計算機仿真技術-1緒論

1、計算機仿真技術,課程內(nèi)容,系統(tǒng)仿真概述。 電力電子仿真的建模方法。 微分方程的數(shù)值解法。 基于Matlab的仿真研究。 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(yè),成績評定 作業(yè)+考試,第一章 緒論,電氣工程的研究領域：,電機 電器,電工理論,高壓與絕緣,電力系統(tǒng),電力電子,電力傳動,新能源,汽車電子,電能系統(tǒng),我們的工作：,對系統(tǒng)進行改造、完善、控制,工欲善其事，必先利其器。 論語衛(wèi)靈公篇,計算機仿真就是重要工具之一,仿真模擬,1 系統(tǒng)仿真概論,G.Golden- “系統(tǒng)這個術語已經(jīng)在各個領域用得如此廣泛，以至很難給它下一個定

2、義。”,1.1系統(tǒng)的定義,系統(tǒng)-最早見于世界大系統(tǒng) 德謨克利特（ 公元前 460公元前370 年） “任何事物都是在聯(lián)系中顯現(xiàn)出來的，都是在 系統(tǒng)中存在的，系統(tǒng)聯(lián)系規(guī)定每一事物，而每 一聯(lián)系又能反映系統(tǒng)的聯(lián)系的總貌?！?“系統(tǒng)就是按照某些規(guī)律結合起來，互相作用、互相依存的所有實體的集合或總和?！?G.Golden 系統(tǒng)仿真,系統(tǒng)三要素：,實體 確定了系統(tǒng)的構成，也確定了系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)部實體之間的相互作用，從而確定了系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的變化過程。,1.1.1 系統(tǒng)狀態(tài),在任意給定的時間，對系統(tǒng)所有實體、 屬性和活動的情況，都用系統(tǒng)狀態(tài)加以 描述

3、。,1.1.2 系統(tǒng)邊界,每個系統(tǒng)都置于一定的環(huán)境中。 系統(tǒng)與環(huán)境之間的分界稱為邊界。 邊界確定了系統(tǒng)的范圍，邊界以外對系統(tǒng)的作用稱為系統(tǒng)的輸入，系統(tǒng)對邊界以外環(huán)境的作用稱為系統(tǒng)的輸出。,1.1.3 系統(tǒng)的分類,確定性系統(tǒng)與隨機性系統(tǒng),連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng),不同類型的系統(tǒng)要采用不同的仿真方法。,1.2 系統(tǒng)與試驗,系統(tǒng)的復雜性決定需要進行試驗,實踐是檢驗真理的唯一標準。,兩類試驗,直接法：真實系統(tǒng)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(tǒng)處于設計階段時，真實系統(tǒng)還沒有建立，只能通過模型進行試驗。 在實際系統(tǒng)上試驗會引起系統(tǒng)破壞或發(fā)生故障。 需多次試驗時難以保

4、證每次試驗的條件相同，無法準確判斷試驗結果。 試驗時間太長或費用昂貴。,真實試驗必不可少,1.3 物理模型與數(shù)學模型,數(shù)學模型：用數(shù)學表達式描述系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律。,物理模型：按一定比例尺度照真實系統(tǒng)的“樣子”制作。,數(shù)學模型是計算機仿真的基礎。,數(shù)學模型的分類,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(tǒng)尚不存在的情況下，對系統(tǒng)或活動本質的實現(xiàn)” 。 1978年，Korn，“用能代表所研究系統(tǒng)的模型作實驗”。 1982年，Spriet，“所有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

5、真的基本概念框架，“建模實驗分析”框架，“仿真是基于模型的活動”。,1.4.2 系統(tǒng)、模型與仿真,系統(tǒng)是研究的對象 。 模型是系統(tǒng)的抽象。 仿真是通過對模型的實驗以達到研究系統(tǒng)的目的。,1.4.3 計算機仿真技術,仿真技術就是以相似原理、系統(tǒng)技術、信息技術以及仿真應用領域的有關專業(yè)技術為基礎，以計算機系統(tǒng)、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(tǒng)（已有的或設想）進行研究的一門多學科的綜合性的技術。,現(xiàn)代仿真技術大多是在計算機支持下進行的，因此系統(tǒng)仿真也稱為計算機仿真。利用計算機求解數(shù)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研究的，又

6、稱物理仿真。,物理仿真的優(yōu)點是直接、形象、易信，但是模型受限、易破壞、難以重用。,而計算機仿真是將研究對象進行數(shù)學描述，建模編程，且在計算機中運行實現(xiàn)。它不怕破壞、易修改、可重用。,計算機仿真可以用于研制產(chǎn)品或設計系統(tǒng)的全過程中，包括方案論證、技術指標確定、設計分析、生產(chǎn)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(tǒng)建模技術，即系統(tǒng)數(shù)學模型不易建立。,半實物仿真 數(shù)學模型與物理模型甚至實物聯(lián)合起來進行實驗。 對系統(tǒng)中比較簡單的部分或對其規(guī)律比較清楚的部分建立數(shù)學模型，并在計算機上加以實現(xiàn)。 對比較復雜的部分或對規(guī)律尚不十分清楚的系統(tǒng)，其數(shù)學模型的建立比較困難，則采

7、用物理模型或實物。 仿真時將兩者連接起來完成整個系統(tǒng)的實驗。,1.4.5 仿真時間,實際動態(tài)系統(tǒng)的時間基稱為實際時鐘。,系統(tǒng)仿真時所采用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致，模型仿真的速度與實際系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)運行的速度。,2 系統(tǒng)仿真的一般步驟,專業(yè)背景知識 確定模型邊界：限定研究范圍 建立數(shù)學模型 獲取模型參數(shù)：實際系統(tǒng)和假想系統(tǒng) 確定實驗框架：仿真的目的,建立模型,將模型用計

8、算機程序來描述 程序中要包括實驗框架 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、實驗驗證 評價系統(tǒng)性能,舉例,(1)建模,專業(yè)知識：電路理論,邊界 輸入：電源電壓udc，負載P0/u 狀態(tài)(輸出)：電容電壓u，電感電流i,數(shù)學模型,確定參數(shù),實驗框架,研究目的：R、L、C參數(shù)匹配與穩(wěn)定域的關系,小擾動穩(wěn)定,大擾動穩(wěn)定,實驗框架： RLC取不同值時， udc110擾動，P 110擾動。,(2)程序設計,Matlab/Simulink,仿真算法,(3

9、)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(shù)學建模,仿真軟件,軟件面包板,3.1 電力電子電路仿真軟件,3.1.1 ORCAD/PSpice,歷史發(fā)展 1972年， Spice(simulation program with IC emphasis)由美國UC Berkeley開發(fā)，主要用于大規(guī)模集成電路的計算機輔助設計。 1988年，成為美國國家工業(yè)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

10、圖設計 PSpice AD：電路圖仿真 Layout Plus：印刷電路板圖設計,主要優(yōu)點 具有模擬數(shù)字混合仿真功能。 提供了大量的器件模型。 強大的系統(tǒng)分析功能。 可通過參數(shù)、傳遞函數(shù)、狀態(tài)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。 功能擴展能力一般。 仿真算法的收斂性問題。,3.1.2 Saber,主要優(yōu)點 系統(tǒng)級仿真：電、機、熱、控制等。 更靈活的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公司與浙江大學電力電子應用技術國家工程研究中心合作成立了Analogy

11、亞洲系統(tǒng)仿真中心（ZASC）,三相逆變器的Saber仿真圖,3.2 電力系統(tǒng)仿真軟件,3.2.1 EMTP類軟件,EMTP電磁暫態(tài)仿真程序 由加拿大不列顛哥倫比亞大學(UBC)的H.W.Dommel教授于60年代創(chuàng)立。 美國邦納維爾電力局(BPA)、EMTP聯(lián)合發(fā)展中心(DCG)、歐洲EMTP用戶協(xié)會(LEC) 等推動了EMTP的發(fā)展。 目前產(chǎn)生了多種商業(yè)軟件： ATP/EMTP、PSCAD/EMTDC、NETOMAC等,功能及特點 主要面向電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真。 內(nèi)建了豐富而詳細的發(fā)電機、電動機、輸電線路、變壓器、斷路器等模型。 以理想開關模型來進行電力電子電路的仿真，目的是研究電力系統(tǒng)中

12、的HVDC和FACTS。 非常適于電力系統(tǒng)仿真，但不適于一般電力電子電路的仿真。,3.2.2 電力系統(tǒng)潮流與穩(wěn)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(tǒng)分析綜合程序 功能： 穩(wěn)態(tài)分析，潮流計算 故障分析，短路電流計算 機電暫態(tài)分析，穩(wěn)定計算 特點： 適于大型電力網(wǎng)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(nèi)部電磁場計算 電磁兼容分析 散熱設計等,3.4 Matlab/Simulink,開放的環(huán)境、靈活簡便的語言、強大的擴展性能 豐富的第三方產(chǎn)品 簡便