Использование программного комплекса "МВТУ" в образовательном процессе

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Оренбургский государственный университет»

Использование программного комплекса «МВТУ» в образовательном процессе

При изучении функционирования электрических машин (ЭМ) важное место занимает исследование их механических и рабочих характеристик. Ввиду высокой стоимости применяемых для этой цели лабораторных стендов, актуальной является задача замены лабораторного оборудования соответствующим программным обеспечением для ЭВМ, позволяющим выполнять математическое моделирование процессов в электрических машинах с достаточной для реализации учебных целей точностью.

В настоящее время для моделирования ЭМ широко применяется матричная математическая система Matlab (пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений) с пакетом блочного имитационного моделирования Simulink. Однако стоимость названного программного обеспечения для одного персонального компьютера соизмерима со стоимостью одного лабораторного стенда, что ограничивает (ввиду недостаточного финансирования материально-технического обеспечения учебного процесса) возможность его использования при выполнении лабораторных работ. С учетом этого следует внедрять в учебный процесс свободно распространяемое программное обеспечение, функциональные возможности которого обеспечивают решение учебных задач. Одной из таких программ является программный комплекс (ПК) «МВТУ» (моделирование в технических устройствах), разработанный авторским коллективом под руководством доцента О. С. Козлова на кафедре «Ядерные реакторы и установки» Московского государственного технического университета (МГТУ) им. Н. Э. Баумана.

ПК «МВТУ» находит широкое применение в учебном процессе для моделирования переходных процессов и исследования устойчивости в различных технических системах, описание динамики которых может быть реализовано методами структурного моделирования [1]. Вместе с тем программный комплекс содержит библиотеку «Электромашины» с моделями электрических машин (двигателя постоянного тока, асинхронного и синхронного двигателей, 2х-фазного и 3х-фазного генераторов и др.), что позволяет использовать его для исследования электродвигателей различных типов.

Особенности моделирования асинхронного электродвигателя в среде ПК «МВТУ» рассмотрены в [2]. В данной работе уделим внимание компьютерному моделированию в программном комплексе двигателя постоянного тока. С процедурой построения математической модели исследуемой системы и особенностями использования этой модели при проведении исследований в среде ПК «МВТУ» можно ознакомиться в [3].

В библиотеке ПК «МВТУ» имеется блок (), реализующий математическую модель двигателя постоянного тока (ДПТ) с независимым возбуждением.

Блок имеет два входных и три выходных порта. На один из входных портов подают сигнал возмущающего момента, а на второй - сигнал, соответствующий напряжению питания двигателя (напряжению, приложенному к якорю). На выходных портах формируются сигналы: угол поворота вала, рад; угловая скорость, рад/с; момент, развиваемый на валу двигателя, Нм. Дополнительно на третий выход можно выводить сигнал, соответствующий току в цепи якоря двигателя (в амперах).

Для функционирования блока в окне «Свойства объектов» (рисунок 1) необходимо задать числовые значения следующих параметров: сопротивления цепи якоря R_a, Ом; индуктивности цепи якоря L_a, Гн; моментного коэффициента k_m; коэффициента противо-ЭДС k_c; момента инерции якоря J, кгм². Кроме этого дополнительно можно задать: начальный угол поворота вала двигателя, рад; начальную угловую скорость вращения вала двигателя, рад/с; начальный ток в цепи якоря, А.

Чтобы обеспечить возможность выводить сигнал, соответствующий току в цепи якоря двигателя, в поле «Дополнительный вывод» добавить символ «i».

Рисунок 1 - Окно свойств двигателя

Если числовые значения требуемых для модели параметров электродвигателя в паспорте на двигатель отсутствуют, их можно вычислить с достаточной для проведения исследований в учебных целях точностью по формулам [4]:

, (1)

где М_п - пусковой момент двигателя, Нм;

I_п - пусковой ток якоря двигателя, А,

, (2)

где М_н - номинальный момент двигателя, Нм;

I_a - номинальный ток якоря двигателя, А,

; (3)

где U_а - номинальное рабочее напряжение двигателя, В;

п - номинальная частота вращения вала двигателя, об/мин,

. (4)

Структурная схема компьютерной модели лабораторной установки для проведения исследований механической характеристики ДПТ в среде ПК «МВТУ» приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема для проведения исследований

В схеме на рисунке 2 блок с подписью «K = 9.549» используется для преобразования угловой скорости вращения вала двигателя в частоту вращения.

На рисунке 3 приведены временные диаграммы сигналов, полученных в результате моделирования микродвигателя постоянного тока ДПР-32-Н5-02 с номинальным напряжением питания 27 В, номинальным током в цепи якоря 0,11 А и номинальной частотой 4000 об/мин при значении возмущающего момента М = 0,0013. Как видно из рисунка, модель адекватно отображает процесс изменения тока в цепи якоря от момента пуска двигателя (пусковой ток существенно больше, чем ток в установившемся режиме) до момента установления скорости.

Для построения механической характеристики двигателя достаточно определить частоту вращения вала (установившееся значение) при нескольких значениях возмущающего момента на валу (от нуля до номинального момента двигателя).

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Рисунок 3 - Временные диаграммы сигналов на выходах модели двигателя

Структурная схема, приведенная на рисунке 2, может быть использована, в том числе, для исследования регулировочной характеристики ДПТ (n = f(U_a)) при использовании непрерывного управления. С этой целью достаточно изменять напряжение на якоре двигателя при фиксированном значении возмущающего момента на валу и определять соответствующую напряжению частоту вращения вала двигателя.

Для исследования регулировочной характеристики ДПТ при импульсном управлении (при использовании в качестве управляющего напряжения сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнала)) можно воспользоваться структурной схемой, приведенной на рисунке 4. Среднее значение напряжения на выходе генератора ШИМ-сигнала (а, следовательно, и на якоре ДПТ) обратно пропорционально скважности q импульсной последовательности:

, (5)

где U_а - номинальное рабочее напряжение двигателя, В,

. (6)

где Т₁ - длительность импульсов управляющего напряжения;

Т₁ + Т₂ - период следования импульсов.

Рисунок 4 - Схема для исследования регулировочной характеристики ДПТ

Как задать параметры ШИМ-сигнала в окне «Свойства объектов» блока «Генератор ШИМ-сигнала» показано на рисунке 5.

Рисунок 5 - Установка параметров ШИМ-сигнала

Изменяя скважность q импульсной последовательности в диапазоне от 0,5 до единицы и определяя соответствующие значения частоты вращения вала, можно построить регулировочную характеристику ДПТ.

Таким образом, программный комплекс ПК «МВТУ» может быть использован в учебном процессе как при моделировании систем автоматического регулирования, так и при моделировании электрических машин с целью исследования их механических и регулировочных характеристик.

структурная модель образование техническая система

Список литературы

1 Ершова, Н. М. Применение систем моделирования в дисциплине «Современная теория управления динамическими системами» бакалавров специальности «Компьютерные науки» / Н. М. Ершова, Н. А. Вельмагина // Вестник Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. - 2017. - № 5. - С. 60 - 68.

2 Дмитриев, В. Н. Разработка и анализ математической модели асинхронного электродвигателя в программном комплексе МВТУ 3.7 / В. Н. Дмитриев, А. А. Горбунов, М. М. Мухитов // Вестник УлГТУ. - 2009. - № 4. - С. 39 - 43.

3 Инструкция пользователя программным комплексом «Моделирование в технических устройствах» (ПК «МВТУ», версия 3.6) / О. С. Козлов, Д. Е. Кондаков, Л. М. Скворцов, В. В. Ходаковский. - Москва: Учебно-научный центр «НУКЛОН» при МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 187 с.

4 Иванов-Смоленский, А. В. Электрические машины : учебник для вузов. В 2-х т. Том 2 / А. В. Иванов-Смоленский. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Издательство МЭИ, 2004. - 532 с. - ISBN 5-7046-0913-9 (т. 2); ISBN 5-7046-0914-7.

Размещено на Allbest.ru