CC BY
7
The requirement to ensure problem-based of learning is due to the very essence and nature of learning and cognitive activity. Intellectual activity increases when a student is faced with the problem of educational situation requiring resolution. The feasibility of the didactic requirements through educational electronic editions may be much higher than with traditional textbooks and manuals.
The requirement for providing visuality of learning is the need to integrate sensory perception of the objects of study, their models or models and their personal observation by students.
The requirement for provision of consciousness of training, self-reliance and revitalization of the student involves ensuring of means educational electronic editions of independent actions of students in the elicitation of educational information with a clear understanding of the ultimate goals and objectives of the training activities. To increase the activity of learning educational electronic editions should generate a variety of learning situations, to formulate a variety of issues, provides students with a choice of a particular trajectory of learning, the ability to control the course of events.
The requirement for systematic and consistent of the training using educational electronic editions means providing sequential assimilation of a certain system of knowledge in the learning domain by students.
The requirement for the strength of assimilation of learning using educational electronic editions: for durable learning the most important are a deep understanding of the material, its dispersed memorization [3, p.128].
In addition to traditional didactic requirements as to educational electronic editions and traditional publications of educational purposes, to educational electronic editions imposed specific didactic requirements, caused the use of the advantages of modern information and communication technologies in the establishment and operation of educational electronic editions.
The requirement for adaptability implies flexibility of educational electronic edition to the individual opportunities of student. It means an adaptation, adapting the learning process to the level of knowledge and skills and psychological characteristics of the student.
The requirement for interactiveness of training means that the learning process should take place with student interaction with educational electronic editions. Means of educational electronic editions should provide an interactive dialogue and suggestive feedback. An important part of the organization of the dialogue is the reaction of the educational electronic edition to a user action. Suggestive feedback controls and corrects student actions, gives recommendations for further work, implements constantly access to help and clarify information. When monitoring with error diagnostics based on the results of educational work suggestive feedback provides
analysis of the done work with recommendations to improve the level of knowledge.
The requirement for the realization of possibilities of computer visualization of learning information, i.e. technical capabilities of computers, multimedia projectors, means of virtual reality, imposes educational electronic editions. The requirement suggests the analysis of the capabilities of modern information display means (technical capabilities of display products - computers, multimedia projectors, means of virtual reality and possibilities of modern software) compared to the quality of representation of educational information for educational electronic editions [4, p.55].
The requirement for the development of intellectual potential of the student while working with educational electronic editions suggests the formation of thinking styles (algorithmic, visual-figurative, theoretical), the ability to make optimal decisions or divergent solutions in difficult situations, abilities of information processing (through the use of data processing systems, information search engines, databases, and so on.).
The requirement for the systematic and structural and functional connectivity presentation of training material in educational electronic editions.
The requirement of completeness (integrity) and the continuity of didactic training cycle in educational electronic editions means that educational electronic edition should provide the ability to perform all parts of the didactic cycle within a single session with the information and communication technology [5, p. 70].
In conclusion, considered requirements of educational electronic editions and the use of modern information technologies allows to create computer learning tools providing the necessary conditions and the quality of education.
Literature
1. Republic of Kazakhstan Education Development State Program (2011 - 2020).
2. The strategy of informatization of education system of the Republic of Kazakhstan until 2020. http://www.fh7775o9.bget.ru/index.php/31 -strategiya-razvitiya-informatizatsii
3. Bespalko V.P. Education and training with computers. - Moscow: Publishing. Moscow Psychological and Social Institute, 2002. - 352 p.
4. Timkin S.L. An introductory course in information-educational environment of open education. Tutorial -Omsk: OmSU, 2005. - 136 p.
5. Ahmad, R., Piccoli, G., Ives, B. (1996). "Effectiveness of virtual learning environments in basic skills business education: a field study in progress. Proceedings of 19th International Conference on Information Systems". Helsinki.
МИНИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ МАНЕВРИРОВАНИЯ ШАРНИРНО-СОЧЛЕНЕН-НОГО ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ШАССИ В РАМКАХ БИОМЕХАНИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ
Мясищев Дмитрий Геннадьевич
Докт. техн. наук, профессор, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В.Ломоносова, профессор кафедры транспортно-технологических машин, оборудования и логистики, г. Архангельск
Целью данной работы является попытка подойти к шасси с позиции биомеханической концепции. При этом задаче обоснования оптимальной схемы маневрирования биомеханическим прототипом выбрано земноводное пре-шарнирно-сочлененного транспортно -технологического смыкающееся - змея (далее уж). Данный выбор обоснован
тем, что эволюция этих животных проходила на протяжении десятков миллионов лет. Это привело к тому, что ужи обладают уникальными свойствами при движении, как в жидкой среде, так и на суше [7,8]: практически бесшумное перемещение; отсутствие следа даже на рыхлой поверхности; уникальная маневренность и др. Целесообразно заключение: время оптимизировало способы движения и маневрирования ужей [2,4,6].
При этом способ движения (по суше), как показывает наш анализ, заключается в волнообразном изгибании тела ужа, с одной стороны, и шагающем движении ребер скелета, с другой. В итоге наблюдаются два положительных эффекта:
- в зоне контакта тела ужа и опорной поверхности при движении имеет место быть мало энергоемкое трение - качения;
Рисунок1. Биомеханический прототип концепции управления шарнирно -сочлененного транспортно-технологического
шасси
- в процессе волновых изгибов тела смежные участки его одновременно совершают угловые перемещения друг относительно друга пропорционально внешнему сопротивлению со стороны опорной поверхности.
На рисунке 1 условно изображены два смыкающихся участка тела ужа в процессе волнового изгиба за счет внутренних фрагментов мышц А1В1 и А2В2.
При этом равновесие рассматриваемой системы (рисунок 1) в условиях минимизации энергозатрат на процесс изгиба тела животного на углы ф1 и ф2 возможно при условиях равенства мощностей и P2V2, соответ-
ственно для условных групп мышц А1В1 и А2В2.
В условиях маневрирования в ходе выполнения технологического процесса (например, под пологом древостоя для лесной машины), при постоянном объезде препятствий движению, оператор вынужден практически не переставая воздействовать на рулевое колесо (или джойстики) для изменения направления курса агрегата (рисунок 2). То есть шарнирно-сочлененное шасси будет максимально возможное время перемещаться с одновременным угловым движением передней и задней секций друг относительно друга. Это процесс поворота является неустановившимся, то есть постоянно меняющимся по направлению [5]. Отсюда следует актуальность уменьшения энергозатрат на осуществление указанного режима маневрирования рассматриваемой транспортной системы. Тем более, что энергетический баланс поворота машины напрямую определяет интенсивность силового взаимодействия ходовой системы с почвенным покровом, а это важнейший фактор экологической совместимости агрегата и среды.
Предложенные ниже теоретические выкладки базируются на следующих предпосылках и упрощениях реального поворота колесного шарнирно-сочлененного шасси,
например, лесной машины: рассматривается равномерный режим складывания полурам; вертикальная нагрузка на оси секций и их колеса неизменна; колеса секции, совершающей угловое перемещение относительно другой полурамы при повороте, осуществляют одинаковую работу по преодолению момента сопротивления складыванию; поверхность движения машины горизонтальна и однородна; боковой увод шин не учитывается, а сами колеса рассматриваются абсолютно жесткими; центры тяжести секций при повороте расположены над их осями; рассматривается шасси 4х4.
Имеется следующая постановка задачи: заданы -шарнирно-сочлененная транспортная система (например, лесная) в некотором технологическом процессе, внешние факторы поворота; требуется - найти такие условия функционирования системы управления поворотом, при которых минимизируется энергоемкость процесса складывания полурам агрегата, а значит и маневрирования в целом.
С целью локализации рассмотрения именно текущего «излома» секций машины друг относительно друга, правомерно считать, что: энергозатраты связанные с движением по траектории в неподвижной (внешней) системе координат для всех возможных процессов складывания
секций аналогичны и исключены из рассмотрения (например, работа на преодоление внешних сил сопротивления движению и сил инерции от поступательного перемещения по кривой, кинетическая энергия всей системы в этом
движении); энергозатраты рассматриваются в системе ко-у"О"У"
ординат неподвижно связанной с осью верти-
О"
калыюго шарнира шасси ^ .
Рисунок 2. Расчетная схема складывания полурам шасси транспортно-технологической машины
Изложенные аналитические построения иллюстрируются рисунком 2.
Уравнение энергозатрат на процесс «излома» секций шасси представим в виде суммы Ес = Е1 + Е2,
(1)
где:
Е = М1Ф1 + М 2ф2
Е2 = 0,5 ^ (ф 1 )2 + J2 (ф2 /
(2)
(3)
В этих зависимостях обозначены величины: Ес - суммарные энергозатраты;
Е1 - затраты энергии на преодоление моментов сопротивления полурам при складывании;
Е2 - энергозатраты на сообщение секциям шасси кинетической энергии во вращательном движении относительно вертикального соединительного шарнира между секциями;
М1 и М2 - текущие моменты сопротивления повороту секций при складывании;
Л и J2-момент инерции полурам относительно вертикального соединительного шарнира;
ф1, ф2 - одновременные угловые перемещения секций при повороте относительно вертикального шарнира;
ф 1,ф 2
угловые скорости полурам. Следует рассмотреть целевую функцию (1) на усло-
вие
шш Ее = шш (Е1 + Е2) = шт Е1 + шт Е2.
(4)
Тривиальное решение ф1 = ф2 = 0 для глобального экстремума очевидно.
Подход для решения проблемы (4) будем основывать на положениях теории оптимального управления процессами [3].
Исходя из изложенной ранее постановки исследуемого вопроса, возможен следующий вариант задачи управления
1(ф(■)) = 1 Ее (', ф, ф№ + ф('о ), ф('1)) ^
, (5)
где: - I - функционал, Ес - интегрант, О - терминальная часть, Ю и и - фиксированные моменты времени процесса (закрепленное время).
При этом имеются граничные условия
с0 ={ф( ■)! ф( 0) - 0, ф(т) = }и, (6)
где: - п =2 - размерность задачи; фк - конечное значение функции ф(-); 0 и Т - границы процесса во времени.
Пространство исследуемых вектор - функций представим так
ф(■) е {с1('о ,'1)}. (7)
Идентификация проблемы (5) указывает на существование задачи классического вариационного исчисления (задача Больца) - частный случай общей задачи оптимального управления.
Глобальный экстремум (сильный минимум) очевиден - I =0 при ф1 = 0 и ф2 = 0.
Речь может идти о локальном минимуме функционала (5).
Ход решения следующий.
Для (5) справедлива функция Лагранжа
I
т
= Л0 | Ее (ф ф№ + (0) + ^2 (0) + [ф(Т) - фк1 ] + &3 ф2 (Т) - ф2 ]
где к0, Ц - множители Лагранжа (¡=0, 1, 2, 3). Необходимые условия локального минимума функционала I должны отвечать положениям: реализация системы уравнений Эйлера
- ь9= 0 ^ ЪЫА + М.) = 0
к0(- 12ф2 + М 2) = 0
выполнение условий трансверсальности
к0ьф \0,Т = (-1/ц,
Последнее условие раскрывается так:
ф1 0 = 0 010 = (-1)° Ц0 = 0 ^Ц0 = 0 Ф2 Ь = 0 0^2ф2 Ь = (-1 / Ц1 = 0 = 0
ф. \т * 0 ^к0 JlФl \т = (-1)2 ц2 * 0 ^ ц2 * 0
Ф2 \т * 0 ^ к0 J2Ф2 \т = (-1) Цз * 0 ^ Ц3 * 0
Из соотношения (11) следует к0 * 0, а значит в соответствие с принципом Лагранжа к0 = 1. В итоге, рассматривая систему (9), найдем
м 1 ^Ф1
м 2 j 2 ф 2
Принимая в аспекте начальных условий (7), что
Ф1 10 = 0,ф1 10 = 0 „
Ф2 10 = 0 Ф2 10 = 0
а также имея в виду известные зависимости
2
Ф1 =Ф1 \ 0 +Ф1 \ 0 * + 0,5 ф1, Ф2 =Ф2 \0 +Ф2 \0 * + 0,5 Ф2,
справедливо располагать равенством
ф 2 ф 2
тату
А = М1Ф2
J 2 М2Ф1
Мл
где из (16)
М
2
Ф2 Ф1
(18)
К
Обозначив последние отношения как с, убеждаемся в том, что
(9)
(10)
Кс =Ф2
Мл
Ф1 М2 \
J^
J
2
(19)
В связи с тем, что это решение отвечает достаточному условию Лежандра
а2 б„
д( ф )
{Jl^2 }> 0
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
В то же время, физическая сущность действия исполнительной системы складывания секций шасси в решаемой задаче приводит к равенству
М1ф1 = М2Ф2. (16)
Таким образом, уравнение (12) сводится к резуль-
(17)
, (20) оно приемлемо для практической реализации в рамках задачи (5).
Технически данный алгоритм оптимального управления возможно реализовать путем соответствующей цифровой компьютерной системы, обеспечивающей в зависимости от условий маневрирования соответствующее адаптирование величин параметров системы ТЩ), Т2(^) и 12 (рисунок 2).
Правомерно предполагать, что практическая реализация изложенных теоретических предпосылок может повысить энергетическую эффективность маневрирования машины, например, под пологом леса, улучшить эргономические условия для оператора и экологическую совместимость технического средства и окружающей среды.
Изложенные теоретические предпосылки легли в основу технического решения, признанного изобретением ("Трелевочно - транспортная машина", по заявке 4942046/11, МКИ5 В60Р3/40). Вывод
Теоретически установлено, что возможно оптимальное управление процессом складывания полурам при повороте шарнирно-сочлененного транспортного - технологического шасси 4х4. Энергозатраты при этом в среднем (оценочно) на 68% меньше по - сравнению с известными исполнительными устройствами осуществления аналогичного процесса.
Список литературы
1. Биомоделирование: Сборник. М.: РАН,1993. -170 с.
2. Глазер Р. Очерк основ биомеханики /пер. с англ. / Р.Глазер. М.;Мир, 1988. - 128 с.
3. Оптимальное управление: Сборник. М.: Знание, 1978. - 143 с.
4. Розен Р. Принцип оптимальности в биологии/пер. с англ. /Р.Розен. М.: Мир, 1969. - 215 с.
5. Фаробин Я.Е. Теория поворота транспортных машин / Я.Е.Фаробин. М.: Машиностроение, 1970. -176 с.
6. Ханин М.А.Экстремальные принципы в биологии и физиологии / М.А.Ханин, Н.Л.Дорфман, И.Б.Буха-ров и др.М.: Наука, 1978. - 236 с.
7. Чегодаев А.Е. Змеи, как они есть / А.Е.Чегодаев. М.: Знание, 1990. - 62 с.
8. Чегодаев А.Е. Удивительный мир рептилий / А.Е.Чегодаев. СПБ.; Гидрометеоиздат, 1992. -174 с.
2
