计算机仿真技术ChapterPPT文档.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,计算机仿真技术,北京交通大学,电气工程学院,任课教师：,林 飞,办公地点：电气工程楼206东,办公 ：51687064-15,Email：,(作业提交：),作业文件命名规则：,学号+姓名+作业次数.doc,如：03291003邓潇01.doc,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。,教学形式,课堂讲授、上机实践、课后作业,成绩评定,作业+考试,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,u,dc,，负载,P,0,/,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，,u,dc,110扰动，P 110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,3.1.1 ORCAD/PSpice,发展,1972年，Spice(simulation program with IC emphasis)由 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 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,PSpice AD：电路图仿真,Layout Plus：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。,3.1.2 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。,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,3.2.1 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)的教授于60年代创立。,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：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、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,3.4 Matlab/Simulink,开放的环境、灵活简便的语言、强大的扩展性能,丰富的第三方产品,简便易用,Simpowersystems可用于电气系统的仿真,本课程,重点,学习使用matlab软件进行电气工程的仿真，主要是电力电子与传动领域。,4 几点希望,充分借助网络的力量：公司网站、论坛、讨论组等,Research:re+search,计算机仿真可以帮助大家实现research,培养相关课程的学习兴趣，互相促进,提高研究能力,尊重他人劳动成果,学以致用,青出于蓝而胜于蓝,计算机仿真技术-Chapter,1.仿真建模的难点,：,1.1器件模型的适用性,微模型(Micro-Model),器件的微观物理模型,功能：,精确描述开关转换时刻的电路波形,用于电力电子系统仿真的问题：,仿真效率低,精度受杂散参数影响,结论：,一般不用于复杂电路的仿真,11/22/2025,宏模型(Macro-Model),根据器件外特性建模,功能：,足够反映变流装置宏观响应波形,宏模型的简化：,简化原则：,结果能够反映出装置的响应过程,保证数值计算稳定性,计算时间短，代价小,11/22/2025,1.2 电力电子电路的非线性,开关非线性,电力电子装置的本质特征,器件开、关,电路拓扑结构变化,状态方程周期性变化,结构变化的时刻,(开关动作时刻),负荷非线性,内部状态,其它非线性,元件非线性,控制系统非线性,外部控制信号,11/22/2025,非线性微分方程组求解,无解析解,数值计算复杂,非线性,微分方程组,非线性,代数方程组,线性,代数方程组,结果,数值积分,牛顿拉夫逊法,消去法,11/22/2025,1.3 装置模型的刚性(病态),电力电子装置(系统)运行中包含各频率段的过程,电磁过程与机电过程,频率范围1,频率范围2,电磁现象,机电现象,行波过程,器件开关过程,暂态过程,开关过电压,短路过程,次同步振荡,暂态稳定,大功率电机,调节过程,谐波,过程,时间,计算,步长,装置内部各部分时间常数相差若干数量级,11/22/2025,刚性(病态)系统:,定义：快、慢过程混合,时间常数相差巨大的系统,步长：由Jacobi阵的最大特征值决定,快过程,慢过程,小步长,大步长,计算时间长,计算误差大,变步长,积分法,11/22/2025,周期性变化的影响：,变步长法的优点：,快过程期间用小步长以保证精度,快过程衰减后用大步长以节省时间,电力电子装置,周期性开关过程,快慢过程,交替变化,步长选择上,花费大量时间,11/22/2025,2.仿真建模方法,解决途径,数值,计算,方法,建模,方法,器件,模型,简化,电路,简化,电气工程背景知识,11/22/2025,2.1 多层次建模方法,1.分析问题的性质与目的,2.将建模的目的分散到各个层次上,3.在不同层次上利用不同的软硬件工具与技术建立不同的数学模型,低层次建模,高层次建模,抓主要矛盾,逐个,击破,11/22/2025,三个研究对象：,器件：构成电路的具体元器件，主要指各种电力电子器件。,装置：能够独立完成某种特定功能的机构，主要指电力电子电路。,系统：由若干电路及相互作用的其它单元组成的集合体。,系统,装置,器件,2.2 器件、装置与系统建模,11/22/2025,仿真目的,器件仿真：研究器件开关转换时刻的电路波形，考察其承受的电压、电流强度，选择器件及缓冲电路。,装置、系统仿真：作为一个整体的响应过程，基本组成部分之间的相互关系和自身的开环、闭环动静态特性。,高层次模型并非低层次模型的简单组合，而是对其进行合理简化后的机理性模型。抽取与仿真目的有关的特征关系，忽略其它的非特征信息。,11/22/2025,低层次建模,模型：建立器件的精确、详细的物理模型,简化：,外围电路可以简化,选择典型运行点进行研究,仿真时间可缩短,11/22/2025,高层次建模,模型：仅需反映系统功能的某些主要特性,简化：,理想开关模型,开关周期平均模型,电源周期平均模型,11/22/2025,3.器件仿真建模,电阻,电感,电容,电源,电力电子,开关器件,建模,正确反映,器件的,电气性能,便于,计算机,仿真程序,设计,11/22/2025,器件模型分类,物理模型：,考虑半导体物理参数，包括原子杂质浓度、载流子寿命、载流子迁移率等。,根据描述器件电特性的基本物理原理，建立偏微分方程求解。,用于半导体器件的设计。,工艺模型：,考虑工艺参数，应用统计方法建模，用于器件制造,电学模型,考虑主要输入输出效应，即端电压和电流。,参数可由外部实验测量。,广泛用于电路设计。,11/22/2025,仿真软件中的三种电学模型,基本模型：,根据电力电子器件的简化物理规律，对Spice软件中原有的小功率器件的模型参数进行优化，引入新的特性，使模型更适于模拟大功率器件。,子电路模型：,根据器件的物理规律，建立等效电路，利用软件已有的半导体器件和无源器件模型，组成新的模型。,数学模型,对用户开放的软件中，可以利用器件物理过程中抽象出的数学方程进行编程，如Saber、Matlab等。,11/22/2025,ORCAD/PSpice中器件模型举例,二极管模型,11/22/2025,11/22/2025,IGBT模型,11/22/2025,IGBT模型,11/22/2025,ORCAD/PSpice、SABER等软件提供了详细的器件模型，可用于器件级仿真。,MATLAB软件虽然也可用m语言建立器件的详细模型，但一般不用于器件级仿真。,11/22/2025,4 装置仿真建模,电力电子电路的本质特性开关特性,器件综合模型,理想开关模型,忽略器件内部过程对装置性能的影响,开关决定,电路,不同拓扑,不同阻值,电阻,代替开关,器件瞬时完成开关动作,11/22/2025,理想开关1,非线性时变电路 分段线性时不变电路,任一时刻电力电子电路拓扑均为线性时不变电路，仿真过程体现为对这一系列线性拓扑按时间序列进行计算。,一个开关状态中电容电压、电感电流的终值，将成为下一个开关状态中的初值。,开关动作的时刻由外部与内部两种因素决定，后者是难点。,11/22/2025,例：,Boost电路,11/22/2025,11/22/2025,理想开关1,N个开关对应2,N,个拓扑维数灾,通过分析去除无效拓扑,开关函数法,较适用于DC/DC电路,11/22/2025,理想开关2,通态小电阻、断态大电阻,状态方程不变，方程中系数变,便于分析，为大多数软件使用,两阻值间的连续过渡区,11/22/2025,5 系统仿真建模,“系统”的含义,控制“系统”,电力电子电路(主电路)+控制回路(算法),研究在反馈控制作用下，电路的稳态、动态性能。,机电“系统”,电力电子电路+电机,电力“系统”,含有电力电子装置的电力系统的行为分析,实际装置“系统”,弱电电路、电磁兼容、温度分析,11/22/2025,系统级仿真的简化方法,5.1 器件级的简化(理想开关基础上的简化),主要用于电力电子电路的控制系统的设计与仿真,开关函数法(以三相电压型变流器为例),11/22/2025,状态空间平均法(以DC/DC变流器为例),假设电流连续，分段线性状态方程,当变流器处于第一个拓扑条件下时，,当变流器处于第二个拓扑条件下时，,其中Ts为开关周期，d为占空比,11/22/2025,状态平均方程,例：Boost电路,11/22/2025,Boost电路状态平均方程,进一步简化,小信号模型,11/22/2025,