計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)-Chapter1

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)北京交通高校電氣工程學(xué)院任課老師：林飛辦公地點(diǎn)：電氣工程樓206東辦公電話：51687064-15Email：linfei@(作業(yè)提交：linf1975@gmail)作業(yè)文件命名規(guī)則：學(xué)號(hào)+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的仿真探討。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(dòng)機(jī)等。教學(xué)形式課堂講授、上機(jī)實(shí)踐、課后作業(yè)成果評(píng)定作業(yè)+考試第一章緒論電氣工程的探討領(lǐng)域：電機(jī)電器電工理論高壓與絕緣電力系統(tǒng)電力電子電力傳動(dòng)新能源汽車電子電能系統(tǒng)我們的工作：對系統(tǒng)進(jìn)行改造、完善、限制工欲善其事，必先利其器。－《論語·衛(wèi)靈公篇》計(jì)算機(jī)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(gè)術(shù)語已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域用得如此廣泛，以至很難給它下一個(gè)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?！薄跋到y(tǒng)就是依據(jù)某些規(guī)律結(jié)合起來，相互作用、相互依存的全部實(shí)體的集合或總和?！保璆.Golden《系統(tǒng)仿真》

系統(tǒng)三要素：實(shí)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(shí)體的特征；活動(dòng)——定義了系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)體之間的相互作用，從而確定了系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的變更過程。1.1.1系統(tǒng)狀態(tài)在隨意給定的時(shí)間，對系統(tǒng)全部實(shí)體、屬性和活動(dòng)的狀況，都用系統(tǒng)狀態(tài)加以描述。1.1.2系統(tǒng)邊界每個(gè)系統(tǒng)都置于確定的環(huán)境中。系統(tǒng)與環(huán)境之間的分界稱為邊界。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)的分類確定性系統(tǒng)與隨機(jī)性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)不同類型的系統(tǒng)要接受不同的仿真方法。1.2系統(tǒng)與試驗(yàn)系統(tǒng)的困難性確定須要進(jìn)行試驗(yàn)實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。兩類試驗(yàn)干脆法：真實(shí)系統(tǒng)試驗(yàn)間接法：構(gòu)造模型，用模型試驗(yàn)代替或部分代替真實(shí)試驗(yàn)√模型試驗(yàn)成為主流系統(tǒng)處于設(shè)計(jì)階段時(shí)，真實(shí)系統(tǒng)還沒有建立，只能通過模型進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)際系統(tǒng)上試驗(yàn)會(huì)引起系統(tǒng)破壞或發(fā)生故障。需多次試驗(yàn)時(shí)難以保證每次試驗(yàn)的條件相同，無法精確推斷試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)時(shí)間太長或費(fèi)用昂貴。真實(shí)試驗(yàn)必不行少1.3物理模型與數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型：用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律?！涛锢砟Ｐ停喊创_定比例尺度照真實(shí)系統(tǒng)的“樣子”制作。數(shù)學(xué)模型是計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)模型的分類模型類型靜態(tài)模型動(dòng)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(shí)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(duì)論應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)解（潮流計(jì)算、短路計(jì)算等）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（電路暫態(tài)分析等）場計(jì)算（電磁場、熱傳導(dǎo)等）計(jì)算機(jī)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(shí)際系統(tǒng)尚不存在的狀況下，對系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)的實(shí)現(xiàn)”。1978年，Korn，“用能代表所探討系統(tǒng)的模型作試驗(yàn)”。1982年，Spriet，“全部支持模型建立及模型分析的活動(dòng)即為仿真活動(dòng)”。1984年，Oren，給出了仿真的基本概念框架，“建模－試驗(yàn)－分析”框架，“仿真是基于模型的活動(dòng)”。1.4.2系統(tǒng)、模型與仿真系統(tǒng)是探討的對象。模型是系統(tǒng)的抽象。仿真是通過對模型的試驗(yàn)以達(dá)到探討系統(tǒng)的目的。1.4.3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)仿真技術(shù)就是以相像原理、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(jì)算機(jī)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(jìn)行探討的一門多學(xué)科的綜合性的技術(shù)。現(xiàn)代仿真技術(shù)大多是在計(jì)算機(jī)支持下進(jìn)行的，因此系統(tǒng)仿真也稱為計(jì)算機(jī)仿真。利用計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)模型。1.4.4物理仿真與計(jì)算機(jī)仿真在沒有計(jì)算機(jī)以前，仿真都是利用實(shí)物模型來進(jìn)行探討的，又稱物理仿真。物理仿真的優(yōu)點(diǎn)是干脆、形象、易信，但是模型受限、易破壞、難以重用。而計(jì)算機(jī)仿真是將探討對象進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，建模編程，且在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。它不怕破壞、易修改、可重用。計(jì)算機(jī)仿真可以用于研制產(chǎn)品或設(shè)計(jì)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(jì)分析、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)測試、維護(hù)訓(xùn)練、故障處理等各個(gè)階段。計(jì)算機(jī)仿真的缺點(diǎn)：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(shí)物仿真數(shù)學(xué)模型與物理模型甚至實(shí)物聯(lián)合起來進(jìn)行試驗(yàn)。對系統(tǒng)中比較簡潔的部分或?qū)ζ湟?guī)律比較清晰的部分建立數(shù)學(xué)模型，并在計(jì)算機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)。對比較困難的部分或?qū)σ?guī)律尚不特別清晰的系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型的建立比較困難，則接受物理模型或?qū)嵨?。仿真時(shí)將兩者連接起來完成整個(gè)系統(tǒng)的試驗(yàn)。1.4.5仿真時(shí)間實(shí)際動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間基稱為實(shí)際時(shí)鐘。系統(tǒng)仿真時(shí)所接受的時(shí)鐘稱為仿真時(shí)鐘。實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘完全一樣，模型仿真的速度與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度相同。半實(shí)物仿真時(shí)一般要進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。亞實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘慢于實(shí)際時(shí)鐘，模型仿真的速度慢于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度。亦稱為離線仿真。超實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘快于實(shí)際時(shí)鐘，模型仿真的速度快于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度。2系統(tǒng)仿真的一般步驟專業(yè)背景學(xué)問確定模型邊界：限定探討范圍建立數(shù)學(xué)模型獲得模型參數(shù)：實(shí)際系統(tǒng)和假想系統(tǒng)確定試驗(yàn)框架：仿真的目的

建立模型將模型用計(jì)算機(jī)程序來描述程序中要包括試驗(yàn)框架選擇合適的仿真算法編制算法程序求解模型

仿真程序設(shè)計(jì)

仿真模型驗(yàn)證程序調(diào)試，驗(yàn)證所選算法的合理性驗(yàn)證模型計(jì)算的正確性

仿真程序運(yùn)行并輸出結(jié)果

仿真結(jié)果分析驗(yàn)證仿真的正確性：理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能

舉例(1)建模專業(yè)學(xué)問：電路理論邊界輸入：電源電壓udc，負(fù)載P0/u

狀態(tài)(輸出)：電容電壓u，電感電流i數(shù)學(xué)模型確定參數(shù)試驗(yàn)框架探討目的：R、L、C參數(shù)匹配與穩(wěn)定域的關(guān)系小擾動(dòng)穩(wěn)定大擾動(dòng)穩(wěn)定試驗(yàn)框架：RLC取不同值時(shí)，udc1％－10％擾動(dòng)，P1％－10％擾動(dòng)。(2)程序設(shè)計(jì)Matlab/Simulink仿真算法(3)運(yùn)行調(diào)試、結(jié)果分析(3)運(yùn)行調(diào)試、結(jié)果分析3仿真軟件簡介程序設(shè)計(jì)運(yùn)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3.1.1ORCAD/PSpice歷史發(fā)展1972年，Spice(simulationprogramwithICemphasis)由美國UCBerkeley開發(fā)，主要用于大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)協(xié)助設(shè)計(jì)。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(jì)PSpiceAD：電路圖仿真LayoutPlus：印刷電路板圖設(shè)計(jì)主要優(yōu)點(diǎn)具有模擬－數(shù)字混合仿真功能。供應(yīng)了大量的器件模型。強(qiáng)大的系統(tǒng)分析功能?？赏ㄟ^參數(shù)、傳遞函數(shù)、狀態(tài)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(kuò)展實(shí)力一般。仿真算法的收斂性問題。3.1.2Saber主要優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)級(jí)仿真：電、機(jī)、熱、限制等。更敏捷的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公司與浙江高校電力電子應(yīng)用技術(shù)國家工程探討中心合作成立了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3.2.1EMTP類軟件EMTP電磁暫態(tài)仿真程序由加拿大不列顛哥倫比亞高校(UBC)的H.W.Dommel教授于60年頭創(chuàng)立。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(huì)(LEC)等推動(dòng)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(diǎn)主要面對電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真。內(nèi)建了豐富而具體的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、輸電線路、變壓器、斷路器等模型。以志向開關(guān)模型來進(jìn)行電力電子電路的仿真，目的是探討電力系統(tǒng)中的HVDC和FACTS。特別適于電力系統(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(jì)算故障分析，短路電流計(jì)算機(jī)電暫態(tài)分析，穩(wěn)定計(jì)算特點(diǎn)：適于大型電力網(wǎng)絡(luò)的分析計(jì)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(jì)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(jī)內(nèi)部電磁場計(jì)算電磁兼容分析散熱設(shè)計(jì)等3.4Matlab/Simulink開放的環(huán)境、敏捷簡便的語言、強(qiáng)大的擴(kuò)展性能豐富的第三方產(chǎn)品簡便易用Simpow