計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)-Chapter1

1、計(jì)算機(jī)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(diǎn)：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(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(dòng)機(jī)等。 教學(xué)形式 課堂講授、上機(jī)實(shí)踐、課后作業(yè) 成績(jī)?cè)u(píng)定 作業(yè)+考試第一章 緒論 電氣工程的研究領(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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造、完善

2、、控制工欲善其事，必先利其器。 論語(yǔ)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(yǔ)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?！?“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(shí)體的集合或總和?！?G.Golden 系統(tǒng)仿真n 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

3、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)生的變化過程。 1.1.1 系統(tǒng)狀態(tài) 在任意給定的時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)所有實(shí)體、屬性和活動(dòng)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(gè)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(duì)系統(tǒng)的作用稱為系統(tǒng)的輸入，系統(tǒng)對(duì)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(jī)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(yàn)n系統(tǒng)的復(fù)雜性決定需要進(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)直接法：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

4、分代替真實(shí)試驗(yàn)n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，無法準(zhǔn)確判斷試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)或費(fèi)用昂貴。n真實(shí)試驗(yàn)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(dá)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(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)。 n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

5、暫態(tài)分析等）場(chǎng)計(jì)算（電磁場(chǎng)、熱傳導(dǎo)等）計(jì)算機(jī)控制交通、市場(chǎng)、戰(zhàn)爭(zhēng)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)尚不存在的情況下，對(duì)系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)的實(shí)現(xiàn)” 。1978年，Korn，“用能代表所研究系統(tǒng)的模型作實(shí)驗(yàn)”。1982年，Spriet，“所有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，“建模實(shí)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)是研究的對(duì)象 。模型是系統(tǒng)的抽象。仿真是通過對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)以達(dá)到研究系統(tǒng)的目的。 1.4.3 計(jì)算

6、機(jī)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(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(duì)系統(tǒng)（已有的或設(shè)想）進(jìn)行研 究 的 一 門 多 學(xué) 科 的 綜 合 性 的 技 術(shù) ?，F(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)行研究的，又稱物理仿真。物理仿真的優(yōu)點(diǎn)是直接、形象、易信，但是模型受限、易破壞、難以重用。而計(jì)算機(jī)仿真是將研究對(duì)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)

7、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(cè)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)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)系統(tǒng)中比較簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)。對(duì)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(shí)將兩者連接起來完成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)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)所采用的時(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)鐘完全一致，模

8、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)背景知識(shí)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(shí)際系統(tǒng)和假想系統(tǒng)確定實(shí)驗(yàn)框架：仿真的目的n 建立模型將模型用計(jì)算機(jī)程序來描述程序中要包括實(shí)驗(yàn)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(jì)n 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n 仿真程序運(yùn)行并輸出結(jié)果n 仿真結(jié)果分析驗(yàn)證仿真的正確性：

9、 理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能n 舉例(1)建模專業(yè)知識(shí)：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)(1)(10uRiuLiuPiCudc數(shù)學(xué)模型確定參數(shù)實(shí)驗(yàn)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(dòng)穩(wěn)定大擾動(dòng)穩(wěn)定024/PuRCLdc實(shí)驗(yàn)框架： RLC取不同值時(shí)， udc110擾動(dòng)，P 110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(jiǎn)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

10、.1 ORCAD/PSpice歷史發(fā)展1972年， Spice(simulation program with IC emphasis)由美國(guó)UC Berkeley開發(fā)，主要用于大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。1988年，成為美國(guó)國(guó)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(gòu)MicroSim，推出ORCAD/PSpice。模塊及功能Capture：電路原理圖設(shè)計(jì)PSpice AD：電路圖仿真Layout Plus：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。提供了大量的器件模型。強(qiáng)大的系統(tǒng)分析功能?？赏ㄟ^參數(shù)、傳遞函數(shù)、狀態(tài)

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(kuò)展能力一般。仿真算法的收斂性問題。 3.1.2 Saber主要優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)級(jí)仿真：電、機(jī)、熱、控制等。更靈活的MAST語(yǔ)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(guó)Analogy公司與浙江大學(xué)電力電子應(yīng)用技術(shù)國(guó)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(guó)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)主要面向電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真。 內(nèi)建了豐富而詳細(xì)的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、輸電線路、變壓器、斷路器等模型。以理想開關(guān)模型來進(jìn)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(guó)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(chǎng)仿真軟件主要目的： 電磁場(chǎng)計(jì)算，有限元方法求解偏微分方程主要軟件： ANSOFT：電磁場(chǎng)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(chǎng)計(jì)算 電磁兼容分析 散熱設(shè)計(jì)等 3.4 Matlab/Simulink開放的環(huán)境、靈活簡(jiǎn)便的語(yǔ)