计算机仿真技术Chapter2 ppt课件
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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：
计算仿真课件第二章3
计算机仿真技术
济南大学控制科学与工程学院 授课教师：李实
cse_lis@ 1教1007室
第二章 系统数学模型与模型处理
2.1 建模方法 2.2 连续系统的数学模型及其相互转换 2.3 不同系统的数学建模方法 2.4 非线性模型的线性化处理 2.5 连续系统模型的离散化处理 2.6 MATLAB环境下的系统建模
流定律和电压定律可得
No Image
计算机仿真技术
No Image
No Image
理想运算放大器有源网络建模
消去中间变量i0(tτ), i1(t), 可得
No Image
假设时间常数τ=R0C, T=R1C
No Image
计算机仿真技术
2.3.2 力学系统建模
力学系统又称机械系统，指含有机械装置的系统. 他们遵循 物理学的力学定律. 机械运动包括机械平移运动（直线运动，相应的位移称为线 位移）和机械旋转运动（转动，相应位移称为角位移）两种. 做直线运动的物体要遵循牛顿第二定律：
No
Image
Ra
ia(t) ua(t)
La ea(t) M
减速器
负载
根据电路及力学原理逐项列出系统的微分方程
计算机仿真技术
Ra ua(t)
ia(t)
La ea(t) M
减速器
负载
电枢回路的微分方程
No Image
ea(t)是反电动势，满足
No Image
Kb是电动势常数 (V*s). 电动机的驱动力矩与电枢电流成正比
取向下为力和位移的方向.
F(t)
k
m
设F(t)=0时，物体的平衡位置为位移 y(t)的零点，为y0.
物体受到四个力的作用，外力F(t)，弹 力Fk，粘性摩擦力Ff和重力mg.
济南大学控制科学与工程学院 授课教师：李实
cse_lis@ 1教1007室
第二章 系统数学模型与模型处理
2.1 建模方法 2.2 连续系统的数学模型及其相互转换 2.3 不同系统的数学建模方法 2.4 非线性模型的线性化处理 2.5 连续系统模型的离散化处理 2.6 MATLAB环境下的系统建模
流定律和电压定律可得
No Image
计算机仿真技术
No Image
No Image
理想运算放大器有源网络建模
消去中间变量i0(tτ), i1(t), 可得
No Image
假设时间常数τ=R0C, T=R1C
No Image
计算机仿真技术
2.3.2 力学系统建模
力学系统又称机械系统，指含有机械装置的系统. 他们遵循 物理学的力学定律. 机械运动包括机械平移运动（直线运动，相应的位移称为线 位移）和机械旋转运动（转动，相应位移称为角位移）两种. 做直线运动的物体要遵循牛顿第二定律：
No
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Ra
ia(t) ua(t)
La ea(t) M
减速器
负载
根据电路及力学原理逐项列出系统的微分方程
计算机仿真技术
Ra ua(t)
ia(t)
La ea(t) M
减速器
负载
电枢回路的微分方程
No Image
ea(t)是反电动势，满足
No Image
Kb是电动势常数 (V*s). 电动机的驱动力矩与电枢电流成正比
取向下为力和位移的方向.
F(t)
k
m
设F(t)=0时，物体的平衡位置为位移 y(t)的零点，为y0.
物体受到四个力的作用，外力F(t)，弹 力Fk，粘性摩擦力Ff和重力mg.
计算机仿真技术基础-2.2 matlab 运算基础2.ppt
A=[2 2 -1 1;4 3 -1 2;8 3 -3 4;3 3 -2 -2];
b=[4 6 12 6]'; X=A\b
%等价语句为 X=inv(A)*b
MALAB 7.X程序设计
9
2.2 MATLAB 运算基础
2.2.5.2 矩阵和数组的乘方运算
矩阵乘方运算的运算符为∧，运算表达式为 A∧B，矩阵乘方运算的含义是：A^B表示方阵 A自乘B次。
C＝AB=(cij)m×n是 m×n矩阵，其中cij( i=
1,2, …, m ;j =1,2, …,n) 等于A的第i行与B的 第j列对应元素的乘积之和。
数组的乘法运算符为.*，两个矩阵必须同型时才可 以进行数组乘法运算。
运算规则为：矩阵A和B中的对应元素相乘。
如果参加运算的矩阵其中有一个是标量时，矩阵和
数组的乘法运算均为标量与矩阵的每个元素进行 乘法运算。
MALAB 7.X程序设计
4
2.2 MATLAB 运算基础
例2-33 求乘积 AB 和 BA。
A=[1 0 3;2 1 0]; B=[4 1;-1 1;2 0]; A*B, B*A
MALAB 7.X程序设计
5
2.2 MATLAB 运算基础
例2-34 求 (AB)T和BT×AT（T为转置运 算）。
A=[1 -1 2;2 0 1]; B=[2 -1 0;1 1 3;4 2 1]; (A*B)' B'*A'
MALAB 7.X程序设计
6
2.2 MATLAB 运算基础
3)矩阵和数组的除法运算
矩阵除法运算的运算符为\和/，分别表示左除和 右除。
矩阵除法的定义为： A\B=A-1×B A/B=A×B-1
计算机仿真技术基础2
电力电子与电力传动实验室
Lab of PEED
Bring Ideas Together
•
• •
3 建模方法 • 演绎法 通过定理、定义、公理以及已经验证了的理论推 演得出数学模型。这是最早的一种建模方法，这种方法 适用于内部结构和特性很明确的系统，可以利用已知的 定律，如：力、能量等平衡关系来确定系统内部的运动 关系，大多数工程系统属于这一类。电路系统、动力学 系统等都可以采用这种演绎法来建立数学模型。 • 归纳法 通过对大量的试验数据分析、总结，归纳出系统 的数学模型。对那些内部结构不十分清楚的系统，可以 根据对系统的输入、输出的测试数据来建立系统的数学 模型。 • 混合法 这是将演绎法和归纳法互相结合的一种建模方法。 通常通过先验的知识确定系统模型的结构形式，再用归 纳法来确定具体的参数。 电力电子与电力传动实验室
di (t ) u (t ) = L + Ri (t ) + u c (t ) dt uc(t) du c (t ) i (t ) = C dt
（1）
电力电子与电力传动实验室
Lab of PEED
Bring Ideas Together
将所有原始微分方程合并为一个总的高阶微分方程。在该 微分方程中只包含输入量、输出量及它们的导数项，式（1） 消去中间变量i(t)后，可以得到如下的高阶微分方程形式的 数学模型
G ( s ) = G0 ( s )e −Ts
其中，G0(s)表示通常的有理传递函数，T表示纯时延的大小 。（根据拉式变换的延时of PEED
Bring Ideas Together
例2.3 系统的微分方程为
& y (t ) + ay (t ) = u (t − T )
Lab of PEED
Bring Ideas Together
•
• •
3 建模方法 • 演绎法 通过定理、定义、公理以及已经验证了的理论推 演得出数学模型。这是最早的一种建模方法，这种方法 适用于内部结构和特性很明确的系统，可以利用已知的 定律，如：力、能量等平衡关系来确定系统内部的运动 关系，大多数工程系统属于这一类。电路系统、动力学 系统等都可以采用这种演绎法来建立数学模型。 • 归纳法 通过对大量的试验数据分析、总结，归纳出系统 的数学模型。对那些内部结构不十分清楚的系统，可以 根据对系统的输入、输出的测试数据来建立系统的数学 模型。 • 混合法 这是将演绎法和归纳法互相结合的一种建模方法。 通常通过先验的知识确定系统模型的结构形式，再用归 纳法来确定具体的参数。 电力电子与电力传动实验室
di (t ) u (t ) = L + Ri (t ) + u c (t ) dt uc(t) du c (t ) i (t ) = C dt
（1）
电力电子与电力传动实验室
Lab of PEED
Bring Ideas Together
将所有原始微分方程合并为一个总的高阶微分方程。在该 微分方程中只包含输入量、输出量及它们的导数项，式（1） 消去中间变量i(t)后，可以得到如下的高阶微分方程形式的 数学模型
G ( s ) = G0 ( s )e −Ts
其中，G0(s)表示通常的有理传递函数，T表示纯时延的大小 。（根据拉式变换的延时of PEED
Bring Ideas Together
例2.3 系统的微分方程为
& y (t ) + ay (t ) = u (t − T )
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
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。
计算机仿真技术课件2
（2）、试画出系统的方框图，并简要分析系统的工作原理。
解：
⑴、 a与d，b与c分别相连， 即可使系统成为负反馈系统；
⑵、 系统方框图为：
给定u r △u 放大器 uf
触发器
整流器
测速发电机
n
电动机
负载
例题2：下图是一电炉温度控制系统原理示意图。试分析 系统保持电炉温度恒定的工作过程，并指出系统的被控对 象、被控量以及各部件的作用，最后画出系统方块图。
换后，表达式对应各项的系数保持相等。
数据相似原理
几何相似 就是把真实系统按比例放大或缩小，其模型的
状态向量与原物理系统的状态完全相同。土木建筑、水利工程、 船舶、飞机制造多采用几何相似原理进行各种仿真实验。
环境相似 就是人工在实验室里产生
与所研究对象在自然界中所处环境类似 的条件，比如飞机设计中的风洞，鱼雷 设计中的水洞、水池等等。
第2讲 系统建模的基本方法与模型处理技术
相似原理 、建模方法学
建立数学模型的方法：连续系统的数 学模型，离散系统的数学模型
实用建模举例:控制系统建模、几何 建模、磁场建模、流体力学建模、离 散系统建模等
连续系统模型的离散化处理
Simulation Study
仿真是指利用模型对实际系统进行实验研究
ic
q C q
uc
(2) 当电压，电流取关联正向时，电容元件的伏安关
系式为
ic
C
duc dt
，或
uc
1 c
t
ic
()d
(3) 电容元件的电流比例于电压的变化率，这是电容
元件与电阻元件的一个重要不同之处。称电容元
件为动态元件。
(4) 在直流电路中，通过电容的电流恒为零，称之为电容元件的“隔直作
数学建模之计算机仿真PPT课件
态在一些离散时刻点上的数值．在一定假设条
件下，利用数学运算模拟系统的运行过程．连
续系统模型一般是微分方程，它在数值模拟中
dy
f (t , y )
最基本的算法是数值积分算法．例如有一系统
dt
y(t ) y
可用微分方程来描述:
0
始条件
0
已知输出量y的初
，现在要求出输出量y随时间变化
的过程y(t)。
n3=poissrnd(4),n=n1+n2+n3
(2) 由排队论知识,敌机到达规律服从泊松分布等价
•注：如果单位时间发生的次数（如到达的人数）服从参数为r的
泊松分布,则任连续发生的两次时间的间隔时间序列服从参数为r
于敌机到达港口的间隔时间服从参数为1/4的指数分布,
的指数分布!
故可由指数分布模拟每架飞机的到达时刻.
况.
•
表1
•
Xk
•
pk
10分钟内顾客到达柜台的情况
0
1
2
0.4 0.3 0.3
• 分析:因为每分钟到达柜台的人数是随机的,所以可用计算
机随机生成一组(0,1)的数据,由X的概率分布情况,可认为
随机数在(0,0.4)范围内时没有顾客光顾,在[0.4,0.7)时,有
第29页/共87页
2 离散型随机变量的模拟
第31页/共87页
1 理论介绍
• 最直观的想法是：首先将时间离散化，令
•
hk tk 1 tk
，称为第k步的计算步距
（一般是等间距的），然后按以下算法计算状态
tk 1
y(tk 1 ) yk 1 y上的近似值:
变量在各时刻
k f (tk , yk )(tk 1 tk )
件下，利用数学运算模拟系统的运行过程．连
续系统模型一般是微分方程，它在数值模拟中
dy
f (t , y )
最基本的算法是数值积分算法．例如有一系统
dt
y(t ) y
可用微分方程来描述:
0
始条件
0
已知输出量y的初
，现在要求出输出量y随时间变化
的过程y(t)。
n3=poissrnd(4),n=n1+n2+n3
(2) 由排队论知识,敌机到达规律服从泊松分布等价
•注：如果单位时间发生的次数（如到达的人数）服从参数为r的
泊松分布,则任连续发生的两次时间的间隔时间序列服从参数为r
于敌机到达港口的间隔时间服从参数为1/4的指数分布,
的指数分布!
故可由指数分布模拟每架飞机的到达时刻.
况.
•
表1
•
Xk
•
pk
10分钟内顾客到达柜台的情况
0
1
2
0.4 0.3 0.3
• 分析:因为每分钟到达柜台的人数是随机的,所以可用计算
机随机生成一组(0,1)的数据,由X的概率分布情况,可认为
随机数在(0,0.4)范围内时没有顾客光顾,在[0.4,0.7)时,有
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2 离散型随机变量的模拟
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1 理论介绍
• 最直观的想法是：首先将时间离散化，令
•
hk tk 1 tk
，称为第k步的计算步距
（一般是等间距的），然后按以下算法计算状态
tk 1
y(tk 1 ) yk 1 y上的近似值:
变量在各时刻
k f (tk , yk )(tk 1 tk )
计算机仿真技术(第2章 仿真技术)
• 它将经典的串行，交错实现的仿真工程变为有机、 并发、交叉、优化实现的并发仿真工程，使效率提 高，成本降低，质量改善。
• 并发性表现在：子过程内部并发性（子模型并发建 模），子过程并发性。
North China Electric Power University
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
• 国外文献报导较多而且应用取得成效比较明显的 应用领域主要有：工程和工业过程；电子电路分 析和故障诊断；医药和医疗诊断；社会经济领域。
North China Electric Power University
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
2.2 分布交互仿真
• 分布交互仿真（DIS, Distributed Interactive Simulation） “采用协调一致的结构、标准、协议和数据库， 通过局域网、广域网将分散在各地的仿真设备互 联交互作用，并可人参与交互作用的一种综合环 境。” • 作为仿真器联网的发展，分布交互仿真以网络为 基础。通过联网技术将分散在各地的人在回路仿 真器以及其他仿真设备连接为一个整体，形成一 个在时间和空间上一致的综合环境，实现平台与 环境之间、平台与平台之间、环境与环境之间的 交互作用和相互影响。
并发仿真工程工作原理
（1）协同作业；突出“人”的作用，强调人的协同 工作，各小组一同工作。 （2）一体化和并发地工作：一体化、并发地建模和 仿真实验，尤其是早期建模。 （3）重视用户需求。
North China Electric Power University
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
North China Electric Power University
• 并发性表现在：子过程内部并发性（子模型并发建 模），子过程并发性。
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COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
• 国外文献报导较多而且应用取得成效比较明显的 应用领域主要有：工程和工业过程；电子电路分 析和故障诊断；医药和医疗诊断；社会经济领域。
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COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
2.2 分布交互仿真
• 分布交互仿真（DIS, Distributed Interactive Simulation） “采用协调一致的结构、标准、协议和数据库， 通过局域网、广域网将分散在各地的仿真设备互 联交互作用，并可人参与交互作用的一种综合环 境。” • 作为仿真器联网的发展，分布交互仿真以网络为 基础。通过联网技术将分散在各地的人在回路仿 真器以及其他仿真设备连接为一个整体，形成一 个在时间和空间上一致的综合环境，实现平台与 环境之间、平台与平台之间、环境与环境之间的 交互作用和相互影响。
并发仿真工程工作原理
（1）协同作业；突出“人”的作用，强调人的协同 工作，各小组一同工作。 （2）一体化和并发地工作：一体化、并发地建模和 仿真实验，尤其是早期建模。 （3）重视用户需求。
North China Electric Power University
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
North China Electric Power University
《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。
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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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计算时间长 计算误差大
变步长 积分法
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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
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
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2. 仿真建模方法
解决途径
数值 计算 方法
建模 方法
例：Boost电路
R
L
Rc
AC
Rl
C
R
L
Ug
Rc Rl
C
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R
L
Ug
Rc Rl
C
R
L
u i L C R 0 /L 1 /R (c 0 R l)C u iL C 1 /0 L u g Ug
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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
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。
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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 忽略器件内部 过程对装置性 能的影响
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理想开关模型
器件瞬时 完成开关Βιβλιοθήκη 动作开关决定 电路
不同拓扑
不同阻值 电阻
代替开关
理想开关1
第二章 电力电子仿真建模基础
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。
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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：
数
值
积
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分
非线性 代数方程组
线性 代数方程组
结果
牛顿－
消
拉夫逊
去
法
法
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 时间
1ms
1kHz 1ms
1Hz
1mHz
1s
1min
1h
行波过程 器件开关过程
计算 步长
－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
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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
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便于 计算机 仿真程序 设计
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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。
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)
外部控制信号 内部状态
其它非线性
元件非线性
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负荷非线性
控制系统非线性
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
非线性时变电路 － 分段线性时不变电路
1. 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。
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－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
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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
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3. 器件仿真建模
电阻 电感 电容
建模
电力电子 开关器件
电源
正确反映 器件的 电气性能
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。
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ORCAD/PSpice中器件模型举例
二极管模型
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IGBT模型
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IGBT模型
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ORCAD/PSpice、SABER等软件提 供了详细的器件模型，可用于器 件级仿真。
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
100s
电磁现象
机电现象
14.11.2020 装置内部各部分时间常数相差若干数量级
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
电气工程 背景知识
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器件 模型 简化
电路 简化
2.1 多层次建模方法 1. 分析问题的性质与目的
抓主要 矛盾
2. 将建模的目的分散到各个层次上
逐个 击破
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
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低层次建模 高层次建模
2.2 器件、装置与系统建模
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。
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低层次建模
模型：建立器件的精确、详细的物理模型 简化：
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。
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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。