Практическая работа №3 Моделирование электродвигателей в MatLab Simulink
Цель работы: Смоделировать и сравнить поведение двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей в среде Simulink при различных условиях нагрузки.
Ход работы:
В среде Simulink были созданы модели двух типов электродвигателей — постоянного тока и асинхронного. Компоненты были выбраны из библиотеки Simscape Power Systems. Для каждого двигателя были настроены параметры источника питания, обмоток и номинальные характеристики: напряжение, мощность, сопротивления обмоток.
В модели двигателя постоянного тока обмотки подключались напрямую к источнику 100 В. Механическая нагрузка была смоделирована с помощью блока Step, где задавались момент и время воздействия. Сигналы скорости, тока и момента выводились на осциллограф.
Асинхронный двигатель подключался по схеме «звезда». Нагрузка также реализовывалась через Step, а наблюдаемые параметры включали скорость вращения, электромагнитный момент и потребляемый ток.
Для обеих моделей были заданы численные параметры симуляции: шаг интегрирования, метод решения (например, ODE1), что обеспечивало устойчивую работу симуляции при заданных условиях.
Рисунок 3. Схема электродвигателя и осциллограмма
Вывод: Проведённое моделирование позволило отследить особенности работы различных типов электродвигателей. Двигатель постоянного тока показал линейную зависимость между напряжением и скоростью, что подтверждает его предсказуемость и простоту управления. Асинхронный двигатель, в свою очередь, проявил устойчивость к резким скачкам нагрузки, но потребовал более точной настройки параметров. Использование встроенных инструментов Simulink, таких как блок Step и осциллограф, позволило эффективно наблюдать динамику процессов и проводить сравнительный анализ. Полученные модели могут быть использованы как основа для разработки и оптимизации систем управления электроприводами в реальных проектах.
Практическая работа №4 Моделирование модели электродвигателя постоянного тока
Цель работы: Создание и исследование модели двигателя постоянного тока с возможностью реверсирования и динамического торможения с использованием ключевых элементов Simulink.
Ход работы:
Параметры двигателя и ключевых компонентов были заданы в соответствии с техническими характеристиками: заданы сопротивления и индуктивности обмоток, момент инерции, сопротивления ключей и тормозной цепи. Напряжение питания установлено на уровне 220 В, а срабатывание команд реверса и торможения происходило соответственно через 1 и 3 секунды после старта моделирования.
После размещения всех элементов на схеме и подключения управляющих сигналов, были объединены части модели в логические подсистемы с возможностью настройки входов и параметров. Для отображения результатов использовался осциллограф, подключённый через блок Bus Selector, позволяющий отслеживать скорость вращения, ток якоря и развиваемый момент.
Режим реверсирования реализован за счёт изменения направления тока в якоре с помощью переключения пары ключей, в результате чего направление вращения двигателя изменяется. Динамическое торможение достигалось замыканием якоря на тормозное сопротивление, что вызывало быстрое снижение скорости за счёт обратной ЭДС. Моделирование длилось 10 секунд, что позволило захватить все ключевые переходные процессы: разгон, реверс и торможение.
Рисунок 4. Модель электросхемы и осциллограмма
Вывод: Разработанная модель успешно реализовала все поставленные режимы — прямое движение, реверс и динамическое торможение. В процессе выполнения работы были получены практические навыки по сборке силовой схемы на базе H-моста, а также по настройке электромеханических характеристик двигателя в среде Simulink. Осциллограммы показали характерные переходные процессы: выход на устойчивую скорость, изменение направления вращения и активное торможение с ростом момента сопротивления. Анализ результатов подтвердил соответствие модели ожидаемому поведению, включая броски тока в моменты коммутации и влияние параметров на плавность переходов. Работа показала потенциал модели для дальнейших расширений — в том числе внедрения систем.
Практическая работа №5
Моделирование электродвигателя постоянного тока в MatLab Simulink
Цель работы: Исследование динамических процессов в электродвигателе постоянного тока путем создания его математической модели в Simulink на основе уравнений электрического и механического равновесия.
Ход работы:
Работа началась с записи основных уравнений, описывающих поведение двигателя. Электрическая часть была выражена через сумму падения напряжения на активном сопротивлении, индуктивности и ЭДС, пропорциональной угловой скорости. Механическая часть описывалась вторым законом Ньютона в форме, где разность между электромагнитным моментом и моментом сопротивления определяет ускорение вращения.
В Simulink на основе этих уравнений была построена структурная модель. Для этого использовались стандартные блоки: источники постоянного напряжения, сумматоры, делители, интеграторы и умножители. Индуктивная цепь реализована через расчет производной тока, а скорость двигателя получалась из интегрирования момента. Также была предусмотрена обратная связь по скорости, необходимая для вычисления ЭДС. Выходные параметры (ток и угловая скорость) выводились на осциллограф для визуального анализа.
Параметры двигателя были заданы согласно техническим данным: сопротивление — 0.242 Ом, индуктивность — 4.9 мГн, момент инерции — 0.22 кг·м², напряжение питания — 440 В. Тип решателя установлен как переменный шаг (Variable-step) с автоматическим подбором шага интегрирования. Использовался метод ode45 как подходящий для задач с плавной динамикой.
В ходе моделирования были выявлены ошибки, связанные с неправильным масштабированием: ток начинал уходить в отрицательные значения, а скорость не достигала стационарного значения. После анализа выяснилось, что причиной были некорректные единицы измерения — угловая скорость задавалась в об/мин вместо рад/с. Также потребовалась корректировка потока сцепления и добавление внешнего момента сопротивления для адекватного поведения системы.
Рисунок 5. Схема электродвигателя постоянного тока и результат осциллографа.
Рисунок 6. Модель электросхемы и осциллограмма
Вывод: Модель успешно отразила переходные процессы в двигателе постоянного тока: наблюдался экспоненциальный рост тока в начальный момент времени и постепенный выход скорости на установившееся значение. Было отмечено, что параметры индуктивности напрямую влияют на характер изменения тока — при большей индуктивности нарастание становится медленнее, а момент инерции определяет «вялость» разгона и торможения двигателя. Исправление ошибок позволило добиться достоверного соответствия теоретическим ожиданиям, что подтвердило работоспособность модели и её пригодность для дальнейших исследований или включения в более сложные системы автоматизированного управления.
Практическая работа №6
Моделирование RC-цепи в MatLab Simulink
Цель работы: Исследование переходных процессов в RC-цепи с использованием библиотеки Simulink. Построение математической модели на основе дифференциальных уравнений и анализ характеристик цепи.
Ход работы:
Работа началась с изучения уравнений равновесия электрического контура обмотки якоря и уравнений движения ДПТ НВ. На основе этих уравнений была создана структурная схема. При создании структурной схемы использовались блоки: "Константа" (для задания напряжения, сопротивления, индуктивности, момента инерции, момента сопротивления), "Вычитание", "Деление", "Произведение", "Интегратор".
Уравнение обмотки якоря было реализовано путем вычитания слагаемых из заданного напряжения. Производная тока была получена путем деления результата на индуктивность, а затем интегрирована для получения тока. Электромагнитный момент был рассчитан как произведение тока на поток сцепления, из которого вычитался момент сопротивления.
Далее была произведена настройка параметров моделирования, включая настройку осциллографов для отображения графиков тока и скорости, а также настройку решателя (задано время моделирования, шаг, тип решателя). После настройки параметров был запущен расчет и произведен анализ полученных результатов. Наблюдался переходный процесс, однако скорость не достигала установившегося режима. Последовательно увеличивалось время расчета, однако при этом ток уходил в отрицательную область, что свидетельствовало о "разносе" двигателя.
Затем был произведен расчет потока сцепления (пси) на основе системы уравнений, а также расчет тока и сопротивления. После установки новых значений пси был повторно запущен расчет, при котором процесс занял менее одной секунды. В модель были внесены изменения активного сопротивления, индуктивности и момента инерции, и было отмечено изменение характера переходного процесса в зависимости от изменений параметров.
Для упрощения схемы были использованы блоки "goto" и "from" для маршрутизации сигналов.
Рисунок 7. Электрическая схема и осциллограмма
Рисунок 8. Электрическая схема и осциллограмма
Вывод: В результате выполнения работы была построена математическая модель RC-цепи с учётом механических и электрических характеристик ДПТ НВ. Исследованы переходные процессы при различных значениях параметров. Выявлено влияние индуктивности, сопротивления и момента инерции на поведение системы. Модель продемонстрировала эффективность применения Simulink для анализа динамики электрических цепей и приводных систем.