计算机仿真技术ChapterPPT学习教案

1、会计学1 计算机仿真技术计算机仿真技术Chapter 办公地点：电气工程楼206东 办公电话：51687064-15 Email： (作业提交：) 作业文件命名规则： 学号+姓名+作业次数.doc 如：03291003邓潇01.doc 第1页/共42页 系统仿真概述。 电力电子仿真的建模方法。 微分方程的数值解法。 基于Matlab的仿真研究。 Buck电路、三相桥式全控整流电路、三相 电压型逆变器、异步电动机等。 教学形式 课堂讲授、上机实践、课后作业 成绩评定 作业+考试 第2页/共42页 电机 电器 电工理论 高压与绝缘 电力系统 电力电子 电力传动 新能源 汽车电子 电能系统 第3页/

2、共42页 对系统进行改造、完善、控制 工欲善其事，必先利其器。 论语卫灵公篇 计算机仿真就是重要工具之一 仿真模拟 第4页/共42页 G.Golden- “系统这个术语已经在各个领域用 得如此广泛，以至很难给它下一个定义。” 1.1系统的定义 系统-最早见于世界大系统 德谟克利特（ 公元前 460公元前370 年） “任何事物都是在联系中显现出来的，都是在 系统中存在的，系统联系规定每一事物，而每 一联系又能反映系统的联系的总貌。” 第5页/共42页 “系统就是按照某些规律结合起来，互相作用、 互相依存的所有实体的集合或总和。” G.Golden 系统仿真 n 系统三要素： 实体 确定了系统的

3、构成，也确定了系统边界 ； 属性也称为描述变量，描述每一实体的特征； 活动 定义了系统内部实体之间的相互作用， 从而确定了系统内部发生的变化过程。 第6页/共42页 1.1.1 系统状态 在任意给定的时间，对系统所有实体、 属性和活动的情况，都用系统状态加以 描述。 第7页/共42页 1.1.2 系统边界 n每个系统都置于一定的环境中。 n系统与环境之间的分界称为边界。 n边界确定了系统的范围，边界以外对系统 的作用称为系统的输入，系统对边界以外 环境的作用称为系统的输出。 第8页/共42页 1.1.3 系统的分类 n确定性系统与随机性系统 n连续系统与离散系统 不同类型的系统要采用不同的仿真

4、方法。 第9页/共42页 1.2 系统与试验 n系统的复杂性决定需要进行试验 实践是检验真理的唯一标准。 两类试验 直接法：真实系统试验 间接法：构造模型，用模型试 验代替或部分代替真实试验 第10页/共42页 n模型试验成为主流 系统处于设计阶段时，真实系统还没有建 立，只能通过模型进行试验。 在实际系统上试验会引起系统破坏或发生 故障。 需多次试验时难以保证每次试验的条件相 同，无法准确判断试验结果。 试验时间太长或费用昂贵。 n真实试验必不可少 第11页/共42页 1.3 物理模型与数学模型 n数学模型：用数学表达式描述系统内在规 律。 n物理模型：按一定比例尺度照真实系统的 “样子”制

5、作。 数学模型是计算机仿真的基础。 第12页/共42页 n数学模型的分类 模型类型 静态模型 动态模型 连续系统 离散事件 系统 集中参数 分布参数 时间离散 数学描述 代数方程 微分方程 偏微分方 程 差分方程 概率分布、 排队论 应用 系统稳态 解（潮流 计算、短 路计算等） 系统动力 学（电路 暂态分析 等） 场计算 （电磁场、 热传导等） 计算机控 制 交通、市 场、战争 模拟 第13页/共42页 1.4 仿真(Simulation) 1.4.1 仿真定义 1961年，G.W.Morgenthator，“仿真意指在实际系 统尚不存在的情况下，对系统或活动本质的实现” 。 1978年，K

6、orn，“用能代表所研究系统的模型作实 验”。 1982年，Spriet，“所有支持模型建立及模型分析 的活动即为仿真活动”。 1984年，Oren，给出了仿真的基本概念框架，“建 模实验分析”框架，“仿真是基于模型的活动 ”。 第14页/共42页 1.4.2 系统、模型与仿真 系统是研究的对象 。 模型是系统的抽象。 仿真是通过对模型的实验以达到研究系统 的目的。 第15页/共42页 1.4.3 计算机仿真技术 仿真技术就是以相似原理、系统技术、信息技 术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础，以 计算机系统、与应用有关的物理效应设备及仿真 器为工具，利用模型对系统（已有的或设想）进 行 研

7、究 的 一 门 多 学 科 的 综 合 性 的 技 术 。 现代仿真技术大多是在计算机支持下进行的， 因此系统仿真也称为计算机仿真。利用计算机求 解数学模型。 第16页/共42页 1.4.4 物理仿真与计算机仿真 在没有计算机以前，仿真都是利用实物模 型来进行研究的，又称物理仿真。 物理仿真的优点是直接、形象、易信，但 是模型受限、易破坏、难以重用。 第17页/共42页 而计算机仿真是将研究对象进行数学描述 ，建模编程，且在计算机中运行实现。它不 怕破坏、易修改、可重用。 计算机仿真可以用于研制产品或设计系统 的全过程中，包括方案论证、技术指标确定 、设计分析、生产制造、试验测试、维护训 练、

8、故障处理等各个阶段。 计算机仿真的缺点：受限于系统建模技术 ，即系统数学模型不易建立。 第18页/共42页 半实物仿真 数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。 对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部 分建立数学模型，并在计算机上加以实现。 对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统， 其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实 物。 仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验。 第19页/共42页 1.4.5 仿真时间 实际动态系统的时间基称为实际时钟。 系统仿真时所采用的时钟称为仿真时钟。 实时仿真：即仿真时钟与实际时钟完全一 致，模型仿真的速度与实际系统运行的速度 相同。半实物仿

9、真时一般要进行实时仿真。 第20页/共42页 亚实时仿真：即仿真时钟慢于实际时钟， 模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度。 亦称为离线仿真。 超实时仿真：即仿真时钟快于实际时钟， 模型仿真的速度快于实际系统运行的速度。 第21页/共42页 专业背景知识 确定模型边界：限定研究范围 建立数学模型 获取模型参数：实际系统和假想系统 确定实验框架：仿真的目的 n 建立模型 第22页/共42页 将模型用计算机程序来描述 程序中要包括实验框架 选择合适的仿真算法 编制算法程序求解模型 n 仿真程序设计 n 仿真模型验证 程序调试，验证所选算法的合理性 验证模型计算的正确性 第23页/共42页 n 仿真程

10、序运行并输出结果 n 仿真结果分析 验证仿真的正确性： 理论分析、实验验证 评价系统性能 第24页/共42页 n 举例 (1)建模 专业知识：电路理论 边界 输入：电源电压udc，负载P0/u 状态(输出)：电容电压u，电感电流i 第25页/共42页 )( 1 )( 1 0 uRiu L i u P i C u dc 数学模型 确定参数 实验框架 研究目的：R、L、C参数匹配与稳定域的关系 0 22 00 4/PuRCuLP dc 小扰动稳定 大扰动稳定 0 2 4/PuRCL dc 实验框架： RLC取不同值时， udc110扰动，P 110扰动。 第26页/共42页 (2)程序设计 Mat

11、lab/Simulink 仿真算法 第27页/共42页 (3)运行调试、结果分析 第28页/共42页 (3)运行调试、结果分析 第29页/共42页 程序设计 运行调试 结果输出 数学建模 仿真软件 软件面包板 第30页/共42页 3.1 电力电子电路仿真软件 3.1.1 ORCAD/PSpice 历史发展 1972年， Spice(simulation program with IC emphasis)由美国UC Berkeley开发，主要用于大规模集成 电路的计算机辅助设计。 1988年，成为美国国家工业标准。 PSpice是MicroSim公司推出的用于PC的Spice版本。 1998年，

12、ORCAD公司收购MicroSim，推出ORCAD/PSpice。 第31页/共42页 模块及功能 Capture：电路原理图设计 PSpice AD：电路图仿真 Layout Plus：印刷电路板图设计 第32页/共42页 主要优点 具有模拟数字混合仿真功能。 提供了大量的器件模型。 强大的系统分析功能。 可通过参数、传递函数、状态方程等自建器件模型。 存在问题 器件模型主要为小功率电子器件，大功率电力电子器 件误差较大。 功能扩展能力一般。 仿真算法的收敛性问题。 第33页/共42页 3.1.2 Saber 主要优点 系统级仿真：电、机、热、控制等。 更灵活的MAST语言。 更为全面的分析

13、功能。 较为丰富的软件接口。 高效的仿真算法。 更加适于电力电子电路的仿真。 美国Analogy公司与浙江大学电力电子应用技术国家工 程研究中心合作成立了Analogy亚洲系统仿真中心（ ZASC） 第34页/共42页 三相逆变器的Saber仿真 图 第35页/共42页 3.2 电力系统仿真软件 3.2.1 EMTP类软件 EMTP电磁暂态仿真程序 由加拿大不列颠哥伦比亚大学(UBC)的H.W.Dommel教授 于60年代创立。 美国邦纳维尔电力局(BPA)、EMTP联合发展中心(DCG)、 欧洲EMTP用户协会(LEC) 等推动了EMTP的发展。 目前产生了多种商业软件： ATP/EMTP、

14、PSCAD/EMTDC、NETOMAC等 第36页/共42页 功能及特点 主要面向电力系统的电磁暂态仿真。 内建了丰富而详细的发电机、电动机、输电线路、变压 器、断路器等模型。 以理想开关模型来进行电力电子电路的仿真，目的是研 究电力系统中的HVDC和FACTS。 非常适于电力系统仿真，但不适于一般电力电子电路的 仿真。 第37页/共42页 3.2.2 电力系统潮流与稳定分析软件 BPA程序：美国邦纳维尔电力局(BPA) PSASP程序：电力系统分析综合程序 功能： 稳态分析，潮流计算 故障分析，短路电流计算 机电暂态分析，稳定计算 特点： 适于大型电力网络的分析计算 特殊的输入输出文件格式，一般无图形界面 第38页/共42页 3.3 电磁场仿真软件 主要目的： 电磁场计算，有限元方法求解偏微分方程 主要软件： ANSOFT：电磁场仿真 ANSYS：电磁、声、热等的仿真 主要应用： 电机内部电磁场计算 电磁兼容分析 散热设计等 第39页/共42页 3.4 Matlab/Simulink 开放的环境、灵活简便的语言、强