第一篇：電力電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真

《電力電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真》

題目：方波逆變電路的計(jì)算機(jī)仿真

前言

電力電子技術(shù)綜合了電子電路、電機(jī)拖動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制等多學(xué)科知識(shí)，是一門(mén)實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。由于電力電子器件自身的開(kāi)關(guān)非線性，給電力電子電路的分析帶來(lái)了一定的復(fù)雜性和困難，一般常用波形分析的方法來(lái)研究。仿真技術(shù)為電力電子電路的分析提供了嶄新的方法。

我們?cè)陔娏﹄娮蛹夹g(shù)課程的教學(xué)中引入了仿真，對(duì)于加深學(xué)生對(duì)這門(mén)課程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，學(xué)生的想法可以通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力很有意義，并且可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)是本課程的重要組成部分，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件畢竟是有限的，也受到學(xué)時(shí)的限制。而仿真實(shí)訓(xùn)不受時(shí)間、空間和物質(zhì)條件的限制，學(xué)生可以在課外自行上機(jī)。仿真在促進(jìn)教學(xué)改革、加強(qiáng)學(xué)生能力培養(yǎng)方面起到了積極的推動(dòng)作用。

【關(guān)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(fā)脈沖波形的產(chǎn)生

二、雙極性SPWM觸發(fā)脈沖波形的產(chǎn)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(jié)果分析 第六章 心得體會(huì) 第七章 參考文獻(xiàn)

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(shù)是一門(mén)新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力變換。

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

一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出的第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的，電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管和晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。此前就已經(jīng)有用于電力變換的電子技術(shù)，所以晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱(chēng)為電力電子技術(shù)的史前或黎明時(shí)期。70年代后期以門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場(chǎng)效應(yīng)管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件全速發(fā)展（全控型器件的特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)門(mén)極既柵極或基極的控制既可以使其開(kāi)通又可以使其關(guān)斷），使電力電子技術(shù)的面貌煥然一新進(jìn)入了新的發(fā)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(fù)合）為代表的復(fù)合型器件集驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，通態(tài)壓降小，在流能力大于一身，性能優(yōu)越使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，體積減小，常常把若干個(gè)電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，后來(lái)又把驅(qū)動(dòng)，控制，保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)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(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向

利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模電能變換的技術(shù)，有時(shí)也稱(chēng)為功率電子技術(shù)。一般情況下，它是將一種形式的工業(yè)電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的工業(yè)電能。例如，將交流電能變換成直流電能或?qū)⒅绷麟娔茏儞Q成交流電能；將工頻電源變換為設(shè)備所需頻率的電源；在正常交流電源中斷時(shí)，用逆變器（見(jiàn)電力變流器）將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應(yīng)用電力電子技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)非電能與電能之間的轉(zhuǎn)換。例如，利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能。與電子技術(shù)不同，電力電子技術(shù)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(guān)注的是所能轉(zhuǎn)換的電功率。

電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動(dòng)控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大功率的電技術(shù)，又大多是為應(yīng)用強(qiáng)電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類(lèi)。電力電子技術(shù)的內(nèi)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(tǒng)。電力電子器件以半導(dǎo)體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué)；它的工藝技術(shù)為半導(dǎo)體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點(diǎn)和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開(kāi)發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護(hù)、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(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，組成了各種用途的整機(jī)，稱(chēng)為電力電子裝置。這些裝置常與負(fù)載、配套設(shè)備等組成一個(gè)系統(tǒng)。電子學(xué)、電工學(xué)、自動(dòng)控制、信號(hào)檢測(cè)處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。

二、MATLAB軟件介紹

MATLAB 是一個(gè)功能強(qiáng)大的常用數(shù)學(xué)軟件, 它不但可以解決數(shù)學(xué)中的數(shù)值計(jì)算問(wèn)題, 還可以解決符號(hào)演算問(wèn)題, 并且能夠方便地繪出各種函數(shù)圖形。由于MATLAB帶有一些強(qiáng)大的具有特殊功能的工具箱，而且隨著近年來(lái)它的版本不斷升級(jí)，所含的工具箱功能越來(lái)越豐富，工具越來(lái)越多，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，涵蓋了當(dāng)今幾乎所有的工業(yè)、電子、醫(yī)療、建筑等各領(lǐng)域，MATLAB自1984年由美國(guó)的MathWorks公司推向市場(chǎng)以來(lái)，歷經(jīng)十幾年的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)已成為國(guó)際最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。

MATLAB中的仿真集成環(huán)境Simulink工具箱，是進(jìn)行系統(tǒng)分析與射擊隊(duì)有力工具。Simulink是一個(gè)圖形化的建模工具，具有兩個(gè)顯著功能：SIMU（仿真）和LINK（連接）。用來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析的軟件包，不但支持線性系統(tǒng)仿真，也支持非線性系統(tǒng)；既可以進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)，也可以進(jìn)行離散系統(tǒng)仿真。

Simulink提供了各種仿真工具，尤其是它不斷擴(kuò)展的、內(nèi)容豐富的模塊庫(kù)，為系統(tǒng)的仿真提供了極大便利。在 Simulink平臺(tái)上，拖拉和連接典型模塊就可以繪制仿真對(duì)象的模型框圖，并對(duì)模型進(jìn)行仿真。在Simulink平臺(tái)上仿真模型的可讀性很強(qiáng)，這就避免了在 MATLAB 窗口使用 MATLAB 命令和函數(shù)仿真時(shí)，需要熟悉記憶大量 M 函數(shù)的麻煩，對(duì)廣大工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是最好的福音?，F(xiàn)在的MATLAB都同時(shí)捆綁了Simulink，Simulink的版本也在不斷地升級(jí)，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(jīng)不再是單純的“矩陣實(shí)驗(yàn)室”了，它已經(jīng)成為一個(gè)高級(jí)計(jì)算 和仿真平臺(tái)。

Simulink原本是為控制系統(tǒng)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(shù)等問(wèn)題。它能支持連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真，支持連續(xù)離散混合系統(tǒng)的仿真，也支持線性和非線性系統(tǒng)的仿真，并且支持多種采樣頻率(Multirate)系統(tǒng)的仿真，也就是不同的系統(tǒng)能以不同的采樣頻率組合，這樣就可以仿真較大、較復(fù)雜的系統(tǒng)。因此，各科學(xué)領(lǐng)域根據(jù)自己的仿真需要，以MATLAB為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了大量的專(zhuān)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(kù)。Simulink 的模塊庫(kù)實(shí)際上就是用 MATLAB 基本語(yǔ)句編寫(xiě)的子程序集?，F(xiàn)在Simulink模塊庫(kù)有三級(jí)樹(shù)狀的子目錄，在一級(jí)目錄下就包含了Simulink最早開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)計(jì)算工具箱、控制系統(tǒng)工具箱的內(nèi)容，之后開(kāi)發(fā)的信號(hào)處理工具箱(DSP Blocks)、通信系統(tǒng)工具箱(Comm)等也并行列入模塊庫(kù)的一級(jí)子目錄，逐級(jí)打開(kāi)模塊庫(kù)瀏 覽器(Simulink Library Browser)的目錄，就可以看到這些模塊。

Simulink創(chuàng)建模型、仿真的過(guò)程方法介紹如下：

1、Simulink建模

一個(gè)典型的Simulink模型由信號(hào)源模塊、被模擬的系統(tǒng)模塊和輸出顯示 模塊三個(gè)類(lèi)型模塊構(gòu)成。其基本特點(diǎn)有： 1)Simulink提供許多的Scope（示波器）接收器模塊，使得Simulink進(jìn)行仿真具有圖形化顯示效果；

2)Simulink模型具有層次性，通過(guò)底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng)； 3)Simulink提供對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行封裝功能，用戶(hù)可以自定義子系統(tǒng)的圖標(biāo)和設(shè)置參數(shù)對(duì)話框。

2、Simulink仿真基本過(guò)程

1)打開(kāi)一個(gè)空白的Simulink模塊窗口；

2)進(jìn)入Simulink模塊庫(kù)瀏覽界面，將相應(yīng)模塊庫(kù)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(shù)； 4)將各模塊按給定框圖連接，搭建所需系統(tǒng)模型；仿真觀察結(jié)果，修正參數(shù)； 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(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。同我們?cè)趯W(xué)習(xí)電子技術(shù)基礎(chǔ)時(shí)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(dǎo)體器件兩類(lèi)。

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(shù)。

2）因?yàn)樘幚淼碾姽β瘦^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(kāi)關(guān)狀態(tài)。

3）在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。4）盡管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但是電力電子器件自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)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(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，不僅在器件封裝上比較講究散熱設(shè)計(jì)，而且在其工作時(shí)一般都還需要安裝散熱器。

此外，電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和電力電子器件為核心的組成一個(gè)系統(tǒng)。

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(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，當(dāng)時(shí)也被稱(chēng)為半導(dǎo)體整流器(Semiconductor Rectifier——SR)。雖然是不可控器件，但結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠。

電力二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣，以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)，由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。由于PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，所以二極管是一個(gè)正方向單向?qū)щ?、反方向阻斷的電力電子器件?/p>

從外形上看，主要有螺栓型平板型兩種封裝。

a)結(jié)構(gòu)圖 b)電器圖形符號(hào)

1、電力二極管特性 1)靜態(tài)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(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門(mén)檻電壓UTO），正向電流才開(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。)動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性——因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，此過(guò)程中的電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的。

開(kāi)關(guān)特性——反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程。關(guān)斷過(guò)程：

a）須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)； b）在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。

IdiFFudti trriFtdtfUFUFP

tFt0t1t2t URdiRuF 2Vdt

IRP0tfrtURP

b)a)

a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

開(kāi)通過(guò)程：

電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。

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

2、電力二極管測(cè)試單元電路 電力二極管測(cè)試單元電路就是通過(guò)基本電路驗(yàn)證電路二極管的工作特性。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，二極管上有電流流過(guò)，但沒(méi)有電壓；當(dāng)二極管截止時(shí)，二極管上沒(méi)有電流流過(guò)，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(shù)說(shuō)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(jié)果分析：

由于電力二極管的內(nèi)阻很小，所以管壓降可以忽略不計(jì)。在此條件下，仿真波形是滿(mǎn)足條件的。由仿真波形可以看出，當(dāng)電力二極管上的電壓大于零時(shí)，電力二極管上流過(guò)的電流是大于零的；當(dāng)電力二極管上的電壓變負(fù)值時(shí)，電力二極管上流過(guò)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(chēng)為可控硅SCR,普通晶閘管是一種具有開(kāi)關(guān)作用的大功率半導(dǎo)體器件。目前，晶閘管的容量水平已達(dá)8kV／6kA。

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

晶閘管的基本特點(diǎn)有三個(gè)：

(1)欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個(gè)條件有：

① 應(yīng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加上正向電壓。② 應(yīng)在晶閘管的門(mén)極與陰極之間也加上正向電壓和電流。

(2)晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)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(guān)斷，必須使其陽(yáng)極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽(yáng)極電壓減小到零或反向的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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(gè)區(qū)，即反向擊穿區(qū)、反向阻斷區(qū)、正向阻斷區(qū)、負(fù)阻區(qū)和正向?qū)▍^(qū)。大多數(shù)情況下，晶閘管的應(yīng)用電路均工作在正向阻斷和正向?qū)▋蓚€(gè)區(qū)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(gè)主要參數(shù)來(lái)表征：

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

②正向轉(zhuǎn)折電壓VB0:是指在額定結(jié)溫及控制極開(kāi)路的條件下，在陽(yáng)極和陰極間加以正弦波半波正向電壓，使其由關(guān)斷狀態(tài)發(fā)生正向轉(zhuǎn)折變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)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(jié)溫下，陽(yáng)極和陰極間加以正弦波反向電壓，當(dāng)其反向漏電流急劇上升時(shí)所對(duì)應(yīng)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(guī)定的條件下，當(dāng)通過(guò)的電流為其額定電流時(shí)，晶閘管陽(yáng)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(dǎo)通的最小電流。

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

⑨導(dǎo)通時(shí)間tg((ton):從在晶閘管的控制極加上觸發(fā)電壓VGT開(kāi)始到晶閘管導(dǎo)通，其導(dǎo)通電流達(dá)到90%時(shí)的這一段時(shí)間稱(chēng)為導(dǎo)通時(shí)間。

⑩關(guān)斷時(shí)間tg(toff):從切斷晶閘管的工向電流開(kāi)始到控制極恢復(fù)控制能力的這一段時(shí)間稱(chēng)為關(guān)斷時(shí)間。

此外，晶閘管還有一些其他參數(shù)，例如，為了使晶閘管能可靠地觸發(fā)導(dǎo)通，對(duì)加在控制極上的觸發(fā)脈沖寬度是有一定要求的;為使晶閘管能可靠地關(guān)斷，對(duì)晶閘管的工作頻率也有一定的規(guī)定;為避免晶閘管損壞，對(duì)控制極的反向電壓也有一定的要求。

2、晶閘管測(cè)試單元電路

晶閘管的測(cè)試電路如下：

參數(shù)說(shuō)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(jié)果分析：

由于晶閘管是半控型器件，所以接在門(mén)極的脈沖只起到觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通的作用，一旦晶閘管導(dǎo)通，則它跟電力二極管的一樣的。上圖所示的波形為觸發(fā)脈沖的相角為0度時(shí)的測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)晶閘管兩端的電壓大于零時(shí)，晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通；當(dāng)晶閘管兩端的電壓由正變負(fù)時(shí)，晶閘管截止，其上流過(guò)的電流變?yōu)榱恪?/p>

三、IGBT特性介紹

IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)BJT。從圖中我們還可以看到在集電極和發(fā)射極之間存在著一個(gè)寄生晶閘管，寄生晶閘管有擎住作用。采用空穴旁路結(jié)構(gòu)并使發(fā)射區(qū)寬度微細(xì)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(qū)較寬，因此可以阻斷很高的反向電壓。

IGBT工作原理：

當(dāng)UDS＜0時(shí)，J3PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。當(dāng)UDS＞0時(shí)，分兩種情況：

①

若門(mén)極電壓UG＜開(kāi)啟電壓UT，IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。②

若門(mén)極電壓UG＞開(kāi)啟電壓UT，IGBT正向?qū)?。IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)：

(1)柵極驅(qū)動(dòng)電路對(duì)IGBT的影響

① 正向驅(qū)動(dòng)電壓+V增加時(shí)，IGBT輸出級(jí)晶體管的導(dǎo)通壓降和開(kāi)通損耗值將下降，但并不是說(shuō)+V值越高越好。

② IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，柵射極施加的反偏壓有利于IGBT的快速關(guān)斷。③ 柵極驅(qū)動(dòng)電路最好有對(duì)IGBT的完整保護(hù)能力。

④ 為防止造成同一個(gè)系統(tǒng)多個(gè)IGBT中某個(gè)的誤導(dǎo)通，要求柵極配線走向應(yīng)與主電流線盡可能遠(yuǎn)，且不要將多個(gè)IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)線捆扎在一起。

2)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)滿(mǎn)足的條件：

① 柵極驅(qū)動(dòng)電壓脈沖的上升率和下降率要充分大。

② 在IGBT導(dǎo)通后，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要具有足夠的幅度。

③ 柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗應(yīng)盡可能地低。

柵極驅(qū)動(dòng)條件與IGBT的特性密切相關(guān)。設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，應(yīng)特別注意開(kāi)通特性、負(fù)載短路能力和引起的誤觸發(fā)等問(wèn)題

1、IGBT的工作特性

1）靜態(tài)特性

a)IGBT的伏安特性

b)IGBT的開(kāi)關(guān)特性

IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)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(qū)1、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。

IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓Ugs(th)時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id 與Ugs呈線性關(guān)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(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò)MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on)可用下式表示：

Uds(on)＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh

式中Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴(kuò)展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。

通態(tài)電流Ids 可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流過(guò)MOSFET 的電流。

由于N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 ～ 3V。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。

2）動(dòng)態(tài)特性

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

IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)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?yàn)镮GBT柵極-發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。

IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開(kāi)啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)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(cè)試單元電路

IGBT仿真電路圖如下：

參數(shù)說(shuō)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(jié)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(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

V1和V2柵極信號(hào)各半周正偏、半周反偏，互補(bǔ)。uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2，io波形隨負(fù)載而異，感性負(fù)載時(shí)，圖1-3b，V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量，VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋，VD1、VD2稱(chēng)為反饋二極管，還使io連續(xù)，又稱(chēng)續(xù)流二極管。

2、全橋逆變電路 2.1電路結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

兩個(gè)半橋電路的組合。1和4一對(duì)，2和3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，交替各導(dǎo)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(yīng)用最多的。

可采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱(chēng)為移相調(diào)壓。各柵極信號(hào)為180o正偏，180o反偏，且V1和V2互補(bǔ)，V3和V4互補(bǔ)關(guān)系不變。V3的基極信號(hào)只比V1落后q(0

1、電路結(jié)構(gòu)

2.工作原理 圖中應(yīng)用GTO作為逆變開(kāi)關(guān)，也可用其它全控型器件構(gòu)成逆變器，若用晶閘管時(shí)，還應(yīng)有強(qiáng)迫換流電路。從電路結(jié)構(gòu)上看，如果把三相負(fù)載看成三相整流變壓器的三個(gè)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(lián)，其中可控電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)直流到交流的逆變，不可控電路為感性負(fù)載電流提供續(xù)流回路，完成無(wú)功能量的續(xù)流和反饋，因此D1～D6稱(chēng)為續(xù)流二極管或反饋二極管。

在三相橋式逆變電路中，各管的導(dǎo)通次序同整流電路一樣，也是T1、T2、T3??T6、T1??各管的觸發(fā)信號(hào)依次互差60°。根據(jù)各管的導(dǎo)通時(shí)間可以分為180° 導(dǎo)通型和120°導(dǎo)通型兩種工作方式，在180°導(dǎo)通型的逆變電路中，任意瞬間都有三只管子導(dǎo)通，各管導(dǎo)通時(shí)間為180°，同一橋臂中上下兩只管子輪流導(dǎo)通，稱(chēng)為互補(bǔ)管。在120°導(dǎo)通型逆變電路中，各管導(dǎo)通120°，任意瞬間只有不同相的兩只管子導(dǎo)通，同一橋臂中的兩只管子不是瞬時(shí)互補(bǔ)導(dǎo)通，而是有60°的間隙時(shí)間，當(dāng)某相中沒(méi)有逆變管導(dǎo)通時(shí)，其感性電流經(jīng)該相中的二極管流通。

3、導(dǎo)通方式及基本參數(shù)

在180°導(dǎo)通型的三相逆變器中，每隔60°的各階段其等效電路及相應(yīng)相電壓、線電壓數(shù)值如圖所示。

三．PWM控制基本原理

1、PWM控制

PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)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(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，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(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。上述原理稱(chēng)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(gè)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(guī)律變化。如果把上述脈沖列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)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(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形?？梢?jiàn)，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(gè)全橋開(kāi)關(guān)電路，將輸人的市電經(jīng)整流濾波后以直流電壓供給逆變器，在逆變電路中，單片機(jī)對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)進(jìn)行控制。首先由SPWM產(chǎn)生電路產(chǎn)生兩個(gè)相位相差180℃的SPWM波形(PWN1，和PWM2)。PWM1、PWM2各經(jīng)兩路隔離驅(qū)動(dòng)輸出四路控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)4只ICBT。

逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合，PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。

3、PWM逆變電路的計(jì)算法 根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。但本方法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。

4、PWM逆變電路的調(diào)制法

輸出波形作調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行調(diào)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(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱(chēng)；與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，符合PWM的要求。

調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，也能得到等效的PWM波。

以單相橋式PWM逆變電路為例說(shuō)明。單相橋式PWM逆變電路的原理圖如下所示。設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)。控制規(guī)律：u0正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷，負(fù)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(fù)，負(fù)載電流為正區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，u0等于Ud，V4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)V1和VD3續(xù)流，u0 =0，負(fù)載電流為負(fù)區(qū)間，i0為負(fù)，實(shí)際上從VD1和VD4流過(guò)，仍有u0=Ud，V4斷，V3通后，i0從V3和VD4續(xù)流，u0 =0，u0總可得到Ud和零兩種電平。

U0負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)?，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(fā)脈沖波形的產(chǎn)生

1、電路結(jié)構(gòu)

在Simulink的“Source”庫(kù)中選擇“Clock”模塊，以提供仿真時(shí)間t,乘以2∏f后再通過(guò)一個(gè)“sin”模塊即為sinwt，乘以調(diào)制比m后可得到所需的正弦波調(diào)制信號(hào)。三角載波信號(hào)由“Source”庫(kù)中的“Repeating Sequence”模塊產(chǎn)生,正確設(shè)置參數(shù)，三角波經(jīng)過(guò)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(fā)脈沖波形的產(chǎn)生

1、電路結(jié)構(gòu)

同上，在Simulink的“Source”庫(kù)中選擇“Clock”模塊，以提供仿真時(shí)間t,乘以2∏f后再通過(guò)一個(gè)“sin”模塊即為sinwt，乘以調(diào)制比m后可得到所需的正弦波調(diào)制信號(hào)。三角載波信號(hào)由“Source”庫(kù)中的“Repeating Sequence”模塊產(chǎn)生,正確設(shè)置參數(shù)，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(diào)制深度m設(shè)置為0.5，輸出基波頻率設(shè)為50Hz，載波頻率設(shè)為基波的15倍，即750Hz，仿真時(shí)間設(shè)為0.04s，在powergui中設(shè)置為離散仿真模式，采樣時(shí)間設(shè)為1e-005s，運(yùn)行后可得仿真結(jié)果，輸出交流電壓，交流電流和直流電流如下圖所示：

對(duì)上圖中的輸出電壓uo進(jìn)行FFT分析，得如下分析結(jié)果：

由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15時(shí)，輸出電壓的基波電壓的幅值為U1m=150.9V，基本滿(mǎn)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(shí)的THD達(dá)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(fā)生模塊改為雙極性SPWM發(fā)生模塊即可。

參數(shù)設(shè)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(diào)制深度m設(shè)置為0.5，輸出基波頻率設(shè)為50Hz，載波頻率設(shè)為基波的15倍（750Hz），仿真時(shí)間設(shè)為0.06s，在powergui中設(shè)置為離散仿真模式，采樣時(shí)間設(shè)為1e-005s，運(yùn)行后可得仿真結(jié)果，輸出交流電壓，交流電流和直流側(cè)電流如下圖所示：

同樣，對(duì)上圖中的輸出電壓uo進(jìn)行FFT分析，得如下分析結(jié)果

由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15時(shí)，輸出電壓的基波電壓的幅值為U1m=152V，基本滿(mǎn)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(shí)的THD達(dá)到260.21%。

第五章 仿真結(jié)果分析

由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15時(shí)，輸出電壓的基波電壓的幅值為U1m=152V，基本滿(mǎn)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(shí)的THD達(dá)到260.21%

第六章 心得體會(huì)

1、通過(guò)電力電子仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(duì)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(xué)習(xí)，提供了另外一種自學(xué)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(shè)計(jì)提供很大的幫助，在分析問(wèn)題時(shí)進(jìn)一步了解電力電子技術(shù)的一些應(yīng)用電路的原理

第七章 參考文獻(xiàn)

【1】韓利竹等編著 MATLAB 電子仿真與應(yīng)用 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001 【2】鄭智琴編著 Simulink電子通信仿真與應(yīng)用 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002 【3】王華等編著 Matlab 在電信工程中的應(yīng)用 北京：中國(guó)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(yīng)用 北京：電子工業(yè)出版社，2002 【5】王兆安，黃俊等編著 電力電子技術(shù) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007 【6】李序葆，趙永健等編著 電力電子器件及其應(yīng)用 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996 【7】張立，趙永健等編著 現(xiàn)代電力電子技術(shù) 北京：科學(xué)出版社，1992

第二篇：電力電子及自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

電力電子及自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐贩抡?實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2018.5.11 班級(jí)：自動(dòng)化2班 姓名：

學(xué)號(hào) 1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

利用SIMULINK仿真平臺(tái)繪制仿真電路，通過(guò)設(shè)置模型參數(shù)，來(lái)觀測(cè)仿真結(jié)果。通過(guò)改變晶閘管的控制角，可以調(diào)節(jié)輸出直流電壓和電流的大小。

2.仿真模型及參數(shù)設(shè)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(shù)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(rèn)參數(shù) 負(fù)載RLC選擇RL。R為0.5，L為10e-3 脈沖發(fā)生器同步頻率為50Hz，脈沖的寬度為10°

3.仿真過(guò)程及結(jié)果分析 4.4.總結(jié)

在軟件上繪制好仿真電路后，進(jìn)行改變參數(shù)時(shí)有些地方還是不知道其意義，仿真計(jì)算完成后，通過(guò)示波器觀察仿真的結(jié)果。電阻性負(fù)載仿真分析得到電壓和電流都是脈動(dòng)的直流，反應(yīng)了電源的交流電經(jīng)過(guò)器后成為了直流電，實(shí)現(xiàn)了整流；

第三篇：系統(tǒng)建模和計(jì)算機(jī)仿真課程總結(jié)

系統(tǒng)建模和計(jì)算機(jī)仿真課程總結(jié)

第一章

1.系統(tǒng)：按照某些規(guī)律結(jié)合起來(lái)，互相作用、互相依存的所有實(shí)體的集合或總和。

模型：真實(shí)對(duì)象、對(duì)象間關(guān)系的特性抽象，描述某些系統(tǒng)本質(zhì)。仿真：通過(guò)對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)以達(dá)到研究系統(tǒng)這個(gè)目的。

2.同態(tài)：系統(tǒng)與模型在行為級(jí)上等價(jià)。同構(gòu)：系統(tǒng)與模型在結(jié)構(gòu)級(jí)上等價(jià)。

黑箱：可觀測(cè)輸入、輸出值，但不知內(nèi)部結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)（通過(guò)輸入和輸出推斷其內(nèi)部結(jié)構(gòu)）

白箱：已知內(nèi)部結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)(灰箱：介于黑箱和白箱之間)3.演繹：應(yīng)用先驗(yàn)理論，補(bǔ)充假設(shè)和推理，通過(guò)數(shù)學(xué)邏輯演繹建模，是一個(gè)從一般（抽象）到特殊（具體）的過(guò)程。

歸納：從系統(tǒng)的行為級(jí)開(kāi)始，逐步獲得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)級(jí)的描述。是一個(gè)從特殊（具體）到一般（抽象）的過(guò)程。推理結(jié)果往往不是唯一解。4.面向?qū)ο蠓抡妫簭娜祟?lèi)認(rèn)識(shí)世界模式出發(fā)，使問(wèn)題空間和求解空間一致，提供更自然直觀、可維護(hù)、可重用的系統(tǒng)仿真框架。

定性仿真：力求非數(shù)字化，以非數(shù)字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結(jié)構(gòu)輸出，通過(guò)定性模型推導(dǎo)系統(tǒng)定性行為描述。

智能仿真：力求非數(shù)字化，以非數(shù)字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結(jié)構(gòu)輸出，通過(guò)定性模型推導(dǎo)系統(tǒng)定性行為描述。

可視化仿真：用于為仿真過(guò)程及結(jié)果增加文本提示、圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)表現(xiàn)，使仿真過(guò)程更加直觀，并能驗(yàn)證仿真過(guò)程是否正確。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真：由計(jì)算機(jī)全部或部分生成的多維感覺(jué)環(huán)境，給參與者產(chǎn)生各種感官信號(hào)，若視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等，使參與者身臨其境。第二章

1.系統(tǒng)建模原則：

（1）可分離原則：系統(tǒng)中的實(shí)體不同程度上均相互關(guān)聯(lián)，結(jié)合建模目標(biāo)合理忽略某些關(guān)聯(lián)。依賴(lài)于系統(tǒng)環(huán)境的界定、系統(tǒng)因素的提煉即約束條件與外部條件的設(shè)定。

（2）合理假設(shè)原則：任何模型的建立均應(yīng)基于某些合理的假設(shè)，以簡(jiǎn)

化模型，有利于仿真的實(shí)現(xiàn)。

（3）因果性原則：系統(tǒng)的輸入和輸出滿(mǎn)足函數(shù)映射關(guān)系。（4）可測(cè)量、選擇原則：輸入量和輸出量可量化。2.系統(tǒng)模型分類(lèi)：（1）根據(jù)模型的時(shí)間集合

連續(xù)時(shí)間模型：時(shí)間用實(shí)數(shù)表示，系統(tǒng)的狀態(tài)可以在任意時(shí)刻點(diǎn)獲得。離散時(shí)間模型：時(shí)間用整數(shù)表示，系統(tǒng)的狀態(tài)可以在離散的時(shí)刻點(diǎn)上獲得，所謂整數(shù)時(shí)間指的是單位時(shí)間的整數(shù)倍。（2）根據(jù)模型的狀態(tài)變量

連續(xù)變化模型：系統(tǒng)中的狀態(tài)變量隨時(shí)間連續(xù)變化。

離散變化模型：系統(tǒng)中的狀態(tài)變量不連續(xù)變化，即在某一時(shí)刻到下一時(shí)刻之間的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)狀態(tài)不發(fā)生變化。（3）其他分類(lèi)

確定性模型和隨機(jī)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(duì)規(guī)則：

先到先服務(wù)(FIFO)：按照到達(dá)次序接受服務(wù)。后到先服務(wù)(LIFO)：按照到達(dá)次序的相反次序接受服務(wù)。隨機(jī)服務(wù)(SIRO)：從等待的客戶(hù)中隨機(jī)選擇客戶(hù)進(jìn)行服務(wù)。優(yōu)先權(quán)服務(wù)(PR)：等待的客戶(hù)具有不同的優(yōu)先權(quán)，給優(yōu)先權(quán)高的客戶(hù)先提供服務(wù)。最短處理時(shí)間先服務(wù)(SPT)：選擇需要服務(wù)時(shí)間最短的客戶(hù)提供服務(wù)。4.層次分析法的基本步驟

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型，該結(jié)構(gòu)圖包括目標(biāo)層，準(zhǔn)則層，方案層。（2）構(gòu)造成對(duì)比較矩陣，從第二層開(kāi)始用成對(duì)比較矩陣和1~9尺度。（3）計(jì)算單排序權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)（對(duì)每個(gè)成對(duì)比較矩陣計(jì)算最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量，利用一致性指標(biāo)、隨機(jī)一致性指標(biāo)和一致性比率做一致性檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)通過(guò)，特征向量（歸一化后）即為權(quán)向量；若不通過(guò)，需要重新構(gòu)造成對(duì)比較矩陣）。

（4）計(jì)算總排序權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)，計(jì)算最下層對(duì)最上層總排序的權(quán)向量。

利用總排序一致性比率進(jìn)行檢驗(yàn)。若通過(guò)，則可按照總排序權(quán)向量表

示的結(jié)果進(jìn)行決策，否則需要重新考慮模型或重新構(gòu)造那些一致性比率較大的成對(duì)比較矩陣。

5.圖解建模法、最小二乘法、層次分析法（AHP）、隨機(jī)數(shù)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(yīng)用《最小二乘法原理》，將實(shí)測(cè)值與擬合公式計(jì)算值

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

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(dǎo)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(jī)數(shù) 線性同余發(fā)生器

x(modm)?axaxii?1?axii?[m]?ma,m選取規(guī)則

○

1隨機(jī)數(shù)序列周期為m/4，依照所要產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)規(guī)模確定m ○2證m是2的指數(shù)冪 ○3p為機(jī)器字長(zhǎng)，k為任意整數(shù)，a取最接近2p/2且滿(mǎn)足a=8k+3或a=8k-3 問(wèn)：生一個(gè)15000個(gè)數(shù)的隨機(jī)序列，m與a該如何取值？

m接近60000，取m=216=65536，機(jī)器字長(zhǎng)為16位。2p/2=28=256；K=32時(shí)，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(duì)向量wi?(w1,w2,...,wn)T歸一化

：nwi?wi/?wj.........(i?1,2,...,n)

j?1（Step4 計(jì)算，作為最大特征根的近似值。）

練習(xí)：

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

第三章

1.集中參數(shù)系統(tǒng)模型的數(shù)值實(shí)現(xiàn)（單步法、歐拉法、梯形法、龍格-庫(kù)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(kù)塔法

基本思想：以幾個(gè)點(diǎn)上函數(shù)y(t)的一階導(dǎo)函數(shù)值的線性組合來(lái)近似替代y(t)在某點(diǎn)的各階導(dǎo)數(shù)，再用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式確定線性組合中的各加權(quán)

系數(shù)。

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(shù)系統(tǒng)模型的數(shù)值實(shí)現(xiàn)（偏微分方程的求解）

人口控制問(wèn)題

定義一個(gè)地區(qū)在t時(shí)刻所有年齡小于r歲的人口總數(shù)為人口函數(shù)F(r,t)，地區(qū)在t時(shí)刻的人口總數(shù)為N(t)，人類(lèi)所能活的最高年齡位rm，則有：F(0,t)?0F(rm,t)?N(t)

假設(shè)：F(r,t)是r,t的連續(xù)函數(shù)，且一階偏導(dǎo)數(shù)也連續(xù)。p(r,t)??F?r?0F(r,t)??r0p(?,t)d??F(0,t)??r0p(?,t)d?r?rm時(shí)，F(xiàn)(r,t)?N(t),所以p(rm,t)?0

3.考慮一維熱傳導(dǎo)方程：

?u?t?a?2u?x2?f(x),0?t?T（1.1）其中a是正常數(shù)，f(x)是給定的連續(xù)函數(shù)?，F(xiàn)在考慮第二類(lèi)初邊值問(wèn)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(shè)f(x)和?(x)在相應(yīng)區(qū)域光滑，并且在x?0,l滿(mǎn)足相容條件，使上述問(wèn)題有惟一充分光滑的解。

用向前差分格式計(jì)算如下熱傳導(dǎo)方程的初邊值問(wèn)題

???u?a?2u?2?0,(a?0是常數(shù))，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(shí)鐘：表示仿真時(shí)間的變化，時(shí)間間隔稱(chēng)為仿真步長(zhǎng)。x??1?1

2.Petri網(wǎng)建模內(nèi)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(jī)數(shù)中選出一部分，使其具有給定1.隨機(jī)變量：符合一定概率密度函數(shù)的變量。

分布的隨機(jī)變量，它可用于產(chǎn)生任意有界的隨機(jī)變量。

基本思路：產(chǎn)生[0,1]區(qū)間上均勻分布的隨機(jī)數(shù)，再轉(zhuǎn)換為正態(tài)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(jī)數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)

例：求

?(4,3)分布的隨機(jī)變量。?(4,3)分布的密度函數(shù)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(dāng)且僅當(dāng)下列三個(gè)條件滿(mǎn)足后，線性同余發(fā)生器具有滿(mǎn)周期；（4）組合法：當(dāng)分布函數(shù)可以表示成若干個(gè)其他分布函數(shù)之和，而這○

2能夠同時(shí)整除m和c的正整數(shù)只有1； 些分布函數(shù)較原來(lái)的分布函數(shù)更易求得其隨機(jī)變量時(shí)，可以采用組合○

3如果q是整除m的素?cái)?shù)(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(jī)變量服從的分布函數(shù)拆分為其他分布函數(shù)的凸組○

4如果m能被4整除，則(a-1)也能被4整除。合，先產(chǎn)生其他分布函數(shù)的隨機(jī)變量，再產(chǎn)生目標(biāo)隨機(jī)變量。

（2）逆變法：獲得隨機(jī)變量的概率分布函數(shù)的反函數(shù)，從而反推隨機(jī)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(shè)存在一個(gè)分布，其密度函數(shù)為f(x)?0.5e?|x|，產(chǎn)生服從該分

布的隨機(jī)變量x。

例：求服從指數(shù)分布的隨機(jī)數(shù)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(jì)算機(jī)仿真讀書(shū)筆記

致的了解。計(jì)算機(jī)仿真讀書(shū)筆記首先，要對(duì)計(jì)算機(jī)仿真的定義，學(xué)科發(fā)展?fàn)顩r，研究的范圍和方法有一個(gè)大

閱讀張英等的《現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)》一文，知道并理解到一下方面：計(jì)算機(jī)仿真是計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真技術(shù)的結(jié)合 產(chǎn)生的一門(mén)學(xué)科，在本文中計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行如下定義：計(jì)算機(jī)仿真是實(shí)體尚不存在或?qū)嶓w存在但在實(shí)體上不易處理，通過(guò)考察相關(guān)參數(shù)，結(jié)合相關(guān)研究領(lǐng)域，建立數(shù)學(xué)模型，然后編程實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)和內(nèi)外環(huán)境變化，達(dá)到全面了解考察實(shí)體的特性。這里的數(shù)學(xué)模型，本人認(rèn)為還應(yīng)當(dāng)擴(kuò)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(shù)的發(fā)展過(guò)程，包括三個(gè)階段，模擬階段，只能依靠實(shí)物進(jìn)行仿真，缺點(diǎn)不能進(jìn)行精細(xì)化仿真，成本還很高；模擬數(shù)字階段，部分使用了數(shù)字技術(shù)，改善了一些模擬階段的缺點(diǎn)；數(shù)字階段，沒(méi)有實(shí)物介入，完全數(shù)字化，可以精確完成很多大型非實(shí)時(shí)性的仿真過(guò)程，仿真的可靠性提高。

對(duì)于仿真的步驟，文中提到：首先獲得相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，再根據(jù)研究目的確定相關(guān)的參數(shù)和特征值，依據(jù)以上這些建立一個(gè)初步的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，調(diào)整參數(shù)，得到一個(gè)改進(jìn)的模型，這是一個(gè)二次建模的過(guò)程。

文章的最后說(shuō)明了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，在軍事，交通、國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用，并強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)仿真關(guān)鍵是建立數(shù)學(xué)模型和提高仿真的可靠性。

之后，我閱讀了徐庚保等寫(xiě)的《計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)述評(píng)》，對(duì)于在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的指導(dǎo)下計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)有了一個(gè)大致的了解。

計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)建的仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)工具。計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)按空間分布主要分為以下三種類(lèi)型：集中式、分布式、嵌入式。: 集中式仿真系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)發(fā)展相類(lèi)似，經(jīng)過(guò)了模擬仿真系統(tǒng)、混合式仿真系統(tǒng)、數(shù)字仿真系統(tǒng)三個(gè)里程碑式的發(fā)展過(guò)程。體系結(jié)構(gòu)上經(jīng)過(guò)了主機(jī)—終端結(jié)構(gòu)、現(xiàn)在向客戶(hù)機(jī)—服務(wù)器模式、集中—分布模式發(fā)展。

分布式仿真系統(tǒng)出現(xiàn)的比較晚，在20世紀(jì)80年代才慢慢發(fā)展起來(lái)，以基于

高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）的分布交互式系統(tǒng)（DIS）為主發(fā)展較快，但對(duì)于高層體系結(jié)構(gòu)研究還有很多的不足之處。

嵌入式仿真系統(tǒng)具有小型化、便于攜帶的特點(diǎn)，一般通過(guò)軟硬件相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真。軟硬件劃分的方法的優(yōu)劣直接決定了嵌入式仿真系統(tǒng)的性能，當(dāng)前對(duì)于軟硬件劃分方法還處于初級(jí)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(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，包括：多層次使用技術(shù)，將使用技術(shù)劃分為5個(gè)層次，有基礎(chǔ)技術(shù)、元、部件技術(shù)、系統(tǒng)級(jí)技術(shù)、應(yīng)用級(jí)技術(shù)，還有集成綜合仿真環(huán)境技術(shù)；邏輯靶場(chǎng)的概念，主要在軍事上模擬演練發(fā)展中建立起來(lái)的，其核心思想是將各仿真系統(tǒng)和技術(shù)集成結(jié)合進(jìn)行綜合評(píng)估。

最后又讀了張鋒的《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與應(yīng)用》一文，加深對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展、步驟、核心技術(shù)和應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)閱讀前面兩篇文章，已經(jīng)對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)有一個(gè)大致的了解，在閱讀本文中又有以下心得體會(huì)；

計(jì)算機(jī)仿真是系統(tǒng)仿真的一個(gè)分支，系統(tǒng)仿真是通過(guò)分析系統(tǒng)的運(yùn)行和行為，來(lái)得到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程和運(yùn)行規(guī)律，系統(tǒng)仿真實(shí)際模擬的是一個(gè)實(shí)際情景的動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析實(shí)物動(dòng)態(tài)運(yùn)行機(jī)制，得到實(shí)物動(dòng)態(tài)運(yùn)行規(guī)律。計(jì)算機(jī)仿真是在系統(tǒng)仿真中使用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)軟件模擬實(shí)際環(huán)境進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)。綜合前文，可以這樣對(duì)計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行定義：計(jì)算機(jī)仿真是以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)和其他物理設(shè)備為實(shí)驗(yàn)工具，用系統(tǒng)仿真模型模擬實(shí)物或設(shè)想的系統(tǒng)試驗(yàn)仿真研究的一門(mén)綜合性的學(xué)科，它具有經(jīng)濟(jì)、可靠、安全、靈活、可多次使用的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于仿真技術(shù)發(fā)展的表述，此文描述與第一篇文獻(xiàn)表述有所差別，綜合以上兩文，我認(rèn)為可以這樣來(lái)說(shuō)明：仿真技術(shù)分三個(gè)階段，第一階段，模擬階段，仿真技術(shù)是利用數(shù)學(xué)模型或物理模型下在具體試驗(yàn)物上進(jìn)行仿真試驗(yàn)。第二階段，混合階段，將模擬仿真技術(shù)與數(shù)字仿真技術(shù)結(jié)合起來(lái)，但這里的數(shù)字仿真技術(shù)不完善，不宜懂得，數(shù)字仿真只局限于數(shù)據(jù)和列表，可讀性差。第三階段，數(shù)字仿真階段，此階段任在不斷發(fā)展中，數(shù)字化中加入了圖形圖像的處理和表達(dá)，還增加了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，增加了一些特殊設(shè)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(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)步驟中，建立數(shù)學(xué)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(gè)好的數(shù)學(xué)模型，確定所研究特定領(lǐng)域的目標(biāo)和邊界，獲得所用到的先驗(yàn)知識(shí)。

本文最后簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算機(jī)仿真在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中各行各業(yè)的應(yīng)用。

這樣通過(guò)上述三篇文獻(xiàn)的閱讀，對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)概念，發(fā)展、實(shí)施步驟及廣泛應(yīng)用有了一定地了解，下一步就要用這些原理方法進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用。

第五篇：中醫(yī)學(xué)理論計(jì)算機(jī)仿真初探

摘 要：雖然中醫(yī)學(xué)所構(gòu)建的龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)難以在簡(jiǎn)單系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室中得到驗(yàn)證，但現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為中醫(yī)學(xué)提供了復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室。而面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)與中醫(yī)學(xué)相似的思維方式使之成為可能。運(yùn)用這一技術(shù)可以作出諸如中醫(yī)學(xué)意義上的生理、病證、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，不僅可以對(duì)中醫(yī)學(xué)概念、理論、方法的客觀性、有效性、實(shí)用性進(jìn)行證實(shí)，而且有前瞻性和預(yù)測(cè)性。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真；復(fù)雜系統(tǒng)；中醫(yī)學(xué)；面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)提供了適合中醫(yī)學(xué)理論的實(shí)驗(yàn)室

科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)著整個(gè)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使人類(lèi)社會(huì)由工業(yè)社會(huì)向后工業(yè)社會(huì)——信息社會(huì)過(guò)渡。我國(guó)著名的科學(xué)家錢(qián)學(xué)森說(shuō)：“我們所設(shè)計(jì)的信息體系簡(jiǎn)直可以包括全部人類(lèi)千百年來(lái)創(chuàng)造的、而且還在不斷創(chuàng)造的精神財(cái)富。而這全部精神財(cái)富可以由我們每個(gè)人隨手調(diào)用和享受。這不但是從舊的腦力勞動(dòng)中解放出來(lái)，而且是獲得一個(gè)偉大的世界，從來(lái)未有的高度文化的世界?！藢⒆兊酶鼮槁斆?，人類(lèi)的前進(jìn)步伐更將加快?！边@位大科學(xué)家以前所未有的高度論述了由計(jì)算機(jī)引起的這場(chǎng)技術(shù)革命。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一種嶄新的學(xué)科——仿真學(xué)誕生了，從新藥品的仿真測(cè)試到行星和星系的創(chuàng)生模型，以及計(jì)算機(jī)化培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)的數(shù)字生命形式，這是一種新的方法，不是基于直接的觀察和實(shí)驗(yàn)，而是基于從真實(shí)空間向虛擬空間的映射。雖然這項(xiàng)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(gè)偉大的時(shí)代，古老的中醫(yī)學(xué)面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。怎樣將計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)融入中醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，是一個(gè)值得深思和大膽嘗試的問(wèn)題。值得慶幸的是，計(jì)算機(jī)仿真是建立在復(fù)雜系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上的，而中醫(yī)學(xué)理論所描述的正是這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。

當(dāng)伽俐略第一次拿起望遠(yuǎn)鏡仰望太空時(shí)，他為人類(lèi)創(chuàng)造了科學(xué)方法，即用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)關(guān)于世界如何成其為世界的種種假說(shuō)。于是有了擁有試管、曲頸瓶和本生燈的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，用來(lái)探測(cè)物質(zhì)內(nèi)核的價(jià)值連城的粒子加速器，以及在任何生物實(shí)驗(yàn)室都能看到的解剖青蛙和用顯微鏡觀察植物細(xì)胞。然而，這些都是僅適用于簡(jiǎn)單系統(tǒng)中物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的實(shí)驗(yàn)室?，F(xiàn)代理論物理學(xué)家薛定諤（Erwin Schrodinger）在《生命是什么？》一書(shū)中寫(xiě)道：“只要我們涉及活物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，我們就必須面對(duì)這樣一個(gè)事實(shí)：它是以不能還原成通常的物理學(xué)定律的方式起作用的。原因不在于某種‘新的力’或某種類(lèi)似的東西支配著活的機(jī)體中的一個(gè)個(gè)原子，而是其結(jié)構(gòu)不同于任何我們已從試驗(yàn)室研究中認(rèn)識(shí)的東西?！盵1]也正因如此，尤其是對(duì)于與西醫(yī)學(xué)思維方式大相徑庭的中醫(yī)學(xué)理論，實(shí)驗(yàn)室研究一直是一籌莫展，經(jīng)絡(luò)實(shí)質(zhì)的研究無(wú)功而返，各種“證”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)令人啼笑皆非，中藥的研究幾乎與中醫(yī)理論毫不相干……中醫(yī)學(xué)所構(gòu)建的龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)難以在簡(jiǎn)單系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室中得到驗(yàn)證，這是不難理解的。計(jì)算機(jī)仿真學(xué)的出現(xiàn)真值得每一位中醫(yī)界的同仁為此干上一杯，因?yàn)檫@一方法的出現(xiàn)能使中醫(yī)學(xué)多年的“科學(xué)夢(mèng)”成為現(xiàn)實(shí)！雖然計(jì)算機(jī)仿真學(xué)正在起步? 舛災(zāi)幸窖Ю此等詞悄訓(xùn)玫幕觶喚隹梢越銥涔爬隙衩氐拿嬪?，而且有望为中医学打开一扇新的大门，开拓更为广阔的发展空间?nbsp;

而將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)運(yùn)用于中醫(yī)學(xué)，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，下面將面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)作一簡(jiǎn)要介紹。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（OOp）概述

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)簡(jiǎn)稱(chēng)OOp，是Object-Oriented programming的縮寫(xiě)。面向?qū)ο笫桥c面向過(guò)程相對(duì)而言的，傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,如Ｃ語(yǔ)言，是面向過(guò)程的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，這種語(yǔ)言在２０世紀(jì)８０年代非常流行。隨著軟件業(yè)的發(fā)展，軟件的規(guī)模越來(lái)越大，導(dǎo)致軟件的生產(chǎn)、調(diào)試、維護(hù)越來(lái)越困難，因而發(fā)生了軟件危機(jī)。人們期待著一種效率更高，更加容易理解，更加符合人類(lèi)思維習(xí)慣的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，ＯＯＰ就是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生的。在２０世紀(jì)９０年代，ＯＯＰ異軍突起，成為最有希望，最有活力的程序設(shè)計(jì)方法。

①面向?qū)ο笈c面向過(guò)程的區(qū)別

計(jì)算機(jī)沒(méi)有思想，人必須明確地告訴它如何運(yùn)算，每一步做什么。站在這種計(jì)算機(jī)的角度進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，就是面向過(guò)程的方法。如：用計(jì)算機(jī)模擬一只貓捉老鼠的過(guò)程，程序員必須告訴計(jì)算機(jī)每一步貓的具體的動(dòng)作。如果用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法來(lái)做，就可以把貓作為一個(gè)獨(dú)立的對(duì)象，貓會(huì)奔跑，貓會(huì)捉老鼠，這些是它的固有屬性，被封裝在貓這個(gè)對(duì)象之中，所以，只需給出老鼠出現(xiàn)的信息，貓就會(huì)自動(dòng)去捉。與面向過(guò)程相比，面向?qū)ο蟮姆椒ǜ先说乃季S習(xí)慣。

②對(duì)象與類(lèi)的概念

對(duì)象與類(lèi)是面向?qū)ο蠓椒ㄖ械膬蓚€(gè)基本概念?？陀^世界中實(shí)體的抽象構(gòu)成對(duì)象，任何事物都可以作為一個(gè)對(duì)象，如一個(gè)人、一輛汽車(chē)、一個(gè)窗口、一個(gè)按鈕、一座建筑、一項(xiàng)貸款等等。對(duì)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(gè)或多個(gè)對(duì)象的集合成為一類(lèi)。類(lèi)有層次之別，類(lèi)下可以有子類(lèi)，類(lèi)上可以有父類(lèi)。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(lèi)是對(duì)象的抽象，對(duì)象是類(lèi)的實(shí)例。類(lèi)的劃分也是靈活的，依需要而定。子類(lèi)可以作為父類(lèi)的對(duì)象看待。

③對(duì)象的特性

對(duì)象有以下基本特性：

封裝性：對(duì)象是相對(duì)獨(dú)立的單元，與之相關(guān)的數(shù)據(jù)和操作被封裝在內(nèi)部，對(duì)外是不可見(jiàn)的。對(duì)象和對(duì)象之間通過(guò)信息交換進(jìn)行聯(lián)系。如一只花貓，它是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的個(gè)體，它的機(jī)體內(nèi)包含復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)是不可見(jiàn)的。

繼承性：每個(gè)對(duì)象都從它所屬的類(lèi)中繼承共性。如一只花貓，它從貓這一類(lèi)中繼承了貓的共性。

多態(tài)性：每個(gè)對(duì)象都有其特有的屬性，使之區(qū)別于其它對(duì)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?qū)ο蠓椒梢杂孟铝蟹匠淌絹?lái)概括：

OO=Objects+Classes+Inheritance+Communication With Messages

即：面向?qū)ο螅綄?duì)象＋類(lèi)＋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(tǒng)的描述，而且容易從中看出簡(jiǎn)單系統(tǒng)與復(fù)雜系統(tǒng)的區(qū)別：簡(jiǎn)單系統(tǒng)通常是少量的個(gè)體對(duì)象，它們之間的相互作用較弱，甚至可以忽略不計(jì)，故而可以作為獨(dú)立的個(gè)體進(jìn)行研究；而復(fù)雜系統(tǒng)中涉及中等數(shù)目的對(duì)象，不僅如此，對(duì)象通常具有智能性與自適應(yīng)性，它們可以按照各種規(guī)則作出決策，隨時(shí)準(zhǔn)備根據(jù)接收到的新信息修改自身的行為規(guī)則，故而每一個(gè)對(duì)象不能獨(dú)立的看待，這正符合了中醫(yī)學(xué)的整體觀。運(yùn)用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)進(jìn)行中醫(yī)學(xué)的計(jì)算機(jī)仿真

①面向?qū)ο蠓椒ㄅc中醫(yī)學(xué)具有相似的思維方式

假使我們想用傳統(tǒng)的面向過(guò)程的方法來(lái)完成中醫(yī)學(xué)理論的計(jì)算機(jī)仿真，不僅是一件難以想象的事，而且是不可能的事，對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)出人體生理、病理等過(guò)程的每一步指令，既使是在分析還原思維方式指導(dǎo)下對(duì)人體結(jié)構(gòu)分解得極細(xì)，對(duì)人體生化過(guò)程了解得極為透徹的西醫(yī)學(xué)也無(wú)能為力，更何況中醫(yī)學(xué)本身就只重整體，不重結(jié)構(gòu)。而面向?qū)ο蠓椒?，因其與中醫(yī)學(xué)在思維方式上有驚人的相似之處，使之運(yùn)用于中醫(yī)學(xué)成為可能，成為對(duì)中醫(yī)學(xué)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)。其相似性體現(xiàn)在中醫(yī)學(xué)的整體觀與黑箱方法和ＯＯＰ中的對(duì)象的特性及其信息交換上?？梢詫⑸衔闹忻嫦?qū)ο蠓椒▽W(xué)的方程式用下圖表示： 而這正是黑箱方法的圖形表達(dá)。黑箱方法典型地表現(xiàn)在中醫(yī)學(xué)的藏象學(xué)說(shuō)中。藏象學(xué)說(shuō)是關(guān)于人體臟腑功能的學(xué)說(shuō)。古人雖然知道“八尺之士，可以剖而視之?！保ā鹅`樞·脹論》）但又認(rèn)為“藏府之在胸脅腹里之內(nèi)，若匣匱之藏禁器也?！保ㄍ希└匾氖?，基于不同于西方的思維方式，中國(guó)古代對(duì)于整體性和運(yùn)動(dòng)性的強(qiáng)調(diào)，使得中醫(yī)學(xué)未從解剖入手，分析人體的結(jié)構(gòu)、成分，而是以極簡(jiǎn)單的解剖為基礎(chǔ)，構(gòu)造出了以象為內(nèi)容的有機(jī)的學(xué)術(shù)體系。由“藏象”之名可知，中醫(yī)是以現(xiàn)之于外的象來(lái)把握藏之于內(nèi)的臟的，即“執(zhí)其見(jiàn)功處見(jiàn)其形”，即黑箱方法。對(duì)此《靈樞·順氣一是分為四時(shí)》中論述道：“內(nèi)外相襲，若鼓之應(yīng)桴，響之應(yīng)聲，影之似形?！崩纭端貑?wèn)·六節(jié)藏象論》對(duì)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(yáng)中之太陽(yáng)，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(xué)中的有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)之心，而是一系列相關(guān)的生命活動(dòng)的表現(xiàn)在人腦中形成的綜合的象。它不具有實(shí)體性，卻正好可以作為面向?qū)ο蠓椒▽W(xué)中的一個(gè)對(duì)象來(lái)看待。推而廣之，中醫(yī)學(xué)中的其它概念，如氣、血、津液、精、神、經(jīng)絡(luò)等，都可以作為一個(gè)個(gè)對(duì)象，對(duì)象之間通過(guò)信息的交換，相互密切聯(lián)系，從而形成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，中醫(yī)學(xué)的計(jì)算機(jī)仿真便可由此開(kāi)始。

②中醫(yī)學(xué)的計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用前景

用計(jì)算機(jī)仿真學(xué)對(duì)中醫(yī)學(xué)中的概念、現(xiàn)象、原理、機(jī)制等進(jìn)行模擬，可以建立各種模型，服務(wù)于教學(xué)、科研、臨床。主要可以用于建設(shè)生理模型、病證模型、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

生理模型：在中醫(yī)學(xué)中五臟、六腑、氣、血、津、液、經(jīng)絡(luò)、筋、脈、骨、髓等，都可以構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的對(duì)象，賦予每個(gè)對(duì)象適當(dāng)?shù)膶傩?，?duì)象具有智能性與自適應(yīng)性，它們可以按照各自的屬性作出決策，并隨時(shí)準(zhǔn)備根據(jù)接收到的新信息修改自身的行為規(guī)則，它們之間通過(guò)信息交換互相聯(lián)系，構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，這一復(fù)雜系統(tǒng)即人體。在此基礎(chǔ)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(jiǎn)單圖示，實(shí)際中的生理模型還要復(fù)雜的多。

（圖略）

病證模型：中醫(yī)學(xué)中的證是非常復(fù)雜的，也是獨(dú)具特色的。辨證論治非常靈活，以哮喘為例，說(shuō)明中醫(yī)病證模型的組建。哮喘發(fā)病，總因本虛標(biāo)實(shí)，其病位雖在肺，但與脾、腎密切相關(guān)，先天不足后天失養(yǎng)造成肺、脾、腎不足是哮喘發(fā)病的內(nèi)在原因。正氣不足就易感外邪，感邪而產(chǎn)生風(fēng)、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(fā)生哮喘的外在原因。如下圖所示，運(yùn)用ＯＯＰ將各種因素的特性封裝起來(lái)，作為對(duì)象，它們之間相互聯(lián)系，就可以建造哮喘的病證模型，輸入相應(yīng)的信息，就可以得出諸如肺脾兩虛，寒痰蘊(yùn)肺；肺腎不足，腎不納氣；風(fēng)寒外束，痰熱內(nèi)阻等證型，有力地指導(dǎo)臨床實(shí)踐。

（圖略）

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停赫缭谄?chē)研制中需要的碰撞實(shí)驗(yàn)可以用計(jì)算機(jī)模擬代替，中醫(yī)學(xué)中的實(shí)驗(yàn)也可以用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)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(kù)、方劑模型庫(kù)、病因模型庫(kù)、生理模型庫(kù)、病證模型庫(kù)，如下圖所示，中藥模型庫(kù)和方劑模型庫(kù)作用于病證模型庫(kù)，就可以模擬出對(duì)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(kù)作用于生理模型庫(kù)，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(fā)生、發(fā)展、及轉(zhuǎn)歸。這些都可以為中醫(yī)學(xué)研究工作提供有力的參考。

（圖略）小結(jié)

運(yùn)用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)進(jìn)行中醫(yī)學(xué)的計(jì)算機(jī)仿真，不僅可以提高教學(xué)、科研、臨床的生產(chǎn)力，節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)力，而且可以屏棄簡(jiǎn)單系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的不足，為中醫(yī)學(xué)提供實(shí)驗(yàn)的空間。十六世紀(jì)，伽利略通過(guò)引入可重復(fù)的受控實(shí)驗(yàn)室的思想，開(kāi)創(chuàng)了近代科(本文權(quán)屬文秘之音所有，更多文章請(qǐng)登陸004km.cn查看)學(xué)的實(shí)踐，目前這一思想成為判定延續(xù)幾千年的中醫(yī)學(xué)是否科學(xué)的依據(jù)，而這一思想的中心在于能夠?qū)嵤┮恍?shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)關(guān)于待研究現(xiàn)象的假說(shuō)。運(yùn)用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)進(jìn)行中醫(yī)學(xué)的計(jì)算機(jī)仿真不僅可以對(duì)中醫(yī)學(xué)概念、理論、方法的客觀性、有效性、實(shí)用性進(jìn)行證實(shí)，而且有前瞻性和預(yù)測(cè)性。

引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是中醫(yī)學(xué)科研的大勢(shì)所趨，也是目前將當(dāng)代最前沿的信息技術(shù)與最古老的中醫(yī)學(xué)相結(jié)合的最佳契機(jī),這里有大量的工作尚待有志者去完成。

參考文獻(xiàn)：

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