計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)ChapterPPT資料

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)北京交通大學(xué)(dàxué)電氣工程學(xué)院第一頁(yè)，共42頁(yè)。任課教師：林飛辦公地點(diǎn)：電氣工程樓206東辦公：51687064-15Email：(作業(yè)提交：)作業(yè)文件(wénjiàn)命名規(guī)則：學(xué)號(hào)+姓名+作業(yè)次數(shù).doc如：03291003鄧瀟01.doc第二頁(yè)，共42頁(yè)。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(diànlù)、三相橋式全控整流電路(diànlù)、三相電壓型逆變器、異步電動(dòng)機(jī)等。教學(xué)(jiāoxué)形式課堂講授、上機(jī)實(shí)踐、課后作業(yè)成績(jī)?cè)u(píng)定作業(yè)(zuòyè)+考試第三頁(yè)，共42頁(yè)。第一章緒論(xùlùn)電氣工程的研究(yánjiū)領(lǐng)域：電機(jī)(diànjī)電器電工理論高壓與絕緣電力系統(tǒng)電力電子電力傳動(dòng)新能源汽車(chē)電子電能系統(tǒng)第四頁(yè)，共42頁(yè)。我們(wǒmen)的工作：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行(jìnxíng)改造、完善、控制工欲善其事，必先利其器。－《論語(yǔ)(lùnyǔ)·衛(wèi)靈公篇》計(jì)算機(jī)仿真就是重要工具之一仿真－模擬第五頁(yè)，共42頁(yè)。1系統(tǒng)(xìtǒng)仿真概論G.Golden----“系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語(yǔ)已經(jīng)(yǐjing)在各個(gè)領(lǐng)域用得如此廣泛，以至很難給它下一個(gè)定義。”1.1系統(tǒng)(xìtǒng)的定義

系統(tǒng)----最早見(jiàn)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(lái)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?！钡诹?yè)，共42頁(yè)?！跋到y(tǒng)就是按照某些規(guī)律結(jié)合起來(lái)，互相作用、互相依存的所有實(shí)體(shítǐ)的集合或總和。”－G.Golden《系統(tǒng)仿真》系統(tǒng)(xìtǒng)三要素：實(shí)體——確定了系統(tǒng)的構(gòu)成，也確定了系統(tǒng)邊界；屬性——也稱(chēng)為描述(miáoshù)變量，描述(miáoshù)每一實(shí)體的特征；活動(dòng)——定義了系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)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(guò)程。第七頁(yè)，共42頁(yè)。1.1.1系統(tǒng)(xìtǒng)狀態(tài)在任意給定的時(shí)間(shíjiān)，對(duì)系統(tǒng)所有實(shí)體、屬性和活動(dòng)的情況，都用系統(tǒng)狀態(tài)加以描述。第八頁(yè)，共42頁(yè)。1.1.2系統(tǒng)(xìtǒng)邊界每個(gè)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(chēng)為邊界(biānjiè)。邊界(biānjiè)確定了系統(tǒng)的范圍，邊界(biānjiè)以外對(duì)系統(tǒng)的作用稱(chēng)為系統(tǒng)的輸入，系統(tǒng)對(duì)邊界(biānjiè)以外環(huán)境的作用稱(chēng)為系統(tǒng)的輸出。第九頁(yè)，共42頁(yè)。1.1.3系統(tǒng)(xìtǒng)的分類(lèi)確定性系統(tǒng)(xìtǒng)與隨機(jī)性系統(tǒng)(xìtǒng)連續(xù)(liánxù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)不同類(lèi)型的系統(tǒng)要采用不同的仿真方法。第十頁(yè)，共42頁(yè)。1.2系統(tǒng)(xìtǒng)與試驗(yàn)系統(tǒng)(xìtǒng)的復(fù)雜性決定需要進(jìn)行試驗(yàn)實(shí)踐是檢驗(yàn)(jiǎnyàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。兩類(lèi)試驗(yàn)直接法：真實(shí)系統(tǒng)試驗(yàn)間接法：構(gòu)造模型，用模型試驗(yàn)代替或部分代替真實(shí)試驗(yàn)√第十一頁(yè)，共42頁(yè)。模型試驗(yàn)成為(chéngwéi)主流系統(tǒng)處于設(shè)計(jì)階段時(shí)，真實(shí)系統(tǒng)還沒(méi)有建立，只能通過(guò)模型進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)際系統(tǒng)上試驗(yàn)會(huì)引起系統(tǒng)破壞或發(fā)生故障。需多次試驗(yàn)時(shí)難以保證每次試驗(yàn)的條件相同，無(wú)法準(zhǔn)確判斷試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)或費(fèi)用(fèiyong)昂貴。真實(shí)試驗(yàn)(shìyàn)必不可少第十二頁(yè)，共42頁(yè)。1.3物理(wùlǐ)模型與數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型：用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述系統(tǒng)內(nèi)在(nèizài)規(guī)律?！涛锢砟Ｐ停喊匆欢ū壤叨日照鎸?shí)系統(tǒng)(xìtǒng)的“樣子”制作。數(shù)學(xué)模型是計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)。第十三頁(yè)，共42頁(yè)。數(shù)學(xué)模型的分類(lèi)(fēnlèi)模型類(lèi)型靜態(tài)模型動(dòng)態(tài)模型連續(xù)系統(tǒng)離散事件系統(tǒng)集中參數(shù)分布參數(shù)時(shí)間離散數(shù)學(xué)描述代數(shù)方程微分方程偏微分方程差分方程概率分布、排隊(duì)論應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)解（潮流計(jì)算、短路計(jì)算等）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（電路暫態(tài)分析等）場(chǎng)計(jì)算（電磁場(chǎng)、熱傳導(dǎo)等）計(jì)算機(jī)控制交通、市場(chǎng)、戰(zhàn)爭(zhēng)模擬第十四頁(yè)，共42頁(yè)。1.4仿真(fǎnɡzhēn)(Simulation)1.4.1仿真(fǎnɡzhēn)定義1961年，，“仿真意指在實(shí)際系統(tǒng)尚不存在的情況下，對(duì)系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)的實(shí)現(xiàn)”。1978年，Korn，“用能代表所研究系統(tǒng)的模型作實(shí)驗(yàn)”。1982年，Spriet，“所有支持模型建立及模型分析的活動(dòng)即為仿真活動(dòng)”。1984年，Oren，給出了仿真的基本概念框架(kuànɡjià)，“建模－實(shí)驗(yàn)－分析”框架(kuànɡjià)，“仿真是基于模型的活動(dòng)”。第十五頁(yè)，共42頁(yè)。1.4.2系統(tǒng)(xìtǒng)、模型與仿真系統(tǒng)是研究的對(duì)象。模型是系統(tǒng)的抽象。仿真是通過(guò)對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)(shíyàn)以達(dá)到研究系統(tǒng)的目的。第十六頁(yè)，共42頁(yè)。1.4.3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)仿真技術(shù)就是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及仿真應(yīng)用(yìngyòng)領(lǐng)域的有關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、與應(yīng)用(yìngyòng)有關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用模型對(duì)系統(tǒng)（已有的或設(shè)想）進(jìn)行研究的一門(mén)多學(xué)科的綜合性的技術(shù)。現(xiàn)代仿真(fǎnɡzhēn)技術(shù)大多是在計(jì)算機(jī)支持下進(jìn)行的，因此系統(tǒng)仿真(fǎnɡzhēn)也稱(chēng)為計(jì)算機(jī)仿真(fǎnɡzhēn)。利用計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)模型。第十七頁(yè)，共42頁(yè)。1.4.4物理(wùlǐ)仿真與計(jì)算機(jī)仿真在沒(méi)有(méiyǒu)計(jì)算機(jī)以前，仿真都是利用實(shí)物模型來(lái)進(jìn)行研究的，又稱(chēng)物理仿真。物理仿真的優(yōu)點(diǎn)(yōudiǎn)是直接、形象、易信，但是模型受限、易破壞、難以重用。第十八頁(yè)，共42頁(yè)。而計(jì)算機(jī)仿真是將研究(yánjiū)對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，建模編程，且在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。它不怕破壞、易修改、可重用。計(jì)算機(jī)仿真可以用于研制產(chǎn)品或設(shè)計(jì)系統(tǒng)的全過(guò)程中，包括方案(fāngàn)論證、技術(shù)指標(biāo)確定、設(shè)計(jì)分析、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)測(cè)試、維護(hù)訓(xùn)練、故障處理等各個(gè)階段。計(jì)算機(jī)仿真的缺點(diǎn)(quēdiǎn)：受限于系統(tǒng)建模技術(shù)，即系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不易建立。第十九頁(yè)，共42頁(yè)。半實(shí)物仿真數(shù)學(xué)模型與物理模型甚至實(shí)物聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)系統(tǒng)中比較簡(jiǎn)單的部分(bùfen)或?qū)ζ湟?guī)律比較清楚的部分(bùfen)建立數(shù)學(xué)模型，并在計(jì)算機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)。對(duì)比較復(fù)雜的部分(bùfen)或?qū)σ?guī)律尚不十分清楚的系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型的建立比較困難，則采用物理模型或?qū)嵨铩７抡鏁r(shí)將兩者連接起來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。第二十頁(yè)，共42頁(yè)。1988年，成為國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。一聯(lián)系又能反映系統(tǒng)的聯(lián)系的總貌。2系統(tǒng)(xìtǒng)、模型與仿真計(jì)算機(jī)仿真可以用于研制產(chǎn)品或設(shè)計(jì)系統(tǒng)的全過(guò)程中，包括方案(fāngàn)論證、技術(shù)指標(biāo)確定、設(shè)計(jì)分析、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)測(cè)試、維護(hù)訓(xùn)練、故障處理等各個(gè)階段。一聯(lián)系又能反映系統(tǒng)的聯(lián)系的總貌。不同類(lèi)型的系統(tǒng)要采用不同的仿真方法。仿真(fǎnɡzhēn)程序設(shè)計(jì)特殊的輸入輸出文件格式，一般無(wú)圖形界面4物理(wùlǐ)仿真與計(jì)算機(jī)仿真它不怕破壞、易修改、可重用。超實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘(shízhōng)快于實(shí)際時(shí)鐘(shízhōng)，模型仿真的速度快于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度。仿真程序運(yùn)行并輸出(shūchū)結(jié)果連續(xù)(liánxù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)第三十五頁(yè)，共42頁(yè)。1.4.5仿真(fǎnɡzhēn)時(shí)間實(shí)際動(dòng)態(tài)(dòngtài)系統(tǒng)的時(shí)間基稱(chēng)為實(shí)際時(shí)鐘。系統(tǒng)仿真時(shí)所采用(cǎiyòng)的時(shí)鐘稱(chēng)為仿真時(shí)鐘。實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘完全一致，模型仿真的速度與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度相同。半實(shí)物仿真時(shí)一般要進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。第二十一頁(yè)，共42頁(yè)。亞實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘慢于實(shí)際時(shí)鐘，模型仿真的速度慢于實(shí)際系統(tǒng)(xìtǒng)運(yùn)行的速度。亦稱(chēng)為離線仿真。超實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘(shízhōng)快于實(shí)際時(shí)鐘(shízhōng)，模型仿真的速度快于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度。第二十二頁(yè)，共42頁(yè)。2系統(tǒng)(xìtǒng)仿真的一般步驟專(zhuān)業(yè)背景知識(shí)確定模型邊界(biānjiè)：限定研究范圍建立數(shù)學(xué)模型獲取模型參數(shù)：實(shí)際系統(tǒng)和假想系統(tǒng)確定實(shí)驗(yàn)框架：仿真的目的建立(jiànlì)模型第二十三頁(yè)，共42頁(yè)。將模型用計(jì)算機(jī)程序來(lái)描述程序中要包括實(shí)驗(yàn)框架選擇合適(héshì)的仿真算法編制算法程序求解模型仿真(fǎnɡzhēn)程序設(shè)計(jì)仿真模型(móxíng)驗(yàn)證程序調(diào)試，驗(yàn)證所選算法的合理性驗(yàn)證模型計(jì)算的正確性第二十四頁(yè)，共42頁(yè)。仿真程序運(yùn)行并輸出(shūchū)結(jié)果仿真(fǎnɡzhēn)結(jié)果分析驗(yàn)證仿真的正確性：理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)價(jià)(píngjià)系統(tǒng)性能第二十五頁(yè)，共42頁(yè)。舉例(jǔlì)(1)建模專(zhuān)業(yè)知識(shí)：電路(diànlù)理論邊界輸入：電源電壓(diànyā)udc，負(fù)載P0/u狀態(tài)(輸出)：電容電壓(diànyā)u，電感電流i第二十六頁(yè)，共42頁(yè)。數(shù)學(xué)模型確定(quèdìng)參數(shù)實(shí)驗(yàn)(shíyàn)框架研究目的：R、L、C參數(shù)(cānshù)匹配與穩(wěn)定域的關(guān)系小擾動(dòng)穩(wěn)定大擾動(dòng)穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)框架：RLC取不同值時(shí)，udc1％－10％擾動(dòng)，P1％－10％擾動(dòng)。第二十七頁(yè)，共42頁(yè)。(2)程序設(shè)計(jì)(chénɡxùshèjì)Matlab/Simulink仿真(fǎnɡzhēn)算法第二十八頁(yè)，共42頁(yè)。(3)運(yùn)行調(diào)試(diàoshì)、結(jié)果分析第二十九頁(yè)，共42頁(yè)。(3)運(yùn)行調(diào)試(diàoshì)、結(jié)果分析第三十頁(yè)，共42頁(yè)。3仿真(fǎnɡzhēn)軟件簡(jiǎn)介程序設(shè)計(jì)運(yùn)行調(diào)試結(jié)果(jiēguǒ)輸出數(shù)學(xué)建模仿真(fǎnɡzhēn)軟件軟件面包板第三十一頁(yè)，共42頁(yè)。3.1電力(diànlì)電子電路仿真軟件3.1.1ORCAD/PSpice發(fā)展1972年，Spice(simulationprogramwithICemphasis)由UCBerkeley開(kāi)發(fā)，主要用于大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。1988年，成為國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。PSpice是MicroSim公司推出的用于PC的Spice版本(bǎnběn)。1998年，ORCAD公司收購(gòu)MicroSim，推出ORCAD/PSpice。第三十二頁(yè)，共42頁(yè)。模塊及功能Capture：電路原理圖設(shè)計(jì)(shèjì)PSpiceAD：電路圖仿真LayoutPlus：印刷電路板圖設(shè)計(jì)(shèjì)第三十三頁(yè)，共42頁(yè)。主要優(yōu)點(diǎn)(yōudiǎn)具有模擬－數(shù)字混合仿真功能。提供了大量的器件模型。強(qiáng)大的系統(tǒng)分析功能?？赏ㄟ^(guò)參數(shù)、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程等自建器件模型。存在問(wèn)題器件模型主要(zhǔyào)為小功率電子器件，大功率電力電子器件誤差較大。功能擴(kuò)展能力一般。仿真算法的收斂性問(wèn)題。第三十四頁(yè)，共42頁(yè)。3.1.2Saber主要優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)級(jí)仿真：電、機(jī)、熱、控制等。更靈活的MAST語(yǔ)言。更為全面的分析功能。較為豐富的軟件(ruǎnjiàn)接口。高效的仿真算法。更加適于電力電子電路的仿真。Analogy公司與浙江大學(xué)電力電子應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程(gōngchéng)研究中心合作成立了Analogy亞洲系統(tǒng)仿真中心（ZASC）第三十五頁(yè)，共42頁(yè)。三相(sānxiānɡ)逆變器的Saber仿真圖第三十六頁(yè)，共42頁(yè)。3.2電力系統(tǒng)仿真(fǎnɡzhēn)軟件3.2.1EMTP類(lèi)軟件(ruǎnjiàn)EMTP電磁暫態(tài)仿真(fǎnɡzhēn)程序由加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)(UBC)的教授于60年代創(chuàng)立。邦納維爾電力局(BPA)、EMTP聯(lián)合發(fā)展中心(DCG)、歐洲EMTP用戶(hù)協(xié)會(huì)(LEC)等推動(dòng)了EMTP的發(fā)展。目前產(chǎn)生了多種商業(yè)軟件：ATP/EMTP、PSCAD/EMTDC、NETOMAC等第三十七頁(yè)，共42頁(yè)。功能及特點(diǎn)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(xì)的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、輸電線路(xiànlù)、變壓器、斷路器等模型。以理想開(kāi)關(guān)模型來(lái)進(jìn)行電力電子電路的仿真，目的是研究電力系統(tǒng)中的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。第三十八頁(yè)，共42頁(yè)。3.2.2電力系統(tǒng)潮流與穩(wěn)定(wěndìng)分析軟件BPA程序：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)