1、电力电子电路仿真 MATLAB和PSpice应用,第1章 绪 论,计算机仿真是建立需研究系统的模型，进而在计算机上对模型进行实验研究的过程 计算机仿真方法是以计算机仿真为手段，通过在计算机上运行模型来再现系统的运动过程，从而认识系统规律的一种研究方法 计算机仿真技术是以计算机科学、系统科学、控制理论和应用领域有关的专业技术为基础，以计算机为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行分析与研究的一门新兴技术。现代计算机仿真技术综合集成了计算机、网络、图形图像、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识，是系统分析与研究的重要手段。 计算机仿真技术具有良好的可控性、无破坏性、安全
2、、可靠、不受外界条件的限制、可多次重复、高效和经济性等特点 计算机仿真技术经历了模拟计算机仿真、混合计算机仿真、专用数字计算机仿真、通用数字计算机仿真等阶段，目前已进入基于网络的分布仿真阶段,第1章 绪 论,1.1 仿真的基本概念（3个基本概念）1.1.1 系统 定义为具有一定功能，按某种规律相互联系又相互作 用着的对象之间的有机组合 任何系统的研究都需要关注3个方面的内容，即实体、属性和活动：实体 组成系统的具体对象；属性 实体所具有的每一项有效特性（状态和参数）；活动 系统内对象随时间推移而发生的状态变化。,第1章 绪 论,1.1.2 模型 在科学方法论中，把模型界定为人们为了特定的研究目
3、的而对认识对象所做的简化描述 模型方法是通过研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法 可以把模型看作是原型物质的或观念上（如数学的）的类似物 模型分为实物模型和抽象模型两大类1. 建模活动 模型作为系统的原型在研究时的“替身”，在选择模型时，要以便于达到研究的目的为前提模型的描述经常可以采用下述一些原则：（1）相似性 （2）切题性 （3）吻合性 （4）可辨识性 （5）简单化 （6）综合精度,第1章 绪 论,2. 模型描述的层次 模型可以在不同的抽象层次上来描述一个系统 ：（1）行为层次 （2）状态结构层次 （3）分解结构层次 3. 数学模型 数学模型是根据物理概念、变化规律、测试结果和经验总
4、结，用数学表达式、逻辑表达式、特性曲线、实验数据等来描述某一系统的表现形式。数学模型一般是数学方程组。 计算机仿真中采用的模型是数学模型 本质是关于现实世界一小部分和几个方面抽象的数学“映像” 系统的属性用变量表示，而系统的活动则用相互关联的变量间的数学函数关系式来描述 不可能对系统作完全真实的描述，而只能根据研究目的对它作某种近似简化的描述,第1章 绪 论,1.1.3 仿真 系统仿真是建立系统、过程、现象和环境的模型（物理模型、数学模型或其他逻辑模型），在一段时间内对模型进行操作，应用于系统的测试、分析或训练。 计算机仿真3要素和3个基本活动 模型建立是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要
5、因素及不可检测变量的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型 仿真模型反映了系统模型（简化模型）同仿真器或计算机之间的关系，它应能为仿真器或计算机所接受，并能进行运行 仿真实验是指对模型的运行微分方程的数字解法、离散相似法是数字仿真的基础。,第1章 绪 论,1.2 仿真的分类,第1章 绪 论,1.3 计算机仿真从以下一些方面描述了“仿真”的概念：对象：仿真针对的对象是系统，包括客观存在的系统与设计中的系统。目的：获得系统的动态行为。这是仿真的直接目的。由此而分析系统、设计系统或进行决策是仿真活动的间接目的。方法：通过展开系统的模型来获得系统的行为或特性。使用模型是仿真
6、活动的一个重要特征：这表明获得系统的行为不是直接对系统进行操作，而是对系统的模型进行操作。为此首先要建立系统的模型。方法的实现：应用数值计算的方法来展开模型，获得模型在一定输入下的输出。这是仿真与其他基于模型分析方法的主要区别。设施：计算机。数值计算是在计算机上进行的。,第1章 绪 论,归纳为：计算机（数字）仿真是在计算机上，建立形式化的数学模型，然后按一定的实验方案，通过数值计算的方法展开系统的模型来获得系统的（动态）行为，从而研究系统的过程。计算机仿真涉及两步重要的工作：必须建立系统的模型；要在计算机上对模型进行数值计算。如加以区分，前者称为建模，而后者可以称为展模。,第1章 绪 论,1.
7、3.2 计算机仿真方法的特点（1）模型参数任意调整 （2）系统模型快速求解 （3）运算结果准确可靠 （4）仿真的结果形象直观1.3.3 计算机仿真方法的作用 （1）优化系统设计 （2）降低实验成本 （3）减少失败风险 （4）提高预测能力,第1章 绪 论,1.3.4 计算机仿真的步骤仿真是基于模型的活动，首先要针对实际系统建立其模型。 然后在上述模型的基础上进行仿真建模。下一步程序设计即将仿真模型用计算机能执行的程序来描述。最后要对仿真输出进行分析。,第1章 绪 论,1.4 计算机仿真技术在电力电子系统中的应用电力电子技术的现状：电力电子技术应用范围不断扩大 复杂的非线性数模混合系统 成本增加
8、设计和分析均带来了巨大的困难 安全性、经济性及进行实验研究的可能性等在现场实验中往往不易做到。,第1章 绪 论,电子电路设计自动化（Electronic Design Automation, EDA） 已经渗入到电子电路设计的各个领域，例如原理图设计、逻辑或模拟电路仿真、优化设计、最坏条件分析、印刷电路板设计等 电力电子电路的EDA工具也得到了长足的发展。 此类工具大体包括： 传统的电子电路设计软件。通过引入新的电力电子器件模型可将软件的应用领域扩展到电力电子系统的设计之中，例如为我国电路设计人员所熟知的PSpice； 专用领域仿真软件。例如在控制系统仿真软件MATLAB中加入以理想开关模型为
9、代表的电力电子器件模型，从而使软件在原有研究领域中面对采用电力电子装置的问题时仍可进行有效的仿真； 开发新的电力电子系统专用仿真软件。例如以开关电源设计为目的的SIMPLIS、PSIM等。,第1章 绪 论,计算机专业 仿真软件遵 循一定的仿 真步骤: (电路时域分析为例),第1章 绪 论,各步骤执行的功能如下:1图形数据化电路原理图（即画电路图）输入方法输入仿真系统 。电连接网络表是连接该电路原理图和仿真软件之间的桥梁，只有将电路原理图翻译成仿真程序可以识别的、反映电路中所有元器件性能和相互之间连接关系的文件，电路原理图才能作为仿真软件的输入被调用 2数学建模这一步根据第一步建立的点连接网络表
10、建立系统的数学模型，建模的方法主要有状态方程法、改进节点法和拓扑法。3数值积分计算机对连续系统进行求解，利用数值积分方法进行离散化，以得到对系统的仿真分析结果。在此基础上，仿真软件通常还可以满足对仿真结果的性能分析，波形处理的功能要求，如：谐波分析、频域分析等。,PSpice软件安装步骤：,第一步：安装盘a放入计算机光驱,PSpice软件安装步骤：,第二步：拷贝文件夹license Manager到C:根目录下 第三步：回到安装盘，点击setup.exe文件，运行安装,PSpice软件安装步骤：,屏幕出现：,PSpice软件安装步骤：,点击“确定”：,PSpice软件安装步骤：,点击“next
11、”,PSpice软件安装步骤：,点击”yes”,PSpice软件安装步骤：,点击“network licensing”,PSpice软件安装步骤：,选择”install products”,PSpice软件安装步骤：,使用“browse”选择拷贝到c:下的license manager文件夹所在路径即：,PSpice软件安装步骤：,PSpice软件安装步骤：,点击”OK”,PSpice软件安装步骤：,点击“next”,PSpice软件安装步骤：,点击“Next”,PSpice软件安装步骤：,点击“yes”,PSpice软件安装步骤：,从安装列表中选择要安装的产品： 共五项（包含Pspice字眼
12、）,PSpice软件安装步骤：,点击“next”程序开始安装，程序开始安装，安装到63%，安装盘a安装完毕，提示放入安装盘b，将安装盘a取出，放入安装盘b，选择好安装路径，点击“OK”，继续剩余安装。最后点击“finish”。程序安装完毕后，回到计算机桌面，点击“开始”-选择 “运行” -输入 “sysedit”回车-在打开的autoexec.bat文件中键入： set lm_license_file=c:license managerlicense.dat,PSpice软件安装步骤：,-键入完毕保存-重启计算机，是设置生效。全部安装完毕。,第2章 系统建模方法,系统仿真建模的基本要求： （1
13、）清晰 （2）切题 （3）精密 （4）集合 系统仿真建模的基本途径： （1）机理建模法 （2）实验建模法 （3）综合建模法,第2章 系统建模方法,系统的数学模型一般是非线性连续状态空间模型，其通用形式是常微分方程组形式：（2-1）式中，x为n维状态向量；u为m维输入向量；y为l维输出向量；h为约束方程；w和v是维数适当的噪声向量。,第2章 系统建模方法,2.2.1 连续时间系统模型（四种） 微分方程如果系统是线性定常系统，则微分方程可写成如下形式：式中 及 为常系数； 为y(t)和u(t)的各阶导数。,第2章 系统建模方法,2. 传递函数3. 权函数 4. 状态空间方程,第2章 系统建模方法,
14、2.2.2 离散时间系统模型（四种） 差分方程2. 离散传递函数3. 权序列模型4. 离散状态空间方程,第2章 系统建模方法,2.2.3 连续离散混合模型为数字控制系统的离散传递函数为保持器的传递函数为被控对象的连续传递函数。,第2章 系统建模方法,2.3 数学模型之间的相互转换2.3.1 微分方程转换为状态方程两种情况：1. 系统输入量不含导数项的情形2. 系统输入量中含有导数项的情形（参见控制理论相关内容）,第2章 系统建模方法,2.3.2 结构图转换为状态方程 1. 积分环节 对于积分环节 其对应的状态空间方程为2. 惯性环节 见书 3. 二阶振荡环节 见书,第2章 系统建模方法,2.3
15、.3 传递函数转换为状态方程 1. 直接法 传递函数为的系统，可根据上述分析直接推导出如下的状态方程：,第2章 系统建模方法,2. 串联法将系统传递函数转化成若干环节的乘积 ，然后再转化成状态方程（例见书） 3. 并联法将传递函数转化为 的形式，其中 为该函数的互异极点，则状态方程为：,第2章 系统建模方法,2.3.4 状态方程转换为传递函数 系统的状态空间方程为 容易求得系统的传递函数为,第2章 系统建模方法,2.4 电力电子电路的建模 2.4.1 电力半导体器件的仿真模型1. 晶闸管的开关模型,第2章 系统建模方法,静态特性，即I、III、IV区。假设：正向漏电流正比于阳阴极电压，在I区用 表示，即 反向漏电流正比于阳阴极电压，在IV区用 表示，即正向导通特性表示于III区，电压-电流特性由下式给出：为晶闸管的正向压降； 为晶闸管阳极电流很小时的正向压降 ；为晶闸管的正向导通电阻； 为晶闸管的正向导通电流。,第2章 系统建模方法,晶闸管在不同区间的等效电路如图,
