第01章-緒論(控制電機(jī))

-1-第1章緒論

1.1系統(tǒng)仿真的基本概念1.2電力電子與傳動(dòng)控制系統(tǒng)簡介1.3電力電力與交流傳動(dòng)系統(tǒng)仿真的特點(diǎn)-2-1.1系統(tǒng)仿真的基本概念1.1.1系統(tǒng)與仿真

1.系統(tǒng)

目前在各個(gè)不同領(lǐng)域中廣泛使用著一個(gè)相同的術(shù)語，這就是“系統(tǒng)（system）”。系統(tǒng)的概念可以是具體的，也可以是抽象的。一臺(tái)機(jī)器是一個(gè)系統(tǒng)，一輛汽車是一個(gè)系統(tǒng)，一架飛機(jī)是一個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)生物體是一個(gè)系統(tǒng)，一條生產(chǎn)線是一個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)企業(yè)是一個(gè)系統(tǒng)，一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)工程也是一個(gè)系統(tǒng)等等。就系統(tǒng)屬性而言，有物理的和生物的；就工程觀點(diǎn)而言，有工程的和非工程的；就運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而言，有靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的；就數(shù)學(xué)描述而言，有線性的和非線性的。-3-

總之，在自然界和人類社會(huì)中，“系統(tǒng)”是無處不有的，大的，大到太陽系，乃至銀河系；小的，小到組成物質(zhì)的分子，乃至原子。更廣泛地說，我們可以把所要研究或處理的一個(gè)事物作為一個(gè)系統(tǒng)，甚至可以把自然界和人類社會(huì)中各種錯(cuò)綜復(fù)雜的事物聯(lián)系起來看成一個(gè)系統(tǒng)。

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由于“系統(tǒng)”這個(gè)術(shù)語已應(yīng)用得如此廣泛，所以很難給它一個(gè)足以概括其各種應(yīng)用的確切定義，但是我們可以做一簡潔而容易理解的說明。所謂系統(tǒng)，就是按照某些規(guī)律結(jié)合起來，互相作用、互相依存、互相制約的某些部件（或元件）的集合，其中部件是系統(tǒng)的獨(dú)立職能單位，具有一定的屬性。

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在機(jī)械系統(tǒng)中，彈簧、質(zhì)塊和阻尼器是組成系統(tǒng)的三個(gè)部件，其中彈簧的職能是儲(chǔ)存勢能，質(zhì)塊的職能是存儲(chǔ)動(dòng)能，而阻尼器的職能是消耗這些機(jī)械能。在電氣系統(tǒng)中，電源、電感、電容和電阻是組成系統(tǒng)的四個(gè)部件，其中電源的職能是存儲(chǔ)電能，電感的職能是存儲(chǔ)磁場能，電容的職能是存儲(chǔ)電場能，而電阻的職能是消耗電能。-6-

圖1-2所表示的是一個(gè)制造零件，并把零件裝配成產(chǎn)品的工廠系統(tǒng)，其部件包括接受用戶訂貨、負(fù)責(zé)對各車間分配工作的生產(chǎn)管理部門，負(fù)責(zé)原料供應(yīng)的采購部門，生產(chǎn)零件的制造車間，生產(chǎn)成品的裝配車間和發(fā)送成品的裝運(yùn)部門。這些部件的名稱各自表明了它們的職能，其相互關(guān)系在圖中用箭頭表示。-7-

隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在上世紀(jì)40年代末形成了控制論這門學(xué)科。控制論是研究系統(tǒng)各部件如何進(jìn)行組織和協(xié)調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定和有序工作的理論，所以控制論的研究對象就是“系統(tǒng)”?？刂普摰陌l(fā)展和成熟，使其理論已成功地應(yīng)用于工程系統(tǒng)和生物系統(tǒng)，又推廣到非工程系統(tǒng)和非生物系統(tǒng)——經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，甚至是社會(huì)系統(tǒng)。這應(yīng)該是“系統(tǒng)”這個(gè)術(shù)語之所以應(yīng)用得十分廣泛的又一種緣由。系統(tǒng)工程

-8-2.仿真仿真又稱模擬（Simulation），是用模型來代替實(shí)際的系統(tǒng)，該模型與所替代的實(shí)際系統(tǒng)之間存在某些相對應(yīng)的量，并能在某些范圍內(nèi)重現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的特征。從一般意義上說，系統(tǒng)仿真就是指用某種方法反映或再現(xiàn)實(shí)際的系統(tǒng)，以便研究其中的客觀規(guī)律。-9-

建立模型是系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，其本質(zhì)是依據(jù)系統(tǒng)之間的相似性，在一對系統(tǒng)之間建立某種對應(yīng)的關(guān)系，從而可以利用模型對實(shí)際系統(tǒng)（原型）進(jìn)行研究。-10-描述這兩個(gè)系統(tǒng)的微分方程分別為（1-1）（1-2）機(jī)械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)

力F

電壓E

質(zhì)量m

電感L

彈簧摩擦因數(shù)f

電阻R

彈簧剛度因數(shù)k

電容的倒數(shù)1/C

位移x

電量q

速度dx/dt

電流i機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的相似量

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顯然，二者具有相似的數(shù)學(xué)描述，并且在參數(shù)上存在一一對應(yīng)的關(guān)系；相應(yīng)地，兩者的響應(yīng)也具有相似的振蕩特性?？梢栽O(shè)想，假如比例尺寸選擇適當(dāng)，利用電氣系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果在數(shù)值上和利用機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果將完全相同，因此可以將電氣系統(tǒng)看作機(jī)械系統(tǒng)的一個(gè)模型。實(shí)際上，當(dāng)兩個(gè)不同系統(tǒng)的微分方程具有相似性時(shí)，則兩個(gè)系統(tǒng)就互為相似系統(tǒng)，而在微分方程中占據(jù)相同位置的物理量，就稱為相似量，如上表所示。-12-

根據(jù)模型和原型的關(guān)系可以將模型分為如下三類：

(1)形象模型保留原型系統(tǒng)的外觀特征，僅對實(shí)際系統(tǒng)的規(guī)模進(jìn)行放大或縮小。如通過對小型船舶運(yùn)行特性的研究，在一定范圍內(nèi)可以達(dá)到了解大型船舶運(yùn)行特性的目的。

-13-(2)類比模型根據(jù)不同物理系統(tǒng)（力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等）的物理規(guī)律之間的相似性，建立物理意義完全不同的模型。如上述電氣系統(tǒng)，一般比機(jī)械系統(tǒng)更容易進(jìn)行試驗(yàn)研究，所以可以通過對電氣系統(tǒng)的研究來代替對機(jī)械系統(tǒng)的研究。

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(3)符號模型借助文字、字母、符號、圖表或數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述系統(tǒng)的模型。其中，利用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述實(shí)際系統(tǒng)的模型，稱為數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)建模就是根據(jù)研究對象的基本物理規(guī)律，寫出描述其運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)學(xué)方程——微分方程，從而在物理系統(tǒng)和其抽象的數(shù)學(xué)描述之間建立對應(yīng)的關(guān)系。-15-1.1.2系統(tǒng)仿真的分類可以從不同的角度對系統(tǒng)仿真加以分類。比較典型的分類方法有：根據(jù)模型的種類分類；根據(jù)仿真所采用的工具類型分類；根據(jù)仿真的用途分類；根據(jù)仿真時(shí)鐘與實(shí)時(shí)時(shí)鐘的比例關(guān)系分類等等。在上述三類模型的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)仿真的方法可以分為兩大類：-16-

(1)物理仿真用物理性質(zhì)相同或相近的模型（物理模型）來代替原型系統(tǒng)而進(jìn)行研究的一種仿真方法。物理仿真可以替代對復(fù)雜系統(tǒng)顯得特別有價(jià)值的試驗(yàn)研究，并能在保持其物理本質(zhì)基本不變的情況下研究原型系統(tǒng)中所發(fā)生的現(xiàn)象。基于形象模型和類比模型的仿真即屬于此類。

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(2)數(shù)學(xué)仿真當(dāng)物理模型不便建立，但可用方程式（數(shù)學(xué)模型）來描述原型系統(tǒng)的基本特性時(shí)，可以采用數(shù)學(xué)仿真的方法，這就是基于符號模型（數(shù)學(xué)模型）的仿真。-18-

數(shù)學(xué)仿真大體上可以分為以下5個(gè)步驟：

1)系統(tǒng)分解（系統(tǒng)分析）：針對所研究的問題，對系統(tǒng)進(jìn)行層次分解，抽取研究對象中與研究目的相關(guān)的物理規(guī)律，即對模型加以簡化，建立所謂的集總模型。

2)數(shù)學(xué)建模：根據(jù)集總模型的物理規(guī)律建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，即將模型抽象為相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程——微分方程組或差分方程組。-19-3)參數(shù)估計(jì)（Estimate）：根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)決定方程中未確定的系數(shù)。

4)模型轉(zhuǎn)換：由于數(shù)學(xué)仿真的實(shí)現(xiàn)依賴于計(jì)算機(jī)程序的運(yùn)行，因此需將模型的數(shù)學(xué)描述變換為相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，這就是所謂的編程過程（仿真模型）。

5)結(jié)果分析：通過仿真試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)的對比，以驗(yàn)證模型的正確性，并分析相關(guān)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。-20-

應(yīng)當(dāng)指出，上述步驟是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，并沒有一個(gè)固定的程序可以遵循?？梢哉f，建模是一門藝術(shù)，是邏輯、直覺、抽象、聯(lián)想與技藝的融合。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)控制與性能評估（李少遠(yuǎn)教授上海交通大學(xué)自動(dòng)化系）-21-Model-basedControl系統(tǒng)輸出設(shè)定值控制器執(zhí)行

機(jī)構(gòu)系統(tǒng)辨識與參數(shù)估計(jì)最小二乘似然估計(jì)頻域辨識隨機(jī)逼近……系統(tǒng)模型Model-based基于模型的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型是對相同性質(zhì)數(shù)據(jù)的集結(jié)系統(tǒng)控制理論和方法：建模-控制器設(shè)計(jì)-優(yōu)化？過程裝置系統(tǒng)輸出系統(tǒng)設(shè)定Controller

根據(jù)實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)得到控制量實(shí)際生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)海量系統(tǒng)狀態(tài)系統(tǒng)輸入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫Data-drivenData-driven系統(tǒng)控制-23-1.1.3系統(tǒng)仿真的基本工具

數(shù)學(xué)仿真是以數(shù)學(xué)模型與實(shí)際物理系統(tǒng)之間的相似性為基礎(chǔ)的仿真，其主要優(yōu)點(diǎn)在于它完全是建立在計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)之上的，可以根據(jù)研究對象的不同特性隨時(shí)對模型和程序進(jìn)行變動(dòng)，而不用像物理仿真那樣需要對硬件進(jìn)行更動(dòng)，因此簡單易行，經(jīng)濟(jì)快捷。-24-

按照工作原理的不同，數(shù)學(xué)仿真的基本工具——計(jì)算機(jī)可以分為以下三種：

(1)模擬計(jì)算機(jī)（AnalogComputer）基于連續(xù)運(yùn)算的計(jì)算機(jī)（由加法器、乘法器、積分器、反相器等模擬電路運(yùn)算部件組成），操作方便，不僅解題簡單明了，而且速度快（并行運(yùn)算方式），但是它的精度不太高，通用性較差。

(2)數(shù)字計(jì)算機(jī)（DigitalComputer）基于離散運(yùn)算的計(jì)算機(jī)（由數(shù)字電路組成），精度高，通用性強(qiáng)，以軟件為基礎(chǔ)，調(diào)試與修改方便。以往因速度較慢運(yùn)用較少（串行運(yùn)算方式），目前發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。

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(3)混合計(jì)算機(jī)（HybridComputer）這是模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)的結(jié)合，不但運(yùn)算速度快，而且精度高，然而造價(jià)較高，只在特定領(lǐng)域使用。本質(zhì)上，模擬計(jì)算機(jī)仿真是一種并行仿真，即仿真時(shí)代表模型的各部件是并發(fā)執(zhí)行的。早期的數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真則是一種串行仿真，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的數(shù)字計(jì)算機(jī)只有一個(gè)中央處理單元（CPU），計(jì)算機(jī)指令只能逐條執(zhí)行。為了發(fā)揮模擬計(jì)算機(jī)快速的并行計(jì)算和數(shù)字計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的存儲(chǔ)記憶及控制功能，以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜系統(tǒng)的高速仿真，上世紀(jì)60~70年代在數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)還處于較低水平時(shí)，產(chǎn)生了數(shù)字模擬混合仿真，即將系統(tǒng)模型分為兩部分，其中一部分放在模擬計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，另一部分放在數(shù)字計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，兩個(gè)計(jì)算機(jī)之間利用模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置交換信息。-26-

隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其計(jì)算速度和并行處理能力得到很大的提高，模擬計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)字模擬混合仿真已逐步被全數(shù)字仿真所取代。因此，今天的計(jì)算機(jī)仿真一般指的就是數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真。-27-1.1.4系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)不僅可以應(yīng)用于電力工業(yè)、交通運(yùn)輸、航空航天和軍事裝備等工程領(lǐng)域，而且還可以應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)等。特別是近20年來，隨著系統(tǒng)工程與科學(xué)的迅速發(fā)展，系統(tǒng)仿真技術(shù)已從傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域和生物領(lǐng)域擴(kuò)展到非工程領(lǐng)域和非生物領(lǐng)域，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、教育培訓(xùn)系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。-28-

總的來說，系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用可以歸結(jié)為以下兩大類：

(1)在復(fù)雜產(chǎn)品研制中的應(yīng)用。通過系統(tǒng)仿真，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)原型中存在的問題，確定最優(yōu)參數(shù)，從而增加樣機(jī)首次運(yùn)行成功的可能性。還可以設(shè)定多組參數(shù)組合來優(yōu)化系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)，并可以集中研究系統(tǒng)特定部分的性能，或系統(tǒng)特定過程或時(shí)段的性能。另外，在實(shí)驗(yàn)室由于安全原因或是由于成本問題而不能進(jìn)行的破壞性實(shí)驗(yàn)，可以很容易通過仿真來完成，對故障和異常情況下的響應(yīng)也可以進(jìn)行全面的分析。-29-

(2)在人員教育培訓(xùn)中的應(yīng)用。對于復(fù)雜系統(tǒng)的操作，需要事先對操作人員進(jìn)行教育和培訓(xùn)。早期的培訓(xùn)大都在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，復(fù)雜程度的提高，特別是系統(tǒng)造價(jià)的提高，訓(xùn)練時(shí)有可能因操作不當(dāng)而造成較大的損失。為了解決這些問題，需要有這樣的系統(tǒng)，它能模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境和工作狀況，又可以避免采用實(shí)際系統(tǒng)時(shí)可能帶來的危險(xiǎn)及高昂的代價(jià)，這就是訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，它屬于我們前面提及的基于形象模型或類比模型的物理仿真。另外，通過系統(tǒng)仿真，能很好地為教學(xué)目的服務(wù)，使設(shè)計(jì)或使用人員較快地熟悉系統(tǒng)的工作機(jī)理。-30-

基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)仿真技術(shù)，不但可以提高工作效率，縮短研發(fā)周期，減少訓(xùn)練時(shí)間，而且不受環(huán)境和氣候限制，在安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面均具有突出的作用。系統(tǒng)仿真技術(shù)的作用

-31-1.1.5系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展系統(tǒng)仿真作為一門獨(dú)立的學(xué)科已經(jīng)有60多年的發(fā)展歷史，其基礎(chǔ)理論的形成、建模方法的更新、仿真技術(shù)的提升均與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展水平密切相關(guān)。

(1)面向過程的仿真這是最基本的仿真技術(shù)，就是通過分析系統(tǒng)的工作原理，以及組成系統(tǒng)的各部件在不同階段的行為特征，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并采用合適的求解算法和程序設(shè)計(jì)語言，通過計(jì)算機(jī)編程和調(diào)試，完成系統(tǒng)工作過程和工作特性的分析。-32-

面向過程的仿真可以按照以下步驟來實(shí)現(xiàn)：

1)系統(tǒng)建模，即針對實(shí)際系統(tǒng)及其組成部件建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，得到計(jì)算機(jī)仿真所要求的數(shù)學(xué)描述。

2)仿真建模，即根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇合適的算法，以滿足計(jì)算精度、計(jì)算速度和計(jì)算穩(wěn)定性的需要。

3)程序設(shè)計(jì)，即將仿真模型用計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的程序設(shè)計(jì)語言（Basic、Fortran、C、Matlab）來描述。

4)模型運(yùn)行，即在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行編制的仿真程序，并做相應(yīng)的調(diào)試。

5)仿真分析，即通過仿真試驗(yàn)，分析并處理仿真結(jié)果。-33-

(2)面向?qū)ο蟮姆抡婷嫦驅(qū)ο蟮姆椒ㄊ且环N在分析和設(shè)計(jì)階段獨(dú)立于程序設(shè)計(jì)語言的概念化過程，它不僅僅是一種程序設(shè)計(jì)技術(shù)，更重要的它是一種新的思維方式。它認(rèn)為客觀世界是由各種對象所組成，每一個(gè)對象（Object）都有自己的內(nèi)部狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不同對象的組合及相互作用就構(gòu)成了不同的系統(tǒng)。對象是靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)行為的封裝，屬于某個(gè)類，這些類具有某種層次化的結(jié)構(gòu)。對象之間通過消息傳遞來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。這些觀點(diǎn)與“系統(tǒng)”的基本定義是一致的，可以為復(fù)雜大系統(tǒng)的建模與仿真提供新的思路。-34-

面向?qū)ο蟮姆抡婵梢园凑找韵虏襟E來實(shí)現(xiàn)：

1)明確所建系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，對系統(tǒng)進(jìn)行對象和類的劃分，建立系統(tǒng)的描述框架。

2)針對每個(gè)對象定義其內(nèi)部組織、靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為模型，輸入/輸出接口，以及對象之間的連接關(guān)系。

3)采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言（Java、C++）開發(fā)仿真軟件。

4)對模型及軟件進(jìn)行校核與驗(yàn)證。

5)運(yùn)行仿真軟件，對仿真結(jié)果進(jìn)行評估。-35-

(3)分布式交互仿真采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)，將分布在各地的仿真系統(tǒng)互聯(lián)，構(gòu)造一個(gè)時(shí)、空一致，人也參與其中，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的分布式交互仿真環(huán)境。-36-

分布式交互仿真系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1)在結(jié)構(gòu)上沒有中心計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)對仿真過程的控制，采用分布式對等的體系結(jié)構(gòu)。

2)仿真節(jié)點(diǎn)具有自治性，節(jié)點(diǎn)間信息以廣播或組播的方式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

3)所有交互的信息都遵循標(biāo)準(zhǔn)的格式和規(guī)范（網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）。

4)保證在分布環(huán)境下時(shí)、空的一致性和網(wǎng)絡(luò)資源的共享與重用。-37-

(4)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與仿真技術(shù)近十余年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了虛擬世界的領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)VR（VirtualReality）技術(shù)就是其中發(fā)展最快的一項(xiàng)多學(xué)科技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是指在計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下的一種人工環(huán)境，是人類與計(jì)算機(jī)和極其復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的一種技術(shù)，用戶借助必要的設(shè)備可以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生“沉浸”于真實(shí)環(huán)境中的感受和體驗(yàn)。VR技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)，其中仿真技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)。-38-

仿真技術(shù)強(qiáng)調(diào)仿真模型的建立及在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，雖然越來越重視圖像、聲音等多媒體的顯示功能，但是由于VR系統(tǒng)成本很高，對于沉浸感要求不高的仿真系統(tǒng)，只需要一般的圖像、聲音顯示即可，并非所有的仿真系統(tǒng)都必須包括VR系統(tǒng)。另外，VR技術(shù)也并非只用于仿真系統(tǒng)，它在娛樂、醫(yī)學(xué)和建筑等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。VR技術(shù)&仿真技術(shù)

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(5)人工智能與仿真技術(shù)近年來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，研究如何應(yīng)用計(jì)算機(jī)來模擬人的思維活動(dòng)的學(xué)科——人工智能AI（ArtificialIntelligence）取得了突破性的進(jìn)展，作為其重要分支的專家系統(tǒng)ES（ExpertSystem）技術(shù)在診斷、監(jiān)視、預(yù)測、規(guī)劃、管理、控制、設(shè)計(jì)和教育等多方面得到應(yīng)用。將人工智能及專家系統(tǒng)技術(shù)嵌入到仿真環(huán)境，可以減小仿真中的人力消耗，提高仿真自動(dòng)化程度和仿真精度，并拓寬一體化仿真的規(guī)模。-40-

仿真工程師們普遍關(guān)注人工智能、專家系統(tǒng)學(xué)科的發(fā)展，并期望引入人工智能技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)仿真、建模的能力，其主要表現(xiàn)在：

1)引入知識表達(dá)及處理技術(shù)，擴(kuò)大仿真模型的知識描述能力（Prolog、Lisp語言）。

2)在建模、仿真試驗(yàn)和仿真結(jié)果分析等階段，引入專家知識、自動(dòng)推理和解釋機(jī)制，輔助領(lǐng)域工程師做出各種決策。

3)輔助模型的修正和維護(hù)。

4)借助多媒體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面。

5)建立智能化數(shù)據(jù)庫，輔助數(shù)據(jù)的管理與維護(hù)。-41-1.2電力電子與傳動(dòng)控制系統(tǒng)簡介

電力電子與傳動(dòng)控制系統(tǒng)主要由電力電子變換器、傳動(dòng)裝置和控制器三部分組成，如圖所示。其中，電力電子變換器主要由電力電子器件所構(gòu)成，傳動(dòng)裝置主要分為直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)和交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，而控制器通常采用微處理器。該系統(tǒng)涉及的技術(shù)主要包括兩個(gè)方面，即電力電子技術(shù)與傳動(dòng)控制技術(shù)。-42-1.2.1電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)是一門利用電力電子器件對電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科，屬于新興的高新技術(shù)。美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）的電力電子學(xué)會(huì)對電力電子技術(shù)的闡述是：“有效地使用電力電子器件，應(yīng)用電路和設(shè)計(jì)理論以及分析開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)對電能的高效能變換和控制的一門技術(shù)，它包括電壓、電流、頻率和波形等方面的變換”。-43-

電力電子技術(shù)的內(nèi)容包括三個(gè)方面：電力電子器件、變流電路和控制電路。它與多種學(xué)科密不可分，可用圖1-4形象地表示電力電子技術(shù)與其他學(xué)科的聯(lián)系?？傮w上說，電力電子技術(shù)是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科，是一門多學(xué)科相互滲透的綜合性學(xué)科。-44-(1)電力電子器件電力電子器件是指用半導(dǎo)體材料制成的功率電子器件，它是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，半個(gè)多世紀(jì)以來已發(fā)展了多種不同類型的器件，常見的有二極管、晶閘管SCR、雙向晶閘管Triac、門極關(guān)斷晶閘管GTO、雙極結(jié)型晶體管BPT或BJT、電力MOSFET、靜電感應(yīng)晶體管SIT、絕緣柵雙極型晶體管IGBT、MOS控制晶閘管MCT、集成門極換向晶閘管IGCT等，大致可分類如下：-45--46-

(2)電力電子變換器以電力電子器件為核心，通過不同的電路拓?fù)浜涂刂品绞絹韺?shí)現(xiàn)對電能的轉(zhuǎn)換和控制，這就是電力電子變換器，它是電力電子技術(shù)的主體。由于電能的兩種形式是直流（DC）和交流（AC），因而電能轉(zhuǎn)換的關(guān)系可用圖1-5來說明。-47-

對晶閘管而言，其控制方法是調(diào)整器件的導(dǎo)通角，即控制觸發(fā)信號與主電路之間的相移角，故稱為相控技術(shù)。可用來實(shí)現(xiàn)交流到直流的變換和控制，即整流；也可用來實(shí)現(xiàn)直流到交流的變換和控制，即逆變（包括有源逆變和無源逆變）；還可用來實(shí)現(xiàn)交流到交流的變換，包括交流調(diào)壓和交-交變頻。-48-

全控型電力電子器件的問世，使得電力電子變換器及其控制技術(shù)發(fā)生了巨大的變化，除了整流電路之外，其他幾種變流電路的性能指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了晶閘管變流電路。由于全控型電力電子器件能由外信號控制其關(guān)斷，所以還可以實(shí)現(xiàn)DC-DC變換，即構(gòu)成斬波器。利用斬波器可以把固定或變化的直流電壓變換成可調(diào)或恒定的直流電壓，實(shí)現(xiàn)所謂“直流變壓器”的作用。由全控型器件組成的變流電路中，不再采用相控技術(shù)，而改為脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，由PWM技術(shù)可以極其有效地進(jìn)行諧波抑制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，使變流電路的性能大大提高。-49-1.2.2傳動(dòng)控制技術(shù)傳動(dòng)控制技術(shù)以電力電子器件的應(yīng)用為基礎(chǔ)，以電動(dòng)機(jī)為控制對象，以自動(dòng)控制理論為指導(dǎo)，以電子技術(shù)和微處理器控制及計(jì)算機(jī)輔助分析為手段，并且與檢測技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一門具有相對獨(dú)立性的學(xué)科，在生產(chǎn)設(shè)備和過程自動(dòng)化中發(fā)揮著日益重要的作用。-50-

(1)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)是傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它是系統(tǒng)的核心部件，也是系統(tǒng)分類的基本依據(jù)。按照電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理的不同，一般可分為：-51-(2)傳動(dòng)控制系統(tǒng)基于電動(dòng)機(jī)型式和控制技術(shù)的不同，現(xiàn)代傳動(dòng)控制系統(tǒng)可分為以下5類：

1)直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)雖然近年來各種交流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)在很多領(lǐng)域里已經(jīng)取代了直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)，但是也應(yīng)該看到，交流電動(dòng)機(jī)的控制理論和方法是在直流電動(dòng)機(jī)的控制理論和方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，例如，異步電動(dòng)機(jī)矢量控制理論，其實(shí)質(zhì)就是把異步電動(dòng)機(jī)模擬成為直流電動(dòng)機(jī)，用直流電動(dòng)機(jī)的控制思路去控制異步電動(dòng)機(jī)。從理論上來說，速度閉環(huán)反饋控制理論、無靜差調(diào)速理論、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制理論及控制方法是所有電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制技術(shù)重要的理論基礎(chǔ)，是不可或缺的。

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2)異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)是使用最廣泛的一類電動(dòng)機(jī)，其控制技術(shù)也是整個(gè)傳動(dòng)控制技術(shù)中一個(gè)最活躍的分支，內(nèi)容十分廣泛，傳統(tǒng)的內(nèi)容包括開環(huán)VVVF控制、基于電動(dòng)機(jī)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)差頻率閉環(huán)控制、基于矢量控制理論的轉(zhuǎn)子磁場定向控制、轉(zhuǎn)差頻率矢量控制等。近年來，人們在直接轉(zhuǎn)矩控制理論和控制方法上取得了進(jìn)展，成功應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)的控制。隨著高性能微處理器在傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)時(shí)計(jì)算能力的提高，無速度傳感器矢量型異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)也已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。-53-

從廣義上來說，異步電動(dòng)機(jī)的上述各種控制方法都屬于變頻控制的范疇。實(shí)現(xiàn)變頻控制的基礎(chǔ)是脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。人們提出的并且已經(jīng)得到了應(yīng)用的PWM方案有很多種，主要的有正弦PWM、三次諧波注入PWM、空間矢量PWM、最優(yōu)PWM、預(yù)測PWM、隨機(jī)PWM等，其中最為應(yīng)用廣泛和最為成熟的是正弦波PWM（SPWM）和空間矢量PWM（SVPWM）。-54-3)永磁同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)正在廣泛應(yīng)用于傳動(dòng)控制，包括數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等各類精密機(jī)械的驅(qū)動(dòng)等。從技術(shù)角度來看，當(dāng)今主要的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品基本上都屬于永磁正弦波同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，從本質(zhì)上說也屬于自控式變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般采用數(shù)字信號處理器（DSP）完成矢量控制運(yùn)算和PWM波形的相關(guān)運(yùn)算。采用光電脈沖編碼器或者旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置和速度檢測元件，能夠?qū)崿F(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的高精度的位置、速度和轉(zhuǎn)矩的控制。在現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，永磁同步電動(dòng)機(jī)以其高效節(jié)能的優(yōu)勢倍受關(guān)注，并已在許多應(yīng)用領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)。-55-4)無刷直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)無刷直流電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上屬于永磁同步電動(dòng)機(jī)，相對于有刷直流電動(dòng)機(jī)而言，相當(dāng)于把有刷直流電動(dòng)機(jī)中定子和轉(zhuǎn)子互換了位置，從而可以去除機(jī)械的電刷和換向器，代之以電子換向器。對于三相無刷直流電動(dòng)機(jī)來說，電子換向器的主電路就是三相逆變器，在電動(dòng)機(jī)的定子上裝有轉(zhuǎn)子位置傳感器，以檢測轉(zhuǎn)子的位置，電子換向器在其控制下工作。

由于一般無刷直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場呈現(xiàn)方波形狀，所以也把無刷直流電動(dòng)機(jī)稱為方波電動(dòng)機(jī)。當(dāng)前，無刷直流電動(dòng)機(jī)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括各種電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)控制門窗的驅(qū)動(dòng)、小型一體化水泵的驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)武器的驅(qū)動(dòng)、家用電器等等。-56-5)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)又稱為電流調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)和感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相類似，只是定子磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)不相等，定子繞組可以是三相，也可以是四相，由于電磁轉(zhuǎn)矩僅由定、轉(zhuǎn)子磁阻產(chǎn)生，因此每相繞組只需一個(gè)功率器件，即可產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)矩。由于結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)，并非常適合傳動(dòng)控制系統(tǒng)。其主要缺點(diǎn)是有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。目前已提出多種方法來解決這些問題。-57-1.3電力電子與交流傳動(dòng)系統(tǒng)仿真的特點(diǎn)

進(jìn)行任何系統(tǒng)的仿真，特別是數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真，首先應(yīng)該從數(shù)學(xué)的角度對該系統(tǒng)的基本性質(zhì)有充分的認(rèn)識。

1.系統(tǒng)的基本性質(zhì)通常，系統(tǒng)所具有的基本性質(zhì)涉及以下4個(gè)方面：

(1)輸入和輸出的關(guān)系任何系統(tǒng)都有輸入變量和輸出變量。系統(tǒng)隨時(shí)間變化的輸入函數(shù)就是系統(tǒng)的輸入，也稱為激勵(lì)；而系統(tǒng)隨時(shí)間變化的輸出函數(shù)就是系統(tǒng)的輸出，也稱為響應(yīng)。系統(tǒng)輸入輸出的關(guān)系可表示為（1-3）-58-單輸入單輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)-59-

(2)定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)如果系統(tǒng)輸入輸出的關(guān)系不依賴于所觀察的時(shí)間，則稱該系統(tǒng)為定常系統(tǒng)，或時(shí)不變系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)描述如下：設(shè)系統(tǒng)輸入輸出的關(guān)系為，對任意輸入，若滿足關(guān)系式則該系統(tǒng)便是定常系統(tǒng)。否則，該系統(tǒng)為時(shí)變系統(tǒng)。（1-4）-60-

(3)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)當(dāng)疊加原理適用時(shí)，系統(tǒng)便是線性的。疊加原理可表示為：設(shè)系統(tǒng)有輸入u1(t)、u2(t)，輸出y1(t)、y2(t)，它們對應(yīng)的關(guān)系分別為，且滿足關(guān)系式則該系統(tǒng)便是線性的。否則，該系統(tǒng)為非線性。（1-5）電路與磁路的對比-61-

(4)集總參數(shù)和分布參數(shù)參數(shù)為有限個(gè)的系統(tǒng)稱為集總參數(shù)系統(tǒng)，參數(shù)為無限個(gè)的系統(tǒng)稱為分布參數(shù)系統(tǒng)。分布參數(shù)系統(tǒng)需用一種包含兩個(gè)變量以上的未知函數(shù)，以及未知函數(shù)關(guān)于這些變量的偏導(dǎo)數(shù)的偏微分方程來描述；而集總參數(shù)系統(tǒng)用包含僅有一個(gè)變量的未知函數(shù)，以及未知函數(shù)關(guān)于該變量的常微分方程來描述就可以了。-62-

2.電力電子與交流傳動(dòng)系統(tǒng)的性質(zhì)

電力電子與傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件是電動(dòng)機(jī)。在電機(jī)中，存在著儲(chǔ)能密度較大的耦合介質(zhì)——磁場。為了在一定激勵(lì)下能獲得更強(qiáng)的磁場，加強(qiáng)耦合磁場的作用，系統(tǒng)中含有非線性的鐵磁性物質(zhì)。鐵磁性物質(zhì)的特性可用圖1-7所示的磁化曲線來描述，顯然其磁通密度B與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系是非線性的，這就導(dǎo)致了電機(jī)在本質(zhì)上的非線性，也稱為固有非線性。-63--64-

對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)來說，因其定