Блоки, необхідні для створення моделі

Теоретичний опис об'єкта моделювання

В роботі потрібно провести моделюювання електричної схеми з джерелом і послідовно з'єднаними RLC-опорами (RLC-контур). Принциповий вид досліджуваної електричної схеми показаний на рис. 2.1.

 

 

Рис. 2.1. принциповий вид досліджуваної електричської схеми

 

У роботі необхідно вивчити реакцію схеми на зміну величини напруги джерела живлення. При тривалому надходженні постійної напруги до RLC-контуру, що протікає по ньому струм буде дорівнює нулю, оскільки ємність не проводить постійний струм. Однак якщо напруга джерела живлення миттєво змінюється, то починається перехідний процес, що викликає вільні коливання струму в ланцюзі. Якщо в контурі відсутній активний опір, то вільні коливання струму є гармонійними (рис. 2.2, а). При таких коливаннях відбувається перетворення електричної енергії конденсатора в магнітну енергію котушки і навпаки. Такі коливання будуть протікати нескінченно довго з певною частотою

 

 

 

 

Рис. 2.2. Гармонійні (а) і затухаючі (б) коливання струму

 

 

Однак всі реальні контури містять активний опір, при цьому з плином часу частина енергії буде розсіюватися у вигляді теплоти. В цьому випадку коливання будуть затухаючими (рис. 2.2, б).

 

Блоки, необхідні для створення моделі

Для виконання лабораторної роботи, крім блоків вивчених раніше, потрібні наступні блоки:

• Sine Wave - генератор синусоидально мінливого сигналу. В налаштуваннях блоку задаються такі основні параметри: величина амплітуди генерується сигналу (Amplitude), В; частота генерованого сигналу (Frequency), рад / с; фаза генерується сигналу (Phase), рад. Зовнішній вигляд блоку показаний на рис. 2.3, а.

• XY Graph - блок побудови двовимірних графіків. Будує графік залежності між вхідними сигналами. Дані для горизонтальної осі беруться за першою (верхньому) входу, а для вертикальної осі - по другому (нижньому) входу. Графік відображається автоматично відразу після початку розрахунку. В налаштуваннях блоку задаються такі основні параметри: мінімальне значення по горизонтальній осі (x-min); максимальне значення по горизонтальній осі (x-max); мінімальне значення по вертикальной осі (y-min); максимальне значення по вертикальній осі (y-max). Зовнішній вигляд блоку показаний на рис. 2.3, б.

Step - генератор східчасто мінливого сигналу. На виході створює постійний сигнал, який змінює своє значення до заданої величини в заданий момент часу. В налаштуваннях блоку задаються наступні основні параметри: час перемикання (Step time), с; значення сигналу доки (Initial value); значення сигналу після переключення (Final value). Зовнішній вигляд блоку показаний на рис. 2.3, в.

• Controlled Voltage Source - кероване джерело напруги. На виході (між виходами «+» і «-») створює різницю потенціалів (у вольтах), чисельно рівну вхідному сигналу (на вході «Signal»). Зовнний вид блоку показаний на рис. 2.3, г.

• Sum - суматор. Виробляє підсумовування або віднімання вхідних сигналів. Кількість входів і знак (підсумовування або віднімання) кожного входу задаються в налаштуваннях блоку в рядку List of signs у вигляді по-послідовності необхідних знаків (+, -). Наприклад, якщо потрібно від величини сигналу з першого входу відняти величину сигналу з другого і третього входів, то необхідно записати [+ - -] (без пробілів і квадратних дужок). У всіх лабораторних роботах при використанні блоку необхідно в його налаштуваннях в рядку «Output Data Type Mode» вибрати параметри «Same As First Input». В налаштуваннях блоку також можна змінити його зовнішній вигляд (Icon shape): круглий (Round) або прямокутний (Rectangular). Зовнішній вигляд блоку показаний на рис. 2.3, д і е.

 

Controlled Voltage Source

 

Рис. 2.3. Елементи, необхідні для виконання лабораторної роботи

 

Крім представлених блоків, в роботі використовуються series RLC branch, voltage measurement, current measurement, scope, ground.

 

Порядок виконання роботи

 

1. Створити модель RLC-контуру, де напруга джерела живлення змінюється східчасто. Зберегти зовнішній вигляд моделі і отримані осциллограмми і графіки.

Основна електрична схема, яка використовується в роботі і створена в Simulink, представлена ​​на рис. 2.4. Параметри моделювання для всіх варіантів роботи повинні бути наступними: час моделювання 0-0,1 с; метод моделювання ode23s. Параметри опорів: активний - вибирається відповідно до варіанту з табл.2.1; індуктивність - 0,01 Гн; ємність - 0,001 Ф.

 

 

 

Рис.2.4. Модель для вивчення реакції схеми, створена в Simulink

 

 

Таблиця 2.1

Варіанти для індивідуального завдання

Варіант
R, Ом	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9		1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,2	1,4	1,6	0,5		1,3	1,9
Е, В

 

Ступеневу зміну напруги живлення здійснюється слідуючим чином. RLC-контур харчується від керованого джерела живлення, який керується генератором східчасто змінюючого сигналу.

Параметри елемента step: час перемикання - 0,01 с, значення сигналу до перемикання - 0; значення сигналу після перемикання - вибираєтся відповідно до варіанту з табл. 2.1 в рядку «Е». Після встановлення необхідних параметрів можна починати розрахунок моделі. При цьому межі осей графіків з елементів XY Graph необхідно задати такими, щоб побудовані лінії відходили від крайнього значення осі на 10-20 значень. Якщо задані правильні параметри, то елементи Scope повинні побудувати осцилограми, аналогічні представленим на рис. 2.5, а елементи XY Graph - графіки, аналогічні представленим на рис. 2.6

 

 

Рис. 2.5. Гафіки, побудовані елементами Scope

 

 

 

Рис. 2.6. Графіки, побудовані елементами XY Graph при подачі східчасто змінюючої напруги

 

З рис. 2.5 видно, що при подачі напруги на RLC-контур (час 0,01 с) ​​відбувається коливальний процес у вигляді затухаючих коливань. При цьому в початковий момент часу вся напруга джерела прикладається до індуктивності, а із збільшенням часу - до ємкості.

Графіки, побудовані елементами XY Graph, являють собою вольтамперні діаграми елементів. З них видно, що на активному супротиві струм і напруга збігаються по фазі, а на индуктивном і ємкісному - не збігаються.

2. Створити модель RLC-контуру, де напруга джерела живлення змінюється синусоїдально. Зберегти зовнішній вигляд моделі і отримані осцилограми і графіки.

Для створення синусоїдально змінюючої напруги на виході керованого джерела напруги необхідно в схемі (рис. 2.4) елемент Step замінити елементом Sine Wave.

Параметри елемента Sine Wave задаються наступні: амплітуда сигналу - 50; частота сигналу - 500 рад / с; фаза - 0 Параметри моделювання та елементів опорів залишаються колишніми, за винятком величини активного опору: його необхідно встановити рівним 0,001 Ом. Якщо все зроблено правильно, то блоки XY Graph відобразять графіки, аналогічні представленим на рис. 2.7.

 

 

Рис. 2.7. Графіки, побудовані елементами XY Graph при подачі синусоїдальної напруги

 

3. Створити модель RLC-контуру, де напруга джерела живлення змінюється східчасто і синусоїдально. Зберегти зовнішній вигляд моделі і отримані осцилограми і графіки.

Для отримання необхідної напруги на виході керованого джерела напруги до елементу Step необхідно додати елемент Sine Wave так, як показано на рис. 2.8. Параметри моделювання та опору залишаються аналогічними параметрами, прийнятим у другому пункті.

 

 

Рис. 2.8. Схема керування елементом Controlled Voltage Source

Необхідно поставити такі параметри елемента Sine Wave: амплитуди сигналу - 50; частота сигналу - 500 Гц; фаза - 0 Для елемента Step параметри: час перемикання - 0,01 с; значення сигналу до перемикає між - 0; значення сигналу після перемикання - з табл. 2.1. Якщо все зроблено правильно, то елементи Scope побудують осцилограми, аналогічних представленим на рис. 2.9.

 

 

Рис. 2.9. Осцилограми, побудовані елементами Scope при подачі ступінчатої і синусоїдальної напруги

 

З осцилограм (рис. 2.9) видно, що в ланцюзі спостерігається нерівномірність амплітуди. Це пояснюється тим, що частота джерела напруги не співпадає з резонансною частотою RLC-контуру, що викликає накладення гармонік різної частоти.