Файл: Программные средства профессиональной деятельности.pdf

Этап определения физических свойств. Для задания физических свойств, дважды щелкнем в окне описания задачи по метке Воздух. В появившемся окне Свойства метки воздух введем диэлектрическую проницаемость воздуха (ε
x=1) и плотность электрического заряда в воздухе (для данной задачи ρ=0) (рис. 6.21).

117
Рис. 6.21. Присвоение физических свойств воздуху
То же самое необходимо проделать для блока Диэлектрик. Разница заключается только в том, что для него ε
x=4. При этом (следует обратить внимание), что значки стоящие рядом с именами меток, в окне описания задачи, изменились. Это говорит о том, что физические свойства меток определены.
Определение граничных условий.
Для того, чтобы смоделировать эквивалентное поле создаваемое по условию задачи внешним источником считают, что оно создается эквивалентным конденсатором образованным ребрами AD и ВC. Для этого определяют эквивалентную плотность зарядов на этих ребрах. На ребре с меткой Лево задается граничное условие Неймана, определяемое плотностью зарядов на поверхности по формуле:
0 0
=
E
, (6.1)
Дважды щелкнув левой кнопкой мыши на соответствующем элементе дерева задачи, открывают окно Свойства метки – Лево. Устанавливают флажок Поверхностный заряд. Щелкнув левой кнопкой мыши в графу, вводят с клавиатуры соответствующее число. При вводе необходимо вводить числа через точку, иначе система выдаст сообщение об ошибке.
После этого диалог для данной задачи завершается. Для метки Право, вводят заряд той же величины, но с обратным знаком (рис. 6.22).
Электростатическое поле, проводников определяется зарядами, распределенными по их поверхности. Поэтому меткам ребер низ и верх провода присваивается значение потенциала 10000 В (рис. 6.23). Таким образом, источниками результирующего электростатического поля в рассматриваемой задаче являются заряды, распределенные на обкладках внешнего конденсатора и зарядами на ребрах проводников.
Потенциал ребра Поверхность шины устанавливают равной нулю.
Шина в данном случае моделируется одним ребром, поэтому потенциал вводится один раз.

118
Рис. 6.22. Установка граничных условий
Рис. 6.23. Потенциалы ребер провода
В отличие от шины модель диэлектрика образована четырьмя ребрами. В этом случае нужно определить поверхностную плотность заряда каждого ребра отдельно, хотя понятно, что на всех ребрах она одинакова и так же равна нулю.
После того, как метки полностью определены, вид флажков меток ребер изменится (см. рис. 6.24), что указывает на присвоение физических свойств и граничных условий элементам геометрической модели исследуемого объекта.
Создание сетки.
После того как метки созданы приступают к созданию сетки.
Сетка образована узлами. Линии, соединяющие узлы делят всю область задачи на отдельные участки, поле в которых можно считать независящим от координат. Для каждой ячейки программа определяет параметры поля. Конечно, чем больше число узлов, тем выше точность

119 решения.
Рис. 6.24. Определение меток элементов геометрической модели
Электрическое поле в проводниках отсутствует, поэтому решение задачи целесообразно проводить только для диэлектриков, это позволит сэкономить число ячеек сетки. Для того, чтобы создать сетку необходимо выделить в данной задачи блоки Воздух и Диэлектрик. Затем в контекстном меню для каждого из блоков отработать команды Построить
сетку/В выделенных блоках. На рис. 6.25 приведена процедура для создания сетки в блоке Воздух.
Рис. 6.25. Создание сетки
Теперь все готово к численному решению задачи. Для того что бы приступить к решению следует нажать кнопку «
» , расположенную на панели инструментов. После этого появится сообщение, рис. 6.26.

120
Рис. 6.26. Сохранение файла задачи перед ее решением
После двукратного щелчка по кнопке ДА появится картина поля, в виде линий поля, имеющих одинаковый потенциал, так называемых эквипотенциалей, рис. 6.27.
Рис. 6.27. Решение задачи в виде эквипотенциальных линий
На этом решение задачи не заканчивается. Начинается процесс анализа решения. С этой целью следует изменить исходные данные, т.е. вернуться к описанию задачи. Для этого служит кнопка
Открыть
модель. Открыв модель, уменьшают шаг сетки на поверхности проводников. Дело в том, что именно у поверхности проводников происходит изменение направления поля. Если уменьшение шага сетки не меняет картину поля, то считают что решение найдено достаточно точно
Решение задачи отражают не только в виде множества эквипотенциалей, но и в виде силовых линий напряженности и электрического смещения. Для этого следует войти в меню Вид/Картина
поля. В открывшемся окне устанавливают нужные флажки, в соответствии с желаемым видом решения, например, в соответствии с рис. 6.28.
Завершение диалога (щелчок по кнопке ОК) приведет к появлению соответствующего графического отображения электрического поля.
Анализ графического отображения электрического поля позволяет провести количественную и качественную оценку проведенных исследований.

121
Рис. 6.28. Выбор способов графического отображения параметров
электрического поля

122
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
Листинг пользовательской программы для расчета цепи постоянного
тока методом эквивалентного генератора
Исходные данные
Система уравнений для контурных токов
Формирование матриц параметров и свободных членов
Расчет токов в ветвях и напряжения холостого хода
Расчет сопротивления эквивалентного генератора
Расчет тока нагрузки эквивалентного генератора

123
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.
Листинг пользовательской программы для расчета зависимости P(R
н
)
При разработке программы в MathCAD данную задачу можно решить как численно, так и аналитически.
При аналитическом решении необходимо реализовать следующие этапы:
1. Объявить функцию мощности нагрузки P от переменных E – ЭДС генератора, r – сопротивления генератора и R – сопротивления нагрузки;
2.
Вызвать процедуру вычисления производной;
3.
Приравнять производную нулю;
4.
Решить нелинейное уравнение, используя процедуру solve
При численном решении необходимо:
1.
Сформировать исходные данные;
2.
Построить график, используя графический редактор.

124
ПРИЛОЖЕНИЕ 3.
Листинг пользовательской программы для расчета и анализа
стационарного режима работы цепи переменного тока

125

126
ПРИЛОЖЕНИЕ 4.
Листинг пользовательской программы для расчета и исследования
процесса заряда конденсатора

127

128
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Аристов А.В., Бурулько Л.К., Паюк Л.А. Математическое моделирование в электромеханике: учеб. пособие. – Томск: Изд-во ТПУ,
2006. – 145 с.
2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учебник для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 1978. –
528 с.
3. Бурулько Л.К. Математическое моделирование электромеханических систем: учебное пособие. Часть 1 Математическое моделирование преобразователей электрической энергии переменного тока. / Л.К. Бурулько
– Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. – 104 с.
4. Бурулько Л.К. Математическое моделирование электромеханических систем: Лабораторный практикум: учебное пособие. / Л.К. Бурулько –
Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. – 68 с
5. Глазырин А.С. Методы и средства автоматизации профессиональной деятельности. Ч.1: учебное пособие /А.С. Глазырин, Д.Ю. Ляпунов, И.В.
Слащев, С.В. Ляпушкин; под общ. Ред. А.С. Глазырина.– Томск: Изд-во
Томского политехнического университета, 2007. – 199 с.
6. Глазырин А.С. Методы и средства автоматизации профессиональной деятельности. Ч.2: учебное пособие /А.С. Глазырин, Д.Ю. Ляпунов, И.В.
Слащев, С.В. Ляпушкин; под общ. Ред. А.С. Глазырина.– Томск: Изд-во
Томского политехнического университета, 2007. – 173 с.
7. Дьяконов В.П. MathCAD 2000: учебный курс – СПб.: Питер, 2001. – 592 с.
8. Дьяконов В.П. MatLAB 6: учебный курс – СПб.: Питер, 2001. – 592 с.
9. Дьяконов В.П. Simulink - 4: Специальный справочник – СПб.: Питер,
2002. – 528 с.
10.
Дьяконов В. П. Новейшие информационные технологии. Достижения и люди / В. П. Дьяконов. — Москва: СОЛОН-Пресс, 2004. — 410 с.
11. Дьяконов В. П. MATLAB R2006/2007/2008 + Simulink 5/6/7. Основы применения / В. П. Дьяконов. — Москва: СОЛОН-Пресс, 2008. — 800 с.
12. Кирьянов Д.В. Самоучитель MathCAD 13. – СПб.: БХВ – Петербург.
2006. – 528 с.
13. Парфенов А.И., Лопарев А.В., Понамарев В.К. Применение MathCAD в инженерных расчетах: Учеб. пособие/ СПбГУАП. СПб., 2004. – 88 с.
14. Попов В.П. Основы теории цепей: Учебник для вузов. – Изд-во Высшая школа, 2012. – 635 с.
15. Рудникова Л.В. Microsoft Excel для студентов. – СПб.; БХВ –
Петербург, 2007.– 368 с.
16. Арефьев В. П. Линейная алгебра и аналитическая геометрия. Учебное пособие – Издательство ТПУ, Томск, 2010. – 92 с.

129
7. ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Глава 1. ПРОГРАММЫЕ СРЕДСТВА 6 1.1. Программное обеспечение 6 1.2. Прикладное программное обеспечение 8 1.3. Математическое моделирование и пакеты прикладных программ 11
Глава 2. ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ ПАКЕТЫ
СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 13 2.1. Интерфейс программы 13 2.2. Основные этапы создания схем 16 2.3. Выбор и подключение контрольно-измерительных приборов 18 2.4. Решение типовых электротехнических задач 25 2.5. Проверка основных теоретических положений электротехники 27 2.6. Моделирование типовых электрических и электронных устройств 30
Глава 3. ПРИМЕНЕНИЕ ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА
MATHCAD 40 3.1. Интерфейс программы MathCAD 40 3.2. Решение типовых электротехнических задач 43 3.2.1. Расчет и анализ стационарных режимов работы 44 3.2.2. Расчет характеристик эквивалентного генератора 48 3.2.3. Метод комплексных амплитуд 53 3.2.4. Расчет и анализ стационарных режимов в цепях переменного тока 55 3.2.5. Расчет и анализ динамических режимов работы 58 3.3. Символьные вычисления в системе MathCAD 61
Глава 4. РЕШЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ В ПРОГРАММЕ
MICROSOFT EXCEL 66 4.1. Интерфейс программы Excel 66 4.2. Применение функций Excel в электротехнических расчетах 69 4.3. Решение типовых электротехнических задач 70 4.3.1. Расчет электрической цепи постоянного тока 70 4.3.2. Расчет электрической цепи переменного тока76 4.4. Анализ и расчет электротехнических устройств в программе Excel 82 4.4.1. Расчет электротехнических устройств в Excel 82 4.4.2. Численное решение задач в Excel 84 4.4.3.Анализ динамики электротехнических устройств в программе Excel86
Глава 5. ВИЗУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРИКЛАДНОМ
ПРОГРАММНОМ ПАКЕТЕ MATLAB/SIMULINK 90 5.1. Операционная среда Simulink 91 5.2. Создание модели 94 5.3.
Решение электротехнических задач 96 5.4. Исследование электротехнических устройств 99 5.4.1. Вывод передаточных функций электрических схем 100

130
Глава 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ЗАДАЧ В ПРОГРАММЕ
ELCUT 101 6.1. Применение 104 6.2. Основные принципы работы 105 6.3. Модель для расчета электростатического поля 114
ПРИЛОЖЕНИЯ 121
Приложение 1 121
Приложение 2 123
Приложение 3 124
Приложение 4 126

131
Учебное издание
БУРУЛЬКО Лев Кириллович
ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Учебное пособие
Научный редактор доктор технических наук, профессор А.В. Аристов
Редактор Н.Т. Синельникова
Компьютерная верстка А.А. Цыганкова
Зарегистрировано в Издательстве ТПУ
Размещено на корпоративном портале ТПУ в полном соответствии
с качеством предоставленного оригинал-макета
Национальный исследовательский
Томский политехнический университет
Система менеджмента качества
Издательства Томского политехнического университета сертифицирована
NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru