Дипломная работа на тему: Математическое моделирование физических задач ЭВМ

Введение

Все электротехнические и радиотехнические устройства представляют собой электромагнитные устройства, главные процессы в которых подчиняются общим законам электромагнетизма. В любом электромагнитном устройстве происходит движение электрических зарядов, неразрывно связанное с изменяющимся во времени и пространстве электромагнитным полем, двумя сторонами которого являются электрическое и магнитное поля.

Электромагнитные процессы сопровождаются взаимным преобразованием электромагнитной энергии в другие виды энергии. Точный анализ этих процессов, описываемых системами уравнений в частных производных (уравнениями Максвелла), - задача, трудно разрешимая даже в простейших случаях. Но для инженерных расчетов и проектирования устройств необходим количественный анализ. Поэтому возникает потребность в приближенных методах анализа, позволяющих с достаточной степенью точности решать широкий круг задач. Такие методы дает теория электрических цепей, которая для характеристики электромагнитных процессов вместо векторных величин теории поля, зависящих от пространственных координат и времени, вводит интегральные скалярные величины - ток и напряжение, являющиеся функциями времени.

Для приближенного учета процессов преобразования электромагнитной энергии в теории цепей вводят идеальные элементы с выводами или полюсами, через которые проходит электрический ток. Простейшими идеальными, базисными элементами являются двухполюсные элементы с двумя полюсами или выводами - индуктивный, емкостный и резистивный элементы, учитывающие накопление энергии в магнитном и электрическом полях и необратимое преобразование электромагнитной энергии в другие виды энергии. Для учета преобразования энергии неэлектрической природы (химической, механической, тепловой и т. д.) в электромагнитную энергию вводят элемент с двумя выводами, называемый источником. Наряду с указанными вводят четырехполюсные и многополюсные элементы в общем случае с n выводами.

Соединяя между собой соответствующим образом эти идеальные элементы, получают электрическую цепь, приближенно отображающую электромагнитные процессы в каком-либо устройстве по отношению к интересующим выводам.

Теория цепей применима к большому числу устройств, в которых представляют интерес процессы в отдельных точках - выводах.

В настоящее время существуют методы и средства расчета радиотехнических цепей на основе математических моделей, представляющие собой в общем случае системы нелинейных дифференциальных уравнений. Одним из многих таких средств является программа, предложенная в [1], которая представляет собой реализацию математической модели расчета цепей постоянного тока. Программа работает следующим образом: пользователь вводит все данные для расчета цепи, самостоятельно производя анализ цепи, т.е. он вводит количество узлов, количество ветвей с элементами, находящимися на них и номиналы этих элементов. Програма решает получающиеся при этом линейные уравнения и выводит результат вычислений.

Недостатком указанных выше программных средств является отсутствие автоматизированного построения разветвленных цепей, ввода элементов, выбора направления обхода контуров и токов в ветвях по введенной принципиальной схеме. Кроме этого существующие программы не позволяют непосредственно при расчетах проводить анализ полученных результатов, в динамике изменять параметры компонентов.

В связи с этим целью дипломной работы является: разработка математической модели и программы анализа и расчета цепей постоянного тока, автоматического выбора направления обхода контура и направления токов в ветвях цепи, и выводить результаты вычислений.

В данной дипломной работе рассматривается метод расчета и анализа линейных разветвленных цепей содержащих резистивные элементы и источники ЭДС с постоянными параметрами элементов основанный на использовании законов Кирхгофа.

Оглавление

- Введение 3

- Напряжение и ток в электрической цепи

- Резистивный элемент

- 3. Источники 6

- Задача анализа разветвленной цепи

- Пример. Результаты вычислений

- Методика моделирования

- Линейный граф и матрица соединений

- Уравнения контурных токов

- Алгоритм формирования узловых уравнений

- Заключение 17

- Использованная литература 18

- Приложение

Заключение

Таким образом в настоящей дипломной работе:

- проведен литературный обзор по моделированию процессов в радиотехнических цепях, методов и средств расчетов токов и направлений в них;

- построена математическая модель разветвленной цепи постоянного тока;

- на языке программирования Турбо Паскаль версии 7.0. в удобном графическом интерфейсе разработана программа построения и анализа электрической схемы цепи постоянного тока;

- приведены методические пояснения при работе с разработанной программой, а также расчетов и анализа электрических цепей;

- программа допускает без принципиальных изменений расширение её функциональных возможностей для расчетов цепей переменного тока, а также моделирования и анализа электромагнитных полей;

- результаты настоящей дипломной работы могут быть использованы в учебном процессе, при разработке электронной аппаратуры в научных лабораториях и на производстве.

В заключение хочу выразить благодарность своим научным руководителям: Цыпишка Дмитрию Ивановичу, Брагарь Луке Федеровичу и заведующиему кафедрой кафедрой общей физики и методики преподавания физики Стамову Ивану Григорьевичу, за методическую помощь, оказанную при написании дипломной работы.

Список литературы

Под источником в теории цепей понимают элемент, питающий цепь электромагнитной энергией. Эта энергия потребляется пассивными элементами цепи - запасается в индуктивностях и емкостях и расходуется в активном сопротивлении.

Напряжения источников, представляющие заданные функции времени, называют также приложенными к цепи или возбуждающими цепь сигналами. Примерами реальных источников электромагнитной энергии могут служить генераторы постоянных, синусоидальных и импульсных сигналов разнообразной формы, сигналы, получаемые от различного рода датчиков, антенн радиоприемных устройств и т. д. Эти источники сигналов либо являются первичными источниками, в которых происходит непосредственное преобразование энергии неэлектромагнитной природы (механической, химической, тепловой и т. д.) в электромагнитную энергию, либо получают питание от первичных источников. Источник является активным элементом.

Для анализа цепей вводят идеализированный источник напряжения, который учитывает главные свойства реального источника.

Источник напряжения. Под источником напряжения понимают такой элемент с двумя выводами (полюсами), напряжение между которыми задано в виде некоторой функции времени независимо от тока, отдаваемого во внешнюю цепь.

а) б)

Рисунок 1.3.

Наиболее часто применяемые условные графические обозначения источника напряжения представлены на рис. 1.3, а и б, где принятая положительная полярность напряжения источника указывается либо стрелкой внутри кружочка, либо большой и малой чертами, малая соответствует знаку "-", а большая - "+". Поскольку положительную полярность напряжения условились обозначать знаками "+", "-", для источника напряжения в программе применено обозначение, показанное на рис. 1.3, б.