Основы физического моделирования в Engee

Исследование физических сигналов

Рассмотрим построение моделей, в которых поведение системы определется некоторым внешним воздействием. Для электрической системы таким воздействием будет источник постоянного напряжения, для вращательной механической системы – внешний крутящий момент.

Модель RC-цепи с источником постоянного напряжения

Ранее вы построили модель RC-цепи с начальным напряжением на конденсаторе. В этом упражнении вы будете моделировать поведение этой системы при нулевых начальных условиях и с источником постоянного напряжения.

✏️Задание 1

Постройте модель RC-цепи так, как вы это делали в предыдущем разделе:

1. Создайте новую модель. Добавьте в модель следующие блоки:

• Resistor (резистор),
• Capacitor (конденсатор),
• Electrical Reference (электрическое заземление),
• Solver Configuration (настройки решателя),
• Voltage Sensor (вольтметр),
• Terminator (заглушка).

2. Соедините блоки, как показано на рисунке.

3. Задайте начальные значения параметров блоков:

• В окне настроек блока Resistor задайте значение параметра Resistance (сопротивление) равным 100 Ohm (Ом).
• В окне настроек блока Capacitor задайте значение параметра Capacitance (емкость) равным 1e-5 F (Ф), а начальное значение напряжения на конденсаторе должно оставаться равным 0 V (В).

4. Залогируйте выходной сигнал вольтметра.

✏️Задание 2

Модифицируйте модель, построенную в предыдущем задании:

1. Добавьте в модель блок DC Voltage Source (источник постоянного напряжения). Он находится в библиотеке Физическое моделирование -> Фундаментальные -> Электричество -> Источники. Соедините его последовательно с резистором и конденсатором. Ваша модель должна соответствовать следующей электрической схеме:

2. В окне настроек блока DC Voltage Source задайте значение параметра Constant voltage (постоянное напряжение) равным 5 V (В).

Решение

✏️Задание 3

Завершите построение модели:

1. В окне настроек модели задайте размер шага равным 0.001 с, а время моделирования – 0.1 с.
2. Запустите модель. Постройте график зависимости падения напряжения на конденсаторе от времени.

Решение

✏️Задание 4

Модифицируйте модель:

1. Увеличьте сопротивление резистора в 10 раз. В окне настроек блока Resistor задайте значение параметра Resistance (сопротивление) равным 1 kOhm (кОм).
2. Запустите модель. Посмотрите, как изменится график зависимости падения напряжения на конденсаторе от времени.

Решение

Модель вращающегося колеса с внешним крутящим моментом

Ранее вы построили модель колеса, вращающегося с трением, скорость вращения которого уменьшалась с течением времени. В этом упражнении вы будете моделировать поведение этой системы при нулевых начальных условиях и приложенном внешнем крутящем моменте.

✏️Задание 5

Создайте модель вращающейся системы с затуханием. Для этого выполните следующие действия.

1. Создайте новую модель. Добавьте в модель блоки:

• Inertia (инерция),
• Rotational Damper (вязкостный демпфер в механических вращательных системах),
• Mechanical Rotational Reference (опорная точка механической вращательной системы),
• Solver Configuration (настройки решателя).

2. Соедините блоки последовательно в соответствии с приведенной выше схемой.

Решение

Блок Torque Source (источник механической энергии, создающий крутящий момент) имеет три порта: R, C и S. Он находится в библиотеке Физическое моделирование -> Фундаментальные -> Механика -> Вращательная -> Источники.

Порты R и C представляют собой механические порты сохранения вращения. Порт S является портом ввода физического сигнала, управляющего источником. Вы можете использовать все разнообразие источников сигналов для создания желаемого профиля изменения крутящего момента. Положительный сигнал на порте S создает крутящий момент, действующий от C к R. Крутящий момент, создаваемый источником, прямо пропорционален сигналу на порте управления S.

✏️Задание 6

Добавьте внешний крутящий момент:

1. Добавьте в модель блок Torque Source. Чтобы приложить крутящий момент к колесу относительно неподвижной поверхности, подключите порт R к блоку Inertia, а порт C – к блоку Mechanical Rotational Reference.
2. Добавьте в модель блок Constant (библиотека Базовые -> Источники). В окне настроек этого блока задайте значение параметра Constant value (постоянное значение) равным 10 и подключите блок к порту S блока Torque Source.

Решение

✏️Задание 7

Подключите датчик для измерения угловой скорости вращения колеса:

1. Добавьте в модель следующие блоки:

• Absolute Rotational Motion Sensor (датчик движения в механических вращательных системах) из библиотеки Физическое моделирование -> Фундаментальные -> Механика -> Вращательная -> Датчики. В окне настроек этого блока оставьте включенным только параметр Velocity (скорость), а параметры Acceleration и Position должны быть отключены. Это означает, что датчик будет измерять только угловую скорость.
• Zero-Order Hold (задержка сигнала на один шаг) из библиотеки Базовые -> Дискретные. В окне настроек этого блока задайте значение параметра Sample time (время выборки) равным 1e-3 s (с).
• Terminator (заглушка) из библиотеки Базовые -> Приемники.

2. Подсоедините порт R блока Absolute Rotational Motion Sensor к линии, соединяющей блоки Inertia и Rotational Damper, а порт W – ко входному порту блока Zero-Order Hold. Соедините выход блока Zero-Order Hold со входом блока Terminator.

3. Залогируйте выходной сигнал блока Zero-Order Hold.

Решение

✏️Задание 8

Завершите построение модели:

1. В окне настроек модели задайте размер шага равным 0.001 с.
2. Запустите модель. Постройте график зависимости угловой скорости вращающегося колеса от времени.

Решение

Тест для получения сертификата

Пройти тест по разделу >>