計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)-Chapter1ppt課件.ppt

1、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,1,任課教師： 林 飛,辦公地點(diǎn)：電氣工程樓206東 辦公電話：51687064-15 Email： (作業(yè)提交：) 作業(yè)文件命名規(guī)則： 學(xué)號(hào)+姓名+作業(yè)次數(shù).doc 如：03291003鄧瀟01.doc,2,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(dòng)機(jī)等。,教學(xué)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)+考試,3,第一章 緒論,電氣工程的研究領(lǐng)域：,電機(jī) 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

2、,汽車(chē)電子,電能系統(tǒng),4,我們的工作：,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造、完善、控制,工欲善其事，必先利其器。 論語(yǔ)衛(wèi)靈公篇,計(jì)算機(jī)仿真就是重要工具之一,仿真模擬,5,1 系統(tǒng)仿真概論,G.Golden- “系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語(yǔ)已經(jīng)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)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?！?6,“系統(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)體的集合或總和。” G.Golden 系統(tǒng)仿真,系統(tǒng)三要素：,實(shí)體

3、確定了系統(tǒng)的構(gòu)成，也確定了系統(tǒng)邊界； 屬性也稱為描述變量，描述每一實(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。,7,1.1.1 系統(tǒng)狀態(tài),在任意給定的時(shí)間，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。,8,1.1.2 系統(tǒng)邊界,每個(gè)系統(tǒng)都置于一定的環(huán)境中。 系統(tǒng)與環(huán)境之間的分界稱為邊界。 邊界確定了系統(tǒng)的范圍，邊界以外對(duì)系統(tǒng)的作用稱為系統(tǒng)的輸入，系統(tǒng)對(duì)邊界以外環(huán)境的作用稱為系統(tǒng)的輸出。,9,1.1.3 系統(tǒng)的分類(lèi),確定性系統(tǒng)與隨機(jī)性系統(tǒng),連續(xù)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。,10,1.2 系統(tǒng)與試驗(yàn),系統(tǒng)的復(fù)雜性決

4、定需要進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)踐是檢驗(yàn)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),11,模型試驗(yàn)成為主流,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)用昂貴。,真實(shí)試驗(yàn)必不可少,12,1.3 物理模型與數(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)在規(guī)律。,物理模型：按一定比例尺度照真實(shí)系統(tǒng)的“樣子”制作。,數(shù)學(xué)模型是計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)。,13,數(shù)學(xué)模型的分類(lèi),14,1.4 仿真(Simulation),1.4.

5、1 仿真定義,1961年，G.W.Morgenthator，“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，“建模實(shí)驗(yàn)分析”框架，“仿真是基于模型的活動(dòng)”。,15,1.4.2 系統(tǒng)、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)以達(dá)到研究系統(tǒng)的目的。,16,1.4.3 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)用領(lǐng)域的有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)

6、，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、與應(yīng)用有關(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)仿真也稱為計(jì)算機(jī)仿真。利用計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)模型。,17,1.4.4 物理仿真與計(jì)算機(jī)仿真,在沒(méi)有計(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，又稱物理仿真。,物理仿真的優(yōu)點(diǎn)是直接、形象、易信，但是模型受限、易破壞、難以重用。,18,而計(jì)算機(jī)仿真是將研究對(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，包括方案論證、技術(shù)指標(biāo)確定、設(shè)計(jì)分析、生產(chǎn)制造、試

7、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)：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。,19,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)單的部分或?qū)ζ湟?guī)律比較清楚的部分建立數(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?仿真時(shí)將兩者連接起來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。,20,1.4.5 仿真時(shí)間,實(shí)際動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間基稱為實(shí)際時(shí)鐘。,系統(tǒng)仿真時(shí)所采用的時(shí)鐘稱為仿真時(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

8、。,21,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)運(yùn)行的速度。亦稱為離線仿真。,超實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘快于實(shí)際時(shí)鐘，模型仿真的速度快于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度。,22,2 系統(tǒng)仿真的一般步驟,專業(yè)背景知識(shí) 確定模型邊界：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,建立模型,23,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 選擇合適的仿真算法 編制算法程序求解模型,仿真程序設(shè)計(jì),仿真模型驗(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,24,仿真程序運(yùn)行并輸出結(jié)果,仿真結(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)

9、系統(tǒng)性能,25,舉例,(1)建模,專業(yè)知識(shí)：電路理論,邊界 輸入：電源電壓udc，負(fù)載P0/u 狀態(tài)(輸出)：電容電壓u，電感電流i,26,數(shù)學(xué)模型,確定參數(shù),實(shí)驗(yàn)框架,研究目的：R、L、C參數(shù)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)， udc110擾動(dòng)，P 110擾動(dòng)。,27,(2)程序設(shè)計(jì),Matlab/Simulink,仿真算法,28,(3)運(yùn)行調(diào)試、結(jié)果分析,29,(3)運(yùn)行調(diào)試、結(jié)果分析,30,3 仿真軟件簡(jiǎn)介,程序設(shè)計(jì) 運(yùn)行調(diào)試 結(jié)果輸出 數(shù)學(xué)建模,仿真軟件,軟件面包板,31,3.1 電力電子電路仿真軟件,3.1.1 ORCAD/PSpice,歷史發(fā)

10、展 1972年， Spice(simulation program with IC emphasis)由美國(guó)UC Berkeley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，成為美國(guó)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。 1998年，ORCAD公司收購(gòu)MicroSim，推出ORCAD/PSpice。,32,模塊及功能 Capture：電路原理圖設(shè)計(jì) PSpice AD：電路圖仿真 Layout Plus：印刷電路板圖設(shè)計(jì),33,主要優(yōu)點(diǎn) 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。 可通過(guò)參數(shù)、傳遞函數(shù)、狀

11、態(tài)方程等自建器件模型。,存在問(wèn)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(kuò)展能力一般。 仿真算法的收斂性問(wèn)題。,34,3.1.2 Saber,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。 較為豐富的軟件接口。 高效的仿真算法。 更加適于電力電子電路的仿真。,美國(guó)Analogy公司與浙江大學(xué)電力電子應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程研究中心合作成立了Analogy亞洲系統(tǒng)仿真中心（ZASC）,35,三相逆變器的Saber仿真圖,36,3.2 電力系統(tǒng)仿真軟件,3.2.1 EMTP類(lèi)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(xué)(UB

12、C)的H.W.Dommel教授于60年代創(chuàng)立。 美國(guó)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(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,37,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、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。,38,3.2.2 電力系統(tǒng)潮流與穩(wěn)定分析軟件,BPA程序：美國(guó)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(jì)算 故障分析，短路電流計(jì)算 機(jī)電暫態(tài)分析，穩(wěn)定計(jì)算 特點(diǎn)： 適于大型電力網(wǎng)絡(luò)的分析計(jì)算 特殊的輸入輸出文件格式，一般無(wú)圖形界面,39,3.3 電磁場(chǎng)仿真軟件,主要目的： 電磁場(chǎng)計(jì)算，有限元方法求解偏微分方程 主要軟件： ANSOFT：電磁場(chǎng)仿真 ANSYS：電磁、聲、熱等的仿真 主要應(yīng)用： 電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)計(jì)算 電磁兼容分析 散熱設(shè)計(jì)等,40,3.4 Matlab/Simulink,開(kāi)放的環(huán)境、靈活簡(jiǎn)便的語(yǔ)言、強(qiáng)大的擴(kuò)展性能 豐富的第三方