計算機仿真技術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@(作業提交：linf1975@gmail)作業文件命名規則：學號+姓名+作業次數.doc如：03291003鄧瀟01.doc課程內容系統仿真概述。電力電子仿真的建模方法。微分方程的數值解法。基于Matlab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、課后作業成果評定作業+考試第一章緒論電氣工程的探討領域：電機電器電工理論高壓與絕緣電力系統電力電子電力傳動新能源汽車電子電能系統我們的工作：對系統進行改造、完善、限制工欲善其事，必先利其器。－《論語·衛靈公篇》計算機仿真就是重要工具之一仿真－模擬1系統仿真概論

G.Golden----“系統這個術語已經在各個領域用得如此廣泛，以至很難給它下一個定義。”1.1系統的定義

系統----最早見于《世界大系統》－德謨克利特（公元前460－公元前370年）“任何事物都是在聯系中顯現出來的，都是在系統中存在的，系統聯系規定每一事物，而每一聯系又能反映系統的聯系的總貌。”“系統就是依據某些規律結合起來，相互作用、相互依存的全部實體的集合或總和。”－G.Golden《系統仿真》

系統三要素：實體——確定了系統的構成，也確定了系統邊界；屬性——也稱為描述變量，描述每一實體的特征；活動——定義了系統內部實體之間的相互作用，從而確定了系統內部發生的變更過程。1.1.1系統狀態在隨意給定的時間，對系統全部實體、屬性和活動的狀況，都用系統狀態加以描述。1.1.2系統邊界每個系統都置于確定的環境中。系統與環境之間的分界稱為邊界。邊界確定了系統的范圍，邊界以外對系統的作用稱為系統的輸入，系統對邊界以外環境的作用稱為系統的輸出。1.1.3系統的分類確定性系統與隨機性系統連續系統與離散系統不同類型的系統要接受不同的仿真方法。1.2系統與試驗系統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：真實系統試驗間接法：構造模型，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處于設計階段時，真實系統還沒有建立，只能通過模型進行試驗。在實際系統上試驗會引起系統破壞或發生故障。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物理模型與數學模型數學模型：用數學表達式描述系統內在規律。√物理模型：按確定比例尺度照真實系統的“樣子”制作。數學模型是計算機仿真的基礎。數學模型的分類模型類型靜態模型動態模型連續系統離散事件系統集中參數分布參數時間離散數學描述代數方程微分方程偏微分方程差分方程概率分布、排隊論應用系統穩態解（潮流計算、短路計算等）系統動力學（電路暫態分析等）場計算（電磁場、熱傳導等）計算機控制交通、市場、戰爭模擬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尚不存在的狀況下，對系統或活動本質的實現”。1978年，Korn，“用能代表所探討系統的模型作試驗”。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、模型與仿真系統是探討的對象。模型是系統的抽象。仿真是通過對模型的試驗以達到探討系統的目的。1.4.3計算機仿真技術仿真技術就是以相像原理、系統技術、信息技術以及仿真應用領域的有關專業技術為基礎，以計算機系統、與應用有關的物理效應設備及仿真器為工具，利用模型對系統（已有的或設想）進行探討的一門多學科的綜合性的技術。現代仿真技術大多是在計算機支持下進行的，因此系統仿真也稱為計算機仿真。利用計算機求解數學模型。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學描述，建模編程，且在計算機中運行實現。它不怕破壞、易修改、可重用。計算機仿真可以用于研制產品或設計系統的全過程中，包括方案論證、技術指標確定、設計分析、生產制造、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：受限于系統建模技術，即系統數學模型不易建立。半實物仿真數學模型與物理模型甚至實物聯合起來進行試驗。對系統中比較簡潔的部分或對其規律比較清晰的部分建立數學模型，并在計算機上加以實現。對比較困難的部分或對規律尚不特別清晰的系統，其數學模型的建立比較困難，則接受物理模型或實物。仿真時將兩者連接起來完成整個系統的試驗。1.4.5仿真時間實際動態系統的時間基稱為實際時鐘。系統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運行的速度。2系統仿真的一般步驟專業背景學問確定模型邊界：限定探討范圍建立數學模型獲得模型參數：實際系統和假想系統確定試驗框架：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

仿真程序設計

仿真模型驗證程序調試，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果

仿真結果分析驗證仿真的正確性：理論分析、試驗驗證評價系統性能

舉例(1)建模專業學問：電路理論邊界輸入：電源電壓udc，負載P0/u

狀態(輸出)：電容電壓u，電感電流i數學模型確定參數試驗框架探討目的：R、L、C參數匹配與穩定域的關系小擾動穩定大擾動穩定試驗框架：RLC取不同值時，udc1％－10％擾動，P1％－10％擾動。(2)程序設計Matlab/Simulink仿真算法(3)運行調試、結果分析(3)運行調試、結果分析3仿真軟件簡介程序設計運行調試結果輸出數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歷史發展1972年，Spice(simulationprogramwithICemphasis)由美國UCBerkeley開發，主要用于大規模集成電路的計算機協助設計。1988年，成為美國國家工業標準。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：電路原理圖設計PSpiceAD：電路圖仿真LayoutPlus：印刷電路板圖設計主要優點具有模擬－數字混合仿真功能。供應了大量的器件模型。強大的系統分析功能。可通過參數、傳遞函數、狀態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主要優點系統級仿真：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用技術國家工程探討中心合作成立了Analogy亞洲系統仿真中心（ZASC）三相逆變器的Saber仿真圖3.2電力系統仿真軟件3.2.1EMTP類軟件EMTP電磁暫態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年頭創立。美國邦納維爾電力局(BPA)、EMTP聯合發展中心(DCG)、歐洲EMTP用戶協會(LEC)等推動了EMTP的發展。目前產生了多種商業軟件：ATP/EMTP、PSCAD/EMTDC、NETOMAC等功能及特點主要面對電力系統的電磁暫態仿真。內建了豐富而具體的發電機、電動機、輸電線路、變壓器、斷路器等模型。以志向開關模型來進行電力電子電路的仿真，目的是探討電力系統中的HVDC和FACTS。特別適于電力系統仿真，但不適于一般電力電子電路的仿真。3.2.2電力系統潮流與穩定分析軟件BPA程序：美國邦納維爾電力局(BPA)PSASP程序：電力系統分析綜合程序功能：穩態分析，潮流計算故障分析，短路電流計算機電暫態分析，穩定計算特點：適于大型電力網絡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、熱等的仿真主要應用：電機內部電磁場計算電磁兼容分析散熱設計等3.4Matlab/Simulink開放的環境、敏捷簡便的語言、強大的擴展性能豐富的第三方產品簡便易用Simpow