电机的计算机辅助分析讲解材料
机电控制工程基础课件：控制系统的计算机辅助分析与设计
控制系统的计算机辅助分析与设计
例 10－10 将例 10 7 给定的系统的传递函数变成系统的 零点和极点模型。
解 可以直接调用 tf2zp ()函数,输入下列语句;
控制系统的计算机辅助分析与设计
即变换后所得的零极点模型为
这里,为了验证 MATLAB 提供的转换函数,还可以调用 zp2tf ()函数将得出的模型变换回原来的模型。在这里需要指 出的是,调用 zp2tf ()函数,其中的零计
说明:指令执行后,矩阵 A 被保存在 MATLAB 的工作间 ( Workspace )中,以备后用。如果用户不用 clear 指令清除它, 或对它重新赋值,那么该矩阵会一直保存在工作间中,直到本 MATLAB 命令窗被关闭为止。
控制系统的计算机辅助分析与设计
4. 语句与变量 MATLAB 采用表达式语言。用户输入的语句由 MATLAB 系统解释运行。 MATLAB语句有两种最常见的形 式: (1 )表达式; (2 )变量 = 表达式。
控制系统的计算机辅助分析与设计
控制系统的计算机辅助分析与设计
3. 简单矩阵的输入 在 MATLAB 中,输入矩阵的方法有多种。这里只简单介 绍矩阵的直接输入法。在 MATLAB 中,不必对矩阵维数作任 何说明,存贮将自动配置。在直接输入矩阵时,矩阵元素用空 格或逗号分隔,矩阵用分号“;”隔离,整个矩阵放在方括号 “[]”里。
控制系统的计算机辅助分析与设计
控制系统的计算机辅助分析与设计
10. 1 MATLAB 入门 10. 2 控制系统的数学模型 10. 3 控制系统的性能分析 10. 4 控制系统的校正设计 习题
控制系统的计算机辅助分析与设计
计算机辅助工程分析
k1u1 k1u2 R1
k2u2 (k2 k3 )u3 k3u4 0
k3u3 (k3 k4 )u4 k4u5 0
k4u4 k5u5 P
节点2： k1u1 (k1 k2 )u2 k2u3 0 节点3： 节点4： 节点5： 将上述方程组写成矩阵形式，有：
0 u1 u 27.5100 2 6 u3 10 59.2680 m u4 96.8290 u5 142 .8000
w2 w1 y)t 150 0.3 y L
A2=150-0.3×62.5=131.25 mm2 A4=150-0.3×62.5×3=93.75 mm2
热能动力机械 CAD/CAE/CAM
第三章 计算机辅助工程分析
一、计算机辅助工程的概念
CAE 就是指计算机辅助工程 (Computer
Aided Engineering ) ，是指设计人员在工程产
品生产以前借助计算机对其设计方案进行精确的 试验、分析和论证。
作为一项跨学科的数值模拟分析技术，它是
k1 k1 k k k 1 1 2 0 k2 0 0 0 0
Hale Waihona Puke 0 k2 k 2 k3 k3 0
0 0 k3 k3 k 4 k4
0 u1 R1 0 u2 0 0 u3 0 k4 u4 0 k4 u5 P
软件主要包括3 个部分：
前处理模块：提供了强大的实体建模及网格划
分工具，用户可以方便地构造有限元模型；
分析计算模块：包括结构分析(可进行线性分析、
教学大纲—计算机辅助工程分析
教学大纲—计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析是计算机科学与工程学科下的一门重要课程，主要培养学生对工程项目进行分析和评估的能力。
本课程旨在通过理论学习和实践操作，培养学生运用计算机辅助工程分析方法进行工程项目分析的能力，为工程设计和决策提供科学依据。
一、课程目标本课程的主要目标是让学生掌握计算机辅助工程分析的基本原理和方法，具备独立运用计算机辅助工程分析软件进行工程项目分析的能力，能够在工程设计和决策中运用所学知识提供科学依据。
二、教学内容和安排1.引言1.1计算机辅助工程分析的概述1.2计算机辅助工程分析的发展历程1.3计算机辅助工程分析软件的应用领域和特点2.工程分析的基本原理2.1工程分析的概念和分类2.2工程分析的基本原理和方法2.3工程分析的数据源和准备3.计算机辅助工程分析软件介绍3.1常用计算机辅助工程分析软件的功能和特点3.2计算机辅助工程分析软件的选择和使用原则3.3计算机辅助工程分析软件的使用技巧4.工程分析的具体应用4.1结构分析4.2流体力学分析4.3电磁场分析4.4热传导分析4.5优化设计分析5.工程分析案例分析与实践操作5.1基于计算机辅助工程分析软件的案例分析5.2基于计算机辅助工程分析软件的实践操作5.3实践操作的数据分析和结果展示三、教学方法本课程采用理论讲授与实践操作相结合的教学方法。
理论讲授部分通过教师授课、课堂讨论和案例分析等方式进行。
实践操作部分利用计算机辅助工程分析软件进行案例模拟操作，学生将在实验室完成相应实验，并对实验数据进行分析和结果展示。
四、考核方式本课程的考核主要根据学生的平时表现、课堂参与、实验报告和期末考试等方式进行综合评定。
具体考核比例为平时表现占20%，实验报告占30%，期末考试占50%。
五、参考教材1.《计算机辅助工程分析原理与实践》葛亭亭，李晓明，机械工业出版社，2024年2.《计算方法在工程分析中的应用》吴浩，电子工业出版社，2024年六、教学评价与优化本门课程应及时收集学生的意见和建议，及时进行课程评价和改进。
《电力系统计算机辅助分析》上机实验指导书
昆明理工大学《电力系统计算机辅助分析》上机实验（指导书）主编唐岚电力工程学院二〇〇七年一月目录前言 ................................................................................... I I 实验一MATLAB软件的基本操作 (1)实验二MATLAB 程序的基本结构 (2)实验三电力系统计算中常用的数值算法 (4)实验四电力网络的数学模型 (5)实验五潮流计算 (6)实验六短路电流计算 (7)实验七静态稳定和暂态稳定计算 (8)附录：学生实验报告表头格式 (9)前言《电力系统计算机辅助分析》是电气工程及自动化专业的专业必修核心课程，是《电力系统分析基础》的后续课程。
其主要任务是：使学生深入学习电力系统潮流、短路、稳定计算的计算机算法，提高学生应用计算机对电力系统进行分析和计算的能力。
《电力系统计算机辅助分析》课程教学的难点在于如何让学生掌握将《电力系统分析基础》中所学的各种电力系统元件的数学模型用网络方程联系起来并转化为程序代码的方法，进而用相应的数值算法求解之。
这要求学生学好先修课程《电力系统分析基础》、《计算方法》和《程序设计基础》。
但由于后两门课程开设较早，学生掌握情况差异也很大，所以极不利于教学。
因此，我们结合选用的《电力系统分析》教材，以MATLAB作为软件工具来实现各种电力系统计算程序。
这样可以利用MATLAB软件强大的数值计算能力和相对简单的编程语言，以减少教学过程中的不利因素，在促进学生掌握《电力系统计算机辅助分析》核心内容的同时，也让学生初步学习了MATLAB这个在科学和工程领域应用十分广泛的软件。
作为《电力系统计算机辅助分析》课程的辅助教学材料，其内容从MATLAB 软件的基本操作，到电力系统三大基本计算，共由七个上机实验组成。
所有七个实验均为课程教学过程中必做的基本实验。
下一步将考虑加入初步制订电力系统运行方式的综合实验，可供课程设计时选做。
电力系统计算机辅助分析—潮流计算
ut Um sint 2
U m2
it Im sint 1
I m 1
相对角度固定的旋转相量
静止相量
11
准备知识：交流电路 —— 交流电路的相量法
相量的两种表示方法
U
Uy
U
Ux
直角坐标
U Ux jUy
极坐标
U U e j U
12
准备知识：交流电路 —— 交流电路的相量法
相量法大大简化正弦电路的稳态分析
4
潮流计算的目的意义 —— 稳态分析的基础
忽略动态过程，求解代数方程，确定平衡点
平衡点
忽略动态过程 运动过程
x f x, y 0
平衡点
f x, y 0
5
潮流计算的目的意义 —— 潮流计算的主要作用
预测干扰后、动态过程结束后的未来稳态
潮流计算
求解电网的运行状 态，包括各母线的 电压、线路的功率 分布以及功率损耗
7
潮流计算的目的意义 —— 潮流计算的主要思路
实现潮流计算的关键技术问题 构建描述电网稳态的代数方程 找到符合工程实际的已知量
适合工程应用的代数方程解法
求取母线电压
8
准备知识：交流电路 —— 回顾交流电路理论
利用交流电路理论构建描述 电网稳态平衡点的代数方程
9
准备知识：交流电路 —— 交流电路的相量法
发电机和电动机电磁转矩变化引起的电 机转子机械运动变化过程
新的稳态
>min
所有由扰动导致的动态过程都结束了， 电力系统恢复到一个新的稳定平衡点。
3
• 从数学建模的角度阐述暂态过程为何细分为电磁暂态 和机电暂态？
• 快慢动态解耦，对一个系统的动态过程进行描述时， 一般分别描述其快动态过程和慢动态过程。在考虑快 动态过程时，忽略慢动态过程，将慢动态状态量简化 为恒定参数；在考虑慢动态过程时，忽略快动态过程 ，将描述快动态的微分方程退化为代数方程。
计算机辅助制造中的机构分析方法
计算机辅助制造中的机构分析方法一、引言计算机辅助制造（CAD/CAM）技术的快速发展，极大地推动了制造业的发展。
机械零部件的设计和制造是制造行业的重要环节，而机构分析方法则是机械零部件设计中不可或缺的一部分。
本文将从机构分析的定义、分类、应用和计算机辅助分析方法四个方面进行阐述。
二、机构分析的定义和分类机构是指一组相互连接、能够使物体做规定运动的构件。
机械运动学是机构分析的基础，它的主要任务是研究物体的运动规律和运动学参数。
机构分析是以机械运动学为基础，研究机械系统中各个构件的相对运动性能，寻找系统中不合理的部分，改进机械构造，使其更加稳定、精确、高效。
机构分析的方法主要分为解析法和综合法。
解析法包括解析正向运动学、解析反向运动学、解析动力学和解析静力学等方法；综合法包括图解法和模拟法。
三、机构分析的应用机构分析在制造行业中有广泛的应用。
通过分析机构，可以避免机械系统中存在的不合理部分，通过优化设计，提高机械构造的质量和效率。
具体应用包括：1.机械系统的设计机构分析为机械系统的设计提供了科学的方法和理论基础，可以用于机械系统各种部件的设计和分析，以及机械系统的总体设计和分析。
2.机械力学的理论研究机械力学是机械工程研究的重要分支，机构分析是机械力学理论研究的重要工具，从而指导机械系统的设计和研制工作。
3.机械制造业的实际应用机构分析为机械制造业提供了更为科学的设计和制造方法，可以指导机械设备的生产、安装和使用，提高其使用效率和稳定性。
四、计算机辅助机构分析随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助机构分析已经成为现代机械制造业中必不可少的内容。
计算机辅助机构分析主要包括计算机辅助设计、计算机辅助制造和虚拟样机等方面，应用广泛，具有多种优点，如减少制造周期、提高设计的精度和可靠性等。
计算机辅助机构分析的方法主要包括CAD/CAM技术、虚拟样机技术、有限元分析技术和CFD技术等，可用于机构设计和分析的各个方面。
机电控制工程基础控制系统的计算机辅助分析与设计
工程数据的处理与可视化
01
数据预处理
对采集的工程数据进行清洗、滤波、去噪等预处理，以提取有用的信
息。
02
数据可视化
利用图形、图像、动画等技术将工程数据呈现出来，以便更直观地理
解系统的动态行为和性能。
03
工程优化设计Leabharlann 结合数值优化方法，对控制系统进行多目标优化设计，实现系统性能
的提升和能耗的降低。
04
案例三：航空发动机的控制系统设计
航空发动机是一种高度复杂的动力装置，其控制系统是保证发动机稳定可靠运行 的关键。通过计算机辅助控制系统设计，可以提高航空发动机的性能和稳定性。
具体而言，可以采用计算机辅助设计软件进行航空发动机的控制系统建模与仿真 ，对发动机的燃烧过程和气动性能进行评估和优化。同时，通过计算机辅助控制 算法，可以实现航空发动机的自动化控制。
复合控制系统
结合开环和闭环控制系统的特点，实现多种控制 功能。
机电控制系统的性能指标
稳定性
快速性
系统在受到扰动作用后能否回到平衡状态的 性能；
系统响应能否迅速达到设定值的能力；
准确性
鲁棒性
系统响应能否精确达到设定值的能力；
系统在存在不确定性因素时的适应能力和稳 健性。
03
计算机辅助分析
数学模型的建立与仿真
被控对象
被控制的机器或设备，以及其相关 联的部分；
传感器
检测被控对象的参数或状态，并将 其转换为电信号输入控制装置。
机电控制系统的基本类型
开环控制系统
输入信号直接通过控制装置控制执行机构，输出 与输入无反馈联系；
闭环控制系统
输入信号通过控制装置控制执行机构，输出通过 传感器反馈到控制装置形成闭环；
机电控制工程基础控制系统的计算机辅助分析与设计
用户的需求。
本课题研究的局限性及进一步研究方向
控制算法优化
多领域协同优化
实时性优化
本课题主要针对机电控制系统的基础 控制算法进行了分析和设计，然而在 实际应用中，还需要针对具体的应用 场景和设备进行优化和改进，以提高 控制精度和稳定性。
本课题主要关注了单一机电控制系统 的优化问题，然而在实际生产中，多 个领域、多种设备之间的协同优化也 是非常重要的研究方向，需要进一步 深入研究。
机电控制系统的性能指标
控制精度
被控对象输出与设定值之间的误差大小。
可靠性
控制系统在规定条件下和规定时间内完成 规定功能的概率。
响应速度
被控对象输出对于设定值变化的响应速度 。
功耗
控制系统各部件的功耗总和。
稳定性
系统在受到扰动作用后，能够自动恢复到 稳定状态的性能。
03
计算机辅助分析方法
数学建模与仿真软件
MATLAB/Simulink
广泛使用的数学建模和仿真软件，支持多种控制系统分析和设计方法。
OPNET
专门用于网络模拟和性能分析的软件，可进行控制系统建模和仿真。
LabVIEW
基于图形编程语言的虚拟仪器软件，可用于数据采集、仪器控制等。
控制系统的时域分析
时域响应
描述系统在输入信号作用下的时间响应，包括稳态和暂态响应。
机电控制系统的分类
01
开环控制系统
输入信号直接作用于控制器，控制器输出控制信号作用于执行器，被
控对象的输出信号不反馈到控制器。
02
闭环控制系统
输入信号作用于控制器，控制器输出控制信号作用于执行器，被控对
象的输出信号通过传感器反馈到控制器，形成闭环控制。
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3、也可以加外加电路
V1
V2
V3
V4
S1
S2
S3
S4
A
B
C
D
UDC
图11 仿真所加外电路图
4、加激励过程中包括对绕组进行设置
若绕组有外加电容或电阻等也可加入。
对绕组端环的处理
§5 确定求解量
一、力、转矩
二、参数
包括自感系数、互感系数的计算
§6 确定求解条件
自动或手动剖分 求解器选择 求解误差的选择 求解步长的选择 动态计算过程中还要确定其机械参数
（3）支撑软件 有限元分析及前后处理程序包 优化程序包 几何造型软件 设计绘图系统和绘图软件包 常用CAD软件
三、电机设计时通常的给定数据
额定功率PN、额定电压UN、相数、连接方法、频率、同步转速、 cos
四、电机的性能指标
启动电流倍数、启动转矩倍数、最大转矩倍数、过载能力、效
率、cos
麦克斯韦方程的微分形式：
电磁感应定律： 全电流定律：
s
E•ds
t
sH•dsis(JD t)•da
高斯定律：
磁通连续定律：
泊松方程：
D•daqdv
a
V
B• da 0
a
磁场能量：
电机的有限元分析方法
有限元分析过程大致如下：
1、从所考察的磁场边值问题出发。利用变分原理，把问 题化为等价的条件变分问题，即能量泛函的求极值问题。
§4 给电机施加边界条件和激励
一、加边界条件
二、加激励 1、加电流激励
稳态计算、参数计算时均加电流激励
2、加电压激励
进行瞬态计算时加电压激励，可以加正弦交流电压，也可以加 任意函数电压，如电压可以使位置或速度的函数
可以不考虑集肤效应，也可以考虑集肤效应
Solid
Stranded
60 Hz 600 Hz 1200 Hz
一、剖分：
求解函数选择：
1、标量磁位 m 。
Bx
0
m
x
2、矢量磁位 A Z 。
By
0
m
y
边界条件确定：
1、第一类边界条件。 u u0
2、第二类边界条件。 3、周期性边界条件。
u q n
求解区域确定：
电机内稳态磁场的计算
有限元计算步骤：
1. 选择运算方式 2. 建立模型 3. 添加材料 4. 添加边界条件，设定激励条件 5. 设定求解内容 6. 求解 7. 求解结果后处理
§2 电机CAD系统的组成
一、CAD系统的基本类型
（1）计算型
给定设计初始数据，利用分析程序进行计算，或调用综合设计 程序和优化设计程序寻找理性的设计方案。
（2）交互型
主要是利用图形，充分发挥设计者的创造性。
（3）检索型 库中存有设计好的标准电机，调用即可。
二、CAD系统的软件
（1）系统软件
DOS系统、UNIX系统。 （2）应用软件 VB语言编写的、FORTRAN语言编写的电磁计算程序。 ANSYS、ANSOFT等公司的电磁场计算软件。
Start Field Solution
Generate Initial Mesh
Compute Field
Perform Error Analysis
Refine Mesh
Has
No
Stopping Criteria
been met?
Yes
Stop Field Solution
§1 求解模式确定
时间（s）
图12 仿真计算结果
电机设计（路的方法）
包括初速度、质量或转动惯量的设置、阻尼的设置、负载的设置
§7 求解
一、稳态解
二、瞬态解
§8 求解结果后处理
一、图形后处理
二、数据后处理
稳态场求解
只能求解电机在恒定电流作用下某瞬时的磁场 分布、电磁力、电磁转矩、电机参数
电机磁场分布图、磁通密度波形 机壳
图2 4相14极电机结构图
气 隙 磁 密 B
机械角度（0）
图6 空载时气隙磁密绝对值沿圆周分布
电 磁 转 矩
机械角度（0） 图9 数值分析法所得A、B相绕组分别通 恒定电流时电机的静特性电机的电磁转矩
电机稳态连续参数的求解
建模与电机的静态出计算相同，能求解电机在 恒定电流作用下不同瞬时的磁场分布、电磁力、电 磁转矩、电机参数
2、将定解区域剖分为一系列子区域（即单元剖分）。
3、选取分片光滑的插值函数去逼近求解区域内光滑的磁 位函数。
4、把磁位的插值函数代入能量积分，对变分问题进行离 散化处理，得到以n个节点磁位为未知数的n阶线性代数方 程组。
5、求解线性代数方程组，得到节点磁位的数值近似解， 并由此算出各个单元和节点的磁感应强度值。
电机的计算机辅助分析
CAD---Computer Aided Design
它具有：科学计算、图形处理、数据库三大功能 科学计算：电磁方案分析计算
电磁场分析计算 电机优化设计
图形处理：进行图形生成和变化、分析 绘制零件图和总装配图 各种曲线的处理
§1 电机设计与CAD
电机设计方法：
任务
设计方案
常规的计算和作图（费时、费力）
一、确定求解模式
稳态电场、磁场有限元计算
稳态电场、磁场参数的有限元计算 瞬态电场、磁场有限元计算 热力场 涡流场
Slover:
二、确定求解坐标平面
§2 建立模型
一、画出电机的结构模型
定子
二、对电机中相同的部分进行分类 定子绕组 转子绕组 永久磁极 转子导条
8极电机
12极电机
§3 确定各部分材料
与静态计算相比较，实际上是以下计算了电机 不同位置或在不同的电流作用下，或二者均变化时 电机内的磁场分布、电磁力、电磁转矩、电机参数
同时还可对其变化过程进行演示
计算过程中按变化计算
电机动态过程的计算
电流 （A）
转矩 （N.m）
转速 （ r/mi n）
转角 （0）
时间（s）
时间（s）
时间（s）