Module Software Specifice Ingineriei Electrice

Există un număr considerabil de pachete software, (OrCAD, PSpice, HFSS, FLUX 2D, FLUX 3D, AUTOCAD, MATLab, LabVIEW etc), pentru diversele tipuri de sisteme CAD/CAM. Fiecare soft are puterea și specificul lui și este destinat unei anumite piețe și unui anumit grup de utilizatori.

Softurile profesionale pot fi categorisite după domeniile lor de aplicație în softuri mecanice, electrice și arhitecturale, pentru utilizatorii din domeniile respective. Dacă un soft existent se folosește pe sisteme diverse, rezultă că acesta are o structură generică și module comune. Cunoașterea unor asemenea structuri și module, permite utilizatorilor o mai bună înțelegere a funcționării sistemului, în scopul evaluării și instruirii. [4]

Prin modelarea obiectului de conceput se nelege studiul mrimilor fizice specifice i al modelelor matematice caracteristice. Cunoaterea cmpului electric sau magnetic n orice dispozitiv electrotehnic permite accesul la calculul performanelor globale n orice regim de funcionare.

Modelele utilizate pentru simularea funcionrii dispozitivelor electrotehnice sunt descrise de ecuaii cu derivate parțiale n domenii, adesea cu geometrie foarte complex. Metodele numerice de calcul, singurele disponibile n astfel de situaii, fac apel la tehnici de discretizare a domeniilor de calcul. Operaia de modelare, a cmpurilor care, face apel la metode numerice de integrare a ecuaiilor se numete modelare numeric. Ecuaiile cu derivate pariale se transform prin modelare numeric n sisteme de ecuaii algebrice, a cror soluie furnizeaz o aproximaie a cmpului ntr-un numr discret de puncte ale domeniului de calcul.

II.1. Sistemul de operare

Modulul sistemului de operare furnizează utilizatorului comenzi utilitare și de sistem, în conturile de lucru ale acestuia. Funcții tipice, precum manipulările fișierelor (ștergere, copiere, redenumire etc.), directoarelor și subdirectoarelor, editarea textelor, programarea și organizarea conturilor, sunt suportate de către sistemul de operare. Fișierele care sunt generate într-un cont al utilizatorului, de către sistemul de operare, pot fi clasificate în două grupuri. Primul grup include toate fișierele convenționale (fișiere text) iar al doilea grup include fișierele grafice.

Datorită diferenței dintre sistemul de operare și funcțiile de grafică, într-un sistem CAD/CAM, utilizatorului îi sunt disponibile două niveluri. Acestea sunt nivelul sistemului de operare și nivelul grafic. Utilizatorul poate apela cu ușurință un nivel din cel curent. Software-ul furnizează, de obicei, utilizatorilor o comandă sau o procedură de a merge înainte sau înapoi între două niveluri, pentru a realiza flexibilitatea maximă și pentru a crește productivitatea utilizatorului.

II.2. Modulul grafic

Acest modul oferă utilizatorilor posibilitatea de-a modela și construi forme geometrice, de-a editarea și manipula geometrii existente. Programele de proiectare asistată de calculator, furnizează o serie de comenzi de vizualizare 2D și 3D a obiectelor proiectate. Aceste comenzi sunt necesare la obținerea proiecțiilor plane, a proiecțiilor izometrice și la realizarea unor imagini realiste, prin utilizarea funcțiilor de eliminare a părților ascunse, de umbrire, texturare și plasare a surselor de lumină. Aceste facilități dau un aspect realist, fotografic, obiectului modelat.

II.3. Modulul aplicațiilor

Acest modul diferă de la un software la altul. Cu toate acestea, există aplicații comune regăsite în cele mai multe pachete de CAD. Creerea unui model geometric pentru un echipament reprezintă o modalitate și nu un scop pentru ingineri.

Structura unui software de modelare numeric.

Modulul FLUX 2D 4

Tratarea numeric a unei probleme caracterizat de ecuaii cu derivate pariale parcurge urmtoarele trei etape succesive:

Descrierea problemei: geometrie, proprieti fizice, divizarea domeniului de calcul, asocierea proprietilor fizice pentru materiale;

Dezvoltarea metodei numerice de simulare (MDF, MEF);

Verificarea, vizualizarea i interpretarea rezultatelor simulrii.

Aceste etape corespund structurii naturale a softului n trei procesoare:

procesorul de introducere a datelor (preprocesorul);

procesorul de calcul;

procesorul de extragere a rezultatelor (postprocesorul).

Descrierea geometriei unui domeniu de calcul i discretizarea cu elemente finite este asigurat de ctre preprocesorul geometric PREFLU. Discretizarea domeniului de calcul reprezint trecerea de la mediul continuu la mediul discret, ea fiind strns legat de metoda utilizat pentru aproximarea ecuaiilor cu derivate pariale. Relativa uurin a discretizrii n elemente finite i marea generalitate a procedurilor numerice asociate fac ca aceast metod s fie foarte utilizat n softurile CAD. Pentru a se realiza o ct mai bun discretizare a modelului considerat trebuie s fie ndeplinite urmtoarele condiii mai importante:

densitatea elementelor trebuie s fie ct mai mare n zonele unde fenomenul este mai intens (mai accentuat);

elementele trebuie s fie suficient de regulate ca formă geometrică.

n general discretizarea frontierelor domeniului o poate face utilizatorul. Sarcina divizorului automat (cu care este prevzut programul) este aceea de a propaga automat divizarea ctre interiorul domeniului, respectnd densitile alese.

Descrierea proprietilor fizice presupune identificarea și atribuirea diferitelor regiuni din domeniul de calcul a caracteristicilor de material, a surselor de excitație a cmpului i a condiiilor de frontier.

Descrierea caracteristicilor fizice se realizeaz prin modulele CSLMAT, utilizat pentru gestionarea bazei de materiale i PROPHY, MODPRO utilizate pentru asocierea respectiv modificarea proprietilor fizice ale materialelor, descrierea surselor i stabilirea condiiilor de frontier.

Procesorul de calcul SOLVER asigur o rezolvare interactiv a problemei.

Procesorul POSTPRO permite analiza și procesarea rezultatelor, precum și extragerea informaiilor semnificative referitoare la mrimile locale sau globale i prezentarea sintetic a informaiilor numerice sub form grafic n scopul interpretrii lor.

Modulul MATLAB [6]

Matlab este un pachet de programe dedicat calculului numeric și reprezentărilor grafice în domeniul științei și ingineriei. Elementul de bază cu care operează MATLAB-ul este matricea, fără a fi necesară programarea tradițională.

Dintre resursele de calcul și reprezentarea grafică ale MATLAB-ului se menționează următoarele:

operații matematice fundamentale;

algebră liniară și funcții matriciale;

analiza datelor și transformatele Fourier;

analiza numerică neliniară;

reprezentarea graficelor în 2D și 3D.

De asemenea MATLAB-ul, include aplicații specifice care dezvoltă mediul de programare de la o versiune la alta, pentru a rezolva probleme din domenii variate, numite TOOLBOX-uri, (Signal processing; Image processing; Statistics; Neural network; Contro sistem design; Optimisation; Power sistem control; Spline).

Programul OrCAD

Pachetul de programe OrCAD, 4, cuprinde mai multe module, cu funcționare relativ independente, pentru proiectarea circuitelor electronice, începând cu desenarea schemei, realizarea cablajului, verificarea funcționării corecte a circuitului și programe asociate (de legătură și utilitare).

Programul PSpice este un program folosit pentru simularea circuitelor electrice analogice, dar și numerice, cu aplicații utile în electrotehnică, electronică și automatică. Acest program are multe variante comerciale, ca de exemplu: PSpice, HSpice, ISpice, etc.

Figura. 2.1. Imagine de circuit realizat cu softul PSpice

Figura. 2.2. Imagine cu rezultate, extrasă din softul PSpice

Noțiunile ce stau la baza analizei unui circuit electric impun cunoștințe de circuite electronice, însușirea comportării componentelor electronice și evident cunoașterea legilor circuitelor electronice. Dacă utilizatorul are un circuit al cărui mod de funcționare o cunoaște principial și dorește să-l simuleze pentru a afla detalii de funcționare, acest fapt este suficient pentru a înțelege programul PSpice.

Programul PSpice ajută utilizatorul să simuleze circuite electrice înainte de a le construi. Acesta permite proiectantului să decidă ce schimbări sunt necesare, fără a atinge un echipament fizic. Există deci posibilitatea de-a verifica dacă circuitul electric proiectat funcționează corect, înainte de-a fi executat.

Programul Ansoft HFSS, 5

Este un pachet de software interactiv ce permite caracterizarea efectelor de radiație și asupra undelor, electromagnetice, pentru structuri pasive de transmisie la frecvență înaltă. Folosind algoritmi bazați pe elemente finite, HFSS permite calcularea și vizualizarea de:

mărimi de bază ale câmpului electromagnetic, parametrii antenă, și pentru probleme de frontieră, câmpuri radiate;

impedanțe caracteristice pentru porturi și constante de propagare;

parametrii S generalizați și parametrii S renormalizați pentru diferite impedanțe ale porturilor.

Utilizatorul trebuie să deseneze structura, să specifice caracteristicile materialelor pentru fiecare obiect, să identifice porturile, sursele, caracteristicile suprafețelor speciale. Sistemul va genera apoi soluțiile câmpului necesare.

Figura 2.3. Imagine din softul HFSS

Programul Ansoft Designer [5]

Ansoft Designer este un soft profesional de RF/MW de înaltă perfomanță și un instrument de verificare analog/RFIC care furnizează schema integrală și designul pentru circuite analogice complexe, RF și aplicații de semnal mixt.

Câteva din avantajele softului Ansoft Designer față de alte softuri asemănătoare:

– permite să proiecteze, optimizeze și să valideze componenta, circuitul și sistemul de performanță cu mult înainte de a construi un prototip în hardware.

– poate îmbunătății sistemele de simulare digitale de comunicare, simulare de circuite nelineare, domeniul de frecvență, analize tranzitorii, și simulare 3D.

– este un mediu de proiectare avansat cu un manager de proiect dinamic, și soluții exacte, și cu o legătură dinamică cu HFSS, un simulator electromagnetic 3D full-wave conceput de Ansoft.

– elementele de circuit sunt grupate în biblioteci abundente care vin odată cu softul, sau care pot fi accesate sau actualizate on-line.

– modelul geometric poate fi construit din obiecte predefinite, cum ar fi cerc, dreptunghi, arc, linie, poligon, gol, și cavitate.

– poate fi efectuată simularea 3D și parametrii simbolici a modelelor câmpului electromagnetic pot fi definiți și optimizați. Discretizarea poate fi automată sau manuală în fincție de precizia rezultatului dorit.

În afară de caracteristica de interfață, Ansoft Designer oferă:

optimizarea în funcție de valorile parametrilor geometrici;

analiza parametrică pentru a determina în ce măsură variația geometriei afectează perfomanța acestuia;

analiză statistică pentru a determina distribuția performanței designului;

analiza pentru a determina sensibilitate designului la mici modificări la nivelul variabilelor.

Ansoft Designer este un instrument software profesionist și sofisticat, care se adresează în primul rând aplicațiilor industriale și de cercetare, și utilizatorilor experimentați. Principalele beneficii ale acestei aplicații pentru microunde sunt următoarele:

Oferă modele neliniare pentru circuite și sisteme de microunde precum și analizele corespunzătoare.

Reprezentarea alcătuirii fizice este atribuită fiecărei componente în schemă și poate fi exportată automat la modelul planar electromagnetic.

Analiza 3D a câmplului electromagnetic de tip ‘full-wave’ cu posibilitatea încorporării arbitrare a structurilor 3D EM multi-strat în schemă.

Optimizare manuală și automată puternică pentru un circuit și parametrii de model 3D a câmplului electromagnetic.

Caracterizarea componentelor multiple este oferită sub formă analitică sau electromagentică 3D.

Calculează intervalul timpului de răspuns pe domenii și deține un modul separat pentru analiza SPICE.

Subcircuitele sunt acceptate și pot fi utilizate pentru a creea scheme complexe.

Instrumentele de calcul pentru microunde sunt module software cu care sunt dotate pentru calcule de rutină, cum ar fi analiza sau sinteza liniei de microstrip și pierderea reportată.

Posibilul dezavantaj al acestui instrument software excellent Ansoft Designer, ar putea fi acela că ar putea părea ca fiind ultra-sofisticat pentru studenți în programul de licență și cercetători sau practicieni începători.