Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей
Семенов А. С., старший преподаватель Кугушева Н.Н., старший преподаватель Хубиева В.М., старший преподаватель Матул Г.А., ассистент (Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова)
ВНЕДРЕНИЕ ПАКЕТА ПРОГРАММ MATLAB В УЧЕБНУЮ И НАУЧНУЮ РАБОТУ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
Данная статья раскрывает вопрос применения пакета программ MatLab для преподавания специальных дисциплин у специальностей «Электроснабжение» и «Электромеханика». Рассмотрен ряд дисциплин, требующих использование специальных программ имитационного моделирования. Приведены обоснование и плюсы использования именно программы MatLab. Представлено краткое описание возможностей и вид интерфейса программы. Рассмотрена структура пакета программ, описаны входящие туда приложения. Подробно описаны приложения Simulink и SimPowerSystems. Приведены их возможности и структура библиотек блоков. Представлены методические и учебные пособия, изданные сотрудниками вуза для облегчения изучения пакета программ MatLab. Описаны примеры, где во время обучения может пригодиться пакет программ MatLab. Приведен список публикаций студентов, основанных на изучении программы MatLab при выполнении лабораторных и практических работ.
Ключевые слова: пакет программ, MatLab, модель, моделирование, приложение, Simulink, Sim-PowerSystems, специальность, Электроснабжение, Электромеханика, студент.
APPLICATION SOFTWARE PACKAGE MATLAB IN EDUCATIONAL AND SCIENTIFIC WORK OF STUDENTS TECHNICAL SPECIALTIES
This article reveals the question of the application of the software package MatLab for teaching special disciplines in specialties «Electric power supply» and «Electromechanics». Considered a number of disciplines that require the use of special simulation. The substantiation of the benefits of using it and the program MatLab. A brief description of the features and feel of the interface of the program. The structure of the software package, there are described incoming applications. Detailed description of the application Simulink and SimPowerSystems. Given their capabilities and structure of block libraries. The methodical and manuals issued by the staff of the university to facilitate the learning of the software package MatLab. Describes examples where during training can be useful software package MatLab. A list of publications of students based on a study of the program MatLab for any laboratory and practical work.
Key words: software package, MatLab, model, modeling, application, Simulink, SimPowerSystems, specialty, Electric power supply, Electromechanics, student.
Политехнический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» в г. Мирном ведет подготовку специалистов (горных инженеров) по специальностям 140601 «Электромеханика» (специализация «Электромеханика и электрооборудование горных предприятий») и 140211 «Электроснабжение» (специализация «Электроснабжение горных предприятий»).
В курсе специальных дисциплин и дисциплин специализации у вышеуказанных специальностей присутствуют предметы, изучение которых невозможно без использования современных программ моделирование сложных автоматических, электротехнических, электромеханических и энергетических систем, такие как: автоматизация технологических процессов, автоматизация производственных процессов, автоматизация систем управления горных предприятий, пакеты прикладных программ для модерирования электромеханических систем, моделирование автоматизированного электропривода, моделирование переходных процессов в системах электроснабжения, основы автоматизированного проектирования, релейная защита и автоматизация систем электроснабжения, методы научных исследований в электроснабжении и электромеханике.
Для преподавания таких дисциплин требуется универсальная программа моделирования всевозможных процессов энергетики и механики, имеющая большую элементную базу и простоту построения моделей. Программа моделирования должна обеспечивать проведение лабораторных и практических работ по вышеуказанным дисциплинам с возможностью отображения результатов моделирования тех или иных процессов в реальном времени.
Как оказалось со столь сложной поставленной задачей смогло справиться одно из немногих приложений, адаптированных под операционную систему Windows, - это пакет программ MatLab. Хотя лицензионная версия MatLab имеет только английский язык интерфейса, это не оказалось проблемой для восприятия студентов вуза, которые ежедневно сталкиваются с другими англоязычными приложениями в своих персональных компьютерах и с первого курса изучают иностранный язык (как правило - английский).
Пакет программ MatLab предназначен для аналитического и численного решения различных математических задач, а также для моделирования сложных электротехнических и электромеханических систем. MatLab получил наиболее распространенное применение в инженерной практике в отличие от других подобных программ (Mathematica, Maple, Mathcad).
Система инженерных и научных расчётов MatLab (Matrix Laboratory - матричная лаборатория) способна решать задачи линейной алгебры, интегральные и дифференциальные уравнения, выполнять преобразования Лапласа и Фурье, Z-преобразования и т.д. Графические возможности пакета позволяют строить двух и трёхмерные графики в различных координатах. Предусмотрено решение статистических и оптимизационных задач. Благодаря программе Simulink имеется возможность анализа и синтеза современных систем управления во временной и частотной областях, а также в пространстве состояний. Множество пакетов расширений (Toolbox), в том числе по нейронным сетям, нечёткой логике и генетическим алгоритмам, делают этот пакет незаменимым при автоматизированном проектировании систем управления промышленными объектами [1].
Графический интерфейс пакета MatLab состоит из четырёх независимых окон. Окно Command Window является основным и предназначено для ввода чисел, переменных, выражений и команд, для просмотра результатов вычислений, для отображения текстов выполняемых программ, а также для вывода сообщений об ошибках. Структура окна (рис. 1) состоит из строки меню, панели инструментов, рабочей области и полосы состояния.
; □ а | * * • * в* в | е | C:\Users\Alex\Documents\MATLAB ЧПва
Shortcuts И How to Add 0 What's New
Current Folder □ ? X Workspace ■+" □ P X
+ + « MATLAB - p ty- Warning: Name is nonexistent or not a directory: C:\Program Ml Й ^H % | Stack: Base Select data to plot
□ Name- Files\l^TI^\R2010a\toolbox4simulinlc4SiiiiCoupier. h »1 Nameж Value Min Max
actxlicense.m
Command History -+' П Р X
w и •: i У!'л i, i so ;■•) ю *oi)
Pole;к>
Jeep :vo
w-u : isi, i ы: м\ 4u ъп i >
Pole;к>
Details v
.I? 1 ItM
% C6.12.12 21:21 %
j.....%— 13.02.13 14:33 —%
:.....%— 17.02.13 17:19 —% —|
Select a file to view details j.....%— 27.05.13 12:57 —% |.....%— 27.05.13 21:11 —% ;.....%— 31.05.13 9:48 —% |.....%— 31.05.13 9:49 —% ^.....%— 29.08.13 19:27 —%
Start Ready | OVR .:
Рис. 1. Структура окна пакета программ MatLab
В рабочей области окна находится строка ввода команд (зона редактирования), отмеченная знаком >>, в которой можно вводить числа, имена переменных и знаки операций. Имена переменных должны начинаться с буквы и могут состоять из букв, цифр и знаков препинания. Простейшими знаками операций являются +, -, /, а также операция возведения в степень, обозначаемая Л. Для вызова ранее введённых команд предусмотрено специальное средство - окно Command History (История команд). Здесь отображается перечень команд, вводимых в течение каждого сеанса, а также дата и время сеанса. Одна или несколько команд могут быть выполнены с помощью мыши и клавиш Shift, Enter и Ctrl. Контекстное меню, содержащее команды копирования, вырезания и др., можно вызвать щелчком правой кнопки мыши на какой-либо команде данного окна. Окно Workspace (Рабочее пространство) предназначено для просмотра переменных рабочего пространства - информация представлена в виде таблицы (имя переменной, значение переменной, тип переменной). Число столбцов можно изменять, например, добавить размер массива и указать количество байтов, занимаемых переменной. В окне Current Folder отображается список файлов и вложенных папок активного в данный момент каталога.
Пакет программ MatLab состоит из множества приложений и библиотек. Для выполнения задач по моделирования сложных электротехнических систем предназначены приложения Simulink и SimPowerSystems. Эти приложения представляют из себя библиотеки блоков, позволяющие собирать в единое цело имитационные модели. Библиотека блоков SimPowerSystems является одной из множества дополнительных библиотек Simulink ориентированных на моделирование электромеханических и электроэнергетических систем и устройств. SimPowerSystems содержит набор блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств. В состав библиотеки входят модели пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередачи и прочего оборудования. Имеется также раздел содержащий блоки для моделирования устройств силовой электроники, включая системы управления для них.
Используя специальные возможности Simulink и SimPowerSystems, пользователь может не только имитировать работу устройств во временной области, но и выполнять различные виды анализа таких устройств. В частности, пользователь имеет возможность рассчитать установившийся режим работы системы на переменном токе, выполнить расчет импеданса участка цепи, получить частотные характеристики, проанализировать устойчивость, а также выполнить гармонический анализ токов и напряжений. Вид приложений Simulink и SimPowerSystems приведен на рисунке ниже.
Рис. 2. Структура библиотеки БтиНпк и блоки приложения $ШРом1ег$у$1еш$
Несомненн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.