах научных исследований
в электроэнергетике и электротехнике.
4
4
Тема 1. Основные понятия и определения
3
3
Тема 2. Цели и задачи научных исследований
1
1
Раздел 2. Теоретические и экспериментальные
математические модели объектов в электроэнергетике и
электротехнике.
10
10
6
Тема 3. Математические модели электрических систем
5
5
Тема 4. Математические модели элементов электрических систем
(Синхронных и асинхронных электрических машин, линий
электропередачи, трансформаторов, реакторов,
электротехнологических установок и средств компенсации
реактивных нагрузок).
5
5
14
16
6
6
Тема 5. Оценка параметров линейных регрессионных моделей
1
1
Тема 6. Оценка параметров нелинейных регрессионных моделей
1
1
Тема 7. Планирование экстремального эксперимента
1
1
Тема 8. Планирование эксперимента по проверке гипотез
1
1
Тема 9. Планирование натурных и имитационных экспериментов
2
2
Раздел 4.
8
10
Тема 10. Регрессионный анализ. Метод наименьших квадратов
1
2
Тема 11. Дисперсионный анализ
1
2
Тема 12. Оценка значимости уравнения регрессии. Оценка
значимости коэффициентов уравнения регрессии
2
2
Тема 13. Основы корреляционного анализа
2
2
Тема 14. Доверительные интервалы. Построение доверительных
интервалов линии регрессии
2
2
МОДУЛЬ 3
6
6
Раздел 5.
6
6
МОДУЛЬ 2
Раздел 3.
Планирование эксперимента
Анализ данных
Классификация состояний электрических систем.
7
Тема 15. Принципы классификации состояний.
2
2
Тема 16. Методы классификации состояний.
2
2
Тема 17. Методы распознавания состояний.
2
2
34
36
ИТОГО
В результате изучения теоретического курса студент должен
1. Знать:
Методы и средства научных исследований объектов электроэнергетики
и электротехники
2. Уметь:
а) Планировать и ставить задачи исследования, выбирать методы
экспериментальной работы, интерпретировать и представлять результаты
научных исследований;
б) Формировать законченное представление о принятых решениях и
полученных результатах в виде научно-технического отчета с его публичной
защитой;
в) Рассчитывать режимы работы электроэнергетических установок
различного назначения, определять состав оборудования и его параметры,
схемы электроэнергетических объектов ;
г) Определять оптимальные режимы работы систем электроснабжения.
3. Владеть:
а) Методами планирования экстремального эксперимента и
эксперимента по проверке гипотез ;
б) Методами анализа данных;
в) Методами ипринципами классификации и распознавания состояний
8
Б). Для овладения навыками планирования и обработки результатов
эксперимента систем электроснабжения разработано «Учебное пособие по
практическим занятиям по дисциплине Методы и средства научных
исследований объектов электроэнергетики и электротехники», в котором
приведены краткие теоретические сведения по основным разделам
дисциплины, приведены примеры решения задач по этим разделам, в том
числе с помощью ПЭВМ.
В конце разделов приведены варианты индивидуальных заданий для
самостоятельного решения. В пособии приведены справочные данные для
решения задач, что облегчает выполнение заданий.
Темы практических занятий:
1. Теоретические математические модели элементов электрических
систем. 2 ч;
2. Теоретические математические модели электрических систем. 2 ч;
3. Производственные экспериментальные модели электрических
систем. 2 ч;
4. Имитационные математические модели электрических систем. 2 ч;
5. Планирование производственных и имитационных экспериментов. 2
ч;
5. Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований. 2
ч
7. Регрессионный и дисперсионный анализ данных. Оценка значимости
и построение доверительных интервалов. 2ч.;
8. Методы классификации и распознавания состояний электрических
систем. 3ч..
В результате изучения практического курса студент должен
1. Знать:
а) Методику создания модели обработки статистического ряда;
9
б) Последовательность анализа статистического ряда;
в) Методику подбора и обоснования выравнивающей функции для
статистических распределений;
г) Методику
определения
аналитических
зависимостей
по
экспериментальным данным мнтодом наименьших квадратов;
д) Методы решения систем линейных и нелинейных уравнений;
2. Уметь
а) собирать, обрабатывать с использованием современных
информационных технологий и интерпретировать необходимые данные для
формирования суждений по соответствующим научным и социальным
проблемам;
б) использовать современные перспективные компьютерные и
информационные технологии
в)
выполнять
простые
операции
по
алгоритмизации
и
программированию компьютерных средств с использованием основных
языков программирования;
г) использовать методы анализа и моделирования линейных и
нелинейных электрических цепей постоянного и переменного тока;
д) применять современные методы исследования объектов и систем
электроэнергетики и электротехники;
е) спланировать необходимый эксперимент, получить адекватную
модель и исследовать ее;
ж) выполнять экспериментальные исследования по заданной методике,
обрабатывать результаты экспериментов;
з) Применять перечисленные методики для расчетов систем
электроснабжения промышленных предприятий;
и) Применять ПЭВМ для научных исследований объектов
электроэнергетики и электротехники.
10
В). Для лабораторного практикума разработано «Методическое
пособие по лабораторным работам» в котором приведены краткие
теоретические сведения, методика проведения опытов, перечень литературы
для подготовки и проведения лабораторных работ и контрольные вопросы.
Наименование лабораторных работ:
1. Разработка программы вычисления параметров состояния
синхронного двигателя. 3 ч.
2. Разработка программы расчета параметров состояния электрической
системы. 3 ч.
3. Планирование эксперимента для построения статических
характеристик синхронного двигателя, 2 ч.
4. Планирование эксперимента для построения характеристик
электрической системы, 2 ч.
5. Нахождение коэффициентов модели методом наименьших квадратов
2 ч.
6. Дисперсионный анализ результатов экспериментов 1ч.
7. Построение доверительного интервала линии регрессии 1 ч.
8. Разработка программы классификации и распознавания состояний
электрической системы 3ч.
Лабораторные установки представляют собой компьютерную модель
типовой системы электроснабжения. В лаборатории могут одновременно
работать все студенты. Все лабораторные работы каждый студент выполняет
на одном, закрепленном на весь цикл работкомпьютере. Лабораторный
практикум предполагает собой комплексное изучение режимов работы
типовой системы электроснабжения. При этом результаты предшествующих
работ используются при проведении последующих.
На каждой лабораторной установке моделируется суточный цикл.
11
В результате изучения лабораторного практикума студент должен
1.
Знать
а) Методы дисперсионного анализа на примере проверки гипотез о
равенстве дисперсий и средних значений параметров состояния СД и ЭСПП;
б) Методы построения доверительных интервалов линии регрессии
в) Методы классификации и распознавания состояний ЭСПП;
г) Метод наименьших квадратов для расчета коэффициентов
регрессионных моделей состояния СД и ЭСПП;
д) Методы планирования дробных факторных экспериментов для
построения регрессионных моделей.
е) Методы планирования полнофакторных экспериментов.
2.
Уметь
а) Определять параметры режимов работы моделируемой ЭСПП;
б) Проверять гипотезы о равенстве дисперсий и средних значений
параметров состояния СД и ЭСПП;
в) строить доверительные интервалы линии регрессии;
г) рассчитывать коэффициенты регрессионных моделей состояния СД
и ЭСПП;
д) планировать дробные факторные эксперименты для построения
регрессионных моделей.
е) планировать полнофакторные эксперименты.
ж) создавать математическую модель ЭСПП и алгоритм
имитационного моделирования состояния ЭСПП
з) создавать математическую модель СД и алгоритм имитационного
моделирования состояния СД.
12
Г) Состав самостоятельной работы
№ № раздела
п/ дисциплины
п
Наименование видов самостоятельной работы, объем в
изучение теоретического
практические задания
курса (36)
(40)
Модуль 1
1. Раздел 1
Изучение основной и
дополнительной
литературы. (6)
Конспект ( не более 12 стр.)
2. Раздел 2
Изучение основной и
дополнительной
литературы. (6)
Конспект (не более 12 стр.)
3.
Теоретические ММ:
трансформатора с РПН,
трансформатора с ПБВ,
кабельной линии, воздушной
линии, АД, СД и
экспериментальная ММ СД
(10). Алгоритмы (7 шт) и
программы (7 шт) для ПВМ
Теоретические и
экспериментальные модели
электрических систем (10).
Алгоритм (1 шт) и программа
(1 шт) для ПВМ
Модуль 2
4. Раздел 3
5.
Изучение основной и
дополнительной
литературы. (6)
Конспект (не более 12 стр.)
План экспериментального
исследования режима работы
СД (4). План (1 шт) и
программа (1 шт) для ПВМ
План
экспериментального
исследования режима работы
электрической системы (4).
План (1 шт) и программа (1
13
шт) для ПВМ
6. Раздел 4
Изучение основной и
дополнительной
литературы. (6)
Конспект (не более 12 стр.)
7.
Оценка коэффициентов
регрессионных моделей
элементов методом
наименьших квадратов (2).
Алгоритм (1 шт) и программа
(1 шт) для ПВМ
Оценка коэффициентов
регрессионных моделей
электрической системы в целом
методом наименьших
квадратов (2). Алгоритм (1 шт)
и программа (1 шт) для ПВМ
8.
Изучение основной и
дополнительной литературы
по алгоритмам
дисперсионного анализа
данных (2). Конспект (не
более 4 стр.)
9.
Изучение основной и
дополнительной литературы
по алгоритмам
корреляционного анализа
данных (2). Конспект (не
более 4 стр.)
Модуль 3
10. Раздел 5
Изучение основной и
дополнительной литературы
по методам классификации
состояний электрических
систем (4). Конспект (не
более 8 стр.)
Классификация состояний
электрических систем (4).
Алгоритм (1 шт) и программа
(1 шт) для ПВМ
14
11.
Изучение основной и
дополнительной литературы
по методам распознавания
состояний электрических
систем (4). Конспект (не
более 8 стр.)
Распознавание состояний
электрических систем (4)
Алгоритм (1 шт) и программа
(1 шт) для ПВМ
Е) Основная и дополнительная литература
Основная
1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование
эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976
2. Монтгомери Д. К. Планирование эксперимента и анализ данных.
Л.: Судостроение, 1980. 384 с.
3. Джонсон Н. Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в
технике и науке: Методы планирования эксперимента. М.: Мир, 1981. 520 с.
4. Гусейнов Ф.Г., Мамедяров О.С. Планирование эксперимента в
задачах электроэнергетики.- М.: Энергоатомиздат, 1988.- 151с.
5. Ермаков С.М., Жиглявский А.А. Математическая теория
оптимального эксперимента: Учеб. Пособие.- М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат.
Лит., 1987.- 320с.
6. Нейлор Т. Машинные имитационные эксперименты с моделями
экономических систем/Пер. с англ. М.: Мир, 1975.- 502с.
7. Электрические
системы,
т.1.
Математические
задачи
электроэнергетики. Под ред. В.А.Веникова. Учебн. пособие для
электроэнерг. Вузов. М., "Высш. школа", 1970., 336 с. с ил.
8. Передача
и
распределение
электрической
энергии:
А.А.Герасименко, В.Т. Федин. – Ростов-н/Д.: Феникс, Красноярск:
Издательские проекты, 2006. – 720 с. (Серия "Высшее образование")
15
9. Управление режимами реактивной мощности и напряжения
промышленного предприятия.: науч. Издание /В.И.Пантелеев, А.Н.Филатов.
Красноярск, ИПЦ КГТУ, 2005. 125 с.
10. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем.- Искусство и
наука.- М.: Мир, 1978.- 417с.
Дополнительная
1. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования
эксперимента в технико-экономических исследованиях. М., 1974.
2. Налимов В.В. Теория эксперимента. М., 1971.
3. Хартман К., Лецкий Э., Шефер В. Планирование эксперимента в
исследовании технологических процессов. М., 1977.
4. Планирование эксперимента. Библ. Указатель. М., 1969, 1972.
5. Афифи А.,Эйзен С. Статистический анализ. Подход с
использованием ЭВМ. – М.: Мир, 1982
6. Борисов
Б.П.,
Вагин
Г.Я.
Электроснабжение
электротехнологических установок. – К.: Наукова думка, 1985. – 248 с.
7. Борисов Р.И., Козырев В.Д., Литвак В.В. Учет качества
напряжения при проектировании и эксплуатации электрических сетей. – В
кн.: Регулирование напряжения в электрических сетях. – М.: Энергия, 1968,
с. 383 – 388.
8. Браверман Э.М., Мучник И.Б. Структурные методы обработки
эмпирических данных. – М.: Наука. Главная редакция физикоматематической литературы. 1983. – 464 с.
9. Веников
В.А.
Системный
подход
к
проблемам
электроэнергетических систем. – Электричество, 1985, № 6, с. 1- 4.
10. Веников В.А., Суханов О.А. Кибернетические модели
электрических систем. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 328 с.
11. Головкин Б.А. Машинное распознавание и линейное
программирование. – М.: Советское радио, 1973, 100 с.
12. Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания: Учеб.
Пособие. – М.: Высш. шк., 1984. – 208 с.
16
13. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ.- М.:
Радио и связь, 1988.- 232с.
14. Мелентьев Л.А. Системные исследования в энергетике.
Элементы теории, направления развития. 2-е изд.- М.: Наука, 1983. – 454 с.
15. Поспелов Д.А. Принципы ситуационного управления. – Изв. АН
СССР. Техническая кибернетика, 1971, № 2, с. 10-12.
16. Поспелов Д.А., Пушкин В.Н. Мышление и автоматы. М.,
"Советское радио", 1972. – 143 с.
17. Распознавание. Классификация. Прогноз. Математические
методы и их применение. Выпуск 1. – М.: Наука, 1989. – 335 с.