Главная страница

Методические указания для выполнения курсовой работы по дисциплине Информатика Направление подготовки 160100 Авиа- и ракетостроение


Скачать 0.76 Mb.
НазваниеМетодические указания для выполнения курсовой работы по дисциплине Информатика Направление подготовки 160100 Авиа- и ракетостроение
АнкорMetodichka_informatika_KR.doc
Дата13.01.2017
Размер0.76 Mb.
Формат файлаdoc
Имя файлаMetodichka_informatika_KR.doc
ТипМетодические указания
#3994
Каталог

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Тульский государственный университет


КАФЕДРА РАКЕТНОГО ВООРУЖЕНИЯ

УТВЕРЖДАЮ

Декан машиностроительного

факультета

____________ Е.П. Поляков

" ____"___________2010 г.



Методические указания

для выполнения курсовой работы по дисциплине

"Информатика"

Направление подготовки: 160100 «Авиа- и ракетостроение»

Специальности подготовки: 160302 «Ракетные двигатели»

160701 «Баллистика»

160801 «Ракетостроение»

Тула

2010
Разработали: Дунаев В.А., д.т.н., профессор,

Конюхова Л.А., к.т.н., доцент.
Методические указания для курсового проектирования обсуждены на заседании кафедры «Ракетное вооружение»

" ____"______________2010 г.

Заведующий кафедрой ______________________ Н.А. Макаровец

Нормоконтролер, ответственный за стандартизацию на кафедре

___________________ С.И. Стреляев

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития цивилизации характеризуется переходом к так называемому информационному обществу, в котором в результате процессов информатизации и компьютеризации новые информационные технологии глубоко проникают во все отрасли хозяйства, производства, науку, образование, во все направления интеллектуальной и созидательной деятельности человеческого общества. Информация становится важнейшим ресурсом развития общества наравне с сырьевыми и энергетическими ресурсами.

В настоящее время, когда ЭВМ стали необходимым оборудованием научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро и заводов, любой выпускник высшего учебного заведения должен обладать знаниями и навыками, необходимыми для решения практических задач с использованием средств и возможностей современной вычислительной техники.

Создание новых сложнейших объектов и устройств, разработка новых технологических процессов производства возможны только на основе всего объема новейшей информации, наиболее современных средств и методов доступа и обработки информации, на основе мощных методов информационного и математического моделирования, методов проектирования и программирования, основанных на применении современных средств вычислительной техники и современных программных средств.

Специфика современной инженерной деятельности приводит к необходимости делать акценты на выработке у студентов основ алгоритмического мышления, умении четко формулировать задачу, выявлять исходную и результирующую («выходную») информацию, навыков постановки и решения инженерных задач, построения информационных и математических моделей, применении современных технических и программных средств для решения задач.

ЦЕЛЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Целью данной курсовой работы является выработка у студентов практических навыков в применении новых информационных технологий при решении прикладных задач проектирования ЛА, построении и анализе программ, выборе способа и анализе представления данных.

Студент должен уметь правильно и рационально выбрать метод решения задачи, составить алгоритм ее решения с учетом особенностей конкретной задачи и возможностей ЭВМ, имеющихся в его распоряжении, составить алгоритм и программу на алгоритмическом языке программирования, отладить ее и правильно интерпретировать полученные результаты. Для этого необходимо знание основ устройства ЭВМ и вычислительных систем, технических и программных средств реализации информационных процессов, алгоритмических языков программирования, численных методов решения математических задач, баз данных, компьютерной графики.

Выполнение курсовой работы направлено на овладение практическими навыками использования ЭВМ для численного решения обыкновенных дифференциальных уравнений и их систем, дифференциальных уравнений в частных производных, проведение вычислительных экспериментов по решению практических задач.

Тематика курсовой работы


В рамках выполнения курсовой работы студентам предлагается разработать численную модель, алгоритм и программу расчета неуправляемого полета летательного аппарата (ЛА) на языке программирования С++ с заданными начальными условиями по известной математической модели, выполнить тестирование программы, провести вычислительные эксперименты и анализ полученных результатов, построить графики траектории полета ЛА, сделать практические выводы.

Конкретное задание определяется руководителем курсовой работы.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Основные этапы решения задач на ЭВМ

Понятие “решение задачи” с помощью ЭВМ включает в себя гораздо больше, нежели просто вычисления на ЭВМ. Основой современного программированная является концепция структурного программирования, включающего в себя определенные принципы проектирования, кодирования, тестирования и документирования программ в соответствии с заранее определенной жесткой дисциплиной.

Полное решение задачи на ЭВМ предусматривает выполнение идущих последовательно друг за другом следующих этапов.

Постановка задачи. Прежде чем понять задачу, ее нужно точно сформулировать. Это условие само по себе не является достаточным для понимания задачи, но оно абсолютно необходимо.

Обычно процесс точной формулировки задачи сводится к постановке правильных вопросов:

  • Понятна ли используемая терминология?

  • Что дано? Что нужно найти?

  • Как определить решение?

  • Каких данных не хватает, или, наоборот, все ли перечисленные в формулировке задачи данные используются?

  • Какие сделаны допущения?

Возможны и другие вопросы, возникающие в зависимости от конкретной задачи.

Построение модели. Приступая к разработке модели, необходимо ответить на два основных вопроса:

  • Существуют ли решенные аналогичные задачи?

  • Какие математические структуры больше всего подходят для задачи?

Как правило, существует несколько способов математического описания задачи; должен быть выбран один из них или разработан новый способ, если ни один из имеющихся не приложим.

В случае решения типовой задачи удобно и целесообразно воспользоваться ранее наработанными правилами и моделями. Для ответа на второй вопрос в первую очередь необходимо описать математически, что известно и что необходимо найти.

Сделав пробный выбор математической структуры, задачу следует переформулировать в соответствующих терминах математических объектов.

Численный анализ. Математическая формулировка задачи может оказаться непереводимой непосредственно на язык ЭВМ, так как ЭВМ выполняет только арифметические действия и принимает простейшие количественные решения. Кроме того, необходимо убедиться, что никакие погрешности, содержащиеся в исходных данных или внесенные в процессе вычислений, не влияют на точность результатов. Это целая область современной математики.

Разработка алгоритма. Выбор метода разработки алгоритма зачастую значительно зависит от выбора модели и может в большой степени повлиять на эффективность алгоритма решения. Два различных алгоритма могут быть правильными, но очень сильно различаться по эффективности. При построении алгоритма последовательность операций изображается, как правило, графически в виде блок-схемы.

Программирование для ЭВМ.

Как только алгоритм выражен (например, в виде последовательности шагов) и доказана его правильность, возникает необходимость реализации алгоритма, т. е. написания программы для компьютера.

При написании программы необходимо, прежде всего, определиться с ответами на основные вопросы:

  • Каковы основные переменные? Каких типов они бывают?

  • Сколько нужно массивов и других структур для хранения данных и какой размерности?

  • Необходимо ли использование операторов цикла для решения задачи?

Затем алгоритм нужно изложить на языке, который может быть “понят” ЭВМ непосредственно (машинный язык) или после предварительного “перевода” (С/С++).

Отладка программы.

В процессе программирования имеется столько возможностей допустить ошибку, что большинство программ работает сначала неверно. Ошибки в программе должны быть обнаружены и исправлены, а саму программу необходимо тщательно испытать, быть уверенным в достоверности результатов, на этом этапе используется ЭВМ.

Вычисления.

На данном этапе можно производить расчеты по программе, используя исходные данные задачи. Как правило, расчет делается сразу для нескольких вариантов набора исходных данных, этот этап может занять от не­скольких долей секунд до многих часов, в зависимости от задачи и от воз­можности ЭВМ.

Интерпретация результатов.

Как уже говорилось, результаты вычисления, выдаваемые машиной, не всегда содержат полный “ответ” к задаче. Человек, производящий рас­чет на ЭВМ, должен каким-то образом интерпретировать результаты, чтобы понять, что они означают с точки зрения критериев, которым должна удовлетворять исследуемая система. Очень часто бывает нужно частично или полностью повторить предшествующие этапы, пока задача не будет действительно решена.

Физическая модель полета ЛА

Траектория движения – это линия движения центра массы снаряда (ракеты) от точки вылета из канала ствола огнестрельного оружия или ствола пусковой установки до точки встречи с целью (точки разрыва).

В данном случае будем считать, что запуск ЛА осуществлялся с уровня поверхности Земли (координаты точки пуска x0=0 и y0=0) со скоростью v=v0 под заданным углом пуска к горизонту. Сделаем предположение, что цель ракеты также располагается на поверхности Земли, так что конечная точка траектории будет иметь координаты xк=0 и yк=0.

Для упрощения расчетов сделаем следующие допущения:

- все силы, действующие на ракету, приложены к центру ее масс;

- в процессе полета ракета не совершает колебательных и вращательных движений;

- изменениями значений постоянных величин, таких как ускорение свободного падения и плотность воздуха, в зависимости от высоты пренебрегаем (g=const, ρв= const);

- участок Земли, над которым происходит движение ЛА будем считать плоским;

- вращением Земли пренебрегаем.
Движение ЛА по траектории можно описать с использованием второго закона Ньютона, устанавливающем взаимосвязь между равнодействующей всех сил , приложенных к телу определенной массы m и ускорением этого тела :

(1).

На ЛА в процессе движения по траектории действуют следующие силы (рисунок 1): создаваемая двигателем сила тяги , направленная по касательной к траектории и совпадающая по направлению с вектором скорости , аэродинамическая сила , направленная по касательной к траектории в направлении, противоположном вектору скорости, и сила тяжести .



Рисунок 1 – Схема сил, действующих на ЛА в произвольный момент времени

Весь процесс движения ЛА можно разделить на два участка: активный (с работающим двигателем) и пассивный (после прекращения работы двигателя).

На активном участке траектории ракета является телом с переменной массой, которая обусловлена выгоранием топлива. Изменение массы характеризуется секундным массовым расходом ,

где - это полная масса топлива, .- время активного участка траектории (при условии полного сгорания топлива).

Следует также помнить, что второй закон Ньютона, записанный в форме , справедлив только для тел с постоянной массой. Использование его для тел, масса которых изменятся, возможно лишь в случаях разбиения всего расчетного времени на интервалы , в течение которых массу тела можно принять постоянной.

Расчет траектории движения ракеты сводится к определению параметров траектории и характеристик ракеты, которые являются функцией от времени. В этом случае уравнение (1) можно записать в виде:

. (2)

Математическая модель полета ЛА

В соответствии с принятой физической моделью можно представить уравнение (2) в проекциях на оси выбранной системы координат:

. (3)

Сила аэродинамического сопротивления определяется по зависимости

, (4)

где – коэффициент аэродинамического сопротивления;

– площадь миделевого сечения;

– плотность воздуха;

– скорость ЛА.

Сила тяги равна

(5)

Массу тела в каждый конкретный момент времени можно определить по зависимости

, (6)
где – полная масса ракеты с топливом;

– масса топлива;

– время активного участка траектории.

Скорость и ускорение тела в данном случае могут быть определены по зависимостям:

(7)

(8)

Тригонометрические функции угла наклона траектории в каждый момент времени могут быть определены:



Таким образом, с учетом всех принятых допущений система уравнений движения ракеты может быть представлена в виде системы дифференциальных уравнений первого порядка:

(9)

Численная модель полета ЛА

Полученная система уравнений представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений, общий вид которой может быть представлен следующим образом:

, где x=x(t) – неизвестная функция.

Решением дифференциального уравнения является поиск такой функции x=x(t), при подстановке которой в это уравнение получается тождество.

При решении подобного рода уравнений в первую очередь необходимо уравнения высших порядков привести к системе уравнений первого порядка. Например, уравнение второго порядка



можно переписать в следующем виде

,

где z – новая зависимая переменная, определяемая вторым уравнением. Теперь мы имеем систему уравнений относительно y и z. Решение этой системы дает функцию и ее производную.

В данном случае, переходя от системы уравнений (3) к системе уравнений (9) мы использовали зависимости (7) и (8), поэтому итоговая система уравнений (9) является системой уравнений первого порядка.

В качестве примера рассмотрим приближенное решение дифференциального уравнения первого порядка методом Эйлера:

. (10)

Заменяя производную в окрестности каждого i-го узла сетки разностным отношением, приходим к следующему виду уравнения:

. (11)

Последовательные значения определяются по формуле

.

Метод Эйлера имеет очень простую геометрическую интерпретацию. Искомая интегральная кривая у(х) на отрезке [а; b] приближается к ломаной (рисунок 2), наклон которой на каждом элементарном участке i, хi+1] определяется наклоном интегральной кривой уравнения в точке i, уi).



Рисунок 2 – Графическая интерпретация метода Эйлера

В основе метода Эйлера лежит идея графического построения решения дифференциального уравнения, т.е. построения таблицы приближенных значений функции у=у(х), удовлетворяющей заданным начальным условиям, где , - шаг таблицы.

x

x1

x2

x3



xn

y

y1

y2

y3



yn

Приближенно можно считать, что правая часть в остается постоянной на каждом из отрезков между точками деления. Метод Эйлера состоит в непосредственной замене производной разностными отношениями по приближенной формуле

;

.

Таким образом, если x=x1, то

;

если x=x2, то

;

если x=xi+1, то

;

Таким образом, получение таблицы значений искомой функции у(х) по методу Эйлера заключается в циклическом применении пары формул

, (12)

где i=0, 1, 2,…n.

Геометрически эти формулы означают, что на отрезке i; хi+1] интегральная кривая заменяется отрезком касательной к кривой (рисунок 3).



а – интегральная кривая б – касательная к кривой

Рисунок 3 – Графическая интерпретация метода Эйлера

Применяя метод Эйлера к системе уравнений (9), получим

.

Далее, используя зависимость (7) можем найти значения координат ЛА в каждый момент времени и построить график траектории движения ЛА при заданных начальных условиях

.

Метод Эйлера при достаточно малых величинах шага дает решение с большой точностью, так как погрешность на каждом шаге расчета.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

Задание на курсовую работу

Студенту, выполняющему курсовую работу, необходимо разработать численную модель, алгоритм и программу расчета траектории движения ЛА по заданной математической модели и исходным данным, провести вычисления по разработанной программе, проанализировать полученные результаты.

Исходные данные для расчетов приведены в таблице 1.

Значения =0,3; g=9,8 кг/м2;ρв=1 кг/м3.

Задание для вариантов 1-15: Исследовать влияние некоторого параметра ЛА, изменяющегося в заданном диапазоне, на дальность полета.

Задание для вариантов 16-30: Определить, при каком значении неизвестного параметра будет обеспечена заданная дальность полета.

Таблица 1

вар.

Sм·10-3,

м2

m0,

кг

mt,

кг

ta,

с

P,

кН

v0,

м/с

α,

град

X,

км

1.

15…20

38

26

5,5

23

120

40

?

2.

37

42

20…24

5

38

115

39

?

3.

29

31

17

4,1

41

110…115

41

?

4.

18

18…23

12

5,2

29

130

35

?

5.

31

25

15

3,5…5,3

34

127

45

?

6.

42

25…29

15

6,0

26

118

44

?

7.

15

20

9

6,5

35

128

40…44

?

8.

8

35

21

3,1…3,6

19

135

41

?

9.

42…45

50

29

6,8

38

120

39

?

10.

26

42

27

3,2

22…30

114

42

?

11.

12

35

21

3,8

33

128

34…41

?

12.

21

35

15…18

4,5

41

120

33

?

13.

32

28

15

5,5

34…41

119

34

?

14.

28

30

17

5,0

25

115

40

?

15.

14

35

19

5,2…6,0

22

113

46

?

16.

?

28

15

7,0

30

121

36

25

17.

22

?

13

3,9

21

140

37

30

18.

13

22

10

?

20

128

41

18

19.

44

55

26

4,5

40

?

39

35

20.

35

45

?

5,4

42

134

42

21

21.

27

40

21

5,9

27

122

?

19

22.

45

56

29

6,3

41

?

44

28

23.

19

25

?

5,8

21

118

42

30

24.

10

20

11

4,7

?

130

40

12

25.

23

30

16

?

27

122

38

15

26.

28

29

15

3,9

31

119

?

19

27.

25

27

15

5,1

29

?

37

21

28.

38

40

23

5,6

?

115

46

30

29.

41

?

20

6,1

41

108

35

22

30.

?

30

15

6,2

43

111

39

20

Содержание пояснительной записки


Пояснительная записка должна иметь следующую структуру:

- титульный лист;

образец см. Приложение 1

- задание на курсовую работу, подписанное преподавателем;

- содержание;

должно содержать названия разделов и номеров страниц

- введение;

во введении должна быть изложена цель работы, обоснована научно-техническая целесообразность проводимой работы.

- постановка задачи;

приводится краткая характеристика общей проблематики, к которой относится данная работа, дается полное и детальное описание конкретной задачи с использованием терминологии, принятой в данной области техники;

- математическая постановка задачи;

представляется математическая модель исходной задачи, в терминах которой задача формулируется как чисто математическая.

- численный метод решения задачи;

подробно излагается выбранный метод решения задачи, анализируются источники погрешности метода, пути их уменьшения и возникающие при этом трудности.

- блок-схема алгоритма;

- листинг программы;

- результаты проведенных исследований;

результаты исследований, проведенных в рамках задания, представляются в виде таблиц, рисунков и графиков (графики траектории движения ЛА и зависимости дальности полета от изменяющегося параметра являются обязательными)

- анализ результатов исследований, выводы по работе;

- список использованной литературы.

Оформление пояснительной записки

Пояснительная записка должна быть напечатана на белой писчей бумаге формата А4 (210 х 297 мм). Записка должна быть оформлена в соответствии с ГОСТ 2.105-68 ЕСКД и подписана студентом на первой странице.

С левой стороны листа необходимо оставить поле, шириной 25 мм, служащее для сшивки листов, все остальные поля должны иметь ширину 10-15 мм. Все страницы текста должны быть пронумерованы. Каждый рисунок, таблица должны иметь порядковый номер и название.

Рисунок (таблица) помещается в записке на листе, имеющем номер, причем не ранее той страницы, на которой на него сделана ссылка в тексте. В записке не должно быть рисунков и таблиц, на которые нет ссылок. Каждый рисунок (таблица) должны иметь название.

Формулы, уравнения и другие математические выражения могут появиться в тексте только после соответствующего пояснения.

Записка в целом должна представлять собой связный текст, доступный для понимания без дополнительных устных пояснений.

При использовании литературных источников обязательно делается ссылка на источник. При этом в квадратных скобках указывается его порядковый номер в списке использованной литературы и номер страницы или рисунка, например [7, с.15], [10, с.203, рис.2.15].

Заголовки разделов пишутся прописными буквами

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ


На выполнение и защиту курсовой работы отводится двенадцать недель. Выполнение начинается с анализа задания и обзора литературы.

В процессе работы студент может пользоваться консультациями. Курсовая работа выполняется по графику, который доводится до сведения студентов одновременно с выдачей задания.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РАБОТЫ К ЗАЩИТЕ

Перед защитой к указанному сроку студент представляет выполненную курсовую работу на заключение руководителю. Руководитель отмечает отступления от задания и требований к оформлению проекта. За два дня до срока защиты руководитель обязан возвратить пояснительную записку студенту для анализа замечаний и подготовки к защите.

В случае, если руководитель сделает вывод о невозможности допуска студента к защите курсовой работы, последний обязан переработать материал в соответствии с замечаниями и вновь представить его на заключение.

Для защиты работы студент составляет доклад, рассчитанный на 5…10 мин. В докладе должны быть изложены основные вопросы выполненной работы.

Защита работы проводится перед комиссией, состав которой назначается кафедрой. После доклада студент отвечает на вопросы членов комиссии по содержанию работы и общетеоретическому материалу.

Студент, не сумевший защитить свою работу перед комиссией, получает неудовлетворительную оценку. При этом комиссия излагает мотивы своего решения и предложения, касающиеся доработки выполненного объема или выдачи нового задания. К повторной защите студент допускается лишь после доработки курсовой работы (выполнения новой курсовой работы), нового заключения руководителя и при наличии направления деканата.

Библиографический список

        1. Побегайло А.П. С/С++ для студента. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 528с.

        2. Колдаев В.Д. Численные методы и программирование: учебное пособие/ под ред. Проф. Л.Г. Гагариной. – М.: ИД «Форум»: ИНФРА-М, 2008. – 336 с.

        3. Культин Н.Б. С/С++ в задачах и примерах. – СПб.: БХВ-Петербург, 2008. – 288 с.

        4. Вонг У. Основы программирования для «чайников», 4-е издание.: пер. с англ. – М.: ООО «И.Д.Вильямс», 2007. – 336 с.

Приложение 1
Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Тульский государственный университет


КАФЕДРА РАКЕТНОГО ВООРУЖЕНИЯ

Курсовая работа

по дисциплине "Информатика"
Выполнил: студент группы_______

____________________
Проверил: _____________________

Тула

2010
перейти в каталог файлов
связь с админом