8.1动态系统的计算机仿真.ppt

第八章电力电子系统计算机辅助设计 ;主要内容: 8.1 动态系统的计算机仿真 8.2 电力电子系统的建模方法 8.3 电力电子仿真软件 8.4 电力电子仿真实例 ;8.1 动态系统的计算机仿真;;系统模型 系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质(或是系统的某种特性)的一种描述。 1.实体模型 实体模型又称为物理效应模型，是根据系统之间的相似性而建立起来的物理模型。实体模型最常见的是比例模型，如风洞吹风实验常用的翼型模型或建筑模型。 2.数学模型 数学模型包括原始系统数学模型和仿真系统数学模型。仿真系统数学模型是一种适合在计算机上演算的模型，主要是指根据计算机的运算特点、仿真方式、计算方法、精度要求将原始系统数学模型转换为计算机程序。;数学模型可以分为许多类型。按照状态变化可分为动态模型和静态模型。按照输入和输出的关系可分为确定性模型和随机性模型。 离散系统是指系统的操作和状态变化仅在离散时刻产生的系统，如交通系统、电话系统、通信网络系统等等，常常用各种概率模型来描述。 连续系统模型还可分为集中参数的和分布参数的，线性的和非线性的，时变的和时不变的，时域的和频域的，连续时间的和离散时间的等等。表1.1列出了各种类型的数学模型及其数学描述。; 表1.1 数学模型分类 ; 仿真的概念 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。;仿真分类 按照实现方式的不同可以将系统仿真分为如下几类： (1) 实物仿真：又称物理仿真。优点是直观形象，至今仍然广泛 应用。但是为系统构造一套物理模型，将是一件非常复杂的事情，投资巨大，周期长，且很难改变参数，灵活性差。 (2) 数学仿真：数学仿真把研究对象的结构特征或者输入输出关系抽象为一种数学描述(微分方程、状态方程，可分为解析模型、统计模型)来研究。 ;计算机仿真 计算机仿真是在研究系统过程中根据相似原理，利用计算机来逼真模拟研究对象。研究对象可以是实际的系统，也可以是设想中的系统。归纳起来，仿真技术的主要用途有如下几点： (1) 优化系统设计。在实际系统建立以前，通过改变仿真模型结构和调整系统参数来优化系统设计。如控制系统、数字信号处理系统的设计经常要靠仿真来优化系统性能。 (2) 系统故障再现，发现故障原因。实际系统故障的再现必然会带来某种危害性，这样做是不安全的和不经济的，利用仿真来再现系统故障则是安全的和经济的。 (3) 验证系统设计的正确性。 (4) 对系统或其子系统进行性能评价和分析。多为物理仿真，如飞机的疲劳试验。 (6) 为管理决策和技术决策提供支持。 ;仿真算法和仿真软件 仿真算法 在建立系统的数学模型后，需要将其转变成能够在计算机上运行的仿真模型。由于计算机只能进行离散的数值计算，因而必须推导出连续系统的递推数学公式，如解微分方程的龙格库塔算法。这实际上属于数值计算的内容，其发展已经相当完善了。其实这就是计算机仿真算法的设计，即把数学模型转化为能在计算机上运行的仿真模型。一般来说，系统仿真算法有如下几类： (1) 集中参数系统仿真算法。 (2) 分布参数系统仿真算法。 (3) 离散时间系统仿真算法。;仿真软件 仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它可能是面向通用的仿真，也可能是面向某个领域的仿真。它的功能可以概括为以下几点： (1) 为仿真提供算法支持。 (2) 模型描述，用来建立计算机仿真模型。 (3) 仿真实验的执行和控制。 (4) 仿真数据的显示、记录和分析。 (5) 对模型、实验数据、文档资料和其它仿真信息的存储、检索和管理(即用于仿真数据信息管理的数据库系统)。 ;计算机仿真的一般过程 计算机仿真的一般过程如图1.1所示，可以表述如下： (1) 描述仿真问题，明确仿真目的。 (2) 项目计划、方案设计与系统定义。根据仿真目的确定相应的仿真结构(实时仿真还是非实时仿真，纯数学仿真还是半物理仿真等)，规定相应仿真系统的边界条件与约束条件。 (3) 数学建模：根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数。注意要确保模型的有效性和经济性。 (4) 仿真建模：根据数学模型的形式、计算机类型、采用的高级语言或其它仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型，也即获得系统的仿真模型。 (5) 试验：设定实验环境/条件和记录数据，进行实验，并记录数据。 (6) 仿真结果分析：根据实验要求和仿真目的对实验结果进行分析处理(整理及文档化)。 ;图1.1 计算机仿真流程图;主要内容