电力电子系统的计算机仿真

第一篇：电力电子系统的计算机仿真

《电力电子系统的计算机仿真》

题目：方波逆变电路的计算机仿真

前言

电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。仿真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。

我们在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动学生的积极性。实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，也受到学时的限制。而仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制，学生可以在课外自行上机。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。

【关键字】电力电子，MATLAB，仿真。

目录

第一章 电力电子与MATLAB软件的介绍

一、电力电子概况

二、MATLAB软件介绍

第二章 电力电子器件介绍

一、电力二极管特性介绍

二、晶闸管特性介绍

三、IGBT特性介绍 第三章 主电路工作原理

一、单相桥式逆变电路二、三相桥式逆变电路

三、PWM控制基本原理 第四章 仿真模型的建立

一、单极性SPWM触发脉冲波形的产生

二、双极性SPWM触发脉冲波形的产生

三、单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路

四、双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路 第五章 仿真结果分析 第六章 心得体会 第七章 参考文献

第一章 电力电子与MATLAB软件的介绍

一、电力电子概况

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。

电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。

一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向

利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功率。

电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。

二、MATLAB软件介绍

MATLAB 是一个功能强大的常用数学软件, 它不但可以解决数学中的数值计算问题, 还可以解决符号演算问题, 并且能够方便地绘出各种函数图形。由于MATLAB带有一些强大的具有特殊功能的工具箱，而且随着近年来它的版本不断升级，所含的工具箱功能越来越丰富，工具越来越多，应用范围也越来越广，涵盖了当今几乎所有的工业、电子、医疗、建筑等各领域，MATLAB自1984年由美国的MathWorks公司推向市场以来，历经十几年的发展和竞争，现已成为国际最优秀的科技应用软件之一。

MATLAB中的仿真集成环境Simulink工具箱，是进行系统分析与射击队有力工具。Simulink是一个图形化的建模工具，具有两个显著功能：SIMU（仿真）和LINK（连接）。用来进行动态系统仿真、建模和分析的软件包，不但支持线性系统仿真，也支持非线性系统；既可以进行连续系统，也可以进行离散系统仿真。

Simulink提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大便利。在 Simulink平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在Simulink平台上仿真模型的可读性很强，这就避免了在 MATLAB 窗口使用 MATLAB 命令和函数仿真时，需要熟悉记忆大量 M 函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无疑是最好的福音。现在的MATLAB都同时捆绑了Simulink，Simulink的版本也在不断地升级，从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 已经不再是单纯的“矩阵实验室”了，它已经成为一个高级计算 和仿真平台。

Simulink原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易拓展，并且可以解决MATLAB 不易解决的非线性、变系数等问题。它能支持连续系统和离散系统的仿真，支持连续离散混合系统的仿真，也支持线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率(Multirate)系统的仿真，也就是不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、较复杂的系统。因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以MATLAB为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式都放人Simulink中，形成了模块库。Simulink 的模块库实际上就是用 MATLAB 基本语句编写的子程序集。现在Simulink模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了Simulink最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具箱(DSP Blocks)、通信系统工具箱(Comm)等也并行列入模块库的一级子目录，逐级打开模块库浏 览器(Simulink Library Browser)的目录，就可以看到这些模块。

Simulink创建模型、仿真的过程方法介绍如下：

1、Simulink建模

一个典型的Simulink模型由信号源模块、被模拟的系统模块和输出显示 模块三个类型模块构成。其基本特点有： 1)Simulink提供许多的Scope（示波器）接收器模块，使得Simulink进行仿真具有图形化显示效果；

2)Simulink模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统； 3)Simulink提供对子系统进行封装功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。

2、Simulink仿真基本过程

1)打开一个空白的Simulink模块窗口；

2)进入Simulink模块库浏览界面，将相应模块库中所需的模块拖拉到编辑窗口里；

3)修改编辑窗口中模块参数； 4)将各模块按给定框图连接，搭建所需系统模型；仿真观察结果，修正参数； 5)保存模型。

第二章 电力电子器件介绍

电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。同我们在学习电子技术基础时广泛接触的处理信息的电子器件一样，广义上电力电子器件也可以分为电真空器件和半导体器件两类。

由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路，因而同处理信息的电子器件相比，它一般具有如下的特征：

1)电力电子器件所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。

2）因为处理的电功率较大，所以为了减少本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。

3）在实际应用当中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。4）尽管工作在开关状态，但是电力电子器件自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，因而为了保证不致于损耗散热的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上比较讲究散热设计，而且在其工作时一般都还需要安装散热器。

此外，电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和电力电子器件为核心的组成一个系统。

一．电力二极管特性介绍

不可控器件——电力二极管(Power Diode)自20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器(Semiconductor Rectifier——SR)。虽然是不可控器件，但结构和原理简单，工作可靠。

电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。

从外形上看，主要有螺栓型平板型两种封装。

a)结构图 b)电器图形符号

1、电力二极管特性 1)静态特性 电力二极管的基本特性——电力二极管的伏安特性：

I IF

OUTOUFU

当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。)动态特性

动态特性——因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化的。

开关特性——反映通态和断态之间的转换过程。关断过程：

a）须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态； b）在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。

IdiFFudti trriFtdtfUFUFP

tFt0t1t2t URdiRuF 2Vdt

IRP0tfrtURP

b)a)

a)正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置

开通过程：

电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。

电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。

正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。

2、电力二极管测试单元电路 电力二极管测试单元电路就是通过基本电路验证电路二极管的工作特性。当二极管导通时，二极管上有电流流过，但没有电压；当二极管截止时，二极管上没有电流流过，但二极管两端有电压。

仿真电路图如下：

仿真所得的电力二极管的电流(Iak)和电压(Vak)的波形如下：

参数说明：

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.仿真结果分析：

由于电力二极管的内阻很小，所以管压降可以忽略不计。在此条件下，仿真波形是满足条件的。由仿真波形可以看出，当电力二极管上的电压大于零时，电力二极管上流过的电流是大于零的；当电力二极管上的电压变负值时，电力二极管上流过的电流为零。

二、晶闸管特性介绍

晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达8kV／6kA。

晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见晶闸管的外形有两种：螺栓型和平板型。

晶闸管的基本特点有三个：

(1)欲使晶闸管导通需具备两个条件有：

① 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。② 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。

(2)晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。(3)为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。

1、晶闸管的工作特性

单向晶闸管的伏安特性曲线如图所示。从特性曲线上可以看出它分五个区，即反向击穿区、反向阻断区、正向阻断区、负阻区和正向导通区。大多数情况下，晶闸管的应用电路均工作在正向阻断和正向导通两个区域。晶闸管A、K极间所加的反向电压不能大于反向峰值电压，否则有可能便其烧毁。

单向晶闸管的上述特性，可以用以下几个主要参数来表征：

①额定平均电流IT:在规定的条件下，晶闸管允许通过的50Hz正弦波电流的平均值。

②正向转折电压VB0:是指在额定结温及控制极开路的条件下，在阳极和阴极间加以正弦波半波正向电压，使其由关断状态发生正向转折变为导通状态时所对应的电压峰值。

单向晶闸管伏安特性曲线：

③正向阻断峰值电压VDRM:定义为正向转折电压减去100V后的电压值。

④反向击穿电压VBR:是指在额定结温下，阳极和阴极间加以正弦波反向电压，当其反向漏电流急剧上升时所对应的电压峰值。

⑤反向峰值电压VRRM:定义为反向击穿电压减去1OOV后的电压值。

⑥正向平均压降VT:是指在规定的条件下，当通过的电流为其额定电流时，晶闸管阳极、阴极间电压降的平均值。

⑦维持电流IH:是指维持晶闸管导通的最小电流。

⑧控制极触发电压VCT和触发电流IGT:在规定的条件下，加在控制极上的可以使晶闸管导通的所必需的最小电压和电流。

⑨导通时间tg((ton):从在晶闸管的控制极加上触发电压VGT开始到晶闸管导通，其导通电流达到90%时的这一段时间称为导通时间。

⑩关断时间tg(toff):从切断晶闸管的工向电流开始到控制极恢复控制能力的这一段时间称为关断时间。

此外，晶闸管还有一些其他参数，例如，为了使晶闸管能可靠地触发导通，对加在控制极上的触发脉冲宽度是有一定要求的;为使晶闸管能可靠地关断，对晶闸管的工作频率也有一定的规定;为避免晶闸管损坏，对控制极的反向电压也有一定的要求。

2、晶闸管测试单元电路

晶闸管的测试电路如下：

参数说明：

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.仿真所得的晶闸管的电流和电压的波形如下：

仿真结果分析：

由于晶闸管是半控型器件，所以接在门极的脉冲只起到触发晶闸管导通的作用，一旦晶闸管导通，则它跟电力二极管的一样的。上图所示的波形为触发脉冲的相角为0度时的测试结果。从图中可以看出，当晶闸管两端的电压大于零时，晶闸管开始导通；当晶闸管两端的电压由正变负时，晶闸管截止，其上流过的电流变为零。

三、IGBT特性介绍

IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区BJT。从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶闸管的擎住作用。IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。

IGBT工作原理：

当UDS＜0时，J3PN结处于反偏状态，IGBT呈反向阻断状态。当UDS＞0时，分两种情况：

①

若门极电压UG＜开启电压UT，IGBT呈正向阻断状态。②

若门极电压UG＞开启电压UT，IGBT正向导通。IGBT的栅极驱动：

(1)栅极驱动电路对IGBT的影响

① 正向驱动电压+V增加时，IGBT输出级晶体管的导通压降和开通损耗值将下降，但并不是说+V值越高越好。

② IGBT在关断过程中，栅射极施加的反偏压有利于IGBT的快速关断。③ 栅极驱动电路最好有对IGBT的完整保护能力。

④ 为防止造成同一个系统多个IGBT中某个的误导通，要求栅极配线走向应与主电流线尽可能远，且不要将多个IGBT的栅极驱动线捆扎在一起。

2)IGBT栅极驱动电路应满足的条件：

① 栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。

② 在IGBT导通后，栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要具有足够的幅度。

③ 栅极驱动电路的输出阻抗应尽可能地低。

栅极驱动条件与IGBT的特性密切相关。设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和引起的误触发等问题

1、IGBT的工作特性

1）静态特性

a)IGBT的伏安特性

b)IGBT的开关特性

IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高，Id 越大。它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内，Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。

IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示：

Uds(on)＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh

式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ；Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。

通态电流Ids 可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流过MOSFET 的电流。

由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ～ 3V。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。

2）动态特性

IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期，PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td(on)tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极-发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

2、IGBT测试单元电路

IGBT仿真电路图如下：

参数说明：

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的电流(Iak)和电压(Vak)的波形图如下：

仿真结果分析：

第三章 主电路工作原理

一、单相桥式逆变电路

1、半桥逆变电路 1.1 电路结构

1.2 工作原理

V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时，图1-3b，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。

2、全桥逆变电路 2.1电路结构

2.2 工作原理

两个半桥电路的组合。1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°。uo波形同图1-3b。半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。

可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180º正偏，180º反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。V3的基极信号只比V1落后q(0

1、电路结构

2.工作原理 图中应用GTO作为逆变开关，也可用其它全控型器件构成逆变器，若用晶闸管时，还应有强迫换流电路。从电路结构上看，如果把三相负载看成三相整流变压器的三个绕组，那么三相桥式逆变电路犹如三相桥式可控整流电路与三相二极管整流电路的反并联，其中可控电路用来实现直流到交流的逆变，不可控电路为感性负载电流提供续流回路，完成无功能量的续流和反馈，因此D1～D6称为续流二极管或反馈二极管。

在三相桥式逆变电路中，各管的导通次序同整流电路一样，也是T1、T2、T3„„T6、T1„„各管的触发信号依次互差60°。根据各管的导通时间可以分为180° 导通型和120°导通型两种工作方式，在180°导通型的逆变电路中，任意瞬间都有三只管子导通，各管导通时间为180°，同一桥臂中上下两只管子轮流导通，称为互补管。在120°导通型逆变电路中，各管导通120°，任意瞬间只有不同相的两只管子导通，同一桥臂中的两只管子不是瞬时互补导通，而是有60°的间隙时间，当某相中没有逆变管导通时，其感性电流经该相中的二极管流通。

3、导通方式及基本参数

在180°导通型的三相逆变器中，每隔60°的各阶段其等效电路及相应相电压、线电压数值如图所示。

三．PWM控制基本原理

1、PWM控制

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理

以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。

2、PWM逆变电路

逆变电路是一个全桥开关电路，将输人的市电经整流滤波后以直流电压供给逆变器，在逆变电路中，单片机对整个电源系统进行控制。首先由SPWM产生电路产生两个相位相差180℃的SPWM波形(PWN1，和PWM2)。PWM1、PWM2各经两路隔离驱动输出四路控制信号去驱动4只ICBT。

逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合，PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。

3、PWM逆变电路的计算法 根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。但本方法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。

4、PWM逆变电路的调制法

输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。

调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。

以单相桥式PWM逆变电路为例说明。单相桥式PWM逆变电路的原理图如下所示。设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。控制规律：u0正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压u正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V1和V4导通时，u0等于Ud，V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，u0 =0，负载电流为负区间，i0为负，实际上从VD1和VD4流过，仍有u0=Ud，V4断，V3通后，i0从V3和VD4续流，u0 =0，u0总可得到Ud和零两种电平。

U0负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，u0可得-Ud和零两种电平。

第四章 仿真模型的建立

一、单极性SPWM触发脉冲波形的产生

1、电路结构

在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以2∏f后再通过一个“sin”模块即为sinwt，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,正确设置参数，三角波经过处理，便可成为频率为fc的三角载波。

2、单极性SPWM波形

二、双极性SPWM触发脉冲波形的产生

1、电路结构

同上，在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以2∏f后再通过一个“sin”模块即为sinwt，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,正确设置参数，便可生成频率为fc的三角载波。

2、双极性SPWM波形

三、单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路 主电路图如下所示：

将调制深度m设置为0.5，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基波的15倍，即750Hz，仿真时间设为0.04s，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-005s，运行后可得仿真结果，输出交流电压，交流电流和直流电流如下图所示：

对上图中的输出电压uo进行FFT分析，得如下分析结果：

由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电压的基波电压的幅值为U1m=150.9V，基本满足理论上的U1m=m*Ud(即300*0.5=150)。谐波分布中最高的为29次和31次谐波，分别为基波的71.75%和72.36%，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到106.50%。

四、双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路

双极性SPWM控制方式下的单相桥式逆变电路主电路与上图相同，只需把单极性SPWM发生模块改为双极性SPWM发生模块即可。

参数设置使之同单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路相同，即将调制深度m设置为0.5，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基波的15倍（750Hz），仿真时间设为0.06s，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-005s，运行后可得仿真结果，输出交流电压，交流电流和直流侧电流如下图所示：

同样，对上图中的输出电压uo进行FFT分析，得如下分析结果

由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电压的基波电压的幅值为U1m=152V，基本满足理论上的U1m=m*Ud(即300*0.5=150)。谐波分布中最高的为第15次和29、31次谐波，分别为基波的212.89%和71.65%、71.95%，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到260.21%。

第五章 仿真结果分析

由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电压的基波电压的幅值为U1m=152V，基本满足理论上的U1m=m*Ud(即300*0.5=150)。谐波分布中最高的为第15次和29、31次谐波，分别为基波的212.89%和71.65%、71.95%，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到260.21%

第六章 心得体会

1、通过电力电子仿真实验，发现MATLAB使用特别方便，尤其是Matlab中的工具箱Simulink更是方便，它可以形象直观的看到很多的仿真电路和仿真波形，对于理解电路的原理提供了极大的帮助，特别是电力电子的学习，提供了另外一种自学的途径。

2、可以有效的将自己的有些不太成熟的电路在其上仿真，为电路的设计提供很大的帮助，在分析问题时进一步了解电力电子技术的一些应用电路的原理

第七章 参考文献

【1】韩利竹等编著 MATLAB 电子仿真与应用 北京：国防工业出版社，2001 【2】郑智琴编著 Simulink电子通信仿真与应用 北京：国防工业出版社，2002 【3】王华等编著 Matlab 在电信工程中的应用 北京：中国水利水电出版社，2001 【4】陈怀深，吴大正，高西全编著 MATLAB及其在电子信息课程中的应用 北京：电子工业出版社，2002 【5】王兆安，黄俊等编著 电力电子技术 北京：机械工业出版社，2007 【6】李序葆，赵永健等编著 电力电子器件及其应用 北京：机械工业出版社，1996 【7】张立，赵永健等编著 现代电力电子技术 北京：科学出版社，1992

第二篇：电力电子及自动控制系统仿真实验报告

电力电子及自动控制系统仿真实验报告

实验名称：单相桥式全控整流电路仿真 实验时间：2018.5.11 班级：自动化2班 姓名：

学号 1.实验目的

利用SIMULINK仿真平台绘制仿真电路，通过设置模型参数，来观测仿真结果。通过改变晶闸管的控制角，可以调节输出直流电压和电流的大小。

2.仿真模型及参数设置

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

交流电压源AC，电压为220V,频率为50Hz，初始相位为0°

变压器参数一次电压为220V（有效值）。二次电压为100V（有效值）晶闸管VT1~4直接使用模型默认参数 负载RLC选择RL。R为0.5，L为10e-3 脉冲发生器同步频率为50Hz，脉冲的宽度为10°

3.仿真过程及结果分析 4.4.总结

在软件上绘制好仿真电路后，进行改变参数时有些地方还是不知道其意义，仿真计算完成后，通过示波器观察仿真的结果。电阻性负载仿真分析得到电压和电流都是脉动的直流，反应了电源的交流电经过器后成为了直流电，实现了整流；

第三篇：系统建模和计算机仿真课程总结

系统建模和计算机仿真课程总结

第一章

1.系统：按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和。

模型：真实对象、对象间关系的特性抽象，描述某些系统本质。仿真：通过对模型的实验以达到研究系统这个目的。

2.同态：系统与模型在行为级上等价。同构：系统与模型在结构级上等价。

黑箱：可观测输入、输出值，但不知内部结构的系统（通过输入和输出推断其内部结构）

白箱：已知内部结构的系统(灰箱：介于黑箱和白箱之间)3.演绎：应用先验理论，补充假设和推理，通过数学逻辑演绎建模，是一个从一般（抽象）到特殊（具体）的过程。

归纳：从系统的行为级开始，逐步获得系统结构级的描述。是一个从特殊（具体）到一般（抽象）的过程。推理结果往往不是唯一解。4.面向对象仿真：从人类认识世界模式出发，使问题空间和求解空间一致，提供更自然直观、可维护、可重用的系统仿真框架。

定性仿真：力求非数字化，以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结构输出，通过定性模型推导系统定性行为描述。

智能仿真：力求非数字化，以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结构输出，通过定性模型推导系统定性行为描述。

可视化仿真：用于为仿真过程及结果增加文本提示、图形、图像、动画表现，使仿真过程更加直观，并能验证仿真过程是否正确。虚拟现实仿真：由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生各种感官信号，若视觉、听觉、触觉等，使参与者身临其境。第二章

1.系统建模原则：

（1）可分离原则：系统中的实体不同程度上均相互关联，结合建模目标合理忽略某些关联。依赖于系统环境的界定、系统因素的提炼即约束条件与外部条件的设定。

（2）合理假设原则：任何模型的建立均应基于某些合理的假设，以简

化模型，有利于仿真的实现。

（3）因果性原则：系统的输入和输出满足函数映射关系。（4）可测量、选择原则：输入量和输出量可量化。2.系统模型分类：（1）根据模型的时间集合

连续时间模型：时间用实数表示，系统的状态可以在任意时刻点获得。离散时间模型：时间用整数表示，系统的状态可以在离散的时刻点上获得，所谓整数时间指的是单位时间的整数倍。（2）根据模型的状态变量

连续变化模型：系统中的状态变量随时间连续变化。

离散变化模型：系统中的状态变量不连续变化，即在某一时刻到下一时刻之间的时间内，系统状态不发生变化。（3）其他分类

确定性模型和随机性模型：输入确定，输出确定/不确定。白箱模型、灰箱模型和黑箱模型。3.排队规则：

先到先服务(FIFO)：按照到达次序接受服务。后到先服务(LIFO)：按照到达次序的相反次序接受服务。随机服务(SIRO)：从等待的客户中随机选择客户进行服务。优先权服务(PR)：等待的客户具有不同的优先权，给优先权高的客户先提供服务。最短处理时间先服务(SPT)：选择需要服务时间最短的客户提供服务。4.层次分析法的基本步骤

（1）建立层次结构模型，该结构图包括目标层，准则层，方案层。（2）构造成对比较矩阵，从第二层开始用成对比较矩阵和1~9尺度。（3）计算单排序权向量并做一致性检验（对每个成对比较矩阵计算最大特征值及其对应的特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过，特征向量（归一化后）即为权向量；若不通过，需要重新构造成对比较矩阵）。

（4）计算总排序权向量并做一致性检验，计算最下层对最上层总排序的权向量。

利用总排序一致性比率进行检验。若通过，则可按照总排序权向量表

示的结果进行决策，否则需要重新考虑模型或重新构造那些一致性比率较大的成对比较矩阵。

5.图解建模法、最小二乘法、层次分析法（AHP）、随机数生成的例题详解

例题1：线性拟合

建立这直线方程就要确定a0和a1，应用《最小二乘法原理》，将实测值与拟合公式计算值

Yia0a的差值1xiYiYˆ的平方和i(YiYˆi)2最小为“优化判据”。

令(YiYˆi)2则(Yˆia0a1xi)2 ˆa(Yi0a1xi)22(Yˆia0ax)2(aaxYˆ)a0a1i01ii0(Yˆia0a1xi)22ˆaax)x2a(Yi01ii(a0a1xiYˆi)xi1a1 推导出：



na0a1(xi)Yˆiax20(xi)a1i(xiYˆi)a0(Yˆi)/na1(xi)/n0.15an(1xiYˆi)(xiYˆi)nx220.859i(xi)y0.150.859x

例题2：随机数 线性同余发生器

x(modm)axaxii1axii[m]ma,m选取规则

○

1随机数序列周期为m/4，依照所要产生的随机数规模确定m ○2证m是2的指数幂 ○3p为机器字长，k为任意整数，a取最接近2p/2且满足a=8k+3或a=8k-3 问：生一个15000个数的随机序列，m与a该如何取值？

m接近60000，取m=216=65536，机器字长为16位。2p/2=28=256；K=32时，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：层次分析法（AHP）

Step1 将判断矩阵的每一列元素做归一化处理：

nbijbij/bkj.........(i,j1,2,...,n)k1Step2 将归一化的判断矩阵按行相加：nwibij.........(i1,2,...,n)j1Step3 对向量wi(w1,w2,...,wn)T归一化

：nwiwi/wj.........(i1,2,...,n)

j1（Step4 计算，作为最大特征根的近似值。）

练习：

可以将此例中的7 名专家分为3 类: A1 = { 1，4，6}，A2 = { 3，7，5}，A3 = { 2}

第三章

1.集中参数系统模型的数值实现（单步法、欧拉法、梯形法、龙格-库塔法）

欧拉法: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：龙格—库塔法

基本思想：以几个点上函数y(t)的一阶导函数值的线性组合来近似替代y(t)在某点的各阶导数，再用泰勒级数展开式确定线性组合中的各加权

系数。

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.分布参数系统模型的数值实现（偏微分方程的求解）

人口控制问题

定义一个地区在t时刻所有年龄小于r岁的人口总数为人口函数F(r,t)，地区在t时刻的人口总数为N(t)，人类所能活的最高年龄位rm，则有：F(0,t)0F(rm,t)N(t)

假设：F(r,t)是r,t的连续函数，且一阶偏导数也连续。p(r,t)Fr0F(r,t)r0p(,t)dF(0,t)r0p(,t)drrm时，F(r,t)N(t),所以p(rm,t)0

3.考虑一维热传导方程：

uta2ux2f(x),0tT（1.1）其中a是正常数，f(x)是给定的连续函数。现在考虑第二类初边值问题的差分逼近： 初始条件：u(x,0)(x),0xl（1.2）

边值条件：u(0,t)(t)，u(l,t)(t)，0tT（1.3）

假设f(x)和(x)在相应区域光滑，并且在x0,l满足相容条件，使上述问题有惟一充分光滑的解。

用向前差分格式计算如下热传导方程的初边值问题

ua2u20,(a0是常数)，u(t,0)xx1x,0x1,u(0,t)1,u(1,t)0,t0,已知其精确解为u(x,t)=1-x.第四章

1.仿真时钟：表示仿真时间的变化，时间间隔称为仿真步长。x11

2.Petri网建模内容 ln[1F(x)]ln[1u]1lnu第五章

（3）取舍法：从许多均匀分布的随机数中选出一部分，使其具有给定1.随机变量：符合一定概率密度函数的变量。

分布的随机变量，它可用于产生任意有界的随机变量。

基本思路：产生[0,1]区间上均匀分布的随机数，再转换为正态分布、泊松分布、几何分布等。cg(x)dxf(x)1r(x)g(x)/c

2.随机数发生器设计

例：求

(4,3)分布的随机变量。(4,3)分布的密度函数是

（1）线性同余法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当且仅当下列三个条件满足后，线性同余发生器具有满周期；（4）组合法：当分布函数可以表示成若干个其他分布函数之和，而这○

2能够同时整除m和c的正整数只有1； 些分布函数较原来的分布函数更易求得其随机变量时，可以采用组合○

3如果q是整除m的素数(即q只能被自身及1整除), 则q能整除(a-1)； 法。将欲生成的随机变量服从的分布函数拆分为其他分布函数的凸组○

4如果m能被4整除，则(a-1)也能被4整除。合，先产生其他分布函数的随机变量，再产生目标随机变量。

（2）逆变法：获得随机变量的概率分布函数的反函数，从而反推随机kkF(x)变量本身。

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：设存在一个分布，其密度函数为f(x)0.5e|x|，产生服从该分

布的随机变量x。

例：求服从指数分布的随机数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：计算机仿真读书笔记

致的了解。计算机仿真读书笔记首先，要对计算机仿真的定义，学科发展状况，研究的范围和方法有一个大

阅读张英等的《现代计算机仿真技术》一文，知道并理解到一下方面：计算机仿真是计算机技术与仿真技术的结合 产生的一门学科，在本文中计算机仿真进行如下定义：计算机仿真是实体尚不存在或实体存在但在实体上不易处理，通过考察相关参数，结合相关研究领域，建立数学模型，然后编程实现在计算机中实现，通过改变相关参数和内外环境变化，达到全面了解考察实体的特性。这里的数学模型，本人认为还应当扩大模型的概念，还要包括物理模型和一些非描述的模型。

文中提到仿真技术的发展过程，包括三个阶段，模拟阶段，只能依靠实物进行仿真，缺点不能进行精细化仿真，成本还很高；模拟数字阶段，部分使用了数字技术，改善了一些模拟阶段的缺点；数字阶段，没有实物介入，完全数字化，可以精确完成很多大型非实时性的仿真过程，仿真的可靠性提高。

对于仿真的步骤，文中提到：首先获得相关领域的专业知识，再根据研究目的确定相关的参数和特征值，依据以上这些建立一个初步的数学模型，经过多次试验，调整参数，得到一个改进的模型，这是一个二次建模的过程。

文章的最后说明了计算机仿真技术应用范围广泛，在军事，交通、国民经济各行各业中都有广泛的应用，并强调计算机仿真关键是建立数学模型和提高仿真的可靠性。

之后，我阅读了徐庚保等写的《计算机仿真系统述评》，对于在计算机仿真技术的指导下计算机仿真系统有了一个大致的了解。

计算机仿真系统是基于计算机仿真技术构建的仿真系统实验工具。计算机仿真系统按空间分布主要分为以下三种类型：集中式、分布式、嵌入式。: 集中式仿真系统与仿真系统发展相类似，经过了模拟仿真系统、混合式仿真系统、数字仿真系统三个里程碑式的发展过程。体系结构上经过了主机—终端结构、现在向客户机—服务器模式、集中—分布模式发展。

分布式仿真系统出现的比较晚，在20世纪80年代才慢慢发展起来，以基于

高层体系结构（HLA）的分布交互式系统（DIS）为主发展较快，但对于高层体系结构研究还有很多的不足之处。

嵌入式仿真系统具有小型化、便于携带的特点，一般通过软硬件相结合来实现仿真。软硬件划分的方法的优劣直接决定了嵌入式仿真系统的性能，当前对于软硬件划分方法还处于初级阶段，如何分配软硬件，提出的有蚁群算法、模式匹配等方法。

最后本文提到了一些计算机仿真系统的发展动态，包括：多层次使用技术，将使用技术划分为5个层次，有基础技术、元、部件技术、系统级技术、应用级技术，还有集成综合仿真环境技术；逻辑靶场的概念，主要在军事上模拟演练发展中建立起来的，其核心思想是将各仿真系统和技术集成结合进行综合评估。

最后又读了张锋的《计算机仿真技术与应用》一文，加深对于计算机仿真技术发展、步骤、核心技术和应用的认识。

通过阅读前面两篇文章，已经对于计算机仿真技术及计算机仿真系统有一个大致的了解，在阅读本文中又有以下心得体会；

计算机仿真是系统仿真的一个分支，系统仿真是通过分析系统的运行和行为，来得到系统动态过程和运行规律，系统仿真实际模拟的是一个实际情景的动态过程，分析实物动态运行机制，得到实物动态运行规律。计算机仿真是在系统仿真中使用了计算机技术，利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。综合前文，可以这样对计算机仿真进行定义：计算机仿真是以数学理论为基础，利用计算机和其他物理设备为实验工具，用系统仿真模型模拟实物或设想的系统试验仿真研究的一门综合性的学科，它具有经济、可靠、安全、灵活、可多次使用的优点。

对于仿真技术发展的表述，此文描述与第一篇文献表述有所差别，综合以上两文，我认为可以这样来说明：仿真技术分三个阶段，第一阶段，模拟阶段，仿真技术是利用数学模型或物理模型下在具体试验物上进行仿真试验。第二阶段，混合阶段，将模拟仿真技术与数字仿真技术结合起来，但这里的数字仿真技术不完善，不宜懂得，数字仿真只局限于数据和列表，可读性差。第三阶段，数字仿真阶段，此阶段任在不断发展中，数字化中加入了图形图像的处理和表达，还增加了虚拟现实技术，增加了一些特殊设备，如3D眼镜，触摸仪器，模拟效果更

加逼真，更能让人感到如同身历其境。

计算机仿真的实现步骤中，建立数学模型常常使用到的方法有:演绎法、归纳法、综合集成法等。要建立一个好的数学模型，确定所研究特定领域的目标和边界，获得所用到的先验知识。

本文最后简要介绍了计算机仿真在国民经济中各行各业的应用。

这样通过上述三篇文献的阅读，对于计算机仿真技术概念，发展、实施步骤及广泛应用有了一定地了解，下一步就要用这些原理方法进行实际的应用。

第五篇：中医学理论计算机仿真初探

摘 要：虽然中医学所构建的庞大而复杂的系统难以在简单系统的实验室中得到验证，但现代计算机仿真技术为中医学提供了复杂系统的实验室。而面向对象程序设计与中医学相似的思维方式使之成为可能。运用这一技术可以作出诸如中医学意义上的生理、病证、实验模型，不仅可以对中医学概念、理论、方法的客观性、有效性、实用性进行证实，而且有前瞻性和预测性。

关键词：计算机仿真；复杂系统；中医学；面向对象程序设计 计算机仿真技术提供了适合中医学理论的实验室

科学技术的不断进步，推动着整个人类社会的发展，计算机的出现，使人类社会由工业社会向后工业社会——信息社会过渡。我国著名的科学家钱学森说：“我们所设计的信息体系简直可以包括全部人类千百年来创造的、而且还在不断创造的精神财富。而这全部精神财富可以由我们每个人随手调用和享受。这不但是从旧的脑力劳动中解放出来，而且是获得一个伟大的世界，从来未有的高度文化的世界。……人将变得更为聪明，人类的前进步伐更将加快。”这位大科学家以前所未有的高度论述了由计算机引起的这场技术革命。随着计算机技术的发展，一种崭新的学科——仿真学诞生了，从新药品的仿真测试到行星和星系的创生模型，以及计算机化培养皿中生长的数字生命形式，这是一种新的方法，不是基于直接的观察和实验，而是基于从真实空间向虚拟空间的映射。虽然这项工作仍处于起歩阶段，但已足以让每一颗好奇的心欣喜若狂。在这样一个伟大的时代，古老的中医学面临着前所未有的机遇和挑战。怎样将计算机科学与技术融入中医学领域，是一个值得深思和大胆尝试的问题。值得庆幸的是，计算机仿真是建立在复杂系统理论基础上的，而中医学理论所描述的正是这样一个复杂系统。

当伽俐略第一次拿起望远镜仰望太空时，他为人类创造了科学方法，即用实验来检验关于世界如何成其为世界的种种假说。于是有了拥有试管、曲颈瓶和本生灯的化学实验室，用来探测物质内核的价值连城的粒子加速器，以及在任何生物实验室都能看到的解剖青蛙和用显微镜观察植物细胞。然而，这些都是仅适用于简单系统中物质结构研究的实验室。现代理论物理学家薛定谔（Erwin Schrodinger）在《生命是什么？》一书中写道：“只要我们涉及活物质的结构，我们就必须面对这样一个事实：它是以不能还原成通常的物理学定律的方式起作用的。原因不在于某种‘新的力’或某种类似的东西支配着活的机体中的一个个原子，而是其结构不同于任何我们已从试验室研究中认识的东西。”[1]也正因如此，尤其是对于与西医学思维方式大相径庭的中医学理论，实验室研究一直是一筹莫展，经络实质的研究无功而返，各种“证”的实验模型设计令人啼笑皆非，中药的研究几乎与中医理论毫不相干……中医学所构建的庞大而复杂的系统难以在简单系统的实验室中得到验证，这是不难理解的。计算机仿真学的出现真值得每一位中医界的同仁为此干上一杯，因为这一方法的出现能使中医学多年的“科学梦”成为现实！虽然计算机仿真学正在起步? 舛灾幸窖Ю此等词悄训玫幕觯唤隹梢越铱涔爬隙衩氐拿嫔矗矣型幸窖Т蚩簧刃碌拇竺牛馗憷姆⒄箍占洹?nbsp;

而将计算机仿真技术运用于中医学，面向对象程序设计是一个关键环节，下面将面向对象程序设计作一简要介绍。面向对象程序设计（OOp）概述

面向对象程序设计简称OOp，是Object-Oriented programming的缩写。面向对象是与面向过程相对而言的，传统的程序设计语言,如Ｃ语言，是面向过程的结构化程序设计语言，这种语言在２０世纪８０年代非常流行。随着软件业的发展，软件的规模越来越大，导致软件的生产、调试、维护越来越困难，因而发生了软件危机。人们期待着一种效率更高，更加容易理解，更加符合人类思维习惯的程序设计语言，ＯＯＰ就是在这种情况下应运而生的。在２０世纪９０年代，ＯＯＰ异军突起，成为最有希望，最有活力的程序设计方法。

①面向对象与面向过程的区别

计算机没有思想，人必须明确地告诉它如何运算，每一步做什么。站在这种计算机的角度进行程序设计，就是面向过程的方法。如：用计算机模拟一只猫捉老鼠的过程，程序员必须告诉计算机每一步猫的具体的动作。如果用面向对象的程序设计方法来做，就可以把猫作为一个独立的对象，猫会奔跑，猫会捉老鼠，这些是它的固有属性，被封装在猫这个对象之中，所以，只需给出老鼠出现的信息，猫就会自动去捉。与面向过程相比，面向对象的方法更符合人的思维习惯。

②对象与类的概念

对象与类是面向对象方法中的两个基本概念。客观世界中实体的抽象构成对象，任何事物都可以作为一个对象，如一个人、一辆汽车、一个窗口、一个按钮、一座建筑、一项贷款等等。对象的划分和定义是灵活的，视需要而定。具有相同属性和行为的一个或多个对象的集合成为一类。类有层次之别，类下可以有子类，类上可以有父类。如：人可分为男人和女人，男人又可以分为儿童、青年、成年、老年等等。类是对象的抽象，对象是类的实例。类的划分也是灵活的，依需要而定。子类可以作为父类的对象看待。

③对象的特性

对象有以下基本特性：

封装性：对象是相对独立的单元，与之相关的数据和操作被封装在内部，对外是不可见的。对象和对象之间通过信息交换进行联系。如一只花猫，它是一个相对独立的个体，它的机体内包含复杂的结构，而这些结构是不可见的。

继承性：每个对象都从它所属的类中继承共性。如一只花猫，它从猫这一类中继承了猫的共性。

多态性：每个对象都有其特有的属性，使之区别于其它对象。如一只具体的猫，它与其它猫是不同的，有不同色泽、脾气、体重等。

④面向对象方法可以用下列方程式来概括：

OO=Objects+Classes+Inheritance+Communication With Messages

即：面向对象＝对象＋类＋继承＋信息交换

在这里值得注意的是，上面的方程式也可以用作系统的描述，而且容易从中看出简单系统与复杂系统的区别：简单系统通常是少量的个体对象，它们之间的相互作用较弱，甚至可以忽略不计，故而可以作为独立的个体进行研究；而复杂系统中涉及中等数目的对象，不仅如此，对象通常具有智能性与自适应性，它们可以按照各种规则作出决策，随时准备根据接收到的新信息修改自身的行为规则，故而每一个对象不能独立的看待，这正符合了中医学的整体观。运用面向对象程序设计进行中医学的计算机仿真

①面向对象方法与中医学具有相似的思维方式

假使我们想用传统的面向过程的方法来完成中医学理论的计算机仿真，不仅是一件难以想象的事，而且是不可能的事，对计算机发出人体生理、病理等过程的每一步指令，既使是在分析还原思维方式指导下对人体结构分解得极细，对人体生化过程了解得极为透彻的西医学也无能为力，更何况中医学本身就只重整体，不重结构。而面向对象方法，因其与中医学在思维方式上有惊人的相似之处，使之运用于中医学成为可能，成为对中医学进行计算机仿真的基础。其相似性体现在中医学的整体观与黑箱方法和ＯＯＰ中的对象的特性及其信息交换上。可以将上文中面向对象方法学的方程式用下图表示： 而这正是黑箱方法的图形表达。黑箱方法典型地表现在中医学的藏象学说中。藏象学说是关于人体脏腑功能的学说。古人虽然知道“八尺之士，可以剖而视之。”（《灵枢·胀论》）但又认为“藏府之在胸胁腹里之内，若匣匮之藏禁器也。”（同上）更重要的是，基于不同于西方的思维方式，中国古代对于整体性和运动性的强调，使得中医学未从解剖入手，分析人体的结构、成分，而是以极简单的解剖为基础，构造出了以象为内容的有机的学术体系。由“藏象”之名可知，中医是以现之于外的象来把握藏之于内的脏的，即“执其见功处见其形”，即黑箱方法。对此《灵枢·顺气一是分为四时》中论述道：“内外相袭，若鼓之应桴，响之应声，影之似形。”例如《素问·六节藏象论》对心的描述是这样的：“心者，生之本，神之变也；其华在面，其充在血脉，为阳中之太阳，通于夏气。”其它四脏与此相仿。由此可以看出，这里的心己不是解剖学中的有一定形态结构之心，而是一系列相关的生命活动的表现在人脑中形成的综合的象。它不具有实体性，却正好可以作为面向对象方法学中的一个对象来看待。推而广之，中医学中的其它概念，如气、血、津液、精、神、经络等，都可以作为一个个对象，对象之间通过信息的交换，相互密切联系，从而形成一个复杂系统，中医学的计算机仿真便可由此开始。

②中医学的计算机仿真应用前景

用计算机仿真学对中医学中的概念、现象、原理、机制等进行模拟，可以建立各种模型，服务于教学、科研、临床。主要可以用于建设生理模型、病证模型、实验模型。

生理模型：在中医学中五脏、六腑、气、血、津、液、经络、筋、脉、骨、髓等，都可以构成相对独立的对象，赋予每个对象适当的属性，对象具有智能性与自适应性，它们可以按照各自的属性作出决策，并随时准备根据接收到的新信息修改自身的行为规则，它们之间通过信息交换互相联系，构成一个复杂系统，这一复杂系统即人体。在此基础上很容易就可以建立人体的病理模型。下图是生理模型的简单图示，实际中的生理模型还要复杂的多。

（图略）

病证模型：中医学中的证是非常复杂的，也是独具特色的。辨证论治非常灵活，以哮喘为例，说明中医病证模型的组建。哮喘发病，总因本虚标实，其病位虽在肺，但与脾、肾密切相关，先天不足后天失养造成肺、脾、肾不足是哮喘发病的内在原因。正气不足就易感外邪，感邪而产生风、寒、热、痰、湿、瘀、气等诸多病理因素，一些病理因素作用于肺，是发生哮喘的外在原因。如下图所示，运用ＯＯＰ将各种因素的特性封装起来，作为对象，它们之间相互联系，就可以建造哮喘的病证模型，输入相应的信息，就可以得出诸如肺脾两虚，寒痰蕴肺；肺肾不足，肾不纳气；风寒外束，痰热内阻等证型，有力地指导临床实践。

（图略）

实验模型：正如在汽车研制中需要的碰撞实验可以用计算机模拟代替，中医学中的实验也可以用计算机模拟来代替。这样就可以提高效率，降低消耗。比如可以建立中药模型库、方剂模型库、病因模型库、生理模型库、病证模型库，如下图所示，中药模型库和方剂模型库作用于病证模型库，就可以模拟出对于某种病证的最佳治疗方案，选择最佳药物及最佳方剂。病因模型库作用于生理模型库，生理就可以模拟出在某些致病因素下，人体生理的变化，疾病的发生、发展、及转归。这些都可以为中医学研究工作提供有力的参考。

（图略）小结

运用面向对象程序设计进行中医学的计算机仿真，不仅可以提高教学、科研、临床的生产力，节省大量的人力、物力、财力，而且可以屏弃简单系统实验室的不足，为中医学提供实验的空间。十六世纪，伽利略通过引入可重复的受控实验室的思想，开创了近代科(本文权属文秘之音所有，更多文章请登陆www.xiexiebang.com查看)学的实践，目前这一思想成为判定延续几千年的中医学是否科学的依据，而这一思想的中心在于能够实施一些实验，以检验关于待研究现象的假说。运用面向对象程序设计进行中医学的计算机仿真不仅可以对中医学概念、理论、方法的客观性、有效性、实用性进行证实，而且有前瞻性和预测性。

引入计算机仿真技术是中医学科研的大势所趋，也是目前将当代最前沿的信息技术与最古老的中医学相结合的最佳契机,这里有大量的工作尚待有志者去完成。

参考文献：

[1] [德]克劳斯·迈因策尔 著，曾国屏 译.复杂性中的思维.北京：中央编译出版社，2000：111.