计算机仿真技术

计算机仿真技术北京交通大学电气工程学院第一章绪论电气工程的研究领域：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－模拟1系统仿真概论

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。”

“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。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。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。1.1.3系统的分类确定性系统与随机性系统

连续系统与离散系统

不同类型的系统要采用不同的仿真方法。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√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。真实试验必不可少1.3物理模型与数学模型数学模型：用数学表达式描述系统内在规律。

√物理模型：按一定比例尺度照真实系统的“样子”制作。数学模型是计算机仿真的基础。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1.4仿真(Simulation)1.4.1仿真定义1961年，，“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，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动”。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。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。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。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、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。

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。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。半实物仿真时一般要进行实时仿真。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。2系统仿真的一般步骤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

建立模型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

仿真程序设计

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

仿真程序运行并输出结果

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

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小扰动稳定大扰动稳定实验框架：RLC取不同值时，udc1％－10％扰动，P1％－10％扰动。(2)程序设计Matlab/Simulink仿真算法(3)运行调试、结果分析(3)运行调试、结果分析3仿真软件简介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3.1电力电子电路仿真软件3.1.1ORCAD/PSpice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MicroSim公司推出的用于PC的Spice版本。1998年，ORCAD公司收购MicroSim，推出ORCAD/PSpice。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。3.1.2Saber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Analogy亚洲系统仿真中心（ZASC）三相逆变器的Saber仿真图3.2电力系统仿真软件3.2.1EMTP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。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