Дипломная работа

Математическое моделирование физических задач на ЭВМ

На примере расчета разветвленных цепей постоянного

тока основанного на использовании законов Кирхгофа

Выполнил:

Студент 506 группы

Коваленко А.С.

Научные руководители:

Кандидат

физико-математических

наук, доцент                                                                                 Цыпишка Д.И.

Кандидат

физико-математических

наук, доцент                                                                                  Брагарь Л.Ф.

Тирасполь, 2000г.

Содержание:

Введение....................................................................................................................................... 3

1. Напряжение и ток в электрической цепи................................................................................. 4

2. Резистивный элемент.............................................................................................................. 5

3. Источники................................................................................................................................ 6

Глава 1. Задача анализа разветвленной цепи.................................................................... 7

Глава 2. Пример. Результаты вычислений........................................................................... 9

Глава 3. Методика моделирования...................................................................................... 10

1. Линейный граф и матрица соединений................................................................................... 10

2. Уравнения контурных токов................................................................................................... 13

3. Алгоритм формирования узловых уравнений........................................................................ 16

Заключение................................................................................................................................ 17

Использованная литература................................................................................................. 18

Приложение................................................................................................................................ 19

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.