计算机仿真技术-Chapter1

计算机仿真技术

北京交通大学

电气工程学院

1

任课教师:

杜欣

办公地点：电气工程楼505

办公电话:51688336

Email：xdu@

本课程与其它课程的联系

■先修课程：《电路》《电力电子学》《电力电子器

件及应用技术》《电机学》《自动控制系统》

■后续课：《电力电子装置与控制》《开关电源技术》

《变频调速应用》

■参考书：

林飞杜欣《电力电子应用技术的MATLAB仿真》，

中国电力出版社，2009

洪乃刚编著《电力电子和电力拖动控制系统的

MATLAB仿真》，机械工业出版社，2006

3

■教学形式：课堂讲授、上机实践、课后作业

■成绩评定：平时作业成绩60%,考试成绩40%。

■几点说明

(1)上机时间安排：

(2)实验报告按照格式打印上交(图形压缩后打印)

地点逸夫楼二楼计算机机房

匚周次星期时间

■第十周周四10:00—12:00

・第十一周四12:00—14:00

第十二周四10:00—12:00

第十三周四12:00—14:00

一第十四周四10:00—12:00

第十五周四10:00—12:00

5

■课程内容

A系统仿真概述。

A电力电子仿真的建模方法。

A微分方程的数值解法。

A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。

6

第一章计算机仿真技术概述

《计算机仿真技术》是“风能与太阳能发

电”，“电力电子与电能变换”这两个专业

方向的专业基础引导课。

2006年高校学科评估（排名）结果

一级学科代码及名称：0808电气工程

■来源

/xkpg/2006/pgjg.ht

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整体水平・，

学位授予单位代码及名称

排名公得分一

10003清华大学口1P1UM

10698西安交通大学”2〃9"

10487华中科技大学"3P93/

10335浙江大学一4*91・，

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■我们的工作:

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

仿真一模拟

11

美国三种典型导弹研制过程仿真技术的作用

原计划发仿真后实节省导弹节省费用

射）发（单位：

千万美元

爱国者141101408.0

罗兰特224951294.2

尾刺••185114712.5

12

■1系统仿真概论

1.1系统的定义

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。”

系统--最早见于《世界大系统》

一德谟克利特（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。”

13

“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》

■系统三要素：

实体——确定了系统的构成，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。

14

■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。

15

■1.1.2系统边界

■每个系统都置于一定的环境中。

■系统与环境之间的分界称为边界。

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。

16

北一M二:

■113系统的分类

■静态系统和动态系统

■确定性系统与随机性系统

连续系统与离散系统

不同类型的条统要系用不同的仿真方法。

17

1.2系统与试验

■系统的复杂性决定需要进行试验

实践是检验真理的唯〜标准。

，［直接法：真实系统试验

两类I’式验＜［间接法：构造模型，用模型试/

验代替或部分代替真实试验7

18

模型试验成为主流

A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。

A在实际系统上试验会引起系统破坏或发生

故障。

A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。

真实试验必不可少

19

・1.3物理模型与数学模型

■物理模型：按一定比例尺度照真实系统的

“样子”制作。

■数学模型：用数学表达式描述系统内在规

.律。N

教学模型是计算机仿真的基础。

20

■数学模型的分类

动态模型

连续系统’

模型类型静态模型

离散事件

集中参数分布参数时间离散系统

偏微分方统率分布、

数学描述代数方程微分方程差分方程'

程排队论

系统稳态系统动力

场计算交通、市

薛（潮流学（电路计算机控

应用（电磁场、场、战争

才算、短暂态分析.制

他传导等）模拟

J洛计算等）等）

21

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”O

A1978年，Korn,“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22

1.4.2系统、模型与仿真

A系统是研究的对象。

A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。

23

■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。

24

■1.4.4物理仿真与计算机仿真

A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。

25

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A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。

A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、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。

26

半实物仿真

A数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。

A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。

A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。

27

■145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。半实物仿真时一般要进行实时仿真。

28

A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。

29

2系统仿真的一般步骤

■建立模型

＞专业背景知识

A确定模型边界：限定研究范围

・I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

.仿真程序设计

＞将模型用计算机程序来描述.

A程序中要包括实验框架.

＞选择合适的仿真算法

,A编制算法程序求解模型

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

31

■仿真程序运行并输出结果

.仿真结果分析

A验证仿真的正确性：

理论分析、实验验证

评价系统性能

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ContinuousStartingofa5HP240VDCmotorwitha3-stepresistancestarter

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MoreInfo

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Out

3.66ohm1.64ohm0.74ohm

34

YAxis

■3.1电力电子电路仿真软件

■3.1.1ORCAD/PSpice

A历史发展

1972年，Spice(simulationprogramwithICemphasis)

由美国UCBerkeley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MicroSini公司推出的用于PC的Spice版本。

1998年，0RCAD公司收购MicroSim,推出ORCAD/PSpice。

38

4J

A模块及功能

Capture:电路原理图设计

/PSpiceAD：电路图仿真

LayoutPlus:印刷电路板图设计

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A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。

40

■3.1.2Saber

A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Ana1ogy亚洲系统仿真中心(ZASC),

三相逆变器的Saber仿真图

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3.2电力系统仿真软件

■321EMTP类软件

AEMTP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.PSCAD/EMTDC>NETOMAC等

43

A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。

44

3.2.2电力系统潮流与稳定分析软件

ABPA程序：美国邦纳维尔电力局（BPA）

APSASP程序：电力系统分析综合程序三

»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

45

■3.3电磁场仿真软件

A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

JANSYS: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

46

4J

■3.4Matlab/Simulink

»开放的环境、灵活简便的语言、强大的扩展性能

A丰富的第三方产品

A简便易用

Simpowersystems可用于电气系统的仿臭

课程

学习使用matlab软件进行也气工程的仿真,

主要是电力电子与传动领域。

47

表i-i电力电子技术常用仿真软件比较B^l

仿真器EMTPSpiceSABERS1MPIJSSCAlSiniplorcrPSIMMATLAB

数值积梯形法梯形法GEAR（以转移矩梯形法梯形法梯形法RK法

分法（默认）认）悌形阵的泰和欧拉（默认）

GEAR法勒级数法

电路的仃点分谈进V改进B点状态变状态变状态变节点分状态变

建模析点分析分析量分析量分析盘分析析量分析

计笄势固定步可变中可变步氏可变步可变步可变步同定步固定和

氏氏（用户氏（白（白动）和长《自长（白长（白长（自可变选

指定）动）固定步氏动）动）动）动）择

开关模理想开理想开理想开关理想开理想开理想开理想开可变电

M关美和详和详细器关（双电关（双电关（双电关（双电阻+串

细器件件模型阴模型）阳模型）W1模型）阳摸型）联电感

模型