Главная | Случайная
Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Краткие теоретические сведения




МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В SCILAB XCOS

 

 

Лабораторный практикум по дисциплине «Электротехнологические установки и их источники питания»

 

Тольятти

Издательство ТГУ


УДК

ББК

 

Рецензент: доцент кафедры «Промышленная электроника»,
кандидат технических наук М.В. Позднов, доцент

 

Глибин Е.С., Моделирование источников питания электротехнологических установок в Scilab Xcos: лабораторный практикум / Е.С. Глибин. – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2015. – 42 с.

 

Лабораторный практикум содержит задания по компьютерному моделированию электротехнологических установок и описание использования пакета Scilab Xcos для разработки и симуляции имитационных моделей электрических схем, как с помощью встроенных стандартных блоков, так и с применением модуля Coselica Toolbox.

Лабораторный практикум предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Электроника и наноэлектроника» при изучении ими дисциплины «Электротехнологические установки и их источники питания».

 

 

УДК

ББК

 

 

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом Тольяттинского государственного университета.

 

 

© ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», 2014

 

 


СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа №1 «Основы моделирования электрических схем в Scilab Xcos» 4

Лабораторная работа №2 «Моделирование электронных схем на базе тиристоров в Xcos» 21

Лабораторная работа №3 «Моделирование управляемого выпрямителя» 30

Лабораторная работа №4 «Моделирование схем преобразователей с перезарядом конденсатора током нагрузки» 37

Литература 41


Лабораторная работа №1 «Основы моделирования электрических схем в Scilab Xcos»

 

Цель работы

 

Цель работы заключается в знакомстве с программой визуального моделирования Xcos, составлении имитационной модели однофазного неуправляемого выпрямителя и ее симуляции.

 

Программа работы

 

1. Изучить теоретический материал по теме.

2. Установить пакет Scilab.

3. Отладить предложенные модели Xcos.

4. Разработать компьютерную модель однофазного неуправляемого выпрямителя по принципиальной схеме предложенного варианта задания.

5. Исследовать работу модели.

6. Подготовить и защитить отчет.

 

Краткие теоретические сведения

 

Моделирование — построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя. Одним из видом моделирования является имитационное моделирование. Имитационная модель — логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта. К имитационному моделированию прибегают, когда:

1. дорого или невозможно экспериментировать на реальном объекте;

2. невозможно построить аналитическую модель: в системе есть время, причинные связи, последствие, нелинейности, стохастические (случайные) переменные;

3. необходимо сымитировать поведение системы во времени.

Цель имитационного моделирования состоит в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между её элементами или другими словами — разработке симулятора (англ. simulation modeling) исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов.

Существует ряд компьютерных средств, позволяющих выполнить имитационное моделирование, как коммерческих, так и свободно-распространяемых. Одной из наиболее известных бесплатных математических программ является Scilab.

Scilab (читается Сайлэб) — пакет прикладных математических программ, предоставляющий открытое окружение для инженерных, технических и научных расчётов.

Пакет можно скачать с официального сайта http://www.scilab.org (рисунок 1.1).

 

 

Рисунок 1.1 – Дистрибутив Scilab 5.4.1 для Windows 32 bits на официальном сайте

 

После установки и запуска пакета Scilab на экране появится главное окно, показанное на рисунке 1.2.

 

 

Рисунок 1.2 – Главное окно Scilab

В состав пакета входит программа Xcos - инструмент для редактирования блочных диаграмм и симуляции (аналог SImulink в пакете MATLAB). Программа Xcos разработана на основе другой программы - Scicos. Ранее Scicos входила в состав Scilab вместо Xcos, но сейчас распространяется как самостоятельный продукт, так же бесплатно. В настоящее время программы очень сильно похожи, как визуально, так и по возможностям.

В верхней части окна расположено главное меню с панелью инструментов. В рабочей области слева находится Обозреватель файлов – в нем можно изменять текущий каталог, просматривать его содержимое и отрывать файлы. В центральной части расположено Командное окно – здесь пользователь вводит текстовые команды, которые выполняются Scilab. Различные пункты главного меню попросту дублируют многие текстовые команды, во избежание необходимости помнить их точное написание. В этом же окне Scilab выводит результат выполнения команд – сообщения об успехе, статистическую информацию, а также весьма важную информацию для имитационного моделирования – текст ошибок, возникающих в процессе работы. С правой стороны рабочей области по умолчанию располагаются Обозреватель переменных (сверху) и Журнал команд (снизу). В обозревателе будут отображаться переменные среды. Например, при моделировании электронной схемы необходимо сохранить и отобразить временную диаграмму в виде числового массива для последующего математического анализа. Хорошим вариантами решения могут быть сохранение этих чисел в файл на диске или в переменную в памяти. Во втором случае данные удобно просматривать в окне Обозревателя переменных. В Журнале команд отображается история ввода команд пользователем.

Для запуска программы Xcos выполните команду главного меню Инструменты → Визуальное моделирование Xcos, как показано на рисунке 1.3.

 

 

Рисунок 1.3 – Запуск программы Xcos

 

В версии 5.4.1 появится два окна: главное окно модели и палитра блоков (рисунок 1.4). Если окно с палитрами закрыто, его всегда можно отобразить, выполнив команду меню (уже главного меню Xcos) Вид → Палитры блоков.

 

 

Рисунок 1.4 – Xcos

 

Создание модели в Xcos будет включать следующие шаги:

1. размещение блоков в окне модели;

2. создание связей между блоками;

3. задание параметров блоков;

4. настройка параметров моделирования;

5. моделирование и отображение результатов.

Рассмотрим их на примере отображения сигнала, форма которого определяется уравнением y(t) = sin(t) + sin(2t)e-0.1t.

Все блоки программы сгруппированы по категориям в палитры. Блоки, являющие источниками сигналов, расположены в палитре Источники сигналов и воздействий.

Блок представляет собой графическое изображение, чаще всего в форме прямоугольника, обозначающее его тип. У блока часто имеются входные и выходные порты. Порты бывают нескольких видов:

1. порт явных данных;

2. порт неявных данных;

3. управляющий порт.

Порт явных данных отображается черным треугольником. Он используется для большинства сигналов, над которыми выполняются математические и логические операции.

 

 

Рисунок 1.5 – Палитра Источники сигналов и воздействий

 

Порт неявных данных отображается черным или белым квадратом (на рисунке 1.5 блоки с такими портами отсутствуют). Он применяется, например, в палитре электрических блоков в виде выводов резисторов, конденсаторов и других элементов.

Управляющий порт отображается красным треугольником. Он используется для управления работой модели – включение определенных подсистем в работу модели по времени или для работы осциллографов и т.д.

Очевидно, что напрямую разные типы портов соединить не получится! Также направление треугольника показывает, является ли порт входным или выходным. Нельзя соединить входной порт с входным портом или выходные порты между собой!

Источники сигналов обладают выходным портом, через который сигнал, определяется типом блока и его параметрами. Интуитивно кажется, что единственным блоком, использование которого поможет смоделировать требуемый сигнал y(t) = sin(t) + sin(2t)e-0.1t является генератор синусоидальной функции GENSIN_f. Перенесем его в окно модели (рисунок 1.6). Открыть окно параметров блока можно двойным щелчком мыши или из пункта контекстного меню (открывается правой кнопкой).

В появившемся окне можно отредактировать амплитуду, частоту и фазу генерируемого синусоидального сигнала. По умолчанию настройки генератора соответствуют функции sin t, амплитуда равна 1, частота 1 рад/с, а начальная фаза отсутствует. Для функции sin 2t, в окне Частота (рад/c) единицу замените на 2.

 

Рисунок 1.6 – Контекстное меню блока и окно параметров GENSIN_f

 

А вот экспоненциальную функцию блоком из палитры Источники сигналов и воздействий так просто реализовать не получится. Тем не менее, попробуем для начала отобразить несколько периодов функции sin t. Для отображения сигналов используются блоки из палитры Регистрирующие устройства. Вынесите блок одноканального осциллографа CSCOPE (в палитре регистрирующих устройств присутствует 5 видов осциллографов с одинаковыми иконками, но с разными названиями) в окно модели и настройте его параметры (рисунок 1.7).

 

 

Рисунок 1.7 – Настройка осциллографа

 

Нас интересуют в первую очередь параметры Ymin, Ymax и Refresh period – пределы отображение по вертикальной оси и оси времени. Задайте значения -1.5, 1.5, 20, так как функция sin(t) ограничена значениями -1, 1. Период составляет 2π, что примерно равно 6.28, и в нашем случае отобразится чуть более трех периодов.

Управляющий входной порт необходим для «тактирования» данного виртуального осциллографа. Необходимо подавать импульсы с частотой, с которой требуется отображать точки кривой на осциллографе.

Добавьте в модель блок CLOCK_c, который находится в рассмотренной ранее палитре Источники сигналов и воздействий. Настройте блок как показано на рисунке 1.8.

 

 

Рисунок 1.8 – Модель в Xcos

 

Если значение Period будет слишком велико, кривая на осциллографе будет состоять из видимых прямых отрезков, если слишком малое, то визуализация потребует больших вычислительных ресурсов. Пункт Время инициализации показывает, когда блок начнет работать, а осциллограф отображать данные, необходим, если требуется пропустить начальное время моделирования. Соедините порты как показано на рисунке 1.8. Осталось задать конечное время работы модели. Для этого выполните команду меню Моделирование → Установка. В появившемся окне задайте Конечное время интегрирования равным 20, оставив остальные параметры по умолчанию (рисунок 1.9).

Запустите моделирования, выполнив команду меню Моделирование → Запустить или просто нажав на треугольник на панели инструментов. Если все выполнено корректно, то результат работы осциллографа будет отображен в появившемся графическом окне (рисунок 1.10).

 

 

Рисунок 9 – Параметры моделирования

 

 

Рисунок 10 – Отображение сигнала в осциллографе

 

Вернемся к функции y(t) = sin(t) + sin(2t)e-0.1t. Получив с источника сигнала некий базовый сигнал, средствами Xcos можно выполнить с ним огромное количество действий, в том числе математических (рисунок 1.11).

 

Рисунок 1.11 – Палитра Математические операции

 

Чтобы получить функцию y = e-0.1t , используем блок TIME_f из палитры источников. Умножим данные на -0.1, используя блок GAINBLK_f (умножает входную величину на заданный в настройках блока коэффициент). Затем получим e-t, используя математический блок EXPBLK_m (на вход поступает значение показателя степени, основание же задается в настройках, по умолчанию оно равно e). Перемножив синусоидальную функцию с экспоненциальной функцией с помощью блока PRODUCT, получим на осциллографе следующий сигнал.

 

 

Рисунок 1.12 – Функция sin(2t)e-0.1t

 

Окончательная модель будет выглядеть, как показано на рисунке 1.13. Блоки PRODUCT и SUMMATION могут выполнять операции умножения и деления или сложения и вычитания в зависимости от настроек, а также для большего числа входов, чем два.

 

 

Рисунок 1.13 – Моделирование сигнала формы y(t) = sin(t) + sin(2t) e-0.1t

 

По каждому блоку можно получить справку и пример использования, вызвав соответствующую команду из контекстного меню. Чаще всего тип данных с которыми оперируют те или иные блоки можно определить по графическому изображению портов. Подавляющее большинство оперируют так называемыми явными данными. Однако Xcos поддерживает несколько палитр с блоками специализированного назначения, например, Термогидравлические блоки или Электрические блоки. Кроме того за счет дополнительных модулей можно существенно расширить палитры блоков, ориентированных на определенную область науки и техники. Рассмотрим палитру электрических блоков и простой пример их использования.

Электрическая цепь состоит из генератора прямоугольных импульсов, резистора, индуктивности и измерительных элементов (рисунок 1.14). Обратите внимание на полярности подключения элементов и почему временные диаграммы напряжения и тока отображаются на осциллографе именно в приведенном виде.

 

Рисунок 1.14 – Модель электрической схемы

 

В палитре электрических блоков имеются как управляемые источники электрической энергии (тока, напряжения), так и неуправляемые. Для моделирования сигнала произвольной формы можно использовать управляемый источник напряжения, как показано на рисунке 1.14. Управляется блок явными данными на соответствующем порту (треугольник). Если на этот порт поступает значение 1, значит между выводами + и – источника будет напряжение 1 В прямой полярности. В схеме источник прямоугольного напряжения (настройки по умолчанию) подключен к активно-индуктивной нагрузке (1 Ом, 0.05 Гн) и происходит измерение ток, протекающего по цепи. Чтобы отобразить протекающий ток на осциллографе, его нужно виртуально «измерить» блоком Амперметр. Результатом измерения будут обычные данные, которые можно отобразить на осциллографе (или над которым можно выполнить математические или логические действия). Если через амперметр протекает ток 1 А, то на информационном выходе будет величина 1 и т.д. Чтобы на одном графике отобразить несколько сигналов, их можно объединить в шину блоком MUX. Следует отметить необходимость наличия блока «Земля» в схеме, как это требуется во многих других программах схемотехнического моделирования – без него будет выдана ошибка при попытке моделирования (в случае использования трансформатора, возможно, на обеих сторонах как на рисунке 1.15).

 

 

Рисунок 1.15 – Пример использования идеального трансформатора

 

Подробную информацию о симуляции модели, о возникающих в процессе ошибках и предупреждениях, а также рекомендации по оптимизации модели можно увидеть в командном окне Scilab (рисунок 1.16).

 

 

Рисунок 1.16 – Информация о процессе моделирования

 

Другой потенциальной ошибкой при попытке смоделировать данную схему может быть отсутствие установленного в системе компилятора языка Си. Он требуется для использования электрических блоков. Самым простым решением в этом случае будет использование бесплатного компилятора. Для установки выполните команду меню Scilab Инструменты → Управление модулями Atoms. В появившемся окне выберете категорию Windows Tools и, например, компилятор LCC-windows (поддерживается только 32 битной версией Scilab) как показано на рисунке 1.17.

 

 

Рисунок 1.17 – Установка модуля поддержки компилятора LCC

 

В сведениях об устанавливаемом модуле имеются ссылки для скачивания компилятора. Для работы с электрическими блоками необходимо сначала скачать и установить компилятор (см. “LCC is available at ...”) и затем модуль его поддержки программой Scilab.

После скачивания и установки компилятора, нажмите кнопку Установить для инсталляции модуля связи. После перезапуска Scilab, будут скомпилированы необходимые библиотеки, а схема должна успешно моделироваться.

 




Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2018 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных