МІНІСТЕРСТВО НАУКИ І ОСВІТИ УКРАЇНИ
Державний вищий навчальний заклад
УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
кафедра технічної електрохімії
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до практичних занять з дисципліни
“Математичне моделювання
і використання ЕОМ в хімічній технології”
для студентів IV курсу спеціальності 8.051301.03
“технічна електрохімія”
Дніпропетровськ 2008
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ до практичних занять з дисципліни “математичне моделювання і використання ЕОМ в хімічній технології” для студентів IV курсу спеціальності 7.0513.01.03 “технічна електрохімія”
/ М.Д.Кошель - Днiпропетровськ: УДХТУ, 2008. - c.
Укладач: Кошель Микола Дмитрович, докт.хім.наук
Відповідальний за випуск: Кошель Микола Дмитрович
Навчальне видання
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ до практичних занять з дисципліни “математичне моделювання і використання ЕОМ в хімічній технології” для студентів IV курсу спеціальності 8.0513.01.03 “технічна електрохімія”
Укладач: Кошель Микола Дмитрович
Редактор Т.Г.Самойленко
Коректор Л.Я.Гоцуцова
Підп.до друку .......00 Формат 60х84 1/16. Папір друк. №2. Друк офсетний. Умовн.друк.арк. 0.... Облік.-вид.арк.0...... Тираж ..... прим. Зам. №______
УДХТУ, 49640, Дніпропетровськ, пр. ім. Гагаріна, 8
МІНІСТЕРСТВО НАУКИ І ОСВІТИ УКРАЇНИ
Державний вищий навчальний заклад
УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
кафедра технічної електрохімії
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до практичних занять з дисципліни
“Математичне моделювання
і використання ЕОМ в хімічній технології”
для студентів IV курсу
спеціальності 8.0513.01.03 “технічна електрохімія”
Затверджено
на засіданні кафедри технології
електрохімічних виробництв
Протокол № __________
“______“ _______ 2008 р
Дніпропетровськ 2008
ВСТУП
Методичні вказівки призначені для самостійної підготовки до практичних (розрахункових) занять по дисципліні “ Математичне моделювання і використання ЕОМ в хімічній технології”.
Мета занять – освоїти навички використання поширених типових алгоритмів математичної обробки даних для комп”ютерного моделювання.
Практичні заняття проводять в дисплейному класі. Кожний студент виконує індивідуальне завдання, яке видає викладач на першому занятті.
Робота полягає в складанні невеликої програми на алгоритмічній мові (ПАСКАЛЬ, ФОРТРАН або БЕЙСИК), виконанні на цій програмі деяких розрахунків у відповідності з завданням, змістовному аналізі результатів.
Результати виконання кожного завдання (заняття) оформлюються у вигляді звіту на окремих листах. Звіт про кожну виконану роботу, виконаний на окремих листах, здають викладачу на наступному занятті.
Структура звіту:
1- Титульний лист
- ВУЗ, кафедра;
- Прізвище і ПБ студента, група;
- Номер та назва роботи ;
2- Постановка задачі:
- об’єкт дослідження, його опис, характеристики і т.п згідно завдання та літературних джерел.;
- мета роботи (індивідуальне завдання);
- вхідні дані;
- алгоритм виконання завдання, програма (індивідуальна);
3-Результати роботи.
4-Аналіз результатів та висновки.
Робота з індивідуальними програмами.
Складання та запуск програм передбачено головним чином в системі ТУРБОПАСКАЛЬ.
Після того, як програма складена, набрана, і Ви впевнились, що при запуску вона працює вірно, приступіть до виконання завдання. Для цього потрібно виконати всі передбачені розрахунки, переписати в чорновик результати (числові дані, інколи – скопіювати графік на екрані).
Дома за одержаними результатами потрібно підготувати звіт, який здають викладачу на наступному занятті.
Чорнові записи (оригінали результатів) потрібно зберігати до кінця семестру – результати виконання всіх завдань пов”язані між собою і в наступних завданнях використовуються дані (результати) виконання попередніх завдань.
Програмна бібліотека ЕЛЕКТРА
Деякі індивідуальні завдання виконуються в комп”ютерній бібліотеці кафедри ТЕВ - “ЕЛЕКТРА”. Програмний комплекс “ЕЛЕКТРА” працює в операційній системі ДОС.
Головні правила користування бібліотечними програмами:
1- Виділити курсором каталог “ELEKTRA” , і війти в нього (клавіша ENTER);
2. В командному рядку з клавіатури набрати команду ДОС: LAB і натиснути клавішу ENTER ( або знайти в бібліотеці файл LAB.EXE, виділити його курсором і натиснути ENTER). При цьому на екрані з”явиться прохання ввести прізвище – його можна ігнорувати, знову натиснувши ENTER. Після цього на екрані з”являється головне меню – перелік окремих тем з технічної та теоретичної електрохімії.
3. Клавішами “ Page UP”, “Page Down”, ““,”“ – виділити потрібну тему курсором і натиснути ENTER. При цьому з”являється меню другого рівня (підменю), де таким же чином можна обрати вже конкретну програму.
В меню обох рівнів є розділи під назвою “ИНФОРМАЦИЯ”. Якщо вибрати цей розділ – на екран буде виведено, в залежності від конкретної ситуації
детальний опис програм моделювання;
набори індивідуальних завдань для роботи з окремими програмами;
детальний опис системи “ЕЛЕКТРА” і правил користування нею;
4. В системі “ЕЛЕКТРА” є дві бази даних (БД) – з гальванотехніки та електрохімічної технології (всі файли БД мають розширення *.BAS ), де наведені найважливіші довідкові дані, потрібні для виконання розрахунків з різних електрохімічних технологій. Вхід в файли бази даних - через загальну систему меню.
5. Якщо Ви працюєте з “закритими” програмами – на екран при ініціалізаціїї програми клавішою ENTER буде спочатку видано меню:
1а
- “Ввести
данные в файл”
1б
- “Старт программы”
1в
- “Выход”
При виборі команди 1а- “Ввести данные в файл” на екран буде видано числовий файл вхідних даних (з розширенням *.DAT). В нього потрібно :
-ввести необхідні числові дані (змінити ті, що були раніше, якщо це потрібно);
-запам”ятати змінений файл (клавіша F2 );
-вийти з файла (клавіша F10 або Esc ) – при цьому програма автоматично запускається в роботу.
При виборі команди 1б- “старт программы” – програма зразу запускається з тими даними, які були раніше введені. Цей режим використовують, якщо потрібно повторити розрахунок, не змінюючи вхідні дані (наприклад, якщо потрібно ще раз подивитись на малюнок після його зникнення).
При виборі команди 1в- “выход” система повертається в попереднє меню без запуску програми.
Запущена в роботу програма в кінці видає на екран або результати розрахунків, або графік. Після того, як графік вивчено, при необхідності -скопійовано в чорновик, продовжити роботу потрібно клавішею ENTER.
Закінчується робота всіх програм появою таблички-меню з двома варіантами вибору:
2а
- “Просмотр
REZ.REZ”
2б
- “Выход”
2а – при цьому виборі на екран буде виведено файл результатів REZ.REZ, і можна переписати потрібні дані. УВАГА: файл REZ.REZ – єдиний для всіх програм, і він поновлюється при кожному новому запуску будь-якої програми, при цьому всі попередні записи результатів знищуються.
2б – зразу здійснюється перехід в стан виконання з двома варіантами вибору:
3а
-“ПРОПУСК”
3б
-“Запись
в SERIES.REZ ”
3а – система перейде в початковий стан – меню вибору програм;
3б - результат цього запуску (копія файла REZ.REZ) буде дописаний в кінець файла SERIES.REZ, з Вашим прізвищем (якщо було введено при запуску системи “ЕЛЕКТРА”) , датою і часом виконання,. Цей режим дає змогу швидко зібрати всі результати декількох запусків програм в одне місце (один файл), не витрачаючи часу на вивчення кожного результату, і потім уже аналізувати їх усі одночасно.
6. В системі “ЕЛЕКТРА” використовується відомий текстовий редактор WD. Корисно запам”яати, що в ньому працює дуже зручний калькулятор – можна виконати будь-які розрахунки по формулах, просто набравши на полі сторінки (екрані) формулу розрахунку, без пробілів, наприклад 12*(1-ехр(-2))+32=… Результат з”явиться після того, як в кінці буде поставлено знак “=”.
7. В системі “ЕЛЕКТРА” передбачена можливість написання, трансляції та запуску програм на алгоритмічних мовах FORTRAN та PASCAL .
FORTRAN- програми записуються в файл, який буде відкрито при ініціалазації в головному меню команди “ Создание и запуск программ *.FOR”. При користуванні цією мовою потрібно ознайомитись з файлом інформації, який є в БД і автоматично спочатку буде викликаний на екран (деякі формальні умови та оператори використаного транслятора).
PASCAL-програми також можна записати в новий файл, який відкривається при ініціалізації команди головного меню “Паскаль”. Всі процедури роботи з Паскаль-програмами стандартні, але можливості обмежені.
Корисно пам”ятати: дуже зручно зберігати всі PASCAL-програми в одному файлі. Працює тільки одна з них, всі інші можна “сховати “ між двома парами знаків на початку та в кінці: (* ............. *). Ту програму, яка потрібна для роботи - перетягніть на початок файла ( 1-виділити блок програми: початок Ctrl+KB, кінець- Ctrl+KK; 2- поставити курсор на початок файла; 3-перетягти виділений блок на початок командою Ctrl+KV. Запис означає-тримати натисненою клавішу Ctrl і натиснути по черзі клавіші ‘K’ і ‘V’)
Робота № 1
Формування первинних даних (таблиць)
для наступної їх обробки спеціальними алгоритмами
Об”єкт дослідження - хімічне джерело струму (ХДС). Для будь-якого ХДС можна виміряти експериментально дві головні електричні характеристики - вольт-амперну і розрядну .
Вольт-амперна характеристика (ВАХ) – залежність напруги елемента (ХДС) від струму навантаження, U=f(I). Її можна виміряти, якщо зібрати електричну схему як на рис.1 та виконати експеримент: За допомогою реостата (R) потрібно задати декілька значень (10-15) струму (I) та записати відповідні значення напруги (U).
Якісна форма графіка U=f(I) показана на рис.2. В розімкненому колі (I=0) напруга ХДС максимальна (близька до ЕРС величина UE, яку називають “напруга розімкненого ланцюга, скорочено - НРЛ” ), і зменшується при навантаженні тим більше, чим більший струм. При короткому замиканні (Rзовн=0 ) струм КЗ максимальний, а U=0.
Рисунок 1 -Електрична схема для вимірювання характеристик ХДС в гальваностатичному режимі.
Розрядна характеристика (РХ) – залежність напруги (U) або розрядного струму (I) від часу (t) при безперервному розряді елемента (ХДС) на постійний опір (R). РХ U=f(t) може бути зареєстрована на тій же електричній схемі, що і ВАХ. В момент часу t=0 замикають електричне коло і з деяким інтервалом часу записують значення часу, напруги або струму.
В цьому досліді опір Rзовн (навантаження ХДС) постійний, тому у відповідності з законом Ома U=IR можна записувати лише один параметр, U або I , а через відоме R – підрахувати другий параметр: I=U/R або U=IR.
Якісна форма РХ показана на рис.3 – при розряджанні ХДС поступово зменшується його напруга і відповідне значення струму.
Завдання
Для роботи потрібно сформувати два набори числових даних – вольт-амперну U=f(I) та розрядну U=f(t) характеристики. Це повинні бути дві таблиці по 10-20 відповідних пар чисел.
Набори даних формуються програмою, яка підраховує їх по емпіричній математичній моделі. Програму складає кожний студент окремо у відповідності з індивідуальним завданням
Рисунок 2 Рисунок 3
-Вольт-амперна характеристика ХДС -Розрядна характеристика ХДС
Математичні моделі
ВАХ
:
;
PX:
;
Внутрішній опір ХДС : RХДС = Is, U= (UE - IRХДС) = (UE - sI2 ) .
Константи UE, Uo, s, A,B , які входять до приведених рівнянь, індивідуальні , вони наведені в таблиці, у залежності від номера студента по робочому журналу викладача
|
N пп |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
UЕ |
3.0 |
2.85 |
2.4 |
2.5 |
2.1 |
2.0 |
1.9 |
1.85 |
1.65 |
1.6 |
1.35 |
1.3 |
|
Uo |
2.5 |
2.7 |
2.2 |
2.4 |
2.0 |
1.85 |
1.75 |
1.64 |
1.51 |
1.46 |
1.27 |
1.18 |
|
s |
1.00 |
0.98 |
1.53 |
1.81 |
1.64 |
1.02 |
1.43 |
2.11 |
1.75 |
2.21 |
2.81 |
0.78 |
|
A |
0.5 |
0.8 |
2.7 |
3 |
9.7 |
8.1 |
2.1 |
2.5 |
4.5 |
3.1 |
4.9 |
15 |
|
B |
0.8 |
0.4 |
0.05 |
0.05 |
0.1 |
0.02 |
0.3 |
0.03 |
1e-3 |
0.04 |
1e-4 |
2e-2 |
|
N пп |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
|
UЕ |
1.25 |
1.1 |
1.0 |
0.9 |
2.35 |
2.45 |
2.25 |
2.15 |
1.95 |
1.80 |
1.60 |
1.55 |
|
Uo |
1.11 |
0.96 |
0.83 |
0.87 |
2.21 |
2.29 |
2.11 |
2.08 |
1.78 |
1.69 |
1.45 |
1.39 |
|
s |
4.05 |
3.10 |
2.09 |
1.32 |
0.93 |
0.89 |
1.34 |
1.56 |
2.11 |
0.91 |
1.22 |
2.12 |
|
А |
1.5 |
7.6 |
15.1 |
17.9 |
2.5 |
7.6 |
4.2 |
12.4 |
8.1 |
22.3 |
7.3 |
2.2 |
|
B |
0.1 |
0.01 |
0.03 |
0.3 |
0.05 |
5e-3 |
0.2 |
0.2 |
1e-3 |
0.14 |
0.17 |
0.02 |
Опір навантаження Rзовн при цьому визначається з умов на початок розряду, t=0: U = (UE -Uo) = IRХДС = s I2, звідки I = ((UЕ-Uo)/s) . Таким чином, у відповідності з законом Ома одержимо:
.
Запишемо робочий фрагмент програми на алгоритмічній мові PASCAL, наприклад, для побудови РХ на 20 пар чисел.