Моделирование сложных систем
УДК 004.94
, канд. техн. наук, доц.,
, канд. техн. наук, доц.,
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет «ЛЭТИ» им. (Ленина)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРОМ ПРОТЯЖЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ
Аннотация. В работе рассмотрено моделирование электромагнитной системы управления лазером протяженной конструкции, позволяющей регулировать его выходную мощность. Моделирование произведено методом конечных элементов в программной среде FlexPDE. Результаты моделирования были подтверждены экспериментальным исследованием распределения магнитного поля в зазоре управляющей системы.
Ключевые слова: система управления, метод конечных элементов, распределение магнитного поля, лазер протяженной конструкции.
Abstract. The paper discusses modeling of the electromagnetic system for the control of a laser with extended structure, allowing to adjust its output power. Simulation was made by the finite element method using the FlexPDE software. The simulation results were confirmed by experimental study of the magnetic field distribution in the gap of a control system.
Keywords: control system, finite element method, distribution of a magnetic field, laser with extended structure.
Введение. Для создания поперечного магнитного поля, определяющего выходную мощность газоразрядного лазера, используется электромагнитная система управления [1]. Конструкция электромагнитной системы представлена на рис. 1. Система электромагнитов сконструирована так, чтобы каждый электромагнит охватывал своим сердечником часть газоразрядной трубки лазера. В этом случае внутри сердечника образуется магнитное поле, направленное перпендикулярно оси трубки [2].
Рис. 1. Макет электромагнита и конструкция с размещением разрядной
трубки: 1 – сердечник; 2 – катушка; 3 –выравнивающее устройство;
4 – разрядная трубка; 5 – газовый баллон
Основной задачей при изучении воздействия внешнего магнитного поля на условия существования газового разряда, является определение картины распределения магнитного поля в зоне размещения разрядной трубки.
Моделирование распределения магнитного поля. Для расчета распределения индукции магнитного поля в рабочем зазоре использовался программный пакет FlexPDE – программная среда, предназначенная для построения сценарных моделей для решения дифференциальных уравнений методом конечных элементов [3].
Первым этапом моделирования явилась оценка однородности магнитного поля в рабочем зазоре при использовании от одного до семи электромагнитов (количество связано с размерами активного элемента лазера). На рис. 2 приведены графики распределения индукции магнитного поля B вдоль разрядной трубки в зависимости от положения относительно ее центра x для системы из одного (а), трех (б) и семи (в) электромагнитов соответственно.
Рис. 2. Распределение индукции магнитного поля на оси системы
при использовании отдельных электромагнитов
Для устранения неоднородности распределения индукции магнитного поля было использовано выравнивающее устройство [4]. В этом случае, в соответсвии с результатами моделирования, неравномерность вдоль лазерной трубки не будет превышать 3 % (рис. 3, распределение индукции магнитного поля вдоль трубки лазера для системы из выравнивающего устройства и одного (а), трех (б) и семи (в) электромагнитов соответственно).
Рис. 3. Распределение индукции магнитного поля на оси системы
с использованием выравнивающего устройства
Выравнивавающее устройство позволяет сделать магнитное поле более однородным даже при использовании одного электромагнита (рис. 3, а). Однако результаты моделирования показывают, с увеличением числа магнитов происходит не только дополнительное выравнивание распределения поля вдоль оси системы, но и увеличение значения магнитной индукции (рис. 3, в).
Результаты расчетов распределения магнитного поля в рабочем зазоре для семи электромагнитов, в центральной части рабочего зазора и на краю электромагнитной системы представлены на рис. 4–6.
Рис. 4. Общая картина распределения магнитного поля
|
|
Рис. 5. Картина распределения | Рис. 6. Картина распределения электромагнита |
По результатам моделирования был разработан и собран макет электромагнитной системы управления углекислотным лазером. Для того чтобы проверить правильность полученной в результате моделирования картины распределения магнитного поля было проведено экспериментальное исследование. Измерения магнитной индукции проводилось с помощью милитесламетра МПУ-1. Методика измерения была следующей: пространство между двумя выравнивающими устройствами электромагнитами было разбито на ячейки 10×10 мм, в точках пересечения линий сетки производился замер индукции. Полученные экспериментальные результаты распределения магнитного поля в зазоре системы с высокой точностью повторяют результаты моделирования.
Заключение. В работе было проведено моделирование электромагнитной системы, предназначенной для управления лазером протяженной конструкции. Полученные в результате моделирования картины распределения магнитного поля в зазоре системы подтверждены проведенными экспериментами на макете. Можно отметить, что моделирование такой системы с помощью метода конечных элементов позволяет разработать оптимальную конструкцию системы и в значительной мере сэкономить ресурсы, избавившись от необходимости в промежуточных макетах системы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. , Жданов модуляции излучения СО2-лазеров // Научное приборостроение. 2003. Т.13. №3. С. 46–51.
2. , Ушаков лазеров. Новосибирск: СГГА, 2012. 134 с.
3. , , Акулинин моделирование процессов и аппаратов пищевой, био - и химической технологии в среде FlexPDE. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. тех. ун-та, 2006. 72 с.
4. Chernigovskiy V. V., Kostrin D. K., Martsinukov S. A., Lisenkov A. A. Control of the gas laser output power: Effect of a transverse magnetic field on the positive column of a glow discharge // Vakuum in Forschung und Praxis. 2016. V.28. №6.
P. 34–37.
