计算机仿真技术ppt课件
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计算机仿真课件_第一章_20151105
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第 1 章 MATLAB 入门与基本运算
1.1 MATLAB 环境与文件管理
1.2 基本数据定义与变量管理
1.3 变量、数组与函数
1.4 数据的输入与输出 1.5 数组与矩阵运算 1.6 M文件与函数 1.7 多项式管理 1.8 控制语句与逻辑管理 1.9 曲线拟合与插值运算
变量、数组与函数
变量
表示变量名,常量名,函数名和文件名的字符串 （ 1）由字母、数字、下划线等符号组成，第一个字 母必须是英文字母 。 （2）变量和常量最长不要超过 19个字符，多余截取。
（3）函数和文件名通常不超过8个字符。
（4）变量名大小写敏感。
变量、数组与函数
变量：特殊变量
ans ----默认临时变量
数据的输入与输出
MATLAB低级文件 I/O函数
MATLAB低级文件I/O函数 fclose 关闭文件
Feof
ferror fgetl fgets fopen
测试文件结束
查询文件I/O的错误状态 读文件的行，忽略回行符 读文件的行，包括回行符 打开文件
fprintf
fread frewind fscanf fseek
3.141592653589793e+000
说 明 16位十进制
5位十进制数加指数 16位十进制数加指数
400921fb54442d18 3.14 +十六进制 两位小数 正、负或零 分数近似 二位整数，四 位小数
基本数据定义与变量管理
在线查询： Help 命令；寻求帮助的标题 look for命令；关键词提供帮助
第七章计算机仿真技术
例：已知控制系统的状态方程如下
10 35 50 24 1
A
1
0
0 1
0 0
0 0
,
B
0 0
,C
1
7
24
24
0
0
1
0
0
确定状态反馈矩阵k，使系统的闭环极点配置在
p=[-30 -1.2 -2.4±4i]位置上。
A=[-10 -35 -50 -24;1 0 0 0;0 1 0 0;0 0 1 0];
受控系统的状态空间表达式为
x Ax Bu
y Cx Du
x (A + BK)x Bv y (C + DK)x Dv
若D=0
x (A + BK)x Bv y Cx
•极点配置问题，就是通过选择反馈增益矩阵，将闭环系统的极点恰好配置在根平面 上所期望的位置。 •采用状态反馈对系统任意配置极点的充要条件是原系统完全能控。 •MATLAB命令k=place(A,B,P)
Ts 1
lsqcurvcfit函数是根据阶跃信号作用下过程输出的形状进行 参数估计。 ⅰ根据所要近似的模型结构编制函数文件fun； ⅱ编制用lsqcurvefit函数进行参数估计的文件
例：已知一系统的单位阶跃响应，在t=0:10:200对应的输出为 h=[0.0113 0.0162 0.1947 0.5591 0.7050 0.7744 0.9218...
编制用lsqcurvefit函数进行参数估计的文件 t=0:10:200; h=[0.0113 0.0162 0.1947 0.5591 0.7050 0.7744 0.9218...
0.9208 0.9852 0.9575 1.0546 0.9873 1.0258 0.9930... 1.0203 1.0605 0.9637 1.0051 0.9878 0.9876 1.0349] tt=0:0.5:200; hh=spline(t,h,tt); x0=[2 10 3]; x=lsqcurvefit('onedt',x0,tt,hh) y=onedt(x,tt); err=sum((hh-y).^2) plot(t,h,'r*',tt,y,'k'); grid
计算机仿真技术1ppt课件
2.仿真分类 ①实物仿真：又称物理仿真。是指研制某些实体模型，使
之能重现原系统的各种状态。 ②数学仿真：它就是用数学语言去表述一个系统，并编制
程序在计算机上对实际系统进行研究的过程，这种数学 表述就是数学模型。 ③半实物仿真：也称为混合仿真或物理——数学仿真。
六、计算机仿真的一般过程 （见图1-2所示）
6
§1.1 计算机仿真的基本概念（续2）
3.连续系统和离散系统 ①连续系统：一个系统的状态随时间的变化是连续的。 ②离散系统：一个系统的状态随时间成间断或突然改变。
4.其它分类方法
三、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
（或是系统某种特性）的一种描述。 模型可以分为实体模型和数学模型两大类。
如果要评价一个模型的好坏，一般遵循以下原则： ⑴精确性：相似度
8
§1.1 计算机仿真的基本概念（续4）
⑵合理性：同一系统可建不同模型，关键是对研究问 题有利。
⑶复杂性：在满足精度的前提下，越简单越好。 ⑷应用性：遵循输入量是可以测量的原则。 ⑸鲁棒性：适应的工况范围宽。 五、计算机仿真 1.仿真的概念
2
计算机仿真技术
第一章 概论 第二章 系统建模的基本方法与模型
处理技术 第三章 连续系统的数字仿真 第四章 离散事件系统仿真 第五章 计算机仿真软件
3
第一章 概论
§1.1 计算机仿真的基本概念 §1.2计算机仿真的历史及现状 §1.3计算机仿真的发展与展望
4
§1.1 计算机仿真的基本概念
10
§1.1 计算机仿真的基本概念（续6）
计算机仿真的一般过程可描述如下： ⑴根据仿真目的确定方案 ⑵建立系统的数学模型 ⑶建立仿真模型 ⑷编写仿真程序 ⑸进行仿真实验 ⑹仿真结果分析
之能重现原系统的各种状态。 ②数学仿真：它就是用数学语言去表述一个系统，并编制
程序在计算机上对实际系统进行研究的过程，这种数学 表述就是数学模型。 ③半实物仿真：也称为混合仿真或物理——数学仿真。
六、计算机仿真的一般过程 （见图1-2所示）
6
§1.1 计算机仿真的基本概念（续2）
3.连续系统和离散系统 ①连续系统：一个系统的状态随时间的变化是连续的。 ②离散系统：一个系统的状态随时间成间断或突然改变。
4.其它分类方法
三、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
（或是系统某种特性）的一种描述。 模型可以分为实体模型和数学模型两大类。
如果要评价一个模型的好坏，一般遵循以下原则： ⑴精确性：相似度
8
§1.1 计算机仿真的基本概念（续4）
⑵合理性：同一系统可建不同模型，关键是对研究问 题有利。
⑶复杂性：在满足精度的前提下，越简单越好。 ⑷应用性：遵循输入量是可以测量的原则。 ⑸鲁棒性：适应的工况范围宽。 五、计算机仿真 1.仿真的概念
2
计算机仿真技术
第一章 概论 第二章 系统建模的基本方法与模型
处理技术 第三章 连续系统的数字仿真 第四章 离散事件系统仿真 第五章 计算机仿真软件
3
第一章 概论
§1.1 计算机仿真的基本概念 §1.2计算机仿真的历史及现状 §1.3计算机仿真的发展与展望
4
§1.1 计算机仿真的基本概念
10
§1.1 计算机仿真的基本概念（续6）
计算机仿真的一般过程可描述如下： ⑴根据仿真目的确定方案 ⑵建立系统的数学模型 ⑶建立仿真模型 ⑷编写仿真程序 ⑸进行仿真实验 ⑹仿真结果分析
计算机仿真技术PPT
对于模型的实验应该说是在进行系统研究中的主要手段，选择在模型上 进行实验的原因主要有以下原因： （1）系统尚未设计出来 （2）某些实验会对系统造成伤害 （3）难以保证实验条件的一致性 （4）费用高 （5）无法复原
1.1.3 模型的建立
1.模型
不管采用何种相似形式，仿真的进行都是在模型的基础上进行的，系统的仿真离不开相关的模型，而模型 的好坏与否对系统的仿真是否真正能够和系统“相似”具有决定性的作用。对于不同的专业和研究特点， 其模型应用的侧重点是不一样的，并且在系统仿真研究的不同阶段，其模型的应用也是不一样的。例如在 系统的理论学习阶段模型侧重于数学模型，而在系统的应用实验阶段，物理模型是不可或缺的。另外，随 着现代科学技术的发展，一些模型并不能用传统的数学模型来表示，而是需要采用描述性的语言来建立所 谓的系统数学模型，例如模糊控制的模型。在科学研究的过程中，也需要先有理论模型分析、半实物模型 实验分析和实物运行验证等阶段。一个好的模型是工程设计或科学研究的基础，建立一个好的数学模型， 需要对所要研究系统的内涵及外延有一个比较清晰的认识，从而使模型能够代表所研究的系统。模型可以 是物理模型、数学模型、混合模型甚至是语言描述模型，在本书中主要讲述或应用数学模型。
1.理论解析法
所谓理论解析法，就是运用已掌握的理论知识对控制系统进行理论上的 分析、计算。它是在进行理论学习的一个必然应用的方法，其通过 理论的学习掌握有关的系统的客观规律，通过理论分析推导来对系 统进行研究。
q1
hq2图1-2 单容箱液位控制系统如图1-2所示的单容水箱液位控制系统，通过体积和液位的平衡关系,可 以得到其数学模型。 (1.1)
2.数学模型的建立
建立系统模型就是（以一定的理论依据）把系统的行为概括为数学的函数关系。下面以一种直线倒立摆 建模的过程来说明建模的基本步骤： 1）确定模型的结构，建立系统的约束条件，确定系统的实体、属性与活动。 在忽略了空气阻力和各种摩擦之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和均匀质杆组成的系统，如下 图所示：
计算机仿真技术课件 第四章 面向结构图的数学仿真方法
（1）对每个环节要增设一个参数Z(I)，它表示第I个环节的入口有 哪种类型非线性环节。
（2）对每个环节要增设一个参数C(I)，它表示第I个环节入口的那 个非线性环节的参数，当第I个环节入口没有非线性环节，C(I)=0。
（3）一个完整的面向结构图的离散相似法仿真程序框图如图4-17 所示：
输入环节数 n,步长，输入函数 y0,等 输入各环节系数，以及 初值xi (0), yi (0)
G(s)
a0 s 2
b a1s a2
，
u
1 s
－
d
sc
y
图 4-5 二阶环节等效结构图
4.2 面向结构图离散相似法仿真
y0
u1
＋
-
y1 u2
1 ＋-
y4
y2 u3
2
u4 4
y3
3
图 4-6 系统结构图
如果由一个系统如图4-6所示，如果已知各环节的传递函数， 侧很容易将其离散化，而各环节的输入－输出关系为
其中
a0 c / b a1 a / b
（4-7）
u
a0
x
1 s
x
y
-
a1
图 4-3 惯性环节结构图
惯性环节的状态方程和输出方程为
x a1x a0u yx
离散状态方程为
x(n 1) (T )x(n) m (T )u(n) ˆmT 2u(n)
y(n 1) x(n 1)
x(0) y(0)
步 骤
运行程序根据提示输入数据
结果分析
确定系统各个环节号
根据图4-19所示，写出连接矩阵
u1 1
u2
0
uu43
0 0
0 1 0 0
（2）对每个环节要增设一个参数C(I)，它表示第I个环节入口的那 个非线性环节的参数，当第I个环节入口没有非线性环节，C(I)=0。
（3）一个完整的面向结构图的离散相似法仿真程序框图如图4-17 所示：
输入环节数 n,步长，输入函数 y0,等 输入各环节系数，以及 初值xi (0), yi (0)
G(s)
a0 s 2
b a1s a2
，
u
1 s
－
d
sc
y
图 4-5 二阶环节等效结构图
4.2 面向结构图离散相似法仿真
y0
u1
＋
-
y1 u2
1 ＋-
y4
y2 u3
2
u4 4
y3
3
图 4-6 系统结构图
如果由一个系统如图4-6所示，如果已知各环节的传递函数， 侧很容易将其离散化，而各环节的输入－输出关系为
其中
a0 c / b a1 a / b
（4-7）
u
a0
x
1 s
x
y
-
a1
图 4-3 惯性环节结构图
惯性环节的状态方程和输出方程为
x a1x a0u yx
离散状态方程为
x(n 1) (T )x(n) m (T )u(n) ˆmT 2u(n)
y(n 1) x(n 1)
x(0) y(0)
步 骤
运行程序根据提示输入数据
结果分析
确定系统各个环节号
根据图4-19所示，写出连接矩阵
u1 1
u2
0
uu43
0 0
0 1 0 0
《计算机仿真技术》PPT课件
为正定矩阵，则系统是稳定的。 (2) 计算反馈增益矩阵K
KR1BTP
(3) 在线的线性二次型最优控制
u(t)KX(t)
精选课件ppt
28
线性二次型调节器设计的MATLAB函数
函数LQR（Linear-quadratic regulator）用于计算连续状 态空间方程
X AX Bu
y CX Du
矩阵P必须满足黎卡提(Riccati) 代数方程：
P A A T P P B 1 B R P Q 0
●线性二次最优调节器的另一种二次型目标函数具有交叉项
J (XTQ X uTR u2XN )du t 0
精选课件ppt
27
线性二次型调节器的设计
线性二次调节器的设计步骤如下：
(1) 解式(4.5-4) Riccati 方程，求得矩阵P。若所求出P
e Ke
为简化起见，令 Kt Ke K
由牛顿定律，转子力矩平衡关系为
J bKi精选课件ppt Nhomakorabea36
由克希霍夫定律
LdiRiuK dt
u 设系统状态 X,i' 并建立以输入电压
为输入，转速 为输出的系统状态空间表达式为
X AX Bu
Y CX
X
i
Y
A
b
J K
L
K
J R
L
，
B
设计任务是要计算反馈 K，使 ABK 的特征值
和期望的极点 P相同.
精选课件ppt
15
极点配置的MATLAB函数
函数ACKER是基于Ackermann算法求 解反馈增益K。
Kak ceA ,rB ,(P )
其中，A,B为系统矩阵；P为期望极点向 量；K为反馈增益向量。
KR1BTP
(3) 在线的线性二次型最优控制
u(t)KX(t)
精选课件ppt
28
线性二次型调节器设计的MATLAB函数
函数LQR（Linear-quadratic regulator）用于计算连续状 态空间方程
X AX Bu
y CX Du
矩阵P必须满足黎卡提(Riccati) 代数方程：
P A A T P P B 1 B R P Q 0
●线性二次最优调节器的另一种二次型目标函数具有交叉项
J (XTQ X uTR u2XN )du t 0
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27
线性二次型调节器的设计
线性二次调节器的设计步骤如下：
(1) 解式(4.5-4) Riccati 方程，求得矩阵P。若所求出P
e Ke
为简化起见，令 Kt Ke K
由牛顿定律，转子力矩平衡关系为
J bKi精选课件ppt Nhomakorabea36
由克希霍夫定律
LdiRiuK dt
u 设系统状态 X,i' 并建立以输入电压
为输入，转速 为输出的系统状态空间表达式为
X AX Bu
Y CX
X
i
Y
A
b
J K
L
K
J R
L
，
B
设计任务是要计算反馈 K，使 ABK 的特征值
和期望的极点 P相同.
精选课件ppt
15
极点配置的MATLAB函数
函数ACKER是基于Ackermann算法求 解反馈增益K。
Kak ceA ,rB ,(P )
其中，A,B为系统矩阵；P为期望极点向 量；K为反馈增益向量。
计算机仿真技术-虚拟现实技术ppt课件
CFD模拟的结果，可以逼真地展现出火灾或爆炸发生的动态 过程除了模拟烟火弥漫情况外，还可经过人机交互作用显示 出人为要素，如反风、灭火措施等对整个通风网络的影响。
在矿井的某些位置，可以对火灾或爆炸进展模拟，并随之 产生有关环境参数的各种变化。
术
6 在矿山平安培训方面
变化的本质进 行简化，突出某些方面要素的作用。并经过计算
机技术将这些 景象表现出来到达视觉效果。
2 实际+实践笼统 采用目前曾经构成的一些计算软件，经过对实 体间的力学联
离散元模拟程序UDEC煤层 开采过程中程度为一变化情 况
有限元模拟软件FLAC模拟 切眼支护
JOB TITLE : .
FLAC (Version 4.00)
二 虚拟现实技术
(5)平安监察与危险识别 经过基于VR的平安监察与危险识别训练系统，训练者在
VR生成的虚拟作业现场导航，对各种动态目的和静态对象 进展察看，以识别潜在的危险、风险和行为;一经发现危险 源，运用者必需回答一系列相关问题，选择出正确的危险处 置方法，实现训练目的。
诺丁汉大学开发的SAEF-VR系统是虚拟现真实平安监察与 危险识别中的典型运用之一。
矿工的上衣颜色作 为风险标度
显示了虚拟环境 的风险形状
显示了虚拟环境 的风险形状
二 虚拟现实技术
(4)事故调查与分析 在计算机里再现事故发生的过程，事故调查者可以从各种 角度去观测、析事故发生的经过，找出事故发生的缘由， 包括系统设计缘由和现场人员的动作行为；同时可以经过 交互式地改动VR环境中模型的参数或形状，找到如何防止 类似事故发生的途径，制定相关预防措施。
以把显示屏当作一个窗户来察看一虚拟世界，其挑战 性就在于
窗口中的图像必需看起来真实，而且其中物体的行为 也很真。 1989年美国VPL Research公司的Jaron Lanier提
在矿井的某些位置，可以对火灾或爆炸进展模拟，并随之 产生有关环境参数的各种变化。
术
6 在矿山平安培训方面
变化的本质进 行简化，突出某些方面要素的作用。并经过计算
机技术将这些 景象表现出来到达视觉效果。
2 实际+实践笼统 采用目前曾经构成的一些计算软件，经过对实 体间的力学联
离散元模拟程序UDEC煤层 开采过程中程度为一变化情 况
有限元模拟软件FLAC模拟 切眼支护
JOB TITLE : .
FLAC (Version 4.00)
二 虚拟现实技术
(5)平安监察与危险识别 经过基于VR的平安监察与危险识别训练系统，训练者在
VR生成的虚拟作业现场导航，对各种动态目的和静态对象 进展察看，以识别潜在的危险、风险和行为;一经发现危险 源，运用者必需回答一系列相关问题，选择出正确的危险处 置方法，实现训练目的。
诺丁汉大学开发的SAEF-VR系统是虚拟现真实平安监察与 危险识别中的典型运用之一。
矿工的上衣颜色作 为风险标度
显示了虚拟环境 的风险形状
显示了虚拟环境 的风险形状
二 虚拟现实技术
(4)事故调查与分析 在计算机里再现事故发生的过程，事故调查者可以从各种 角度去观测、析事故发生的经过，找出事故发生的缘由， 包括系统设计缘由和现场人员的动作行为；同时可以经过 交互式地改动VR环境中模型的参数或形状，找到如何防止 类似事故发生的途径，制定相关预防措施。
以把显示屏当作一个窗户来察看一虚拟世界，其挑战 性就在于
窗口中的图像必需看起来真实，而且其中物体的行为 也很真。 1989年美国VPL Research公司的Jaron Lanier提
1计算机仿真技术绪论PPT课件
5
1.1 系统仿真的基本概念
1.1.1系统与模型
系统：有相互联系、相互制约、相互依存的若干部分（要 素）结合在一起形成的具有特定功能和运动规律的有机整 体。
系统一般均具有四个性质：
系统的整体性 系统的相关性 系统的目的性 系统的环境适应性
6
1.1.2系统分类
系统的分类方法很多，主要有以下几种分类方法：
静态模型：系统处于平衡状态下的属性
一般表示形式是代数方程、逻辑表达
关系式
动态模型：
系统属性随
时间而发生
变化
连续 系统 模型
随机 模型
确定 模型
线性数学模型和非线性数学模型 微观数学模型和宏观数学模型 集中参数模型和分布参数模型 定常数数学模型和时变数学模型
存储系统模型和非存储系统模型
离散系统 时间离散系统
（1）计算机仿真基本概念、基本分类 （2）系统模型 （3）实现模型的语言（主要讲基本的Matlab 语言以及Simulink） （4）Simulink与数字信号处理、通信原理的 基本结合
2
3、参考书目
① 劳尔(Law.A.M.) .Simulation Modeling and Analysis, 3rd Ed，清华大学出版社.2000.12
版). 科学出版社, 2003年3月 ⑧ 韩利竹 .MATLAB电子仿真与应用.国防工业出版社 .2003
3
4、图书馆可借参考书目 ① Matlab相关 ② Simulink仿真相关
5、联系方式 Tel: Email: xinjie1023@
4
Chapt 1 Introduction
线性系统与非线性系统 定常系统与时变系统
集中参数系统与分布参数系统
1.1 系统仿真的基本概念
1.1.1系统与模型
系统：有相互联系、相互制约、相互依存的若干部分（要 素）结合在一起形成的具有特定功能和运动规律的有机整 体。
系统一般均具有四个性质：
系统的整体性 系统的相关性 系统的目的性 系统的环境适应性
6
1.1.2系统分类
系统的分类方法很多，主要有以下几种分类方法：
静态模型：系统处于平衡状态下的属性
一般表示形式是代数方程、逻辑表达
关系式
动态模型：
系统属性随
时间而发生
变化
连续 系统 模型
随机 模型
确定 模型
线性数学模型和非线性数学模型 微观数学模型和宏观数学模型 集中参数模型和分布参数模型 定常数数学模型和时变数学模型
存储系统模型和非存储系统模型
离散系统 时间离散系统
（1）计算机仿真基本概念、基本分类 （2）系统模型 （3）实现模型的语言（主要讲基本的Matlab 语言以及Simulink） （4）Simulink与数字信号处理、通信原理的 基本结合
2
3、参考书目
① 劳尔(Law.A.M.) .Simulation Modeling and Analysis, 3rd Ed，清华大学出版社.2000.12
版). 科学出版社, 2003年3月 ⑧ 韩利竹 .MATLAB电子仿真与应用.国防工业出版社 .2003
3
4、图书馆可借参考书目 ① Matlab相关 ② Simulink仿真相关
5、联系方式 Tel: Email: xinjie1023@
4
Chapt 1 Introduction
线性系统与非线性系统 定常系统与时变系统
集中参数系统与分布参数系统
计算机仿真.ppt
长江三峡工程
三峡水库总库容393 亿立方米，总装机容量 1820万千瓦，将是世界上最大的水电站。
但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我 们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿 真就可以很好的解决这一问题。
计算机仿真的基本概念
飞机设计
飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。 实际的风洞试验费用巨大。 使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大大降低。
计算机仿真的基本概念
仿真举例
计算机仿真反映出新的科学技术的时代特
征,它的应用为各个领域带来新气象和成果。
应用的领域有：
航空管理,
公交车的调度,
飞机设计,
动画设计,
三峡的安全、生态, 道路的修建,
医疗保险,
国债的发行,
家居装修,
炼钢的温度估计,
发电厂的操作训练, 飞行员训练，
鼠疫的检测和预报。
计算机仿真的基本概念
Cos (0x) / (0x)2 (at y)2 Sin (at y) / (0x)2 (at y)2
取时间间隔(步长)为t ,则在时刻 t+t ,D的位置是(x x, y y) ,
x btCos
y btSin
(*)
计算机仿真举例
算法:
赋初值:初始时刻 t0,时间步长 t ,速度a,b,初始位置c
找出系统的实体、属性和活动等。
建立模型；
模
选择合适的仿真方法（如时间步长法、事件表法
型 等）；确定系统的初始状态；设计整个系统的仿真流 构 程图。 造 收集数据；
编写程序、程序验证；
模型确认。
仿真研究的步骤
行模 与型 改的 进运
运行：确定具体的运行方案,如初始条件、参数、 步长、重复次数等,然后输入数据,运行程序。
三峡水库总库容393 亿立方米，总装机容量 1820万千瓦，将是世界上最大的水电站。
但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我 们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿 真就可以很好的解决这一问题。
计算机仿真的基本概念
飞机设计
飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。 实际的风洞试验费用巨大。 使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大大降低。
计算机仿真的基本概念
仿真举例
计算机仿真反映出新的科学技术的时代特
征,它的应用为各个领域带来新气象和成果。
应用的领域有：
航空管理,
公交车的调度,
飞机设计,
动画设计,
三峡的安全、生态, 道路的修建,
医疗保险,
国债的发行,
家居装修,
炼钢的温度估计,
发电厂的操作训练, 飞行员训练，
鼠疫的检测和预报。
计算机仿真的基本概念
Cos (0x) / (0x)2 (at y)2 Sin (at y) / (0x)2 (at y)2
取时间间隔(步长)为t ,则在时刻 t+t ,D的位置是(x x, y y) ,
x btCos
y btSin
(*)
计算机仿真举例
算法:
赋初值:初始时刻 t0,时间步长 t ,速度a,b,初始位置c
找出系统的实体、属性和活动等。
建立模型；
模
选择合适的仿真方法（如时间步长法、事件表法
型 等）；确定系统的初始状态；设计整个系统的仿真流 构 程图。 造 收集数据；
编写程序、程序验证；
模型确认。
仿真研究的步骤
行模 与型 改的 进运
运行：确定具体的运行方案,如初始条件、参数、 步长、重复次数等,然后输入数据,运行程序。
计算机仿真技术ppt课件
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。
18
ORCAD/PSpice中器件模型举例
二极管模型
19
20
IGBT模型
21
IGBT模型
22
ORCAD/PSpice、SABER等软件提供 了详细的器件模型，可用于器件 级仿真。
如变流器的小信号模型
电纳模型
如SVC中的TCR(晶闸管控制电抗器)可用等效 电纳表示，来研究SVC对电力系统的补偿作用。
等效受控电源模型
如逆变器可以用可控电压源表示
35
小结
建模是仿真的关键 根据研究目的选择建模层次 建模中对其他层次问题的合理简化 器件级仿真可用PSpice、Saber等软件 装置级仿真中多用器件的简化模型或
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)
外部控制信号 内部状态
其它非线性
元件非线性
负荷非线性
控制系统非线性
5
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
1/(Rc
Rl
)C
iL uC
1
/ L
0
ug
Ug
Rc Rl
C
Rc Rl
C
33
Boost电路状态平均方程
iL uC
(R
《计算机仿真技术基础》计算机仿真技术101页PPT
⑷重现系统故障，以便判断故障产生的原因(GM)。 ⑸可以避免试验的危险性。 ⑹进行系统抗干扰性能的分析研究(MM)。 ⑺训练系统操作人员(GM)。 ⑻系统仿真能为管理决策和技术决策提供依据。
正因为仿真技术对国防建设、工农业生产及科学研究 均具有极大的应用价值，所以，仿真技术被美国国家 关键技术委员会于1991年确定为影响美国国家安全及 繁荣的22项关键技术之一。
问题： 如何分析研究并保证设计出或设计中的
悬架系统具有这种卓越性能？
研究方法： 1 理论方法 2 实验方法 3 仿真方法
仿真技术与物理实验、理论研究的对比
仿真技术
物理实验
理论研究
可能性 安全性
只要能建立系统 系统尚未建立，则不可 模型，就能进行 能；有的自然系统实验
周期太长，也不可能
无危险
有危险（人身、设备）
1.1 仿真（simulation)的基本概念 及其分类
1.1.1 系统仿真的定义、分类及其作用 1）系统仿真的定义 系统仿真是通过对系统模型的某种操作，
研究一个存在的或设计中的系统。简言 之，系统仿真是对系统模型的试验，即 在仿真中，系统的模型在一定的试验条 件下被行为产生器驱动，产生模型行为。
本章目录
1.1.2 计算机仿真(Computer Simulation)的定义及其分类
1)计算机仿真的定义 计算机仿真是指应用几何和性能相似原理，构
成数字模型，在计算机上对系统数字模型进行 某种操作。计算机仿真又称为数字仿真。
⒉计算机仿真的分类
①根据计算机分类 模拟计算机仿真、数字计算机仿真、模
2）系统仿真的分类--系统模型分类方式 ①物理仿真 系统模型为物理模型：实物模型(PM)。 ②数字仿真
系统模型为数字模型：数学模型和几何模 型（MM&GM）。
正因为仿真技术对国防建设、工农业生产及科学研究 均具有极大的应用价值，所以，仿真技术被美国国家 关键技术委员会于1991年确定为影响美国国家安全及 繁荣的22项关键技术之一。
问题： 如何分析研究并保证设计出或设计中的
悬架系统具有这种卓越性能？
研究方法： 1 理论方法 2 实验方法 3 仿真方法
仿真技术与物理实验、理论研究的对比
仿真技术
物理实验
理论研究
可能性 安全性
只要能建立系统 系统尚未建立，则不可 模型，就能进行 能；有的自然系统实验
周期太长，也不可能
无危险
有危险（人身、设备）
1.1 仿真（simulation)的基本概念 及其分类
1.1.1 系统仿真的定义、分类及其作用 1）系统仿真的定义 系统仿真是通过对系统模型的某种操作，
研究一个存在的或设计中的系统。简言 之，系统仿真是对系统模型的试验，即 在仿真中，系统的模型在一定的试验条 件下被行为产生器驱动，产生模型行为。
本章目录
1.1.2 计算机仿真(Computer Simulation)的定义及其分类
1)计算机仿真的定义 计算机仿真是指应用几何和性能相似原理，构
成数字模型，在计算机上对系统数字模型进行 某种操作。计算机仿真又称为数字仿真。
⒉计算机仿真的分类
①根据计算机分类 模拟计算机仿真、数字计算机仿真、模
2）系统仿真的分类--系统模型分类方式 ①物理仿真 系统模型为物理模型：实物模型(PM)。 ②数字仿真
系统模型为数字模型：数学模型和几何模 型（MM&GM）。
计算机仿真技术课件
梯形法
将函数图像与坐标轴所围成的面 积划分为若干个小梯形，计算每 个小梯形的面积并求和，得到函 数在指定区间内的定积分近似值。
辛普森法
基于牛顿-柯特斯公式的一种数 值积分方法，通过选取合适的节 点和权系数，构造出具有高阶代 数精度的求积公式，从而提高数
值积分的精度。
蒙特卡罗方法
随机抽样
通过生成随机数或伪随机数的方式，从待求解问题的概率分布中进行抽样，得到一组样本数据。
生物医学领域的应用
人体生理系统仿真
利用计算机仿真技术，可以对人体生 理系统进行模拟和预测，为医学研究
和治疗提供支持。
药物研发
通过仿真技术，可以对药物在人体内 的代谢过程进行模拟和预测，加速药
物研发过程。
生物组织工程仿真
利用仿真技术，可以对生物组织工程 的设计方案进行虚拟验证，评估工程
对生物体的影响和治疗效果。
05
计算机仿真技术的挑战与发展趋 势
面临的主要挑战
复杂系统建模
对于复杂系统的仿真，如气候、生态、经 济等，建模过程极具挑战性，需要处理大
量的数据和变量。
高性能计算需求
高精度的仿真需要强大的计算能力，对计 算机硬件和算法提出了更高的要求。
多领域交叉融合
计算机仿真技术涉及多个学科领域，如计 算机科学、数学、物理等，实现多学科知
设计实验方案
选择合适的仿真模型、算法和参数，构建实验 环境，设定实验步骤和流程。
遵循可重复性原则
确保实验设计具有可重复性，以便他人能够验证和重现实验结果。
实验数据分析与处理
数据收集与整理
按照实验设计，收集仿真过程中产生的数据，并进行整理和 分类。
数据分析方法
运用统计学、机器学习等方法对实验数据进行处理和分析， 挖掘数据中的规律和趋势。
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电源
正确反映 器件的 电气性能
便于 计算机 仿真程序
设计
16
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
100s
电磁现象
机电现象
装置内部各部分时间常数相差若干数量级 7
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
8
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
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)
外部控制信号 内部状态
其它非线性
元件非线性
负荷非线性
控制系统非线性
5
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
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
11
2.2 器件、装置与系统建模
系统
装置 器件
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。
C
R
L
Ug
Rc Rl
C
26
iL uC
R/ 0
L
1
0 /(Rc
Rl
)C
iL uC
1
/ L
0
ug
R
L
Ug
Rc Rl
C
R
L
iL uC
(R Rc // Rl ) / Rl /(Rc Rl )C
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。
17
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。
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。
23
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
器件瞬时 完成开关
动作
开关决定 电路
不同拓扑
不同阻值 电阻
代替开关
24
理想开关1
非线性时变电路 － 分段线性时不变电
L
Rl /(Rc Rl )L
1/(Rc
Rl
)C
iL uC
1/ L
0
ug
Ug
Rc Rl
C
iL uC
0 0
1/(
0 Rc
12
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。
6
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
过程 1MHz
1kHz
1Hz
1mHz
时间
1ms
1ms
1s
1min
1h
行波过程 器件开关过程
计算 步长
1ms
暂态过程 开关过电压
谐波
短路过程 次同步振荡
1ms
暂态稳定
1s
大功率电机 调节过程
1. 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。
2. 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。
3. 开关动作的时刻由外部与内部两种因素 决定，后者是难点。
25
例：Boost电路
R
L
Rc
AC
Rl
C
R
L
Ug
Rc Rl
数学模型
学方程进行编程，如Saber、
Matlab等。
18
ORCAD/PSpice中器件模型举例
二极管模型
19
20
IGBT模型
21
IGBT模型
22
ORCAD/PSpice、SABER等软件提供 了详细的器件模型，可用于器件 级仿真。
13
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
14
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
15
3. 器件仿真建模
电阻 电感 电容
建模
电力电子 开关器件
第二章 电力电子仿真建模基础
1
一、模型是仿真的基础，模型 与实际系统的相似度，决定了 计算机仿真的准确度。
二、应用仿真软件也要深入了 解建模理论。
2
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：
周期性变化的影响：
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
9
2. 仿真建模方法
解决途径
数值 计算 方法
建模 方法
电气工程 背景知识
器件 模型 简化
电路 简化
10
2.1 多层次建模方法
抓主要
矛盾
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
逐个 击破
－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
3
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
4
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