計算機仿真技術(shù)-Chapter1

1、計算機仿真技術(shù)北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院任課教師： 林 飛辦公地點：電氣工程樓206東辦公電話：51687064-15Email： (作業(yè)提交：)作業(yè)文件命名規(guī)則： 學(xué)號+姓名+作業(yè)次數(shù).doc 如：03291003鄧瀟01.doc 課程內(nèi)容系統(tǒng)仿真概述。電力電子仿真的建模方法。微分方程的數(shù)值解法?；贛atlab的仿真研究。 Buck電路、三相橋式全控整流電路、三相電壓型逆變器、異步電動機等。 教學(xué)形式 課堂講授、上機實踐、課后作業(yè) 成績評定 作業(yè)+考試第一章 緒論 電氣工程的研究領(lǐng)域： 電機電器電工理論高壓與絕緣電力系統(tǒng)電力電子電力傳動新能源汽車電子電能系統(tǒng) 我們的工作：對系統(tǒng)進行改造、完善

2、、控制工欲善其事，必先利其器。 論語衛(wèi)靈公篇計算機仿真就是重要工具之一仿真模擬 1 系統(tǒng)仿真概論 G.Golden- “系統(tǒng)這個術(shù)語已經(jīng)在各個領(lǐng)域用得如此廣泛，以至很難給它下一個定義?！?1.1系統(tǒng)的定義 系統(tǒng)-最早見于世界大系統(tǒng) 德謨克利特（ 公元前 460公元前370 年）“任何事物都是在聯(lián)系中顯現(xiàn)出來的，都是在系統(tǒng)中存在的，系統(tǒng)聯(lián)系規(guī)定每一事物，而每一聯(lián)系又能反映系統(tǒng)的聯(lián)系的總貌?！?“系統(tǒng)就是按照某些規(guī)律結(jié)合起來，互相作用、互相依存的所有實體的集合或總和?！?G.Golden 系統(tǒng)仿真n 系統(tǒng)三要素：實體 確定了系統(tǒng)的構(gòu)成，也確定了系統(tǒng)邊界；屬性也稱為描述變量，描述每一實體的特征； 活

3、動 定義了系統(tǒng)內(nèi)部實體之間的相互作用，從而確定了系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的變化過程。 1.1.1 系統(tǒng)狀態(tài) 在任意給定的時間，對系統(tǒng)所有實體、屬性和活動的情況，都用系統(tǒng)狀態(tài)加以描述。 1.1.2 系統(tǒng)邊界n每個系統(tǒng)都置于一定的環(huán)境中。n系統(tǒng)與環(huán)境之間的分界稱為邊界。n邊界確定了系統(tǒng)的范圍，邊界以外對系統(tǒng)的作用稱為系統(tǒng)的輸入，系統(tǒng)對邊界以外環(huán)境的作用稱為系統(tǒng)的輸出。 1.1.3 系統(tǒng)的分類n確定性系統(tǒng)與隨機性系統(tǒng)n連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)不同類型的系統(tǒng)要采用不同的仿真方法。 1.2 系統(tǒng)與試驗n系統(tǒng)的復(fù)雜性決定需要進行試驗實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。 兩類試驗直接法：真實系統(tǒng)試驗間接法：構(gòu)造模型，用模型試驗代替或部

4、分代替真實試驗n模型試驗成為主流系統(tǒng)處于設(shè)計階段時，真實系統(tǒng)還沒有建立，只能通過模型進行試驗。在實際系統(tǒng)上試驗會引起系統(tǒng)破壞或發(fā)生故障。需多次試驗時難以保證每次試驗的條件相同，無法準(zhǔn)確判斷試驗結(jié)果。試驗時間太長或費用昂貴。n真實試驗必不可少 1.3 物理模型與數(shù)學(xué)模型n數(shù)學(xué)模型：用數(shù)學(xué)表達式描述系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律。n物理模型：按一定比例尺度照真實系統(tǒng)的“樣子”制作。數(shù)學(xué)模型是計算機仿真的基礎(chǔ)。 n數(shù)學(xué)模型的分類模型類型 靜態(tài)模型 動態(tài)模型連續(xù)系統(tǒng)離散事件系統(tǒng)集中參數(shù) 分布參數(shù) 時間離散數(shù)學(xué)描述 代數(shù)方程 微分方程偏微分方程差分方程概率分布、排隊論應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)解（潮流計算、短路計算等）系統(tǒng)動力學(xué)（電路

5、暫態(tài)分析等）場計算（電磁場、熱傳導(dǎo)等）計算機控制交通、市場、戰(zhàn)爭模擬 1.4 仿真(Simulation) 1.4.1 仿真定義1961年，G.W.Morgenthator，“仿真意指在實際系統(tǒng)尚不存在的情況下，對系統(tǒng)或活動本質(zhì)的實現(xiàn)” 。1978年，Korn，“用能代表所研究系統(tǒng)的模型作實驗”。1982年，Spriet，“所有支持模型建立及模型分析的活動即為仿真活動”。1984年，Oren，給出了仿真的基本概念框架，“建模實驗分析”框架，“仿真是基于模型的活動”。 1.4.2 系統(tǒng)、模型與仿真系統(tǒng)是研究的對象 。模型是系統(tǒng)的抽象。仿真是通過對模型的實驗以達到研究系統(tǒng)的目的。 1.4.3 計算

6、機仿真技術(shù)仿真技術(shù)就是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及仿真應(yīng)用領(lǐng)域的有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機系統(tǒng)、與應(yīng)用有關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用模型對系統(tǒng)（已有的或設(shè)想）進行研 究 的 一 門 多 學(xué) 科 的 綜 合 性 的 技 術(shù) 。現(xiàn)代仿真技術(shù)大多是在計算機支持下進行的，因此系統(tǒng)仿真也稱為計算機仿真。利用計算機求解數(shù)學(xué)模型。 1.4.4 物理仿真與計算機仿真在沒有計算機以前，仿真都是利用實物模型來進行研究的，又稱物理仿真。物理仿真的優(yōu)點是直接、形象、易信，但是模型受限、易破壞、難以重用。而計算機仿真是將研究對象進行數(shù)學(xué)描述，建模編程，且在計算機中運行實現(xiàn)。它不怕破壞、易修改、可重用。計

7、算機仿真可以用于研制產(chǎn)品或設(shè)計系統(tǒng)的全過程中，包括方案論證、技術(shù)指標(biāo)確定、設(shè)計分析、生產(chǎn)制造、試驗測試、維護訓(xùn)練、故障處理等各個階段。計算機仿真的缺點：受限于系統(tǒng)建模技術(shù)，即系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不易建立。 半實物仿真數(shù)學(xué)模型與物理模型甚至實物聯(lián)合起來進行實驗。對系統(tǒng)中比較簡單的部分或?qū)ζ湟?guī)律比較清楚的部分建立數(shù)學(xué)模型，并在計算機上加以實現(xiàn)。對比較復(fù)雜的部分或?qū)σ?guī)律尚不十分清楚的系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型的建立比較困難，則采用物理模型或?qū)嵨?。仿真時將兩者連接起來完成整個系統(tǒng)的實驗。 1.4.5 仿真時間實際動態(tài)系統(tǒng)的時間基稱為實際時鐘。系統(tǒng)仿真時所采用的時鐘稱為仿真時鐘。實時仿真：即仿真時鐘與實際時鐘完全一致，模

8、型仿真的速度與實際系統(tǒng)運行的速度相同。半實物仿真時一般要進行實時仿真。亞實時仿真：即仿真時鐘慢于實際時鐘，模型仿真的速度慢于實際系統(tǒng)運行的速度。亦稱為離線仿真。超實時仿真：即仿真時鐘快于實際時鐘，模型仿真的速度快于實際系統(tǒng)運行的速度。 2 系統(tǒng)仿真的一般步驟專業(yè)背景知識確定模型邊界：限定研究范圍建立數(shù)學(xué)模型獲取模型參數(shù)：實際系統(tǒng)和假想系統(tǒng)確定實驗框架：仿真的目的n 建立模型將模型用計算機程序來描述程序中要包括實驗框架選擇合適的仿真算法編制算法程序求解模型n 仿真程序設(shè)計n 仿真模型驗證程序調(diào)試，驗證所選算法的合理性驗證模型計算的正確性n 仿真程序運行并輸出結(jié)果n 仿真結(jié)果分析驗證仿真的正確性：

9、 理論分析、實驗驗證評價系統(tǒng)性能n 舉例(1)建模專業(yè)知識：電路理論邊界 輸入：電源電壓udc，負載P0/u 狀態(tài)(輸出)：電容電壓u，電感電流i)(1)(10uRiuLiuPiCudc數(shù)學(xué)模型確定參數(shù)實驗框架研究目的：R、L、C參數(shù)匹配與穩(wěn)定域的關(guān)系022004/PuRCuLPdc小擾動穩(wěn)定大擾動穩(wěn)定024/PuRCLdc實驗框架： RLC取不同值時， udc110擾動，P 110擾動。(2)程序設(shè)計Matlab/Simulink仿真算法(3)運行調(diào)試、結(jié)果分析(3)運行調(diào)試、結(jié)果分析 3 仿真軟件簡介程序設(shè)計運行調(diào)試結(jié)果輸出數(shù)學(xué)建模 仿真軟件軟件面包板 3.1 電力電子電路仿真軟件 3.1

10、.1 ORCAD/PSpice歷史發(fā)展1972年， Spice(simulation program with IC emphasis)由美國UC Berkeley開發(fā)，主要用于大規(guī)模集成電路的計算機輔助設(shè)計。1988年，成為美國國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。PSpice是MicroSim公司推出的用于PC的Spice版本。1998年，ORCAD公司收購MicroSim，推出ORCAD/PSpice。模塊及功能Capture：電路原理圖設(shè)計PSpice AD：電路圖仿真Layout Plus：印刷電路板圖設(shè)計主要優(yōu)點具有模擬數(shù)字混合仿真功能。提供了大量的器件模型。強大的系統(tǒng)分析功能?？赏ㄟ^參數(shù)、傳遞函數(shù)、狀態(tài)

11、方程等自建器件模型。存在問題器件模型主要為小功率電子器件，大功率電力電子器件誤差較大。功能擴展能力一般。仿真算法的收斂性問題。 3.1.2 Saber主要優(yōu)點系統(tǒng)級仿真：電、機、熱、控制等。更靈活的MAST語言。更為全面的分析功能。較為豐富的軟件接口。高效的仿真算法。更加適于電力電子電路的仿真。美國Analogy公司與浙江大學(xué)電力電子應(yīng)用技術(shù)國家工程研究中心合作成立了Analogy亞洲系統(tǒng)仿真中心（ZASC） 三相逆變器的Saber仿真圖 3.2 電力系統(tǒng)仿真軟件 3.2.1 EMTP類軟件EMTP電磁暫態(tài)仿真程序由加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)(UBC)的H.W.Dommel教授于60年代創(chuàng)立。

12、美國邦納維爾電力局(BPA)、EMTP聯(lián)合發(fā)展中心(DCG)、歐洲EMTP用戶協(xié)會(LEC) 等推動了EMTP的發(fā)展。目前產(chǎn)生了多種商業(yè)軟件： ATP/EMTP、PSCAD/EMTDC、NETOMAC等功能及特點主要面向電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真。 內(nèi)建了豐富而詳細的發(fā)電機、電動機、輸電線路、變壓器、斷路器等模型。以理想開關(guān)模型來進行電力電子電路的仿真，目的是研究電力系統(tǒng)中的HVDC和FACTS。非常適于電力系統(tǒng)仿真，但不適于一般電力電子電路的仿真。 3.2.2 電力系統(tǒng)潮流與穩(wěn)定分析軟件BPA程序：美國邦納維爾電力局(BPA)PSASP程序：電力系統(tǒng)分析綜合程序功能：穩(wěn)態(tài)分析，潮流計算 故障分析，短路電流計算機電暫態(tài)分析，穩(wěn)定計算特點：適于大型電力網(wǎng)絡(luò)的分析計算特殊的輸入輸出文件格式，一般無圖形界面 3.3 電磁場仿真軟件主要目的： 電磁場計算，有限元方法求解偏微分方程主要軟件： ANSOFT：電磁場仿真 ANSYS：電磁、聲、熱等的仿真主要應(yīng)用： 電機內(nèi)部電磁場計算 電磁兼容分析 散熱設(shè)計等 3.4 Matlab/Simulink開放的環(huán)境、靈活簡便的語