计算机仿真技术-Chapter1.ppt

1、1,计算机仿真技术,北京交通大学 电气工程学院,2,任课教师： 杜欣,办公地点：电气工程楼505 办公电话：5168 8336 Email： ,3,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， 2006,4,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

2、照格式打印上交(图形压缩后打印),5,地点逸夫楼二楼计算机机房,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 第十四 周四 10:00 12:00 第十五 周四 10:00 12:00,6,课程内容,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。,7,第一章 计算机仿真技术概述,电气工程的专业方向：,风能与太阳能发电,工业信息化与自动化,电力电子与电能变换,

3、电力系统及其自动化,轨道牵引与电气化,电机与传动控制,8,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 。,9,2006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,10,11,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,12,美国三种典型导弹研制过程仿真技术的作用,13,1 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

4、 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。”,14,“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。,15,1.1.1 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。,16,1.1.2 系统边界,每个系统都置于一定的环境中。

5、 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。,17,1.1.3 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,不同类型的系统要采用不同的仿真方法。,18,1.2 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,19,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

6、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,20,1.3 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。,21,数学模型的分类,22,1.4 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，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

7、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”。,23,1.4.2 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。,24,1.4.3 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。,25,1.4.4 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

8、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。,26,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。,27,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

9、，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。,28,1.4.5 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。,29,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。,30,2 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

10、统 确定实验框架：仿真的目的,建立模型,31,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,32,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,33,举例,(1)建模,专业知识：电路理论,34,35,36,37,3 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,38,3.1 电力电子电路仿真软件,3.1.1 ORCAD/PSpice,历史发展 1972年， Spice(simulation pr

11、ogram 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，ORCAD公司收购MicroSim，推出ORCAD/PSpice。,39,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,40,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

12、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。,41,3.1.2 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）,42,三相逆变器的Saber仿真图,43,3.2 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

13、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,44,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。,45,3.2.2 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,46,3.3 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,47,3.4 Matlab/Simulink,开放的环境、灵活简便的语言、强大的