МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО КОМПЬЮТЕРНОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Методические указания по моделированию в MATLAB/Simulink электротехнических, электронных и электромеханических устройств и систем, применяемых в автоматизированном электроприводе.

Во время учёбы в институте студенты электромеханических специальностей должны изучить различные дисциплины. Для начала – математику и физику, позднее – теоретические основы электротехники, техническую механику, основы электроники, теорию автоматического управления, микропроцессорную технику и программирование, за которыми следуют более специализированные дисциплины, касающиеся устройства, принципов работы, конструкции, проектирования и эксплуатации различных технических устройств и систем. Принципиально для многих из этих дисциплин может потребоваться компьютерное моделирование, например, для подкрепления их теоретического курса. Есть другой вариант – выделить для компьютерного моделирования отдельную дисциплину. Каждый из вариантов имеет свои преимущества и недостатки, которые настолько очевидны, что не стоит их перечислять.

Во время моей учёбы (тогда был «формальный» бакалавриат с дальнейшим автоматическим переводом на подготовку по специальности или в магистратуру), а затем работы в вузе отдельная дисциплина по компьютерному моделированию электроприводов была предусмотрена в восьмом семестре, завершающем обучение в «формальном» бакалавриате. Пока я не взялся за дело, то есть до 2012 года, вся эта дисциплина была направлена на решение тремя способами одной типовой задачи из выпускной работы бакалавров. В этой дисциплине изучалось решение системы дифференциальных уравнений, описывающей электропривод со стабилизацией скорости, на языке Pascal, в системе компьютерной алгебры с набором математических формул и в одной очень старой и крайне неудобной программе для моделирования по структурным схемам, причём с минимальной степенью детализации. Это было слишком узко и непродуктивно. Других задач нет что ли? Или, например, Pascal даже в те времена уже никто не использовал для компьютерного моделирования, а численные методы, положенные в основу решения системы уравнений, можно было бы изучить и по другой дисциплине. Аналогично и с системой компьютерной алгебры, в которой требуется набирать дифференциальные уравнения. Понимание того, что передаточная функция – это форма записи дифференциального уравнения, это хорошо, но при таком подходе к моделированию, как минимум, теряется наглядность модели. Да и насколько сложные и детальные модели можно составить таким образом? А между тем, отдельная дисциплина по компьютерному моделированию в восьмом семестре даёт возможность рассмотреть разнообразные задачи по электротехнике, электронике, динамике замкнутых систем управления и всё то, чему студенты должны были научиться к этому времени. Поэтому дисциплина по компьютерному моделированию была радикально переработана.

Представленные на конкурс Экспоненты методические материалы являются результатом моего многолетнего опыта работы в вузе в качестве преподавателя различных профильных дисциплин по направлениям подготовки бакалавров и магистров «Электроэнергетика и электротехника», элементы которых были применены в дисциплине по компьютерному моделированию электроприводов и систем управления. У меня имеются и другие методические материалы по MATLAB, которые я не успел издать за время работы в вузе, но они подождут своего времени.

Методические указания «Компьютерное моделирование синхронного электропривода» к расчётному заданию по дисциплине «Компьютерное моделирование в задачах электропривода» предназначено для студентов, обучающихся по профилю «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» направления подготовки бакалавров «Электроэнергетика и электротехника». В издании приводятся исчерпывающие материалы по принципу работы и математическому описанию электропривода с векторным управлением синхронным электрическим двигателем, который в российской традиции также называется вентильным электроприводом. Согласно математическому и понятийному аппарату профильной теории электрического привода рассмотрено математическое описание синхронного электрического двигателя в разных системах осей, векторный способ управления этим двигателем, формирование симплексной широтно-импульсной модуляции при управлении трёхфазным мостовым преобразователем, а также автоматическое регулирование координат электропривода – электромагнитного момента и скорости вращения в замкнутых контурах. Математические формулировки – координатные преобразования, дифференциальные уравнения и передаточные функции, подкрепляются иллюстративным материалом – векторными диаграммами, структурными и функциональными схемами. Результатом выполнения расчётного задания является компьютерная модель синхронного электропривода с векторным управлением, имеющая высокую степень детализации с учётом электромагнитных и электромеханических процессов в двигателе и процессов в силовом транзисторном преобразователе. При компьютерном моделировании используются расширения Simulink и SimPowerSystems из состава MATLAB. Методические указания составлены исчерпывающим образом с таким расчётом, чтобы при их выполнении не требовалось использование дополнительных материалов.

Методические указания «Компьютерное моделирование электротехнических и электромеханических систем» к практическим занятиям по дисциплине «Компьютерное моделирование в задачах электропривода» предназначено для студентов, обучающихся по профилю «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» направления подготовки бакалавров «Электроэнергетика и электротехника». В методических указаниях приведены материалы по компьютерному моделированию элементов, устройств и систем, которые применяются в системах управления электроприводов. К каждому из девяти заданий приводятся исчерпывающие материалы – математическая формулировка задания, математическое описание процессов и явлений, векторные диаграммы, структурные и функциональные схемы, а также различные графики, иллюстрирующие порядок выполнения заданий и их результат. При компьютерном моделировании используются расширения Simulink и SimPowerSystems из состава MATLAB. Приведены рекомендации по использованию средств компьютерного моделирования, например, по сопряжению элементов Simulink и SimPowerSystems в составе единой модели. Методические указания составлены исчерпывающим образом с таким расчётом, чтобы при их выполнении не требовалось использование дополнительных материалов.

К посту прикреплены файлы с методическими указаниями, а также файлы с моделями системы управления синхронного электропривода, которые я составил в процессе написания первого из них.