計算機仿真技術(shù)-Chapter1

計算機仿真技術(shù)北京交通高校電氣工程學院任課老師：林飛辦公地點：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、異步電動機等。教學形式課堂講授、上機實踐、課后作業(yè)成果評定作業(yè)+考試第一章緒論電氣工程的探討領(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、限制工欲善其事，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、相互依存的全部實體的集合或總和。”－G.Golden《系統(tǒng)仿真》

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)生的變更過程。1.1.1系統(tǒng)狀態(tài)在隨意給定的時間，對系統(tǒng)全部實體、屬性和活動的狀況，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)與試驗系統(tǒng)的困難性確定須要進行試驗實踐是檢驗真理的唯一標準。兩類試驗干脆法：真實系統(tǒng)試驗間接法：構(gòu)造模型，用模型試驗代替或部分代替真實試驗√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，無法精確推斷試驗結(jié)果。試驗時間太長或費用昂貴。真實試驗必不行少1.3物理模型與數(shù)學模型數(shù)學模型：用數(shù)學表達式描述系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律?！涛锢砟Ｐ停喊创_定比例尺度照真實系統(tǒng)的“樣子”制作。數(shù)學模型是計算機仿真的基礎(chǔ)。數(shù)學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（電路暫態(tài)分析等）場計算（電磁場、熱傳導等）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)尚不存在的狀況下，對系統(tǒng)或活動本質(zhì)的實現(xiàn)”。1978年，Korn，“用能代表所探討系統(tǒng)的模型作試驗”。1982年，Spriet，“全部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－試驗－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以達到探討系統(tǒng)的目的。1.4.3計算機仿真技術(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）進行探討的一門多學科的綜合性的技術(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探討的，又稱物理仿真。物理仿真的優(yōu)點是干脆、形象、易信，但是模型受限、易破壞、難以重用。而計算機仿真是將探討對象進行數(shù)學描述，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)指標確定、設(shè)計分析、生產(chǎn)制造、試驗測試、維護訓練、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)學模型不易建立。半實物仿真數(shù)學模型與物理模型甚至實物聯(lián)合起來進行試驗。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)學模型，并在計算機上加以實現(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)學模型的建立比較困難，則接受物理模型或?qū)嵨?。仿真時將兩者連接起來完成整個系統(tǒng)的試驗。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)仿真時所接受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樣，模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)背景學問確定模型邊界：限定探討范圍建立數(shù)學模型獲得模型參數(shù)：實際系統(tǒng)和假想系統(tǒng)確定試驗框架：仿真的目的

建立模型將模型用計算機程序來描述程序中要包括試驗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

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

仿真程序運行并輸出結(jié)果

仿真結(jié)果分析驗證仿真的正確性：理論分析、試驗驗證評價系統(tǒng)性能

舉例(1)建模專業(yè)學問：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數(shù)學模型確定參數(shù)試驗框架探討目的：R、L、C參數(shù)匹配與穩(wěn)定域的關(guān)系小擾動穩(wěn)定大擾動穩(wěn)定試驗框架：RLC取不同值時，udc1％－10％擾動，P1％－10％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)模集成電路的計算機協(xié)助設(shè)計。1988年，成為美國國家工業(yè)標準。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PSpiceAD：電路圖仿真LayoutPlus：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。供應(yīng)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)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。功能擴展實力一般。仿真算法的收斂性問題。3.1.2Saber主要優(yōu)點系統(tǒng)級仿真：電、機、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(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、電動機、輸電線路、變壓器、斷路器等模型。以志向開關(guān)模型來進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3.4Matlab/Simulink開放的環(huán)境、敏捷簡便的語言、強大的擴展性能豐富的第三方產(chǎn)品簡便易用Simpow