第一篇：電力電子系統的計算機仿真

《電力電子系統的計算機仿真》

題目：方波逆變電路的計算機仿真

前言

電力電子技術綜合了電子電路、電機拖動、計算機控制等多學科知識，是一門實踐性和應用性很強的課程。由于電力電子器件自身的開關非線性，給電力電子電路的分析帶來了一定的復雜性和困難，一般常用波形分析的方法來研究。仿真技術為電力電子電路的分析提供了嶄新的方法。

我們在電力電子技術課程的教學中引入了仿真，對于加深學生對這門課程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，學生的想法可以通過仿真來驗證，對培養學生的創新能力很有意義，并且可以調動學生的積極性。實驗實訓是本課程的重要組成部分，學校的實驗實訓條件畢竟是有限的，也受到學時的限制。而仿真實訓不受時間、空間和物質條件的限制，學生可以在課外自行上機。仿真在促進教學改革、加強學生能力培養方面起到了積極的推動作用。

【關鍵字】電力電子，MATLAB，仿真。

目錄

第一章 電力電子與MATLAB軟件的介紹

一、電力電子概況

二、MATLAB軟件介紹

第二章 電力電子器件介紹

一、電力二極管特性介紹

二、晶閘管特性介紹

三、IGBT特性介紹 第三章 主電路工作原理

一、單相橋式逆變電路二、三相橋式逆變電路

三、PWM控制基本原理 第四章 仿真模型的建立

一、單極性SPWM觸發脈沖波形的產生

二、雙極性SPWM觸發脈沖波形的產生

三、單極性SPWM方式下的單相橋式逆變電路

四、雙極性SPWM方式下的單相橋式逆變電路 第五章 仿真結果分析 第六章 心得體會 第七章 參考文獻

第一章 電力電子與MATLAB軟件的介紹

一、電力電子概況

電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數百MW甚至GW，也可以小到數W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術不同電力電子技術主要用于電力變換。

電力電子技術分為電力電子器件制造技術和交流技術（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。

一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出的第一個晶閘管為標志的，電力電子技術的概念和基礎就是由于晶閘管和晶閘管變流技術的發展而確立的。此前就已經有用于電力變換的電子技術，所以晶閘管出現前的時期可稱為電力電子技術的史前或黎明時期。70年代后期以門極可關斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場效應管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件全速發展（全控型器件的特點是通過對門極既柵極或基極的控制既可以使其開通又可以使其關斷），使電力電子技術的面貌煥然一新進入了新的發展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的復合）為代表的復合型器件集驅動功率小，開關速度快，通態壓降小，在流能力大于一身，性能優越使之成為現代電力電子技術的主導器件。為了使電力電子裝置的結構緊湊，體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，后來又把驅動，控制，保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路（PIC）。目前PIC的功率都還較小但這代表了電力電子技術發展的一個重要方向

利用電力電子器件實現工業規模電能變換的技術，有時也稱為功率電子技術。一般情況下，它是將一種形式的工業電能轉換成另一種形式的工業電能。例如，將交流電能變換成直流電能或將直流電能變換成交流電能；將工頻電源變換為設備所需頻率的電源；在正常交流電源中斷時，用逆變器（見電力變流器）將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應用電力電子技術還能實現非電能與電能之間的轉換。例如，利用太陽電池將太陽輻射能轉換成電能。與電子技術不同，電力電子技術變換的電能是作為能源而不是作為信息傳感的載體。因此人們關注的是所能轉換的電功率。

電力電子技術是建立在電子學、電工原理和自動控制三大學科上的新興學科。因它本身是大功率的電技術，又大多是為應用強電的工業服務的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術的內容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統。電力電子器件以半導體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎為半導體物理學；它的工藝技術為半導體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應用了微電子學的技術。電力電子電路吸收了電子學的理論基礎，根據器件的特點和電能轉換的要求，又開發出許多電能轉換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據應用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設備等組成一個系統。電子學、電工學、自動控制、信號檢測處理等技術常在這些裝置及其系統中大量應用。

二、MATLAB軟件介紹

MATLAB 是一個功能強大的常用數學軟件, 它不但可以解決數學中的數值計算問題, 還可以解決符號演算問題, 并且能夠方便地繪出各種函數圖形。由于MATLAB帶有一些強大的具有特殊功能的工具箱，而且隨著近年來它的版本不斷升級，所含的工具箱功能越來越豐富，工具越來越多，應用范圍也越來越廣，涵蓋了當今幾乎所有的工業、電子、醫療、建筑等各領域，MATLAB自1984年由美國的MathWorks公司推向市場以來，歷經十幾年的發展和競爭，現已成為國際最優秀的科技應用軟件之一。

MATLAB中的仿真集成環境Simulink工具箱，是進行系統分析與射擊隊有力工具。Simulink是一個圖形化的建模工具，具有兩個顯著功能：SIMU（仿真）和LINK（連接）。用來進行動態系統仿真、建模和分析的軟件包，不但支持線性系統仿真，也支持非線性系統；既可以進行連續系統，也可以進行離散系統仿真。

Simulink提供了各種仿真工具，尤其是它不斷擴展的、內容豐富的模塊庫，為系統的仿真提供了極大便利。在 Simulink平臺上，拖拉和連接典型模塊就可以繪制仿真對象的模型框圖，并對模型進行仿真。在Simulink平臺上仿真模型的可讀性很強，這就避免了在 MATLAB 窗口使用 MATLAB 命令和函數仿真時，需要熟悉記憶大量 M 函數的麻煩，對廣大工程技術人員來說，這無疑是最好的福音。現在的MATLAB都同時捆綁了Simulink，Simulink的版本也在不斷地升級，從1993年的MATLAB 4.0／Simulink1.0版到2001年的MATLAB 6.1／Simulink 4.1版2002年即推出了MATLAB6.5 ／Simulink 5.0版。MATLAB 已經不再是單純的“矩陣實驗室”了，它已經成為一個高級計算 和仿真平臺。

Simulink原本是為控制系統的仿真而建立的工具箱，在使用中易編程、易拓展，并且可以解決MATLAB 不易解決的非線性、變系數等問題。它能支持連續系統和離散系統的仿真，支持連續離散混合系統的仿真，也支持線性和非線性系統的仿真，并且支持多種采樣頻率(Multirate)系統的仿真，也就是不同的系統能以不同的采樣頻率組合，這樣就可以仿真較大、較復雜的系統。因此，各科學領域根據自己的仿真需要，以MATLAB為基礎，開發了大量的專用仿真程序，并把這些程序以模塊的形式都放人Simulink中，形成了模塊庫。Simulink 的模塊庫實際上就是用 MATLAB 基本語句編寫的子程序集。現在Simulink模塊庫有三級樹狀的子目錄，在一級目錄下就包含了Simulink最早開發的數學計算工具箱、控制系統工具箱的內容，之后開發的信號處理工具箱(DSP Blocks)、通信系統工具箱(Comm)等也并行列入模塊庫的一級子目錄，逐級打開模塊庫瀏 覽器(Simulink Library Browser)的目錄，就可以看到這些模塊。

Simulink創建模型、仿真的過程方法介紹如下：

1、Simulink建模

一個典型的Simulink模型由信號源模塊、被模擬的系統模塊和輸出顯示 模塊三個類型模塊構成。其基本特點有： 1)Simulink提供許多的Scope（示波器）接收器模塊，使得Simulink進行仿真具有圖形化顯示效果；

2)Simulink模型具有層次性，通過底層子系統可以構建上層母系統； 3)Simulink提供對子系統進行封裝功能，用戶可以自定義子系統的圖標和設置參數對話框。

2、Simulink仿真基本過程

1)打開一個空白的Simulink模塊窗口；

2)進入Simulink模塊庫瀏覽界面，將相應模塊庫中所需的模塊拖拉到編輯窗口里；

3)修改編輯窗口中模塊參數； 4)將各模塊按給定框圖連接，搭建所需系統模型；仿真觀察結果，修正參數； 5)保存模型。

第二章 電力電子器件介紹

電力電子器件是指可直接用于處理電能的主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件。同我們在學習電子技術基礎時廣泛接觸的處理信息的電子器件一樣，廣義上電力電子器件也可以分為電真空器件和半導體器件兩類。

由于電力電子器件直接用于處理電能的主電路，因而同處理信息的電子器件相比，它一般具有如下的特征：

1)電力電子器件所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數。

2）因為處理的電功率較大，所以為了減少本身的損耗，提高效率，電力電子器件一般都工作在開關狀態。

3）在實際應用當中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。4）盡管工作在開關狀態，但是電力電子器件自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，因而為了保證不致于損耗散熱的熱量導致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上比較講究散熱設計，而且在其工作時一般都還需要安裝散熱器。

此外，電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路、驅動電路和電力電子器件為核心的組成一個系統。

一．電力二極管特性介紹

不可控器件——電力二極管(Power Diode)自20世紀50年代初期就獲得應用，當時也被稱為半導體整流器(Semiconductor Rectifier——SR)。雖然是不可控器件，但結構和原理簡單，工作可靠。

電力二極管的基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣，以半導體PN結為基礎，由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。由于PN結具有單向導電性，所以二極管是一個正方向單向導電、反方向阻斷的電力電子器件。

從外形上看，主要有螺栓型平板型兩種封裝。

a)結構圖 b)電器圖形符號

1、電力二極管特性 1)靜態特性 電力二極管的基本特性——電力二極管的伏安特性：

I IF

OUTOUFU

當電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩定導通狀態。與正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流。)動態特性

動態特性——因結電容的存在，三種狀態之間的轉換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓—電流特性是隨時間變化的。

開關特性——反映通態和斷態之間的轉換過程。關斷過程：

a）須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態； b）在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。

IdiFFudti trriFtdtfUFUFP

tFt0t1t2t URdiRuF 2Vdt

IRP0tfrtURP

b)a)

a)正向偏置轉換為反向偏置 b)零偏置轉換為正向偏置

開通過程：

電力二極管的正向壓降先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩態壓降的某個值（如 2V）。這一動態過程時間被稱為正向恢復時間tfr。

電導調制效應起作用需一定的時間來儲存大量少子，達到穩態導通前管壓降較大。

正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。

2、電力二極管測試單元電路 電力二極管測試單元電路就是通過基本電路驗證電路二極管的工作特性。當二極管導通時，二極管上有電流流過，但沒有電壓；當二極管截止時，二極管上沒有電流流過，但二極管兩端有電壓。

仿真電路圖如下：

仿真所得的電力二極管的電流(Iak)和電壓(Vak)的波形如下：

參數說明：

1、AC Voltage Source: Peak amplitude(V)is 100;Phase(deg)is 0;Frequency(Hz)is 50;Sample time is 0.2、Thyristor: Resistance Ron(ohms)is 0.001;Inductance Lon(H)is 0;Forward voltage Vf(V)is 0.8;Initial current Ic(A)is 0;Snubber resistance Rs（ohms）is 500;Snubber capacitance Cs(F)is 250e-9.仿真結果分析：

由于電力二極管的內阻很小，所以管壓降可以忽略不計。在此條件下，仿真波形是滿足條件的。由仿真波形可以看出，當電力二極管上的電壓大于零時，電力二極管上流過的電流是大于零的；當電力二極管上的電壓變負值時，電力二極管上流過的電流為零。

二、晶閘管特性介紹

晶閘管(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅SCR,普通晶閘管是一種具有開關作用的大功率半導體器件。目前，晶閘管的容量水平已達8kV／6kA。

晶閘管是具有四層PNPN結構、三端引出線(A、K、G)的器件。常見晶閘管的外形有兩種：螺栓型和平板型。

晶閘管的基本特點有三個：

(1)欲使晶閘管導通需具備兩個條件有：

① 應在晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓。② 應在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流。

(2)晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。(3)為使晶閘管關斷，必須使其陽極電流減小到一定數值以下，這只有用使陽極電壓減小到零或反向的方法來實現。

1、晶閘管的工作特性

單向晶閘管的伏安特性曲線如圖所示。從特性曲線上可以看出它分五個區，即反向擊穿區、反向阻斷區、正向阻斷區、負阻區和正向導通區。大多數情況下，晶閘管的應用電路均工作在正向阻斷和正向導通兩個區域。晶閘管A、K極間所加的反向電壓不能大于反向峰值電壓，否則有可能便其燒毀。

單向晶閘管的上述特性，可以用以下幾個主要參數來表征：

①額定平均電流IT:在規定的條件下，晶閘管允許通過的50Hz正弦波電流的平均值。

②正向轉折電壓VB0:是指在額定結溫及控制極開路的條件下，在陽極和陰極間加以正弦波半波正向電壓，使其由關斷狀態發生正向轉折變為導通狀態時所對應的電壓峰值。

單向晶閘管伏安特性曲線：

③正向阻斷峰值電壓VDRM:定義為正向轉折電壓減去100V后的電壓值。

④反向擊穿電壓VBR:是指在額定結溫下，陽極和陰極間加以正弦波反向電壓，當其反向漏電流急劇上升時所對應的電壓峰值。

⑤反向峰值電壓VRRM:定義為反向擊穿電壓減去1OOV后的電壓值。

⑥正向平均壓降VT:是指在規定的條件下，當通過的電流為其額定電流時，晶閘管陽極、陰極間電壓降的平均值。

⑦維持電流IH:是指維持晶閘管導通的最小電流。

⑧控制極觸發電壓VCT和觸發電流IGT:在規定的條件下，加在控制極上的可以使晶閘管導通的所必需的最小電壓和電流。

⑨導通時間tg((ton):從在晶閘管的控制極加上觸發電壓VGT開始到晶閘管導通，其導通電流達到90%時的這一段時間稱為導通時間。

⑩關斷時間tg(toff):從切斷晶閘管的工向電流開始到控制極恢復控制能力的這一段時間稱為關斷時間。

此外，晶閘管還有一些其他參數，例如，為了使晶閘管能可靠地觸發導通，對加在控制極上的觸發脈沖寬度是有一定要求的;為使晶閘管能可靠地關斷，對晶閘管的工作頻率也有一定的規定;為避免晶閘管損壞，對控制極的反向電壓也有一定的要求。

2、晶閘管測試單元電路

晶閘管的測試電路如下：

參數說明：

1、AC Voltage Source: Peak amplitude(V)is 120;Phase(deg)is 0;Frequency(Hz)is 50;Sample time is 0.2、Thyristor: Resistance Ron(ohms)is 0.001;Inductance Lon(H)is 0;Forward voltage Vf(V)is 0.8;Initial current Ic(A)is 0;Snubber resistance Rs（ohms）is 10;Snubber capacitance Cs(F)is4e-6.3、Pulse Generator: Pulse type is Tme based;Time（t）is Use simulation time;Amplitude is 10;Period(secs)is 0.02/2;Pulse Width(% of period)is 10;Phase delay(secs)is 0.仿真所得的晶閘管的電流和電壓的波形如下：

仿真結果分析：

由于晶閘管是半控型器件，所以接在門極的脈沖只起到觸發晶閘管導通的作用，一旦晶閘管導通，則它跟電力二極管的一樣的。上圖所示的波形為觸發脈沖的相角為0度時的測試結果。從圖中可以看出，當晶閘管兩端的電壓大于零時，晶閘管開始導通；當晶閘管兩端的電壓由正變負時，晶閘管截止，其上流過的電流變為零。

三、IGBT特性介紹

IGBT相當于一個由MOSFET驅動的厚基區BJT。從圖中我們還可以看到在集電極和發射極之間存在著一個寄生晶閘管，寄生晶閘管有擎住作用。采用空穴旁路結構并使發射區寬度微細化后可基本上克服寄生晶閘管的擎住作用。IGBT的低摻雜N漂移區較寬，因此可以阻斷很高的反向電壓。

IGBT工作原理：

當UDS＜0時，J3PN結處于反偏狀態，IGBT呈反向阻斷狀態。當UDS＞0時，分兩種情況：

①

若門極電壓UG＜開啟電壓UT，IGBT呈正向阻斷狀態。②

若門極電壓UG＞開啟電壓UT，IGBT正向導通。IGBT的柵極驅動：

(1)柵極驅動電路對IGBT的影響

① 正向驅動電壓+V增加時，IGBT輸出級晶體管的導通壓降和開通損耗值將下降，但并不是說+V值越高越好。

② IGBT在關斷過程中，柵射極施加的反偏壓有利于IGBT的快速關斷。③ 柵極驅動電路最好有對IGBT的完整保護能力。

④ 為防止造成同一個系統多個IGBT中某個的誤導通，要求柵極配線走向應與主電流線盡可能遠，且不要將多個IGBT的柵極驅動線捆扎在一起。

2)IGBT柵極驅動電路應滿足的條件：

① 柵極驅動電壓脈沖的上升率和下降率要充分大。

② 在IGBT導通后，柵極驅動電路提供給IGBT的驅動電壓和電流要具有足夠的幅度。

③ 柵極驅動電路的輸出阻抗應盡可能地低。

柵極驅動條件與IGBT的特性密切相關。設計柵極驅動電路時，應特別注意開通特性、負載短路能力和引起的誤觸發等問題

1、IGBT的工作特性

1）靜態特性

a)IGBT的伏安特性

b)IGBT的開關特性

IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高，Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區1、放大區2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態下的IGBT，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+ 緩沖區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用范圍。

IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關系曲線。它與MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時，IGBT 處于關斷狀態。在IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內，Id 與Ugs呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。

IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT 處于導通態時，由于它的PNP 晶體管為寬基區晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通態電壓Uds(on)可用下式表示：

Uds(on)＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh

式中Uj1 —— JI 結的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。

通態電流Ids 可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流過MOSFET 的電流。

由于N+ 區存在電導調制效應，所以IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態壓降為2 ～ 3V。IGBT 處于斷態時，只有很小的泄漏電流存在。

2）動態特性

IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期，PNP 晶體管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on)為開通延遲時間，tri 為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td(on)tri 之和。漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。

IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時，必須基于以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極-發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。

IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發射極并聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。

2、IGBT測試單元電路

IGBT仿真電路圖如下：

參數說明：

1、AC Voltage Source: Peak amplitude(V)is 120;Phase(deg)is 0;Frequency(Hz)is 50;Sample time is 0.2、IGBT:Resistance Ron(ohms)is 0.01;Inductance Lon(H)is 1e-6;Forward voltage Vf(V)is 1;Current 10% fall time Tf(s)is 1e-6;Current tail time Tt(s)is 2e-6;Initial current Ic(A)is 0;Snubber resistance Rs（ohms）is 1e2;Snubber capacitance Cs(F)is inf.3、Pulse Generator: Pulse type is Tme based;Time（t）is Use simulation time;Amplitude is 10;Period(secs)is 0.02/2;Pulse Width(% of period)is 10;Phase delay(sec)is 0.仿真所得的IGBT的電流(Iak)和電壓(Vak)的波形圖如下：

仿真結果分析：

第三章 主電路工作原理

一、單相橋式逆變電路

1、半橋逆變電路 1.1 電路結構

1.2 工作原理

V1和V2柵極信號各半周正偏、半周反偏，互補。uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2，io波形隨負載而異，感性負載時，圖1-3b，V1或V2通時，io和uo同方向，直流側向負載提供能量，VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側反饋，VD1、VD2稱為反饋二極管，還使io連續，又稱續流二極管。

2、全橋逆變電路 2.1電路結構

2.2 工作原理

兩個半橋電路的組合。1和4一對，2和3另一對，成對橋臂同時導通，交替各導通180°。uo波形同圖1-3b。半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和圖5-6b中的io相同，幅值增加一倍，單相逆變電路中應用最多的。

可采用移相方式調節逆變電路的輸出電壓，稱為移相調壓。各柵極信號為180o正偏，180o反偏，且V1和V2互補，V3和V4互補關系不變。V3的基極信號只比V1落后q(0

1、電路結構

2.工作原理 圖中應用GTO作為逆變開關，也可用其它全控型器件構成逆變器，若用晶閘管時，還應有強迫換流電路。從電路結構上看，如果把三相負載看成三相整流變壓器的三個繞組，那么三相橋式逆變電路猶如三相橋式可控整流電路與三相二極管整流電路的反并聯，其中可控電路用來實現直流到交流的逆變，不可控電路為感性負載電流提供續流回路，完成無功能量的續流和反饋，因此D1～D6稱為續流二極管或反饋二極管。

在三相橋式逆變電路中，各管的導通次序同整流電路一樣，也是T1、T2、T3??T6、T1??各管的觸發信號依次互差60°。根據各管的導通時間可以分為180° 導通型和120°導通型兩種工作方式，在180°導通型的逆變電路中，任意瞬間都有三只管子導通，各管導通時間為180°，同一橋臂中上下兩只管子輪流導通，稱為互補管。在120°導通型逆變電路中，各管導通120°，任意瞬間只有不同相的兩只管子導通，同一橋臂中的兩只管子不是瞬時互補導通，而是有60°的間隙時間，當某相中沒有逆變管導通時，其感性電流經該相中的二極管流通。

3、導通方式及基本參數

在180°導通型的三相逆變器中，每隔60°的各階段其等效電路及相應相電壓、線電壓數值如圖所示。

三．PWM控制基本原理

1、PWM控制

PWM控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。

在采樣控制理論中有一條重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。效果基本相同是指環節的輸出響應波形基本相同。上述原理稱為面積等效原理

以正弦PWM控制為例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N個彼此相連的脈沖列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于π/N，但幅值不等且脈沖頂部不是水平直線而是曲線，各脈沖幅值按正弦規律變化。如果把上述脈沖列利用相同數量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（沖量）相等，就得到PWM波形。各PWM脈沖的幅值相等而寬度是按正弦規律變化的。根據面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。可見，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。

2、PWM逆變電路

逆變電路是一個全橋開關電路，將輸人的市電經整流濾波后以直流電壓供給逆變器，在逆變電路中，單片機對整個電源系統進行控制。首先由SPWM產生電路產生兩個相位相差180℃的SPWM波形(PWN1，和PWM2)。PWM1、PWM2各經兩路隔離驅動輸出四路控制信號去驅動4只ICBT。

逆變電路是PWM控制技術最為重要的應用場合，PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。

3、PWM逆變電路的計算法 根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形。但本方法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化。

4、PWM逆變電路的調制法

輸出波形作調制信號，進行調制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；等腰三角波應用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關系且左右對稱；與任一平緩變化的調制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求。

調制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波；調制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波。

以單相橋式PWM逆變電路為例說明。單相橋式PWM逆變電路的原理圖如下所示。設負載為阻感負載，工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補。控制規律：u0正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷，負載電流比電壓滯后，在電壓u正半周，電流有一段為正，一段為負，負載電流為正區間，V1和V4導通時，u0等于Ud，V4關斷時，負載電流通過V1和VD3續流，u0 =0，負載電流為負區間，i0為負，實際上從VD1和VD4流過，仍有u0=Ud，V4斷，V3通后，i0從V3和VD4續流，u0 =0，u0總可得到Ud和零兩種電平。

U0負半周，讓V2保持通，V1保持斷，V3和V4交替通斷，u0可得-Ud和零兩種電平。

第四章 仿真模型的建立

一、單極性SPWM觸發脈沖波形的產生

1、電路結構

在Simulink的“Source”庫中選擇“Clock”模塊，以提供仿真時間t,乘以2∏f后再通過一個“sin”模塊即為sinwt，乘以調制比m后可得到所需的正弦波調制信號。三角載波信號由“Source”庫中的“Repeating Sequence”模塊產生,正確設置參數，三角波經過處理，便可成為頻率為fc的三角載波。

2、單極性SPWM波形

二、雙極性SPWM觸發脈沖波形的產生

1、電路結構

同上，在Simulink的“Source”庫中選擇“Clock”模塊，以提供仿真時間t,乘以2∏f后再通過一個“sin”模塊即為sinwt，乘以調制比m后可得到所需的正弦波調制信號。三角載波信號由“Source”庫中的“Repeating Sequence”模塊產生,正確設置參數，便可生成頻率為fc的三角載波。

2、雙極性SPWM波形

三、單極性SPWM方式下的單相橋式逆變電路 主電路圖如下所示：

將調制深度m設置為0.5，輸出基波頻率設為50Hz，載波頻率設為基波的15倍，即750Hz，仿真時間設為0.04s，在powergui中設置為離散仿真模式，采樣時間設為1e-005s，運行后可得仿真結果，輸出交流電壓，交流電流和直流電流如下圖所示：

對上圖中的輸出電壓uo進行FFT分析，得如下分析結果：

由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15時，輸出電壓的基波電壓的幅值為U1m=150.9V，基本滿足理論上的U1m=m*Ud(即300*0.5=150)。諧波分布中最高的為29次和31次諧波，分別為基波的71.75%和72.36%，考慮最高頻率為4500Hz時的THD達到106.50%。

四、雙極性SPWM方式下的單相橋式逆變電路

雙極性SPWM控制方式下的單相橋式逆變電路主電路與上圖相同，只需把單極性SPWM發生模塊改為雙極性SPWM發生模塊即可。

參數設置使之同單極性SPWM方式下的單相橋式逆變電路相同，即將調制深度m設置為0.5，輸出基波頻率設為50Hz，載波頻率設為基波的15倍（750Hz），仿真時間設為0.06s，在powergui中設置為離散仿真模式，采樣時間設為1e-005s，運行后可得仿真結果，輸出交流電壓，交流電流和直流側電流如下圖所示：

同樣，對上圖中的輸出電壓uo進行FFT分析，得如下分析結果

由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15時，輸出電壓的基波電壓的幅值為U1m=152V，基本滿足理論上的U1m=m*Ud(即300*0.5=150)。諧波分布中最高的為第15次和29、31次諧波，分別為基波的212.89%和71.65%、71.95%，考慮最高頻率為4500Hz時的THD達到260.21%。

第五章 仿真結果分析

由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15時，輸出電壓的基波電壓的幅值為U1m=152V，基本滿足理論上的U1m=m*Ud(即300*0.5=150)。諧波分布中最高的為第15次和29、31次諧波，分別為基波的212.89%和71.65%、71.95%，考慮最高頻率為4500Hz時的THD達到260.21%

第六章 心得體會

1、通過電力電子仿真實驗，發現MATLAB使用特別方便，尤其是Matlab中的工具箱Simulink更是方便，它可以形象直觀的看到很多的仿真電路和仿真波形，對于理解電路的原理提供了極大的幫助，特別是電力電子的學習，提供了另外一種自學的途徑。

2、可以有效的將自己的有些不太成熟的電路在其上仿真，為電路的設計提供很大的幫助，在分析問題時進一步了解電力電子技術的一些應用電路的原理

第七章 參考文獻

【1】韓利竹等編著 MATLAB 電子仿真與應用 北京：國防工業出版社，2001 【2】鄭智琴編著 Simulink電子通信仿真與應用 北京：國防工業出版社，2002 【3】王華等編著 Matlab 在電信工程中的應用 北京：中國水利水電出版社，2001 【4】陳懷深，吳大正，高西全編著 MATLAB及其在電子信息課程中的應用 北京：電子工業出版社，2002 【5】王兆安，黃俊等編著 電力電子技術 北京：機械工業出版社，2007 【6】李序葆，趙永健等編著 電力電子器件及其應用 北京：機械工業出版社，1996 【7】張立，趙永健等編著 現代電力電子技術 北京：科學出版社，1992

第二篇：電力電子及自動控制系統仿真實驗報告

電力電子及自動控制系統仿真實驗報告

實驗名稱：單相橋式全控整流電路仿真 實驗時間：2018.5.11 班級：自動化2班 姓名：

學號 1.實驗目的

利用SIMULINK仿真平臺繪制仿真電路，通過設置模型參數，來觀測仿真結果。通過改變晶閘管的控制角，可以調節輸出直流電壓和電流的大小。

2.仿真模型及參數設置

Scope1-+Current MeasurementScope2mInMeanmAC Voltage Source12kk+v-ThyristorggaaThyristor1Mean ValueScope4Voltage MeasurementLinear Transformer+Series RLC Branch1v-Voltage Measurement1Scopemkm0Constantalpha_degABThyristor2gagkThyristor3aBCCApulsesScope30Constant1BlockSynchronized6-Pulse GeneratorTerminator

交流電壓源AC，電壓為220V,頻率為50Hz，初始相位為0°

變壓器參數一次電壓為220V（有效值）。二次電壓為100V（有效值）晶閘管VT1~4直接使用模型默認參數 負載RLC選擇RL。R為0.5，L為10e-3 脈沖發生器同步頻率為50Hz，脈沖的寬度為10°

3.仿真過程及結果分析 4.4.總結

在軟件上繪制好仿真電路后，進行改變參數時有些地方還是不知道其意義，仿真計算完成后，通過示波器觀察仿真的結果。電阻性負載仿真分析得到電壓和電流都是脈動的直流，反應了電源的交流電經過器后成為了直流電，實現了整流；

第三篇：系統建模和計算機仿真課程總結

系統建模和計算機仿真課程總結

第一章

1.系統：按照某些規律結合起來，互相作用、互相依存的所有實體的集合或總和。

模型：真實對象、對象間關系的特性抽象，描述某些系統本質。仿真：通過對模型的實驗以達到研究系統這個目的。

2.同態：系統與模型在行為級上等價。同構：系統與模型在結構級上等價。

黑箱：可觀測輸入、輸出值，但不知內部結構的系統（通過輸入和輸出推斷其內部結構）

白箱：已知內部結構的系統(灰箱：介于黑箱和白箱之間)3.演繹：應用先驗理論，補充假設和推理，通過數學邏輯演繹建模，是一個從一般（抽象）到特殊（具體）的過程。

歸納：從系統的行為級開始，逐步獲得系統結構級的描述。是一個從特殊（具體）到一般（抽象）的過程。推理結果往往不是唯一解。4.面向對象仿真：從人類認識世界模式出發，使問題空間和求解空間一致，提供更自然直觀、可維護、可重用的系統仿真框架。

定性仿真：力求非數字化，以非數字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結構輸出，通過定性模型推導系統定性行為描述。

智能仿真：力求非數字化，以非數字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結構輸出，通過定性模型推導系統定性行為描述。

可視化仿真：用于為仿真過程及結果增加文本提示、圖形、圖像、動畫表現，使仿真過程更加直觀，并能驗證仿真過程是否正確。虛擬現實仿真：由計算機全部或部分生成的多維感覺環境，給參與者產生各種感官信號，若視覺、聽覺、觸覺等，使參與者身臨其境。第二章

1.系統建模原則：

（1）可分離原則：系統中的實體不同程度上均相互關聯，結合建模目標合理忽略某些關聯。依賴于系統環境的界定、系統因素的提煉即約束條件與外部條件的設定。

（2）合理假設原則：任何模型的建立均應基于某些合理的假設，以簡

化模型，有利于仿真的實現。

（3）因果性原則：系統的輸入和輸出滿足函數映射關系。（4）可測量、選擇原則：輸入量和輸出量可量化。2.系統模型分類：（1）根據模型的時間集合

連續時間模型：時間用實數表示，系統的狀態可以在任意時刻點獲得。離散時間模型：時間用整數表示，系統的狀態可以在離散的時刻點上獲得，所謂整數時間指的是單位時間的整數倍。（2）根據模型的狀態變量

連續變化模型：系統中的狀態變量隨時間連續變化。

離散變化模型：系統中的狀態變量不連續變化，即在某一時刻到下一時刻之間的時間內，系統狀態不發生變化。（3）其他分類

確定性模型和隨機性模型：輸入確定，輸出確定/不確定。白箱模型、灰箱模型和黑箱模型。3.排隊規則：

先到先服務(FIFO)：按照到達次序接受服務。后到先服務(LIFO)：按照到達次序的相反次序接受服務。隨機服務(SIRO)：從等待的客戶中隨機選擇客戶進行服務。優先權服務(PR)：等待的客戶具有不同的優先權，給優先權高的客戶先提供服務。最短處理時間先服務(SPT)：選擇需要服務時間最短的客戶提供服務。4.層次分析法的基本步驟

（1）建立層次結構模型，該結構圖包括目標層，準則層，方案層。（2）構造成對比較矩陣，從第二層開始用成對比較矩陣和1~9尺度。（3）計算單排序權向量并做一致性檢驗（對每個成對比較矩陣計算最大特征值及其對應的特征向量，利用一致性指標、隨機一致性指標和一致性比率做一致性檢驗。若檢驗通過，特征向量（歸一化后）即為權向量；若不通過，需要重新構造成對比較矩陣）。

（4）計算總排序權向量并做一致性檢驗，計算最下層對最上層總排序的權向量。

利用總排序一致性比率進行檢驗。若通過，則可按照總排序權向量表

示的結果進行決策，否則需要重新考慮模型或重新構造那些一致性比率較大的成對比較矩陣。

5.圖解建模法、最小二乘法、層次分析法（AHP）、隨機數生成的例題詳解

例題1：線性擬合

建立這直線方程就要確定a0和a1，應用《最小二乘法原理》，將實測值與擬合公式計算值

Yi?a0?a的差值1xiYi?Y?的平方和i?(Yi?Y?i)2最小為“優化判據”。

令???(Yi?Y?i)2則???(Y?i?a0?a1xi)2 ??????a????(Yi0?a1xi)2??2?(Y?i?a0?ax)?2?(a?ax?Y?)??a0?a1i01ii0???????(Y?i?a0?a1xi)2??2??a?ax)x?2??a?(Yi01ii?(a0?a1xi?Y?i)xi1?a1 推導出：

?

??na0?a1(?xi)??Y?i??a?x20(?xi)?a1i??(xiY?i)a0?(?Y?i)/n?a1(?xi)/n?0.15an(1??xiY?i)?(?xi?Y?i)n?x22?0.859i?(?xi)y?0.15?0.859x

例題2：隨機數 線性同余發生器

x(modm)?axaxii?1?axii?[m]?ma,m選取規則

○

1隨機數序列周期為m/4，依照所要產生的隨機數規模確定m ○2證m是2的指數冪 ○3p為機器字長，k為任意整數，a取最接近2p/2且滿足a=8k+3或a=8k-3 問：生一個15000個數的隨機序列，m與a該如何取值？

m接近60000，取m=216=65536，機器字長為16位。2p/2=28=256；K=32時，259/253最接近256；xi+1=259xi-[259xi/65536]*65536；x0=10；x1=259*10-[259*10/65536]*65536=2590；x2=259*2590-[259*2590/65536]*65536=15450。例3：層次分析法（AHP）

Step1 將判斷矩陣的每一列元素做歸一化處理：

nbij?bij/?bkj.........(i,j?1,2,...,n)k?1Step2 將歸一化的判斷矩陣按行相加：nwi??bij.........(i?1,2,...,n)j?1Step3 對向量wi?(w1,w2,...,wn)T歸一化

：nwi?wi/?wj.........(i?1,2,...,n)

j?1（Step4 計算，作為最大特征根的近似值。）

練習：

可以將此例中的7 名專家分為3 類: A1 = { 1，4，6}，A2 = { 3，7，5}，A3 = { 2}

第三章

1.集中參數系統模型的數值實現（單步法、歐拉法、梯形法、龍格-庫塔法）

歐拉法:y?tn?1n?1??y?tn???ttf?t,y?dty??tn??f?tn,y?tn??ny?tn?h??y?tn??hy??tn?

梯形法:y?thn?1??y?tn??2?f?tn,yn??f?tn?1,yn?1??

例：龍格—庫塔法

基本思想：以幾個點上函數y(t)的一階導函數值的線性組合來近似替代y(t)在某點的各階導數，再用泰勒級數展開式確定線性組合中的各加權

系數。

ri?1y(t?h)?y(t)?h?bikiki?f(t?cih,y(t)?hkj)i?1,2,?,rc1?0i?1?ajj?1y(t?h)?y(t)?hy?(t)?1h2??y(t)???1r!hry(r)(t)?o(hr?12!)r?1y(t?h)?y(t)?b1hf(t,y)r?2y(t?h)?y(t)?h2(k1?k2)k1?f(t,y)r?4y(t?h)?y(t)?h6(k1?k2?k3?k4)k?f(t,y)khhhh12?f(t?2,y?2k1)k3?f(t?2,y?2k2)k4?f(t?h,y?hk3)2.分布參數系統模型的數值實現（偏微分方程的求解）

人口控制問題

定義一個地區在t時刻所有年齡小于r歲的人口總數為人口函數F(r,t)，地區在t時刻的人口總數為N(t)，人類所能活的最高年齡位rm，則有：F(0,t)?0F(rm,t)?N(t)

假設：F(r,t)是r,t的連續函數，且一階偏導數也連續。p(r,t)??F?r?0F(r,t)??r0p(?,t)d??F(0,t)??r0p(?,t)d?r?rm時，F(r,t)?N(t),所以p(rm,t)?0

3.考慮一維熱傳導方程：

?u?t?a?2u?x2?f(x),0?t?T（1.1）其中a是正常數，f(x)是給定的連續函數。現在考慮第二類初邊值問題的差分逼近： 初始條件：u(x,0)??(x),0?x?l（1.2）

邊值條件：u(0,t)??(t)，u(l,t)??(t)，0?t?T（1.3）

假設f(x)和?(x)在相應區域光滑，并且在x?0,l滿足相容條件，使上述問題有惟一充分光滑的解。

用向前差分格式計算如下熱傳導方程的初邊值問題

???u?a?2u?2?0,(a?0是常數)，u?(t,0)??x?x1?x,0?x?1,??u(0,t)?1,u(1,t)?0,t?0,?已知其精確解為u(x,t)=1-x.第四章

1.仿真時鐘：表示仿真時間的變化，時間間隔稱為仿真步長。x??1?1

2.Petri網建模內容 ?ln[1?F(x)]??ln[1?u]??1?lnu第五章

（3）取舍法：從許多均勻分布的隨機數中選出一部分，使其具有給定1.隨機變量：符合一定概率密度函數的變量。

分布的隨機變量，它可用于產生任意有界的隨機變量。

基本思路：產生[0,1]區間上均勻分布的隨機數，再轉換為正態分布、泊松分布、幾何分布等。c??????g(x)dx??????f(x)?1r(x)?g(x)/c

2.隨機數發生器設計

例：求

?(4,3)分布的隨機變量。?(4,3)分布的密度函數是

（1）線性同余法Zi?(aZi?1?c)(modm)m?a,m?c,Z0?m

定理

f(x)???60x3(1?x2),0?x?1

?0,其他○

1當且僅當下列三個條件滿足后，線性同余發生器具有滿周期；（4）組合法：當分布函數可以表示成若干個其他分布函數之和，而這○

2能夠同時整除m和c的正整數只有1； 些分布函數較原來的分布函數更易求得其隨機變量時，可以采用組合○

3如果q是整除m的素數(即q只能被自身及1整除), 則q能整除(a-1)； 法。將欲生成的隨機變量服從的分布函數拆分為其他分布函數的凸組○

4如果m能被4整除，則(a-1)也能被4整除。合，先產生其他分布函數的隨機變量，再產生目標隨機變量。

（2）逆變法：獲得隨機變量的概率分布函數的反函數，從而反推隨機kkF(x)?變量本身。

?pjFj(x)f(x)?fj(x)pj?0,j?1?pjj?1?kp

j?1j?1P(Y?y)?P(F?1(U)?y)?P(U?F(y))?F(y)?P(x?y)例：設存在一個分布，其密度函數為f(x)?0.5e?|x|，產生服從該分

布的隨機變量x。

例：求服從指數分布的隨機數x。

f(x)??e??x(x?0)

f(x)?0.5exI1,x?A(??,0)(x)?0.5e?xI(0,??)(x)IA(x)???

x?0,其他F(x)???e??xdx?1?e??x0(x?0)

第四篇：計算機仿真讀書筆記

致的了解。計算機仿真讀書筆記首先，要對計算機仿真的定義，學科發展狀況，研究的范圍和方法有一個大

閱讀張英等的《現代計算機仿真技術》一文，知道并理解到一下方面：計算機仿真是計算機技術與仿真技術的結合 產生的一門學科，在本文中計算機仿真進行如下定義：計算機仿真是實體尚不存在或實體存在但在實體上不易處理，通過考察相關參數，結合相關研究領域，建立數學模型，然后編程實現在計算機中實現，通過改變相關參數和內外環境變化，達到全面了解考察實體的特性。這里的數學模型，本人認為還應當擴大模型的概念，還要包括物理模型和一些非描述的模型。

文中提到仿真技術的發展過程，包括三個階段，模擬階段，只能依靠實物進行仿真，缺點不能進行精細化仿真，成本還很高；模擬數字階段，部分使用了數字技術，改善了一些模擬階段的缺點；數字階段，沒有實物介入，完全數字化，可以精確完成很多大型非實時性的仿真過程，仿真的可靠性提高。

對于仿真的步驟，文中提到：首先獲得相關領域的專業知識，再根據研究目的確定相關的參數和特征值，依據以上這些建立一個初步的數學模型，經過多次試驗，調整參數，得到一個改進的模型，這是一個二次建模的過程。

文章的最后說明了計算機仿真技術應用范圍廣泛，在軍事，交通、國民經濟各行各業中都有廣泛的應用，并強調計算機仿真關鍵是建立數學模型和提高仿真的可靠性。

之后，我閱讀了徐庚保等寫的《計算機仿真系統述評》，對于在計算機仿真技術的指導下計算機仿真系統有了一個大致的了解。

計算機仿真系統是基于計算機仿真技術構建的仿真系統實驗工具。計算機仿真系統按空間分布主要分為以下三種類型：集中式、分布式、嵌入式。: 集中式仿真系統與仿真系統發展相類似，經過了模擬仿真系統、混合式仿真系統、數字仿真系統三個里程碑式的發展過程。體系結構上經過了主機—終端結構、現在向客戶機—服務器模式、集中—分布模式發展。

分布式仿真系統出現的比較晚，在20世紀80年代才慢慢發展起來，以基于

高層體系結構（HLA）的分布交互式系統（DIS）為主發展較快，但對于高層體系結構研究還有很多的不足之處。

嵌入式仿真系統具有小型化、便于攜帶的特點，一般通過軟硬件相結合來實現仿真。軟硬件劃分的方法的優劣直接決定了嵌入式仿真系統的性能，當前對于軟硬件劃分方法還處于初級階段，如何分配軟硬件，提出的有蟻群算法、模式匹配等方法。

最后本文提到了一些計算機仿真系統的發展動態，包括：多層次使用技術，將使用技術劃分為5個層次，有基礎技術、元、部件技術、系統級技術、應用級技術，還有集成綜合仿真環境技術；邏輯靶場的概念，主要在軍事上模擬演練發展中建立起來的，其核心思想是將各仿真系統和技術集成結合進行綜合評估。

最后又讀了張鋒的《計算機仿真技術與應用》一文，加深對于計算機仿真技術發展、步驟、核心技術和應用的認識。

通過閱讀前面兩篇文章，已經對于計算機仿真技術及計算機仿真系統有一個大致的了解，在閱讀本文中又有以下心得體會；

計算機仿真是系統仿真的一個分支，系統仿真是通過分析系統的運行和行為，來得到系統動態過程和運行規律，系統仿真實際模擬的是一個實際情景的動態過程，分析實物動態運行機制，得到實物動態運行規律。計算機仿真是在系統仿真中使用了計算機技術，利用計算機軟件模擬實際環境進行科學實驗的技術。綜合前文，可以這樣對計算機仿真進行定義：計算機仿真是以數學理論為基礎，利用計算機和其他物理設備為實驗工具，用系統仿真模型模擬實物或設想的系統試驗仿真研究的一門綜合性的學科，它具有經濟、可靠、安全、靈活、可多次使用的優點。

對于仿真技術發展的表述，此文描述與第一篇文獻表述有所差別，綜合以上兩文，我認為可以這樣來說明：仿真技術分三個階段，第一階段，模擬階段，仿真技術是利用數學模型或物理模型下在具體試驗物上進行仿真試驗。第二階段，混合階段，將模擬仿真技術與數字仿真技術結合起來，但這里的數字仿真技術不完善，不宜懂得，數字仿真只局限于數據和列表，可讀性差。第三階段，數字仿真階段，此階段任在不斷發展中，數字化中加入了圖形圖像的處理和表達，還增加了虛擬現實技術，增加了一些特殊設備，如3D眼鏡，觸摸儀器，模擬效果更

加逼真，更能讓人感到如同身歷其境。

計算機仿真的實現步驟中，建立數學模型常常使用到的方法有:演繹法、歸納法、綜合集成法等。要建立一個好的數學模型，確定所研究特定領域的目標和邊界，獲得所用到的先驗知識。

本文最后簡要介紹了計算機仿真在國民經濟中各行各業的應用。

這樣通過上述三篇文獻的閱讀，對于計算機仿真技術概念，發展、實施步驟及廣泛應用有了一定地了解，下一步就要用這些原理方法進行實際的應用。

第五篇：中醫學理論計算機仿真初探

摘 要：雖然中醫學所構建的龐大而復雜的系統難以在簡單系統的實驗室中得到驗證，但現代計算機仿真技術為中醫學提供了復雜系統的實驗室。而面向對象程序設計與中醫學相似的思維方式使之成為可能。運用這一技術可以作出諸如中醫學意義上的生理、病證、實驗模型，不僅可以對中醫學概念、理論、方法的客觀性、有效性、實用性進行證實，而且有前瞻性和預測性。

關鍵詞：計算機仿真；復雜系統；中醫學；面向對象程序設計 計算機仿真技術提供了適合中醫學理論的實驗室

科學技術的不斷進步，推動著整個人類社會的發展，計算機的出現，使人類社會由工業社會向后工業社會——信息社會過渡。我國著名的科學家錢學森說：“我們所設計的信息體系簡直可以包括全部人類千百年來創造的、而且還在不斷創造的精神財富。而這全部精神財富可以由我們每個人隨手調用和享受。這不但是從舊的腦力勞動中解放出來，而且是獲得一個偉大的世界，從來未有的高度文化的世界。……人將變得更為聰明，人類的前進步伐更將加快。”這位大科學家以前所未有的高度論述了由計算機引起的這場技術革命。隨著計算機技術的發展，一種嶄新的學科——仿真學誕生了，從新藥品的仿真測試到行星和星系的創生模型，以及計算機化培養皿中生長的數字生命形式，這是一種新的方法，不是基于直接的觀察和實驗，而是基于從真實空間向虛擬空間的映射。雖然這項工作仍處于起歩階段，但已足以讓每一顆好奇的心欣喜若狂。在這樣一個偉大的時代，古老的中醫學面臨著前所未有的機遇和挑戰。怎樣將計算機科學與技術融入中醫學領域，是一個值得深思和大膽嘗試的問題。值得慶幸的是，計算機仿真是建立在復雜系統理論基礎上的，而中醫學理論所描述的正是這樣一個復雜系統。

當伽俐略第一次拿起望遠鏡仰望太空時，他為人類創造了科學方法，即用實驗來檢驗關于世界如何成其為世界的種種假說。于是有了擁有試管、曲頸瓶和本生燈的化學實驗室，用來探測物質內核的價值連城的粒子加速器，以及在任何生物實驗室都能看到的解剖青蛙和用顯微鏡觀察植物細胞。然而，這些都是僅適用于簡單系統中物質結構研究的實驗室。現代理論物理學家薛定諤（Erwin Schrodinger）在《生命是什么？》一書中寫道：“只要我們涉及活物質的結構，我們就必須面對這樣一個事實：它是以不能還原成通常的物理學定律的方式起作用的。原因不在于某種‘新的力’或某種類似的東西支配著活的機體中的一個個原子，而是其結構不同于任何我們已從試驗室研究中認識的東西。”[1]也正因如此，尤其是對于與西醫學思維方式大相徑庭的中醫學理論，實驗室研究一直是一籌莫展，經絡實質的研究無功而返，各種“證”的實驗模型設計令人啼笑皆非，中藥的研究幾乎與中醫理論毫不相干……中醫學所構建的龐大而復雜的系統難以在簡單系統的實驗室中得到驗證，這是不難理解的。計算機仿真學的出現真值得每一位中醫界的同仁為此干上一杯，因為這一方法的出現能使中醫學多年的“科學夢”成為現實！雖然計算機仿真學正在起步? 舛災幸窖Ю此等詞悄訓玫幕觶喚隹梢越銥涔爬隙衩氐拿嬪矗矣型幸窖Т蚩簧刃碌拇竺牛馗憷姆⒄箍占洹?nbsp;

而將計算機仿真技術運用于中醫學，面向對象程序設計是一個關鍵環節，下面將面向對象程序設計作一簡要介紹。面向對象程序設計（OOp）概述

面向對象程序設計簡稱OOp，是Object-Oriented programming的縮寫。面向對象是與面向過程相對而言的，傳統的程序設計語言,如Ｃ語言，是面向過程的結構化程序設計語言，這種語言在２０世紀８０年代非常流行。隨著軟件業的發展，軟件的規模越來越大，導致軟件的生產、調試、維護越來越困難，因而發生了軟件危機。人們期待著一種效率更高，更加容易理解，更加符合人類思維習慣的程序設計語言，ＯＯＰ就是在這種情況下應運而生的。在２０世紀９０年代，ＯＯＰ異軍突起，成為最有希望，最有活力的程序設計方法。

①面向對象與面向過程的區別

計算機沒有思想，人必須明確地告訴它如何運算，每一步做什么。站在這種計算機的角度進行程序設計，就是面向過程的方法。如：用計算機模擬一只貓捉老鼠的過程，程序員必須告訴計算機每一步貓的具體的動作。如果用面向對象的程序設計方法來做，就可以把貓作為一個獨立的對象，貓會奔跑，貓會捉老鼠，這些是它的固有屬性，被封裝在貓這個對象之中，所以，只需給出老鼠出現的信息，貓就會自動去捉。與面向過程相比，面向對象的方法更符合人的思維習慣。

②對象與類的概念

對象與類是面向對象方法中的兩個基本概念。客觀世界中實體的抽象構成對象，任何事物都可以作為一個對象，如一個人、一輛汽車、一個窗口、一個按鈕、一座建筑、一項貸款等等。對象的劃分和定義是靈活的，視需要而定。具有相同屬性和行為的一個或多個對象的集合成為一類。類有層次之別，類下可以有子類，類上可以有父類。如：人可分為男人和女人，男人又可以分為兒童、青年、成年、老年等等。類是對象的抽象，對象是類的實例。類的劃分也是靈活的，依需要而定。子類可以作為父類的對象看待。

③對象的特性

對象有以下基本特性：

封裝性：對象是相對獨立的單元，與之相關的數據和操作被封裝在內部，對外是不可見的。對象和對象之間通過信息交換進行聯系。如一只花貓，它是一個相對獨立的個體，它的機體內包含復雜的結構，而這些結構是不可見的。

繼承性：每個對象都從它所屬的類中繼承共性。如一只花貓，它從貓這一類中繼承了貓的共性。

多態性：每個對象都有其特有的屬性，使之區別于其它對象。如一只具體的貓，它與其它貓是不同的，有不同色澤、脾氣、體重等。

④面向對象方法可以用下列方程式來概括：

OO=Objects+Classes+Inheritance+Communication With Messages

即：面向對象＝對象＋類＋繼承＋信息交換

在這里值得注意的是，上面的方程式也可以用作系統的描述，而且容易從中看出簡單系統與復雜系統的區別：簡單系統通常是少量的個體對象，它們之間的相互作用較弱，甚至可以忽略不計，故而可以作為獨立的個體進行研究；而復雜系統中涉及中等數目的對象，不僅如此，對象通常具有智能性與自適應性，它們可以按照各種規則作出決策，隨時準備根據接收到的新信息修改自身的行為規則，故而每一個對象不能獨立的看待，這正符合了中醫學的整體觀。運用面向對象程序設計進行中醫學的計算機仿真

①面向對象方法與中醫學具有相似的思維方式

假使我們想用傳統的面向過程的方法來完成中醫學理論的計算機仿真，不僅是一件難以想象的事，而且是不可能的事，對計算機發出人體生理、病理等過程的每一步指令，既使是在分析還原思維方式指導下對人體結構分解得極細，對人體生化過程了解得極為透徹的西醫學也無能為力，更何況中醫學本身就只重整體，不重結構。而面向對象方法，因其與中醫學在思維方式上有驚人的相似之處，使之運用于中醫學成為可能，成為對中醫學進行計算機仿真的基礎。其相似性體現在中醫學的整體觀與黑箱方法和ＯＯＰ中的對象的特性及其信息交換上。可以將上文中面向對象方法學的方程式用下圖表示： 而這正是黑箱方法的圖形表達。黑箱方法典型地表現在中醫學的藏象學說中。藏象學說是關于人體臟腑功能的學說。古人雖然知道“八尺之士，可以剖而視之。”（《靈樞·脹論》）但又認為“藏府之在胸脅腹里之內，若匣匱之藏禁器也。”（同上）更重要的是，基于不同于西方的思維方式，中國古代對于整體性和運動性的強調，使得中醫學未從解剖入手，分析人體的結構、成分，而是以極簡單的解剖為基礎，構造出了以象為內容的有機的學術體系。由“藏象”之名可知，中醫是以現之于外的象來把握藏之于內的臟的，即“執其見功處見其形”，即黑箱方法。對此《靈樞·順氣一是分為四時》中論述道：“內外相襲，若鼓之應桴，響之應聲，影之似形。”例如《素問·六節藏象論》對心的描述是這樣的：“心者，生之本，神之變也；其華在面，其充在血脈，為陽中之太陽，通于夏氣。”其它四臟與此相仿。由此可以看出，這里的心己不是解剖學中的有一定形態結構之心，而是一系列相關的生命活動的表現在人腦中形成的綜合的象。它不具有實體性，卻正好可以作為面向對象方法學中的一個對象來看待。推而廣之，中醫學中的其它概念，如氣、血、津液、精、神、經絡等，都可以作為一個個對象，對象之間通過信息的交換，相互密切聯系，從而形成一個復雜系統，中醫學的計算機仿真便可由此開始。

②中醫學的計算機仿真應用前景

用計算機仿真學對中醫學中的概念、現象、原理、機制等進行模擬，可以建立各種模型，服務于教學、科研、臨床。主要可以用于建設生理模型、病證模型、實驗模型。

生理模型：在中醫學中五臟、六腑、氣、血、津、液、經絡、筋、脈、骨、髓等，都可以構成相對獨立的對象，賦予每個對象適當的屬性，對象具有智能性與自適應性，它們可以按照各自的屬性作出決策，并隨時準備根據接收到的新信息修改自身的行為規則，它們之間通過信息交換互相聯系，構成一個復雜系統，這一復雜系統即人體。在此基礎上很容易就可以建立人體的病理模型。下圖是生理模型的簡單圖示，實際中的生理模型還要復雜的多。

（圖略）

病證模型：中醫學中的證是非常復雜的，也是獨具特色的。辨證論治非常靈活，以哮喘為例，說明中醫病證模型的組建。哮喘發病，總因本虛標實，其病位雖在肺，但與脾、腎密切相關，先天不足后天失養造成肺、脾、腎不足是哮喘發病的內在原因。正氣不足就易感外邪，感邪而產生風、寒、熱、痰、濕、瘀、氣等諸多病理因素，一些病理因素作用于肺，是發生哮喘的外在原因。如下圖所示，運用ＯＯＰ將各種因素的特性封裝起來，作為對象，它們之間相互聯系，就可以建造哮喘的病證模型，輸入相應的信息，就可以得出諸如肺脾兩虛，寒痰蘊肺；肺腎不足，腎不納氣；風寒外束，痰熱內阻等證型，有力地指導臨床實踐。

（圖略）

實驗模型：正如在汽車研制中需要的碰撞實驗可以用計算機模擬代替，中醫學中的實驗也可以用計算機模擬來代替。這樣就可以提高效率，降低消耗。比如可以建立中藥模型庫、方劑模型庫、病因模型庫、生理模型庫、病證模型庫，如下圖所示，中藥模型庫和方劑模型庫作用于病證模型庫，就可以模擬出對于某種病證的最佳治療方案，選擇最佳藥物及最佳方劑。病因模型庫作用于生理模型庫，生理就可以模擬出在某些致病因素下，人體生理的變化，疾病的發生、發展、及轉歸。這些都可以為中醫學研究工作提供有力的參考。

（圖略）小結

運用面向對象程序設計進行中醫學的計算機仿真，不僅可以提高教學、科研、臨床的生產力，節省大量的人力、物力、財力，而且可以屏棄簡單系統實驗室的不足，為中醫學提供實驗的空間。十六世紀，伽利略通過引入可重復的受控實驗室的思想，開創了近代科(本文權屬文秘之音所有，更多文章請登陸www.tmdps.cn查看)學的實踐，目前這一思想成為判定延續幾千年的中醫學是否科學的依據，而這一思想的中心在于能夠實施一些實驗，以檢驗關于待研究現象的假說。運用面向對象程序設計進行中醫學的計算機仿真不僅可以對中醫學概念、理論、方法的客觀性、有效性、實用性進行證實，而且有前瞻性和預測性。

引入計算機仿真技術是中醫學科研的大勢所趨，也是目前將當代最前沿的信息技術與最古老的中醫學相結合的最佳契機,這里有大量的工作尚待有志者去完成。

參考文獻：

[1] [德]克勞斯·邁因策爾 著，曾國屏 譯.復雜性中的思維.北京：中央編譯出版社，2000：111.