« Лаборатория Вычислительного

Национальный проект «ОБРАЗОВАНИЕ»
Лаборатория
«Вычислительного эксперимента и систем
автоматизации физических измерений»
Кафедра
Экспериментальной физики,
Центр прикладных информационных технологий
Российского университета дружбы народов
Параметры и оснащение
лабораторий
z
z
z
z
z
Занимаемая площадь:
учебно-научная лаборатория №16 (1) – 35 кв. метров
лекционная аудитория лаборатория №16 (2)– 30 кв. метров
Компьютеризированные лабораторные стенды – 14 шт.
Компьютеризированное место преподавателя – 2 шт.
Общее количество учебных посадочных мест – до 50
Все рабочие места имеют возможность подключение к локальной сети
РУДН и сети Интернет, с целью последующей разработки
возможности удаленного доступа через ресурс разрабатываемого
портала: (www.vlab.sci.pfu.edu.ru)
Назначение лабораторий
Создание лабораторий было обусловлено необходимостью поддержки
лабораторными практикумами новых курсов по направлению
«Прикладная физика и физическая информатика»:
z
z
z
z
Современные методы вычислительного эксперимента в
прикладной физике
Cовременные численно-аналитические пакеты для сложных
инженерно-физических вычислений
Электронные методы и приборы в современной
измерительной технике
Современные графические среды программирования
Оснащение лабораторий позволяет проводить занятия по смежным
дисциплинам физического, физико-химического, радиотехнического и
инженерного профиля, а также выполнять работы курсового и
дипломного проектирования
Цели и задачи курса
«Современные методы вычислительного эксперимента
в прикладной физике»
Курс предназначен для студентов магистратуры первого года обучения
z
z
z
обеспечение базовой подготовки в области
математического моделирования и
вычислительного эксперимента ;
приобретение студентами знаний и навыков для
самостоятельной работы по разработке численных
моделей для изучения сложных физических явлений и
процессов, протекающих в действующих
и проектируемых экспериментальных установках ;
постановка и проведение студентами
вычислительных экспериментов
Цели и задачи курса
«Современные численно-аналитические пакеты для
сложных инженерно-физических вычислений»
Курс предназначен для обучающихся в магистратуре
Цель курса - позволить студентам и начинающим пользователям
численно-аналитических пакетов быстро перейти от начального
знакомства с программами компьютерной алгебры к уровню,
позволяющему проводить профессиональные вычисления и
моделирование сложных физических и технических систем.
Основные задачи и особенности курса:
z
z
z
Обучение навыкам работы с тремя основными
профессиональными численно-аналитическими пакетами – Maple,
MATLAB и Mathematica.
Пособие ни в коей мере не является систематическим учебником
по этим пакетам, поэтому детальное изложение языков выходит
за его рамки.
После необходимого минимума начальных сведений о пакетах,
дальнейшее обучение происходит на конкретных примерах
расчета и моделирования, причем в некоторых из них
затрагиваются вопросы, находящиеся на переднем крае
современных исследований.
Цели и задачи курса
«Электронные методы и приборы в современной
измерительной технике»
Курс предназначен для обучающихся в магистратуре
Цель курса - приобретение студентами знаний в области:
z
создания комплексных измерительных систем и систем управления
сложным физическим экспериментом;
z
овладение современными методами получения, преобразования, отображения
и анализа экспериментальных данных;
z
современных средствах измерения и преобразования сигналов.
Основные задачи и особенности курса:
z
знакомство с углубленной математической обработкой результатов
эксперимента и их статистическим анализом;
z
знакомство с принципами построения и основными характеристиками
измерительных устройств и преобразователей;
z
проблемами согласования, источниками помех и способами их подавления.
собственными шумами электронных устройств;
z
элементами аналоговой схемотехники,принципами и схемами аналогоцифрового и цифро-аналогового преобразования;
z
практическое обеспечение курса.
Цели и задачи курса
«Современные графические среды
программирования»
Курс предназначен для обучающихся в бакалавриате
Цель курса - обеспечение базовой подготовки в области использования среды графического
программирования LabVIEW; введение в теорию и методику современного сбора данных;
получение практических навыков в области современных методов получения и
обработки экспериментальных данных с использованием новейших цифровых
технологий; приобретение студентами базовых знаний в области автоматизации
физического эксперимента .
Основные задачи и особенности курса:
z
Виртуальные приборы (ВП). Последовательность обработки данных. Типы и
проводники данных. Редактирование и отладка ВП. Подпрограммы ВП. Циклы.
Структуры принятия решений. Использование узла Формулы. Массивы. Кластеры.
Кластеры ошибок. Графическое отображение данных. Работа со строковыми данными.
Файловый ввод/вывод. Настройка ВП.
z
Организация системы сбора данных и управления в LabVIEW. Ввод аналогового сигнала.
Генерация аналогового сигнала. Работа с цифровыми сигналами.
z
Управление измерительными приборами. Архитектура программного обеспечения
виртуальных интерфейсов (VISA). Драйверы измерительных приборов. Работа с GPIB
приборами. Работа с RS-232 приборами.
z
Практическое обеспечение курса.
Приборное оснащение лабораторий
для поддержки учебных дисциплин и курсов
Все курсы и учебные дисциплины, проводимые в данных
лабораториях, объединяет то, что в них применяется новейшее
профессиональное измерительное оборудование широкого спектра
применения ведущих мировых производителей: National Instruments,
Tektronix, Motech, GW Instek.
Принципы, положенные в
основу всех курсов
В основу УМК положены 3 дидактических
принципа:
z
- «При изучении наук примеры полезнее
правил» (И. Ньютон);
z
- При обучении чрезвычайно полезно решать
одни и те же задачи разными способами;
z
- «От простого к сложному».
Математическое и программное
обеспечение лабораторий
На всех компьютеризированных рабочих местах лаборатории
установлено лицензионное программное обеспечение:
• операционная система Microsoft Windows;
• офисный пакет Microsoft Office;
• программный комплекс NI LabVIEW;
• компилятор Intel Visual Fortran;
• пакеты компьютерной алгебры: MATHLAB, Maple, MathCad
• пакеты Adobe Photoshop CS3, Adobe Acrobat
Инновационная составляющая
организации учебного процесса
В процессе обучения используется прогрессивная и
революционная технология виртуальных и компьютерных
моделей и приборов, серьезным образом изменившая подходы
и методику проведения лабораторных и практических занятий.
Перечень практических заданий по курсу
«Современные методы вычислительного эксперимента
в прикладной физике»
•Одномерная модель плазмы с учетом электростатических взаимодействий
•Двухпотоковая неустойчивость в бесстолкновительной плазме
•Воздействие локализованного электрического импульса на плазму в цилиндрическом
волноводе
•Эволюция двойного слоя в ограниченной плазме
•Возбуждение кильватерной волны в плазме коротким лазерным импульсом
•Самомодуляция электромагнитного импульса в условиях электронного
циклотронного резонанса
•Параметрическая неустойчивость необыкновенной волны в магнитоактивной плазме
•Двумерная электростатическая модель плазмы, удерживаемой в зеркальной
магнитной ловушке, в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР)
•Трехмерная электростатическая модель плазмы, удерживаемой в зеркальной
магнитной ловушке, в условиях ЭЦР и синхротронного гиромагнитного авторезонанса
(СГА).
•Моделирование управления движением релятивистского сгустка электронов и его
высадки на мишень.
•Моделирование плазмы, удерживаемой в магнитной ловушке «с минимумом В».
•Параллельные вычисления в вычислительном эксперименте (на примере
моделирования плазмы в зеркальной магнитной ловушке).
•Изучение зарядового состояния ионов в ЭЦР источнике на численных моделях.
•Изучение параметров плазмы в ловушке с минимумом В.
Перечень практических заданий по курсу
«Современные численно-аналитические пакеты для сложных
инженерно-физических вычислений»
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
Изучение режимов колебания маятника с вибрирующим подвесом в Maple
Решение дифференциальных уравнений механических систем в MatLab
Изучение модели типа “хищник-жертва” в Maple, MatLab и Mathematica
Simulink-модели наиболее распространенных передаточных функций и
моделирование нелинейных моделей регулирования
Синтез фильтра Калмана и его использование для стабилизации движения
объекта
Симулятор GPRS-ГЛОНАСС передатчика
Расчет сигналов и модель диодного выпрямителя
Моделирование систем с помощью клеточных автоматов
Модель Изинга: применение метода Монте-Карло и непосредственный
расчет в среде Maple
Расчет движения электрона в атоме водорода в среде Maple
Расчет и моделирование движения волновых пакетов в среде с дисперсией в
среде MatLab
Моделирование канонического ансамбля Гиббса методом Монте-Карло в
пакете MATLAB
Моделирование системы автоматического управления двигателем
переменного тока
Движение пылинки под действием стоячей звуковой волны в резонаторе –
расчет и моделирование в среде Maple
Примеры, использованные в курсе
«Современные численно-аналитические пакеты для
сложных инженерно-физических вычислений»
z
Туннелирование частиц сквозь потенциальный барьер
z
Модель броуновского движения
z
Модель случайного блуждания вдоль прямой
z
Модель Изинга
z
Модель алгоритма оценивания ошибок ИНС и GPS-ГЛОНАСС
на основе фильтра Кальмана
z
Регулярное и стохастическое движение в асимметричном
вихре
Перечень практических заданий по курсу
«Электронные
методы и приборы в современной
измерительной технике»
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Контроль привода на основе ШД на основе устройств CompactRIO.
Контроль сервопривода на основе устройств CompactRIO.
Многоканальный анализатор временного распределения статистических импульсов в
режиме совпадения и антисовпадения на базе PXI.
Многоканальный анализатор амплитудного распределения статистических импульсов
на базе PXI.
Прецизионный PXI-мультиметр с автоматическим выбором предела.
Программирование FPGA на основе устройств CompactRIO.
Многоканальная и многопредельная система прецизионного измерения температуры
высоковакуумной системы.
Автоматизированная система управления натеканием рабочего газа плазмотрона.
Генератор синхронизации импульсных процессов авторезонансного ускорителя.
Автоматизированная система тензоизмерений в удаленном доступе.
Автоматизированная система 3-D измерений магнитостатического поля плазменного
инжектора.
Автоматизированная система прецизионных измерений импульсных токов и
напряжений плазмотрона.
Автоматизация диагностического стенда оптической спектрометрии.
Разработка систем синхронизации измерений импульсного плазмотрона.
Временная селекция измерений спектрального состава излучения плазмы в
радиочастотном диапазоне.
Перечень практических заданий по курсу
«Современные
графические среды
программирования»
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Измерение биологических параметров человека.
Исследование взаимного влияния каналов в режиме многоканального сбора
данных.
Создание программируемого источника питания.
Управление осциллографом по интерфейсам GPIB и RS-232.
Создание системы измерения АЧХ и ФЧХ систем.
Программирование контроллера шагового двигателя по интерфейсу I2C.
Спектральный анализ зашумленного сигнала.
Методы корреляционной обработки данных.
Система многоканального измерения температуры.
Управление двухканальным генератором сигнала.
Управление трехкоординатным приводом на основе шаговых двигателей.
Управление трехкоординатным сервоприводом.
Многоканальная система прецизионного измерения перемещения.
Многоканальная система прецизионного измерения усилия.
Генератор ШИМ.
Прецизионный мультиметр.
Инструментальная среда
для создания виртуальных физических
установок
Преимущества и новизна применения в учебном
процессе и научных исследованиях:
z
z
z
z
возможность создания виртуальных установок с широко
варьируемыми параметрами;
«освобождение» экспериментатора от обязательного знания
программирования;
визуализированное (анимированное) представление
результатов в ходе вычислительного эксперимента;
анимационная демонстрация исследуемых процессов и явлений
Инструментальная среда
для создания виртуальных физических
установок
Реализована типовая модель деятельности пользователя
при проектировании и эксплуатации экспериментальной
установки
Лабораторные практикумы с
возможностью удаленного доступа
Имеющаяся аппаратура и программное обеспечение
позволяет проводить ряд лабораторных занятий в
режиме удаленного доступа через Интернет, используя
разрабатываемый портал: www.vlab.sci.pfu.edu.ru.
Практическая работа студентов в
учебно-научной лаборатории
Разработка, и постановка практических заданий практикумов по
курсам дисциплин
Учебно-научное и коммерческое
использование оборудования
Выполненные проекты
1. Линия автоматизации нанесения и распознавания маркировки труб на
ремонтной трубной базе. Заказчик: Коми ЛукОЙЛ. г. Усинск
2. Система автоматического распознавания маркировки кристаллов.
Заказчик: Монокристалл. Концерн "ЭНЕРГОМЕРА". г. Ставрополь
3. Комплексная автоматизация линии тестирования статического дисбаланса
покрышек. Заказчик: НИИШП. г. Москва
4. Автономная измерительная специализированная система тестирования
лифтов на базе ВИК-1.
Заказчик: "Щербинский Лифтостроительный Завод". г. Щербинка
5. Автоматизированная установка измерения параметров ферромагнитных
материалов Заказчик: Институт металлургии РАН
6. Автоматизированный стенд плазменных процессов синтеза нанопорошков.
Заказчик: Институт металлургии РАН
7. Аппаратно-программного комплекс вольтамперных характеристик при
промышленном изготовлении сверхпроводников
Заказчик: РНЦ «Курчатовский институт», "Научно-исследовательский
институт криогенных машин"
Учебно-научное и коммерческое
использование оборудования
Проекты на стадии согласования
•Создание автоматизированной секции БСУ
Заказчик: ОАО «Лианозовский комбинат строительных металлоконструкций»
•Разработка прибора для измерения импедансно-частотных характеристик
электрических контуров заземления
Заказчик: ООО «ЭЗОП», ООО «ГазпромДиагоностика», ООО «Электросистемы» :
•Аппаратно-программного комплекс автоматизированного управления
станцией синхротрона
•Заказчик: РНЦ «Курчатовский институт», «Центр синхротронного излучения и
нанотехнологий"
Наиболее значимые внедренные
проекты
Автоматизированный стенд
плазменных процессов
синтеза нанопорошков.
Аппаратно-программного
комплекс вольтамперных
характеристик при
промышленном
изготовлении
сверхпроводников
Наиболее значимые внедренные
проекты
Комплексная автоматизация линии тестирования
статического дисбаланса покрышек
Система автоматического
распознавания маркировки
кристаллов
Стенд управления движением на
базе системы NI CompactRIO
•управление трехкоординатным
сервоприводом по схеме полного моста;
•параллельное управление до 8 ШД от
встроенного источника питания 24 В;
•параллельное управление до 8 ШД от
внешнего источника питания 5–60 В;
•считывание сигналов угловых и линейных
энкодеров;
•синхронизация с точностью не хуже 0,1 мс;
универсальность, гибкое управление,
возможность переконфигурации системы
под широкий класс задач управления
перемещением;
•автозапуск с возможностью удаленного
управления.
Стенд автоматизированных
температурных измерений на базе
системы NI SCXI
•32 канала для термопарных измерений (все
типы термопар, наличие холодного спая);
•32 канала для измерений сигналов
термометров сопротивлений (четырех
точечная схема, возбуждение постоянным и
переменным током 100 мкА);
•8 каналов прецизионных измерений
перемещений и микроперемещений
(подключение мостовых и полумостовых
датчиков линейных и угловых перемещений,
программируемое возбуждение, входной
диапазон и полоса пропускания каждого
канала).
Система высокоточного помехоустойчивого
сбора данных и управления на базе промышленного
компьютера с шиной PXI
•Сверхтихий (42 дБ) промышленный
компьютер для задач прецизионных
измерений и управления;
программируемый мультиметр с
изолированными АЦП (±300 В);
•8-канальный 60 МГц дигитайзер с
памятью на 60 млн. отсчетов
•Карта сбора данных 16 аналоговых
каналов 250 кГц
•Линии цифрового ввода вывода с
поддержкой TTL и CMOS логики
Программируемый генератор
AFG-3252 GPIB
•Программируемый генератор сигналов
специальной и произвольной формы в полосе
до 240 МГц.
•Синусоидальный, прямоугольный,
треугольный, экспоненциальный, гауссов,
шумоподобный и др. сигналы.
•Возможность задания произвольного
сигнала в аналитическом или табличном
виде.
•Амплитудная, частотная, фазовая
модуляция, фазовая манипуляция, ШИМ.
•Свиппирование по уровню и частоте.
•Интерфейсы для соединения с
компьютером: USB, LAN, GPIB.
•Хорошая степень интеграции с
современными средами программирования.