Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»

Н.П. Воробьев теория моделирования в инженерной практике Учебное пособие

Изд-во АлтГТУ

Барнаул-2012

УДК 621.31.001.57(075.8)

Воробьев Н.П. Теория моделирования в инженерной практике: учебное пособие / Н.П. Воробьев; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012. - 253 с.

ISBN

Предназначено студентам, аспирантам и преподавателям энергетических и электротехнических факультетов вузов.

Рецензенты:

А.А. Багаев, д.т.н., профессор, зав. каф.

Электрификации и автоматизации

сельского хозяйства АГАУ;

ISBN

 Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова, 2012

Содержание

1	Анализ основных пакетов для компьютерных расчетов и моделирования электрических, электронных и электроэнергетических устройств и систем………………….....................	4
2	SimPowerSystems: моделирование электротехнических устройств и систем в Simulink – часть 1…………………………………...	11
3	SimPowerSystems: Моделирование электротехнических устройств и систем в Simulink – часть 2. Powergui - графический интерфейс пользователя пакета моделирования энергетических систем………………………………………………………………………...	155
4	Повышение скорости и точности расчетов………………………………..	174
5	Библиотека Simulink-прототипов электротехнических блоков………………………………………………...	178
6	Как SimPowerSystems работает……………………………………………..	182
7	Особенности блока Breaker…………………………………………………	187
8	Моделирование выбега электродвигателя…………………………………	189
9	SimPowerSystems: Моделирование технических устройств и систем в Simulink часть 3. Machines - электрические машины……...............................................................................................	191
10	История развития теории моделирования…………………………………	221
11	Основы теории моделирования электрических сетей…………………….	223
	Список использованных источников…………………………....................	252

1 Анализ основных пакетов для компьютерных расчетов и моделирования электрических, электронных и электроэнергетических устройств и систем

Пакет MATLAB

Система MATLAB предназначена для выполнения инженерных и научных расчетов и высококачественной визуализации получаемых результатов.

Эта система применяется в математике, вычислительном эксперименте, имитационном моделировании.

Примечание - Стоимость системы Matlab составляет 50000 $ полный пакет.

В пакет входит множество хорошо проверенных численных методов (решателей), операторы графического представления результатов, средства создания диалогов.

Отличительной особенностью MATLAB по сравнению с обычными языками программирования является матричное представление данных и большие возможности матричных операций над данными.

Используя пакет MATLAB можно как из кубиков построить довольно сложную математическую модель, или написать свою программу.

А можно используя SIMULINK и технологию визуального моделирования составить имитационную модель или систему автоматического регулирования.

Гибкий язык MATLAB дает возможность инженерам и ученым легко реализовывать свои идеи.

Мощные численные методы и графические возможности позволяют проверять предположения и новые возникающие идеи, а интегрированная среда дает возможность быстро получать практические результаты.

Сегодня MATLAB используется во множестве областей, среди которых обработка сигналов и изображений, проектирование систем управления, финансовые расчеты и медицинские исследования.

Его открытая архитектура делает возможным использование MATLAB и сопутствующих продуктов для исследования данных и создания собственных инструментов, использующих функциональные возможности MATLAB.

Для проектирования систем управления, цифровой обработки сигналов, коммуникационных систем широко используется Simulink, позволяющий моделировать динамические системы, оценивать их работу, модифицировать проект с помощью графических блок-диаграмм. Simulink - это интерактивная среда для моделирования и анализа широкого класса динамических систем.

Благодаря тесной интеграции с MATLAB, Simulink имеет непосредственный доступ к широкому диапазону средств проектирования и анализа.

Традиционный подход к проектированию систем обычно заключается в создании прототипа, за которым следует всестороннее тестирование и внесение соответствующих изменений. Этот подход требует больших временных и финансовых затрат.

Эффективной и общепринятой альтернативой является имитационное моделирование.

Simulink - мощный инструмент для моделирования, обеспечивающий быстрое построение и тестирование виртуальных прототипов, и дающий доступ к любому уровню детализации проекта с минимальными усилиями.

Используя Simulink для итеративного исправления проекта до построения прототипа, инженер может разработать проект быстро и эффективно.

Пакет MATHCAD

Другая сторона развития программного обеспечения — ориентация на “непрограммирующего пользователя”.

В этом случае пользователь такого пакета получает возможность сосредоточиться на сущности самой задачи, а не способах ее программной реализации.

В свою очередь пользователь должен ясно представлять возможности используемого пакета и заложенных в нем методов, а также уметь выбрать необходимый пакет, соответствующий решаемой задаче.

MATHCAD — универсальный математический пакет, предназначенный для выполнения инженерных и научных расчетов.

Математическое обеспечение пакета позволяет решать многие задачи в объеме инженерного вуза.

Основное преимущество пакета перед типичными языками программирования — естественный математический язык, на котором формулируется решаемая задача.

Пакет объединяет в себе: редактор математических формул, интерпретатор для вычислений, библиотеку математических функций, процессор символьных преобразований, текстовый редактор, графические средства представления результатов.

Пакет MATHCAD относится к интегрированным пакетам, т.е. позволяет не только произвести вычисления, но и получить документ - итоговый отчет с комментариями, формулами, таблицами и графиками.

В отличие от издательских систем формулы в MATHCAD работают!

К положительным качествам MATHCAD следует отнести открытость - все приведенное в документе может быть воспроизведено, а интеграция в одном документе исходных данных, метода решения и результатов позволяет сохранить настройки для решения подобных задач.

Пакет OrCad

В марте 2000 г. отделение Cadence PCB System Division фирмы Cadence Design Systems, в которое преобразована компания OrCAD, выпустило очередную версию OrCAD 9.2. 

Примечание - Orcad поволяет произвести работу от стадий идеи создания устройства до изглтовления и отладки: нарисовать схему, исследовать схему, создать печаую плату в виде программы на станке. Далее станок изготавливает детали.

Состав системы OrCAD 9.2

Представление о версии OrCAD 9.2 дает перечень некоторых входящих в ее состав программных модулей:

OrCAD Capture CIS (Component Information System) — графический редактор схем, дополненный средством ведения баз данных компонентов; при этом зарегистрированные пользователи получают через Интернет (с помощью службы ICA, Internet Component Assistant) доступ к каталогу компонентов, содержащему более 200 тыс. наименований;

OrCAD PSpice A/D — программа моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, данные в которую передаются как из PSpice Schematics, так и из OrCAD Capture;

OrCAD PSpice Optimizer — программа параметрической оптимизации;

OrCAD Layout — графический редактор печатных плат;

Общая характеристика программы OrCAD Capture

Программа OrCAD Capture предназначена для создания проекта, часть которого может быть задана в виде принципиальной электрической схемы, а другая часть может быть описана на языке высокого уровня VHDL [1], [2].

Кроме того, из оболочки OrCAD Capture запускаются программы моделирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств PSpice и параметрической оптимизации PSpice Optimizer [3].

Примечание - PSpice Optimizer позволяет в автоматическом режиме построить любую принципиальную электрическую схему за считанные секунды, заменив высококвалифицированных настройщиков, при этом настройка может быть осуществлена одновременно по нескольким коэффициентам усиления; полоса пропускания и центральная частота.

Причем изменение одного параметра влекут изменеие другого параметра и поэтому ручная настройка осуществляется месяцами, а иногда и неосуществима вообще. PSpice Optimizer сама после оптимизации выставляет на схеме новые номинальные значения сопротивлений конденсаторов по госту.

На рисунке 1.1 показана взаимосвязь OrCAD Capture с другими программами системы OrCAD.

Окно редактора страницы принципиальной схемы, содержит дополнительные панели инструментов (рисунок 1.2), команды которых перечислены в таблицах 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1 - Пиктограммы панели инструментов режима редактирования схем

	Пиктограмма	Эквивалентная команда	Описание команды
		Select	Режим выбора объектов
		Part	Выбор в библиотеке компонента для размещения его символа на схеме

Рисунок 1.1 - Взаимосвязь OrCAD Capture с другими программами

Рисунок 1.2 - Панели инструментов редактора схем

Продолжение таблицы 1.1

	Пиктограмма	Эквивалентная команда	Описание команды
		Wire	Рисование электрических цепей. При нажатии кнопки Shift возможен ввод не ортогональных цепей
		Net Alias	Размещение псевдонимов (дополнительных имен) цепей и шин
		Bus	Изображение шины (линии групповой связи)
		Junction
		Bus Entry	Нанесение отводов ос шины, расположенных под углом 45°
		Power	Размещение символов выводов источников питания и «земли»
		Ground	Размещение символов выводов источников питания и «земли»
		Hierarchical Block	Размещение иерархических блоков
		Hierarchical Port	Размещение портов иерархических блоков
		Hierarchical Pin	Размещение выводов иерархических блоков
		Off-Page Connector	Размещение символов соединителей страниц
		No Connect	Подключение к выводу компонента символа отсутствия соединений
		Line	Рисование линии
		Polyline	Рисование полилинии

Продолжение таблицы 1.1

	Rectangle	Рисование прямоугольника
	Ellipse	Рисование эллипса /окружности
	Arc	Рисование дуги
	Text	Размещение одной или нескольких строк текста с указанием его размера, цвета, ориентации и шрифта

Примечания

1 Что такое не ортогональные цепи?

2 Псевдонимы цепей и шин нужны, чтобы можно было обнаружить неисправные цепи и шины.

3 Шина-это жгут проводов.

4 Порт-это разъем (контакт), через который проходит сигнал в Block.

5 Размещение Off-Page Connector позволяет сделать проект на нескольких страницах, и все будет работать как одна схема.

6 Часто, какой либо вывод не используется. Если произвести No Connect, то он будет исполнять роль заглушки.

Таблица 1.2 - Пиктограммы панели инструментов режима моделирования

	Пиктограмма	Эквивалентная команда	Описание команды
		New Simulation Profile	Создание нового файла задания на моделирование
		Edit Simulation Setting	Редактирование задания на моделирование
		Run PSpice	Запуск программы PSpice на моделирование
		View Simulation Results	Просмотр графических результатов моделирования
		Voltage/Level Marker	Простановка маркера напряжения/логического уровня

Продолжение таблицы 1.2

	Voltage Differential Markers	Простановка двух маркеров разности напряжений
	Current Marker	Простановка маркера тока
	Power Dissipation Marker	Простановка маркера рассеиваемой мощности
	Enable Bias Voltage Display	Отображение на схеме узловых напряжений в рабочей точке
	Toggle Voltage On Selected Net	Показать /удалить значение потенциала по постоянному току выбранной цепи
	Enable Bias Current Display	Отображение на схеме токов ветвей в рабочей точке
	Toggle Current On Selected Part/Pin	Показать /удалить значение постоянного тока выбранного вывода компонента
	Enable Bias Power Display	Отображение на схеме рассеиваемой мощности ветви в рабочей точке
	Toggle Power On Selected Part	Показать /удалить значение рассеиваемой мощности по постоянному току выбранного компонента

Примечания

1 Run PSpice ассациировать с Play.

2 Маркер напряжения- эквивалент вольтметра, подключенный между точкой и землей.

3 Маркер разности напряжения-эквивалент вольтметра, выводы которого подключают к соответствующим точкам, выявив потерю напряжения и падение напряжения.

4 Маркер рассеиваемой мощности устанавливают прямо на изображение детали.