Рабочая программа для направления 550200

Вид материала

Содержание

Распределение учебного времени
Самостоятельная работа: 144 часа.
Рабочая программа составлена на основании ГОС ВПО для направления 550200 - Автоматизация и управление, утвержденного в 1993 го
1 Цели и задачи курса
2 Содержание теоретического раздела дисциплины
2.3 Резонанс в простых колебательных контурах (4 часа)
2.4 Электрические цепи с негармоническими периодическими
2.5 Четырехполюсники (6 часов).
Содержание лекций (четвертый семестр, 36 часов).
2.7 Нелинейные резистивные цепи (16 часов).
Текущий и итоговый контроль
Переходные процессы
МО Российской Федерации
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА факультет АВТФ
Утверждаю: зав. кафедрой

Подобный материал:

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Утверждаю

Декан АВТФ __________

____ ____________ 1999 г.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА для направления 550200 -

“Автоматизация и управление”

Факультет: автоматики и вычислительной техники

Обеспечивающая кафедра Теоретических основ электротехники.

Курс: второй.

Семестр: третий, четвертый.

Учебный план набора 1999 года с изменениями __________ года

Распределение учебного времени

Лекции: 72 часа (ауд).

Практические занятия: 36 часов (ауд).

Лабораторные занятия: 36 часов (ауд).

Всего аудиторных занятий: 144 часа.

Самостоятельная работа: 144 часа.

Общая трудоемкость 288 часов.

Экзамен в третьем и четвертом семестрах.

1999

Предисловие

Рабочая программа составлена на основании ГОС ВПО для направления 550200 - Автоматизация и управление, утвержденного в 1993 году, и стандарта ТПУ.

Рассмотрена и одобрена на заседании кафедры теоретических основ электротехники 10 февраля 2000г. протокол № 2.

Разработчик – доцент кафедры ТОЭ Купцов А. М.

Зав. кафедрой ТОЭ Носов Г. В.

Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с факультетом, выпускающими кафедрами и СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.

Зав. кафедрой автоматики и КС, проф. Цапко Г. Н.

Зав. кафедрой ИКСУ, проф. Малышенко А. М.

Аннотация

Рабочая программа учебной дисциплины Теоретическая электротехника разработана для подготовки бакалавров по направлению 550200 - Автоматизация и управление.

Содержание программы соответствует государственному образовательному стандарту направления 550200, профессиональной образовательной программе ТПУ и включает следующие разделы: законы и теоремы линейных электрических цепей, методы анализа в установившихся и переходных режимах, многополюсные цепи и нелинейные резистивные цепи.

Рабочую программу составил Купцов А. М., доцент кафедры теоретических основ электротехники факультета автоматики и электроэнергетики. Почтовый адрес: kupzov@mail.ru; b10.tpu.edu.ru.

Abstract

The curriculum of the course Theoretical of electrical engineering  is intended for preparing bachelors on the direction Avtomatizatiyon and Control. The curriculum contents correspond to the State Standard for sector 550200, corresponding educational program TPU and include the following issues: laws and theorems of linear circuits, steady state and transient analysis, Transformer and Nonlinear resistive circuits.

The curriculum has been developed by Anatoliy Kupzov, assistant- professor of TFE Department.

E-mail address: kupzov@mail.ru; kft@b10.tpu.edu.ru.

1 Цели и задачи курса

Курс является одной из базовых дисциплин, обеспечивающих общетеоретическую и профессиональную подготовку бакалавров по направлению 550200 (автоматизация и управление).

Цель курса - обеспечить будущих специалистов знаниями и навыками, необходимыми для успешного освоения специальных дисциплин.

В соответствии с требованиями ГОС ВПО студенты после изучения дисциплины должны:

иметь представление:

- об основных законах и принципах, лежащих в основе работы электротехнических устройств и электрических машин;

знать и уметь использовать:

- законы теории и методы анализа активных и пассивных электрических цепей;

- стандарты и правила построения и чтения электрических схем;

владеть:

методами расчета и анализа электрических цепей.

Кроме того, согласно университетским требованиям, студенты должны знать и уметь использовать методы анализа цепей матрично-топологическим способом и метод переменных состояния.

Задача дисциплины - обеспечить достижение вышеуказанных целей на основе аудиторных (лекционных, практических, лабораторных) занятий, интенсивной самостоятельной работы, а также организации систематического контроля в виде допуска к лабораторным работам и их защиты, контрольных работ и защиты индивидуальных заданий, тестовых опросов в дисплейном классе и итогового экзамена.

Курс Теоретическая электротехника базируется на знаниях, полученных при изучении курсов Высшая математика, Физика и Информатика.

2 Содержание теоретического раздела дисциплины

(третий семестр, лекции –36 час.)

2.1 Введение в теорию линейных электрических цепей (8 часов).

Задачи и цели курса Теоретическая электротехника, его место в системе подготовки бакалавров по направлению Автоматизация и управление. Основные физические величины (заряд, ток, напряжение, энергия). Понятие о сигналах и способах их математического описания. Электрическая цепь и её элементы: источники электрической энергии, пассивные элементы (сопротивление, индуктивность, емкость). Дуальность элементов цепи. Схемы замещения реальных устройств. Способы соединения элементов цепи, топологические понятия электрической цепи: граф цепи, дерево графа, контур, узел. Матрицы графа.

Основные законы и свойства электрических цепей: законы Ома, Кирхгофа, Джоуля - Ленца, принципы наложения, взаимности, компенсации. Система уравнений электрических цепей и основные свойства их решений. Понятие о переходных и установившихся процессах. Анализ переходных процессов в R,L и R,C- цепях во временной области.

2.2 Анализ установившихся синусоидальных режимов(14 часов).

Амплитудное, действующее и среднее (по модулю) значения синусоидального тока. Представление гармонических функций функциями комплексной частоты. Метод комплексных амплитуд (символический метод). Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме. Расчет цепей при последовательном, параллельном и смешанном соединениях участков цепи. Эквивалентные преобразования электрических цепей. Методы контурных токов, наложения, узловых потенциалов и эквивалентного генератора. Понятие обобщенной ветви. Матрицы электрической цепи. Метод контурных токов и узловых потенциалов в матричной форме. Расчет электрических цепей на ЭВМ. Индуктивно связанные цепи: электродвижущая сила взаимной индукции; последовательное и параллельное соединения индуктивно связанных элементов; эквивалентная замена индуктивных связей; трансформатор в линейном режиме.

Мощность в цепях переменного тока: мгновенная и средняя за период. Мощность в комплексной форме. Передача энергии между индуктивно связанными элементами.

2.3 Резонанс в простых колебательных контурах (4 часа)

Общие понятия и определения. Последовательный и параллельный колебательный контуры. Резонанс напряжений и токов. Частотные характеристики последовательного и параллельного колебательного контуров.

2.4 Электрические цепи с негармоническими периодическими

сигналами (6 часов).

Разложение периодических несинусоидальных функций в гармонический ряд (ряд Фурье). Действующие и средние значения несинусоидальных периодических функций. Дискретные спектры. Коэффициенты, характеризующие форму кривой несинусоидальных функций. Расчет цепей с несинусоидальными периодическими сигналами.

2.5 Четырехполюсники (6 часов).

Общие понятия. Основные уравнения линейного пассивного четырехполюсника. Т- и П- схемы замещения, связь их параметров с коэффициентами уравнений. Симметричный четырехполюсник, его характеристическое сопротивление и постоянная передачи. Уравнения четырехполюсника в гиперболических функциях. Активные четырехполюсники - автономные и неавтономные. Четырехполюсники с операционным усилителем.

Содержание лекций (четвертый семестр, 36 часов).

2.6 Переходные процессы в линейных электрических

цепях (20 часов).

Законы коммутации. Независимые и зависимые начальные условия. Классический метод расчета переходных процессов. Анализ разветвленной цепи методом переменных состояний. Ступенчатая и ипульсная функции. Переходная и импульсная характеристики цепи. Определение реакций цепи при действии сигналов произвольной формы. Учет начальных условий с помощью источников напряжения и тока.

Использование преобразования Лапласа для анализа электрических цепей. Операторные передаточные функции и их связь с дифференциальными уравнениями.

Спектры периодических и апериодических функций. Теорема Рейли. Спектральный метод анализа цепей. Неискажающие дифференцирующие и интегрирующие цепи. Приближенное определение обратного преобразования Фурье.

2.7 Нелинейные резистивные цепи (16 часов).

Задача анализа нелинейных резистивных цепей, нелинейные резистивные элементы и их вольтамперные характеристики. Способы аппроксимаций вольтамперных характеристик. Графический расчет при последовательном, параллельном и смешанном соединениях нелинейных элементов. Общий принцип составления функциональных уравнений для резистивных нелинейных цепей. Метод Ньютона - Рафсона для решения функциональных уравнений нелинейных электрических цепей. Примеры расчета электрических цепей с диодами. Понятие о синтезе цепей с диодами.

3 Содержание практического раздела дисциплины

3.1 Содержание практических занятий (третий семестр, 18 часов)

3.1.1 Токи и напряжения в R,L,C элементах. Взаимные преобразования источников энергии, законы Ома, Кирхгофа, Джоуля - Ленца. Основы символического метода (2 часа).

3.1.2. Методы контурных токов, узловых потенциалов, наложения и эквивалентного генератора в расчете электрических цепей (6 часов).

3.1.3 Цепи с взаимной индуктивностью. Развязка индуктивных связей (2 часа).

3.1.4 Резонансные явления в последовательном и параллельном колебательном контурах (2 часа).

3.1.5 Цепи с негармоническими сигналами. Разложение в ряд Фурье. Дискретные спектры. Расчеты разветвленной цепи с периодическими негармоническими сигналами (4 часа).

3.1.6 Четырехполюсники, их уравнения и характеристические параметры. Анализ пассивных и активных четырехполюсников (2 часа).

(четвертый семестр, 18 часов).

3.1.7 Законы коммутации. Определение начальных условий. Расчет переходного процесса в цепях 1-го и 2-го порядка классическим методом и методом переменных состояний (4 часа).

3.1.8 Интеграл Дюамеля в расчете переходных процессов(2 часа).

3.1.9 Операторный метод расчета переходных процессов. Операторные передаточные функции цепи (4 часа).

3.1.10 Спектральный метод анализа цепей. Неискажающие интегрирующие и дифференцирующие цепи (2 часа).

3.1.11 Определение реакции по заданному входному сигналу и вольтамперной характеристике цепи (2 часа).

3.1.12 Метод преобразования схем с резистивными нелинейными элементами (2 часа).

3.1.13 Численные методы анализа нелинейных резистивных цепей (2 часа).

Перечень двухчасовых лабораторных работ

(третий семестр,18 часов)

3.2.1Знакомство с измерительными комплексами "Луч" и правилами техники безопасности при выполнении лабораторных работ.

3.2.2. Исследование характеристик источников напряжения и тока.

3.2.3 Простейшие линейные цепи с гармоническими сигналами.

3.2.4 Входные и передаточные характеристики цепей с одним реактивным элементом.

3.2.5 Электрическая цепь с взаимной индуктивностью.

3.2.6 Резонансные явления в последовательном и параллельном колебательном контурах.

3.2.7 Получение и анализ периодических сигналов негармонической формы.

3.2.8 Влияние индуктивности и емкости на форму периодического негармонического сигнала.

3.2.9 Пассивные симметричные реактивные фильтры.

(четвертый семестр, 18 часов)

3.2.10 Переходные процессы в линейных цепях первого порядка.

3.2.11 Переходные процессы в линейных цепях второго порядка.

3.2.12 Переходные процессы в линейных цепях при импульсных воздействиях.

3.2.13 Дифференцирующие и интегрирующие цепи.

3.2.14 Нелинейная резистивная цепь постоянного тока.

3.2.15 Исследование реакции нелинейной резистивной цепи на гармоническое воздействие.

3.2.16 Цепи с вентилями.

3.2.17 Операционный усилитель в нелинейном режиме.

3.2.18 Параметрический стабилизатор напряжения.

4 Программа самостоятельной познавательной

деятельности (144 часа)

4.1 Домашние расчетно-графические работы.

4.1.1 Расчет линейной цепи с источниками постоянных ЭДС и токов (3 семестр, 12 часов)

4.1.2 Расчет линейной цепи с источниками гармонических ЭДС и токов (3 семестр, 20 часов).

4.1.3 Расчет линейной цепи с источниками негармонических воздействий (3 семестр, 8 часов).

4.1.4 Расчет линейной электрической цепи в переходном режиме (4 семестр, 20 часов).

4.1.5 Расчет нелинейной резистивной цепи. (4 семестр, 12 часов).

4.2 Подготовка и оформление отчетов по лабораторным работам (60 часов).

Самостоятельное изучение разделов ”Стандарты построения схем замещения электрических цепей ” и “ Спектры видео - и радиоимпульсов” (12 часов).

В процессе самостоятельной работы студенты используют компьютерную технику. Она необходима при выполнении лабораторных и расчетно-графических работ. Кроме того, она дает возможность использовать при самостоятельном изучении теоретического материала автоматизированные учебные курсы в режимах самопроверки и контроля. Имеются раздаточные материалы, помогающие студентам самостоятельно выполнять индивидуальные расчетно – графические работы.

Текущий и итоговый контроль

Текущий контроль осуществляется на практических занятиях в дисплейных классах в виде диалога с компьютером и на лабораторных занятиях при допуске к выполнению работ. Рубежный контроль осуществляется в виде контрольных работ, после изучения законченного раздела курса. Итоговый контроль осуществляется в виде экзамена, который проводится как в традиционной форме, так и в электронной – с помощью специальной программы электронного экзаменатора.

Для осуществления систематического текущего контроля используется рейтинговая система оценки знаний студентов. Вводятся следующие максимальные оценки в баллах за различные виды учебной деятельности: лекция – 4, практическое занятие – 12, лабораторная работа – 20, расчетно-графическая работа – 100, каждая задача из индивидуальных заданий – 4. В результате за семестр студент может набрать 800 баллов, причем более 600 из них – за работы, связанные с самостоятельной творческой деятельностью. Разработана специальная форма рейтинг-листа студенческой группы, по которой осуществляется аттестация студентов.

5.1 Примеры вопросов текущего контроля по теме “Введение в теорию линейных электрических цепей”.

5.1.1 Запишите уравнения взаимосвязи токов и напряжений на пассивных элементах электрической цепи.

5.1.2 Могут ли напряжение на емкости и ток в индуктивности иметь форму прямоугольных импульсов?

5.1.4 Каким должно быть напряжение, приложенное к емкостному элементу, чтобы вызвать в нем постоянный ток?

5.1.5 Определите комплексную амплитуду напряжения, изменяющегося по закону

В.

5.1.6 Запишите закон изменения тока по действующему комплексному значению

А.

5.1.7 Запишите законы Кирхгофа в комплексной форме.

5.1.8 Запишите правило разброса, определяющее распределение токов в параллельных ветвях.

Пример задания для рубежного контроля

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ		1
1	В цепи с известными параметрами Е = 100 В; R₁ = R₂ = R₃ = 10 Ом найдите начальные условия U_C(0), i_L(0), i_C(0+).

2	В цепи с параметрами J = 4 А; R = 10 Ом; L = 4/3 Гн; С = 2,5 мф найдите ток индуктивности классическим методом.

3	Найдите операторное изображение тока емкости в виде после замыкания ключа в цепи с параметрами J = 1 A; R = 1 кОм; С = 1 мкФ.

4	Определите закон изменения входного тока двухполюсника с переходной проводимостью См при воздействии одиночного сигнала экспоненциальной формы.

5	Определите коэффициенты матриц (А) и (В) уравнений переменных состояния u_C, i_L в цепи с параметрами R = 1 Ом; L = 1 Гн; С = 1 Ф.

Пример задания для итогового контроля

МО Российской Федерации Томский политехнический университет			ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № ___ по дисциплине ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА факультет АВТФ курс 2, часть 2
1	Переходные процессы. Законы коммутации.

2				Составьте уравнения для переменных состояния u_C и i_L в цепи с известными параметрами R = 4 Ом, L = 0,1 Гн, С = 0,01 Ф.

3				Определите ток емкости операторным методом в цепи с параметрами Е = 10 В, R = 5 Ом, L = 2/3 Гн, С = 0,005 Ф.

4		Определите статическое сопротивление нелинейного элемента в рабочей точке, если J=80 мА, Е=8 В, R = 50 Ом.

5					Определите показания приборов в цепи с лампой накаливания, ВАХ которой приведена в задаче 4, если I_ВХ = 60 мА, R = 100 Ом.

Составил __________________________________

Утверждаю: зав. кафедрой ______________________________

Учебно-методическое обеспечение дисциплины

6.1 Перечень обучающих программ

На практических занятиях на кафедре ТОЭ используются автоматизированные обучающие курсы (АУКи) по следующим темам:

6.1.1 Введение в теорию электрических цепей.

6.1.2 Методы расчета электрических цепей.

6.1.3 Резонансные явления.

6.1.4 Цепи с несинусоидальными сигналами.

6.1.5 Расчет переходных процессов классическим методом.

6.1.6 Операторный метод расчета переходных процессов.

6.1.7 Интеграл Дюамеля.

6.1.8 Метод переменных состояния.

6.1.9 Нелинейные резистивные цепи.

Для выполнения расчетно-графических работ и на лабораторных занятиях используются оригинальные программы, разработанные на кафедре ТОЭ:

6.1.6 Решение системы линейных алгебраических уравнений.

6.1.7 Матрично-топологические методы расчета.

6.1.8 Гармонический анализ периодических сигналов.

6.1.9 Терема разложения операторных изображений.

6.1.10 Расчет переходного процесса в линейной цепи методом переменных состояния.

Кроме того, студенты используют Мathcad.

6.2 Перечень рекомендованной литературы

Основная

1 Зевеке Г. В., Ионкин П. А. и др. Основы теории цепей. М.: Энергоиздат, 1989. - 529 с.

2 Теоретические основы электротехники. т.1/Под ред. П. А. Ионкина, М.: Высшая школа, 1976. - 544с.

3 Матханов П. Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи.- М.: Высш. шк., 1990. - 396с.

4 Матханов П. Н. Основы анализа электрических цепей. Нелинейные цепи.- М.: Высш. шк., 1986. - 351с.

5 Купцов А. М. Линейные электрические цепи. Основы теории для самостоятельного изучения. Томск. ИПФ ТПУ, 1998, - 222 с.

Дополнительная

6 Новгородцев Б. М. 30 лекций по теории электрических цепей, СПб.: Политехника, 1995 - 519 с.

7 Сборник задач и уравнений по теоретическим основам электротехники / Под ред. П. А. Ионкина М.: Энергоиздат, 1982, 768 с.

8 Купцов А. М., Лисецкая М. Н., Носов Г. В. Лабораторный практикум по теории линейных электрических цепей на измерительных комплексах "Луч". Установившийся режим. Ч.1. - ротапринт ТПУ, Томск, 1996 г.

9 Купцов А. М., Лисецкая М. Н., Носов Г. В. Лабораторный практикум по теории электрических цепей на измерительных комплексах "Луч". Переходные процессы. Нелинейные цепи. Ч.2. - ротапринт ТПУ, Томск, 1997 г.

Blog