3 семестр / LR_po_elektrotekhnike_m

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

MOСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИИ

КАФЕДРА АВТОМАТИКИ

Е. Ю. ШАМПАРОВ, Н.А. МУХАНОВ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ИРАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

ВСРЕДЕ MATLAB

МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ

2014

МГУДТ

2

УДК: 621.3(07)

Ш 51

Работа рассмотрена на заседании кафедры автоматики и рекомендована к печати.

Рецензент: доцент, к.т.н.

Ш 51 Е.Ю. ШАМПАРОВ. Лабораторные работы по элек-

тротехнике, Математическое моделирование и расчет электриче-

ских цепей в среде Matlab / Е.Ю. Шампаров, Н.А. Муханов – М.: ИИЦ МГУДТ, 2014 – 85 стр.

В методическом пособии изложены рекомендации по выполнению ла-

бораторных работ по исследованию электрических цепей, электриче-

ских машин и электронных устройств в программной среде MatlabSimulink.

УДК: 621.3(07)

Московский государственный университет дизайна и технологии, 2014

3

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ...…………………………………………………………….…..4

Руководство по выполнению работы 1ML: Исследование цепи постоянного тока ……………………………………………………..…6

Руководство по выполнению работы 2МL: Исследование двигателя постоянного тока…...………………………………..…………………..14

Руководство по выполнению работы 3МL: Моделирование цепей синусоидального тока ………..……………………………………….…23

Руководство по выполнению работы 4МL: Исследование резонансных характеристик последовательного и параллельного колебательного контура…………………………………………………………………..29

Руководство по выполнению работы 5МL: Исследование трехфазных цепей синусоидального тока………......………………………………...35

Руководство по выполнению работы 6МL. Исследование переходных процессов в электрической цепи с сопротивлением, емкостью и индуктивностью …………….………………………………………….40

Приложение. Принципы разработки математических моделей электрических цепей в среде Matlab/Simulink…………………….......45

Список литературы…..…………………………………………………84

4

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные работы являются составной частью начального курса электротехники и электроники. Они необходимы для формиро-

вания навыков самостоятельной работы студентов по составлению и расчету параметров электрических цепей.

В настоящем пособии даны методические указания по выполне-

нию лабораторных работ, посвященных исследованию установивших-

ся и переходных процессов в электрических цепях. Работы охватыва-

ют моделирование цепей постоянного тока (работы 1, 6), включаю-

щих электрические машины постоянного тока (работа 2), а также мо-

делирование цепей синусоидального тока (работы 3, 4, 5). Пособие предназначено для студентов всех специальностей.

В наш век тотальной компьютеризации студенты инженерных специальностей должны овладеть не только принципами расчета, но и основами программного моделирования электрических цепей. Объ-

единение лабораторного практимума и компьютерного моделирова-

ния делает процесс обучения более наглядным и интенсивным [1-3]. В

этом пособии студентам предлагается познакомиться с основными принципами моделирования электрических цепей на примере визу-

ального программирования в среде MatLab/Simulink. Информация об используемых в лабораторных работах элементах среды программи-

рования кратко изложена в приложении в заключительной части этого пособия. Ознакомление с основами моделирования также возможно и по учебным пособиям, приведенным в списке литературы [4-9].

Приступая к выполнению лабораторной работы, студент дол-

жен изучить относящийся к ее содержанию теоретический материал.

Для выполнения работы студенты получают у преподавателя бланки,

5

содержащие электрическую схему и параметры модели, а также спи-

сок заданий. В бланке с заданием указываются фамилии исполнителей работы и номер бригады N, используемый для различных вариантов выполнения заданий. Процесс ввода схем и осуществления расчетов следует начинать только после осмысленного понимания цели и со-

держания работы и оценки ожидаемых результатов. Отчеты по лабо-

раторным работам должны содержать электрические схемы, таблицы результатов измерений и вычислений, графики и краткие выводы. От-

четы должны быть представлены преподавателю для проверки и за-

щиты. При защите лабораторной работы студент должен знать основы теории по данному разделу курса, уметь создать модель электриче-

ской цепи, ввести ее параметры в программной среде и выполнить моделирование, студент должен понимать, как работает представляе-

мая схема, как произведена обработка результатов и должен сделать по работе правильные выводы.

6

Руководство по выполнению лабораторной работы 1ML:

Исследование цепи постоянного тока

Цель работы:

Изучение и практическое применение методов расчета и матема-

тического моделирования электрических цепей постоянного тока в среде Matlab/Simulink. Исследование режимов работы источника электрической энергии.

Методические указания:

Изучите рекомендации по разработке и исследованию матема-

тических моделей электрических цепей и машин в среде

Matlab/Simulink (см. Приложение).

Содержание работы:

1.Изучение среды MatLab и правил применения ее функций

2.Изучение программирования в среде MatLab

3.Исследование модели цепи постоянного тока.

Изучение среды MatLab и правил применения ее функций

Рабочий стол MatLab может содержать до пяти окон (рис.1.1):

Запустить редактор, Рабочая область, Окно команд, Команды и Текущий каталог.

Окно Запустить редактор показывает структуру пакетов

MatLab, установленных на данном компьютере. Оно позволяет быст-

ро переходить к специализированным программам, справочным мате-

риалам и демонстрационным примерам пакетов.

7

Рис.1.1. Схема рабочего стола MatLab

Окно Рабочая область содержит информацию обо всех пере-

менных, хранящихся на данный момент в памяти системы, их размер-

ности, занимаемом объеме памяти и типе данных.

Окно Команды хранит команды, ранее введенные в командной строке не только текущего, но и более ранних сеансов, что позволяет при необходимости исполнить их повторно.

Окно Текущий каталог показывает список папок и файлов,

имеющихся в текущем каталоге, и позволяет эти файлы открывать.

Окно Команд предназначено для ввода исходных данных, про-

грамм их обработки и вывода результатов расчета.

Схема рабочего стола может быть изменена с помощью команд меню Вид. Оптимальная схема рабочего стола существенно зависит от характера решаемой задачи. При вычислениях без графической ви-

зуализации результатов удобнее работать в Окне Команд, разверну-

8

тым на полный экран (Вид/Схема рабочего стола/Только Окно ко-

манд).

Исходные данные и программу их обработки вводят в Окне Команд после символа приглашения к диалогу >>. Переменными на-

значают буквенные идентификаторы, которым приравнивают числен-

ные значения, например:

>>А=2; B=3; C = A+B

Если после ввода команд нажать Enter, то команды будут вы-

полнены, а результат вычисления выведен на экран

C=5.

Если после команды поставлен знак ; (точка с запятой), то ко-

манда будет выполнена, но результат сохранен в памяти. В одной строке может быть записано несколько выражений (команд), разде-

ленных знаком ; (точка с запятой). Если длинное выражение не по-

мещается в строке, можно поставить … (три точки), нажать Enter, пе-

рейти на следующую строку и продолжить ввод на следующей строке.

При этом символ приглашения >> не появится.

Если необходимо изменить исходные данные или скорректиро-

вать программу их обработки, следует скопировать выполненную программу, вставить ее после знака приглашения, отредактировать и клавишей Enter отправить на выполнение.

Перечень основных команд приведен в табл.1.1. Для просмотра всех команд элементарных функций нужно в поле команд ввести ко-

манду help elfun.

Переменные могут быть скалярами, векторами, матрицами. Од-

номерный массив (вектор) – это заключенное в квадратные скобки пе-

речисление элементов массива, разделенных пробелами V=[4 5 6].

В качестве элементов вектора можно использовать ранее вве-

денные переменные или выражения V=[2*A C A*B].

Двухмерный массив (матрица) – это заключенное в квадратные скобки перечисление элементов массива, разделенных пробелами.

Знак ; (точка с запятой) ставится в конце каждой строки M=[1 2 3;4 5 6;7 8 9].

Задание к первой части лабораторной работы:

Выполнить прямые вычисления в окне команд и заполнить таблицу 1.2.

10

Таблица 1.2. Результаты вычислений

ды)

N+3

sin(N*pi/6)

V=[1 2 3]; V+N

V*N

V.^N

Изучение программирования в среде MatLab

Для ускорения процесса вычислений можно использовать про-

граммные возможности среды MatLab. В этом случае исходные дан-

ные и программа их обработки вводятся в Окно Команд.

Задание ко второй части лабораторной работы:

Рассчитать цепь постоянного тока для заданных исходных данных при изменении сопротивления нагрузки от R2=10*R1 до

R2=0.1*R1 (рис.1.2)

Параметры элементов цепи: E=100N; R1=10 N; R2=100 N; R2=50 N; R2=20 N; R2=10 N; R2=5 N; R2=2 N; R2=1 N.

Необходимо ввести программу расчета и заполнить таблицу 1.3

с полученными результатами

>> E=…; R1=…; R2=…; I=E/(R1+R2); UR2=I*R2; PR2=I*UR2;

PE=E*I; kpd=PR2/PE; format bank; [R2 I UR2 PR2 PE kpd]