Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 313
Скачиваний: 18
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
95 созданное окно. Клавишу мыши нужно держать нажатой. На рис. 5.6 показано окно модели, содержащее блоки.
Для удаления блока необходимо выбрать блок (указать курсором на его изображение и нажать левую клавишу мыши), а затем нажать клавишу
Delete на клавиатуре.
Рис. 5.6. Окно модели с блоками
3. Далее, если это требуется, нужно изменить параметры блока, установленные по умолчанию. Для этого необходимо дважды щелкнуть левой клавишей мыши, указав курсором на изображение блока. Откроется окно редактирования параметров данного блока. При вводе численных параметров следует иметь в виду, что в качестве десятичного разделителя должна использоваться точка, а не запятая. После внесения изменений нужно закрыть окно кнопкой OK. Можно также, не закрывая окна, воспользоваться кнопкой Apply для сохранения изменений. На рис. 5.7 в качестве примера показаны блок, моделирующий передаточную функцию, и окно редактирования параметров данного блока.
Рис. 5.7. Блок передаточной функции и его окно параметров
4. После установки на схеме всех блоков требуется выполнить соединение элементов схемы. Для этого необходимо указать курсором на
«выход» блока, а затем нажать и, не отпуская левую клавишу мыши, провести линию ко входу другого блока. После чего отпустить клавишу.
Если соединение не создано, то линия связи будет пунктирной и иметь
96 красный цвет. В случае правильного соединения линия связи будет сплошной. Для создания линии связи можно также выделить блок–
источник сигнала, затем нажать клавишу Ctrl на клавиатуре и выделить блок–приемник. Для создания точки разветвления в соединительной линии нужно подвести курсор к предполагаемому узлу и, нажав правую клавишу мыши, протянуть линию. Для удаления линии требуется выбрать линию, а затем нажать клавишу Delete на клавиатуре. Схема модели, в которой выполнены соединения между блоками, показана на рис. 5.8.
Рис. 5.8. Готовая модель
5. После составления расчетной схемы необходимо сохранить ее в виде файла на диске, выбрав пункт меню File
⇒ Save As... в окне схемы и указав папку и имя файла. Следует иметь в виду, что имя файла не должно превышать 64 символов, должно начинаться с буквы и содержать только алфавитно-цифровые символы латиницы и знак подчеркивания. Это же требование (за исключением длины названия) относится и к пути файла.
При последующем редактировании схемы можно пользоваться пунктом меню File
⇒ Save. При повторных запусках программы SIMULINK загрузка схемы осуществляется с помощью меню File
⇒ Open... в окне обозревателя библиотеки или из командного окна системы MATLAB.
5.3. Решение электротехнических задач
Решение электротехнических задач вне зависимости от прикладного программного пакета начинается с математического описания исследуемого объекта. При использовании виртуальных блоков пакета
Simulink и его расширений (Blocksets)
математическое описание
«спрятано». Поэтому студенту необходимо составить структуру объекта и настроить параметры блоков, используемых при моделировании.
Результаты моделирования при этом могут быть представлены в табличном или графическом виде.
Рассмотрим применение этой методики на примере моделирования электрической схемы рис. 5.9. Где в качестве исходных данных заданы активные и реактивные параметры схемы, а именно:
L1=50мГн, R1=1 Ом, С1=10мкФ, L2=5 мГн.
97
Рис. 5.9. Электрическая схема фильтра
На этапе подготовки модели, на рабочее поле из библиотеки блоков
SimPowerSystems / Elements / Series RLC Branch, размещают последовательные R-L-C цепочки рис. 5.10.
Рис. 5.10. Рабочее поле на этапе подготовки модели
При этом если необходимо исключить какой-либо элемент из цепочки, то нужно в окне задания параметров установить «inf»
(бесконечность) для исключения емкости и «0» для исключения сопротивления и индуктивности рис. 5.11.
Рис. 5.12. Настройка параметров
Затем подключают к схеме источник переменного напряжения, который находится в библиотеке SimPowerSystems / Electrical Sources /
AC Voltage Sources и собирают схему (рис.5.13). При этом устанавливают параметры источника питания (рис. 5.14)
98
Рис. 5.13. Модель исследуемой схемы
Рис. 5.14. Блок настройки параметров источника
Для визуализации процессов, протекающих в схеме нужно к вольтметру подсоединить осциллограф, который находится в библиотеке
Simulink / Sinks / Scope (рис. 5.15). Реальная электрическая схема работает на нагрузку, поэтому подключают к выходу схемы активную нагрузку и снимем графики процессов.
Рис. 5.15. Осциллограммы входного и выходного напряжений
Для исследования переходных процессов во временной области на рис. 5.16 показана схема с использованием параллельного колебательного контура и осциллограмма переходного процесса.
На схеме представлен источник переменного напряжения амплитудой 100 В и частотой 50 Гц
99 подключается к цепи с параметрами: R = 0.1 Ом, L = 0.1*10
-3
Гн и
C = 0.01*10
-3
Ф.
Рис. 5.16. Схема для исследования переходного процесса в RLC цепи.
5.4. Исследование электротехнических устройств
Одной из основных задач при исследовании электротехнических устройств является получение детальной количественной информации о процессах, происходящих в устройстве. Все электротехнические устройства по назначению, принципу действия и конструктивному оформлению можно разделить на три большие группы, а именно: источники энергии – устройства, вырабатывающие электрический ток; приемники – устройства, потребляющие электрический ток; проводники, а также различная коммутационная аппаратура
(выключатели, реле, контакторы и т.д.).
При исследовании процессов в отдельно взятых устройствах и их совокупности, объеденной в электрическую цепь, прибегают к их эквивалентным схемам замещения. Когда реальную электрическую цепь, представляют в виде совокупности идеализированных схемных элементов, и называют
схемой
замещения
электрической
цепи или электротехнического устройства .
Схемы замещения отдельных электротехнических устройств в пакете
Simulink и его расширений (Blocksets) представляют в виде отношения изображений по Лапласу выходных координат к изображению входных координат. Объектом исследования, при таком подходе, является передаточная функция, которая задается с помощью звена Transfer Fcn из библиотеки Simulink / Continuous.
Поэтому рассмотрим вывод передаточной функции для электрической схемы, представленной на рис. 5.9.
100
5.4.1. Вывод передаточных функций электрической схемы
Для заданной принципиальной схемы (рис. 5.9), по второму закону
Кирхгофа запишем дифференциальные уравнения:
ВХ
1 1
ВЫХ
ВЫХ
2 2
1
;
1
di t
U
t
L
i t
R
U
t
dt
di t
U
t
i t
dt
i t
R
L
C
dt
(5.1)
Дифференцируя второе уравнение системы дифференциальных уравнений (5.1) получим:
ВХ
1 1
ВЫХ
2
ВЫХ
2 2
2 1
;
1
di t
U
t
L
i t
R
U
t
dt
dU
t
di t
d i t
i t
R
L
dt
C
dt
dt
(5.2)
Передаточная функция – это отношение изображения по Лапласу выходной координаты к изображению входной [2,14] . Чтобы получить передаточную функцию, необходимо перейти от временной формы записи дифференциальных уравнений к операторной форме.
Данное преобразование называется преобразованием Лапласа, при котором в искомом дифференциальном уравнении делается замена
d
p
dt
После преобразования Лапласа система уравнений выглядеть следующим образом:
ВХ
1 1
ВЫХ
2
ВЫХ
2 2
1 1
U
p
L p i p
i p
R
U
p
p U
p
i p
i p
R
p
L
p
i p
C
(5.3)
Выразим из второго уравнения системы (5.3) значение
( )
i p
и подставим в первое уравнение. После несложных преобразований получим передаточную функцию заданной схемы:
2
вых
2 1
2 1
2
вх
1 1
2 1
1 1
2 1
( )
1
( )
(
)
(
)
1
U
p
L C p
R C p
W p
U
p
L C
L C
p
R C
R C
p
. (5.4)
Введем обозначения
2 1
2 1
T
L C
,
2 2
1
T
R C
,
2 3
1 1
T
L C
,
4 1
1
T
R C
– постоянные времени электрической цепи.
2 2
1 2
2 2
2 3
1 4
2 1
1
T
p
T
p
W p
T
T
p
T
T
p
(5.5)
Используя передаточную функцию (5.5) составляется структурная схема, рис. 5.17
101
Рис. 5.17. Структурная схема
Объектом исследования, в данном случае, является передаточная функция, которая задается с помощью звена Transfer Fcn из библиотеки
Simulink/Continuous. Входное воздействие на передаточную функцию подается с помощью элемента Constant из библиотеки Simulink /
Commonly
Used
Blocks, а выходной сигнал регистрируется осциллографом Simulink / Sinks / Scope.
Коэффициенты числителя следует вводить в поле Numerator,
(num(s)) начиная с коэффициента при старшей производной. Аналогично заполняется поле знаменателя передаточной функции Denominator,
(den(s)).
Переходная характеристика – это реакция системы на единичное входное воздействие, приведена на (рис. 5.18.) в виде осциллограммы на осциллографе.
Рис. 5.18. Осциллограмма переходной характеристики
При построении переходного процесса существенно влияет на результат выбор численного метода расчета (Solver), шага расчета
(Relative tolerance), начального и конечного значения времени переходного процесса (Start time, Stop time). Рекомендуется устанавливать параметры как указано на рис. 5.19.
Наличие передаточной функции позволяет определить частотные характеристики, исследуемой схемы электротехнической установки. В качестве частотных характеристик при проектировании и исследование процессов в электротехнических установках пользуются достаточно часто амплитудно-частотными и фазо-частотными характеристиками [1,3,4] .
Сущность метода частотных характеристик заключается в том, что на вход исследуемой системы подается гармонический сигнал
(синусоидальные колебания) в широком диапазоне частот. Реакция
102 системы при разных частотах позволяет судить о ее динамических свойствах.
Рис. 5.19. Блок выбора численного метода расчета переходной
характеристики
Формально для получения частотных характеристик необходимо иметь частотную передаточную функцию. Для этого в передаточной функции W(р) осуществляют подстановку
ω
p
j , и тогда, полученная функция W(jω) является комплексным выражением, которое можно представить в виде:
2 2
1 (
)
2 (
) 1
(
)
(
) ( 3 1) (
) ( 4 2) 1
T
j
T
j
W j
j
T
T
j
T
T
(5.6)
Чтобы построить частотные характеристики, нужно задать вход и выход передаточной функции с помощью команды
«Linear
Analysis»/«Input Point» и «Linear Analysis»/«Output Point» из выпадающего меню, при щелчке правой кнопки на входе и выходе передаточной функции.
После назначения входа и выхода передаточной функции модель принимает вид (рис. 5.20):
Рис. 5.20. Модель для построения частотных характеристик
Для построения частотных характеристик открывают окно настройки
«Control and Estimation Tools Manager» и выбирают «Bode Response
103
Plot» и нажимают на «Linearize Model». Блок настройки приведен на рис.
5.21.
Рис.5.21. Блок настройки для построения частотных характеристик
В окне построения графика (рис. 5.22) можно наблюдать в верхней части
Рис. 5.22. Амплитудно-частотная и фазовая частотная характеристики
После выполнения команд «File\Print to Figure» и «Edit\Copy
Figure» можно отправить графики частотных характеристик в буфер обмена для дальнейшей обработки в графическом редакторе.
104
1 2 3 4 5 6 7
Глава 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ЗАДАЧ В ПРОГРАММЕ
«ELCUT»
ELCUT - это современный комплекс программ для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов.
ELCUT это полноценное Windows приложение, которое было разработано специально для этой платформы и полностью использует все преимущества современных компьютеров.
Для применения пакета ELCUT его нужно установить на персональный компьютер. Пакет ELCUT в студенческом варианте распространяется бесплатно. Его можно скачать на сайте производителя: http://www.tor.ru/elcut/
6.1. Применение
ELCUT широко используется в научных исследованиях, в промышленности и образовании.
Академические и прикладные научные центры используют его при моделировании полей для изучения разнообразных физических процессов, а также для разработки приборов и устройств, применяемых в научных исследованиях.
Моделируемые в ELCUT физические задачи, связанные с электромагнитными полями, электрическими токами, температурными полями, упругими напряжениями и деформациями – сегодня возникают в самых различных направлениях научных исследований.
Промышленные предприятия все шире обращаются к конечно элементному моделированию для улучшения качества проектирования и ускорения разработки новых устройств, уменьшению цикла разработки и повышения конкурентоспособности своей продукции.
На электромашиностроительных заводах ELCUT применяют для расчета электромагнитных параметров и тепловых режимов электрических машин. Необходимость в анализе поля возникает при расчёте для оптимизации существующих машин, либо при расчёте машин нетрадиционных конструкций.
Анализ электрического поля в высоковольтных вводах, обмотках, изоляционных системах используется при проектировании силовых трансформаторов и других высоковольтных аппаратов.
Тепловые расчеты с помощью ELCUT успешно используют при проектировании систем обогрева с помощью нагреваемых кабелей, специализированных и комбинированных систем контроля температуры, вентилируемых фасадов, ограждающих конструкций в строительстве и архитектурном проектировании.
105
Повышенное внимание к электромагнитной экологии стимулирует использование ELCUT в задачах электромагнитного экранирования жилых и производственных помещений и электромагнитной совместимости.
В образование ELCUT используется как эффективное средство при подготовке инженеров. Он широко входит в практику преподавания физики, электротехники, прикладных дисциплин во многих высших учебных заведений России и стран СНГ. Особенно целесообразно использовать ELCUT при изучении раздела теории поля в дисциплине теоретических основ электротехники (ТОЭ), при расчете полевых задач в электрических машинах, изоляции, электротехнологий, электропривода, энергообеспечения предприятий, электромеханики и в системах автоматизированного проектирования (САПР).
6.2. Основные принципы работы
1. Установка ELCUT
Профессиональная версия ELCUT, а также Студенческая версия, распространяемая на компакт-диске, содержит программу автозапуска
Autorun.exe
Вставьте компакт-диск "ELCUT" в устройство для чтения компакт- дисков. Если, вследствие настроек компьютера, не запустится программа автозапуска, запустите файл Autorun.exe, находящийся в корневом каталоге компакт-диска.
Студенческая версия ELCUT, свободно загружаемая с сайта www.elcut.ru,
не содержит программы автозапуска. В этом случае для установки ELCUT распакуйте полученный архив во временную папку на вашем жестком диске, например, С:\Temp\Elcut, сохраняя структуру внутренних папок архива. Затем найдите во временной папке программу установки setup.exe и запустите её.
2. Работа с меню
После запуска программы появляется рабочий экран, в верхней части которого расположены главное меню и кнопки, позволяющие ускорить работу, рис.6.1. Слева от рабочего окна расположена задача, которая была активной на момент последнего закрытия программы (1). В правой части экрана находится справочная панель (6), или лучше сказать, панель с подсказками, которая сопровождает нас в течение всего времени работы с системой, автоматически вводя нужный раздел справки. При желании ее можно закрыть, щелкнув по крестику расположенному в правом верхнем углу. Кнопка 2 позволяет приступить к созданию новой задачи. Кнопка 3 позволяет открыть модель и провести с ней редактирование. Кнопка 4 включает решатель программы для решения задачи. Кнопка 5 позволяет просмотреть результат решения задачи.