计算机仿真在现代工业中的应用_计算机仿真原理及应用

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姓名：郝

麟

学号：201050616210

计算机仿真在现代工业中的应用

近年来，随着仿真技术的发展，中国仿真市场增长异常迅猛，在某些方面达到了国际先进水平。但总体技术水平，特别是应用水平与发达国家相比还有差距。以美国为代表的发达国家高度重视仿真技术的发展和应用。

计算机仿真是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境, 其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备,通过操作这些虚拟的实验仪器或设备, 即可进行各种实验,达到与真实实验相一致的教学要求和目的, 它是虚拟仿真技术、计算机技术和专业理论知识多方面结合的结晶。

仿真技术的优良特性和巨大效益，可能将成为今后人们特别重视和大力发展的综合技术。仿真系统将应用于人类生产实践的全过程，这样可以避免决策失误，可以预测可能发生的问题，达到避免故障、安全控制的目的。有关专家预言，在2l世纪，仿真技术的发展必将对经济、社会以及人们的观念产生巨大影响。

计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已经广泛的应用于电力电子电路（或系统）的分析和设计中[1]。计 算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，而且还可以与实物试制和 调试相互补充，最大限度的降低设计成本，缩短系统研制周期。可以说，电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和试验过程。

计算机仿真技术及其应用。电气工程电路及其组成的系统主要功能是能源变换、传递过程的控制。要变换的是电力形态，控制方法靠电子线路。电力与电子结合形成了电力电子学科，它 是一个较为年轻的学科，也是多学科的边缘学科。电力本质是能源，有相当惯性，控制它的是电子线路，有相当快速性，两者构成系统，尤其形成闭环系统时，用自 动控制术语来说属病态系统，意即有不易解决的稳定性方面的问题。这样的系统品质在80年代中、后期有了飞速的提高。究其原因是借助于计算机仿真技术。

在使用计算机来进行仿真时，选择合适电路设计软件会使该问题得到一定的姓名：郝

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学号：201050616210 解决，前些时候的软件多解决线性、连续工作的稳态电路。本文介绍的软件，既可 解决线性电路，也适合非线性电路；既可解决模拟电路，也适合数字电路；既可解决连续状态工作问题，也适合不连续状态工作的问题；既可解决连续稳定工作电 路，也适合开关调节的启动工作电路。总之，电气工程电路均可仿真。仿真时，要读取电路中任何一点电流、任何两点间的电压都很容易，还可以进行频率响应、频 谱分析、温度分析、参数变化分析、蒙特卡罗分析、最坏情况分析、噪声分析等等。可以说，后面几种分析在面包板实验中是无法模拟进行的，加之，仿真软件是在 计算机上运行，所以有使用方便、简单的优点[2]．

电力电子学科近年发展形成了能源电子学科。所谓能源电子学科，除电力电子学科内容外，还应考虑材料、环境、可靠性、管理等方面的问题，才能解决好能源转换问题[3]。由此可见，如此复杂的系统工程，只有充分利用计算机，处理综合信息才能迅速得到成效。仿真的必要性、有效性可见一斑。

计算机仿真在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了仿真软件课程。主要是让学生了解仿真的基本概念和基本原理、掌握逻辑综合的理论和算 法、使用仿真软件进行电子电路课程的实验并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具如PSPICE和MATLAB，为今后工作打下基础。

科研方面主要利用电路仿真工具（MATLAB或PSPICE或SABER）进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品测试；将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中；从事PCB设计和ASIC设计等。

在产品设计与制造方面，包括前期的计算机仿真，产品开发中的仿真软件的应用、系统级模拟及测试环境的仿真，生产流水线的仿真技术应用、产品测试等各个环节。如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC的流片过程等。

从应用领域来看，仿真技术已经渗透到各行各业，包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有仿真技术的应用。另外，仿真软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新姓名：郝

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学号：201050616210 用途，进而使得仿真软件更加完善。

仿真软件PSPICE简介

PSPICE是由美国Microsim公司在SPICE 2G版本的基础上升级并用于PC机上的SPICE版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图 形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入 ORCAD公司的商业EDA系统中。

现在使用较多的是PSPICE9.1，工作于Windows环境，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组 成，使用时是一个整体，但各个部分都各有各的窗口。与传统的SPICE软件相比，PSPICE在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交 流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够 对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果[4]。

PSPICE的应用范围很广，电力电子电路的动态仿真仅仅是其应用之一。PSPICE的电路元件模型反映实际型号元件的特性，通过对电路方程运算求 解，能够仿真电路的细节，特别适合于对电力电子电路中开关暂态过程的描述。它的仿真波形与试验电路的测试结果相近，在模拟实际电路的波形方面比较准确，对 电路设计有着重要指导意义[3]。

传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。

模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系 ；在某些输入条件下系统的输出响应等。根姓名：郝

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学号：201050616210 据系统模型状态变量变化的特征，又可把系统模型分为：连续系统模型——状态变量是连续变化的 ；离散（事件）系统模型——状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化；混合型——上述两种的混合。

计算机仿真技术和用于仿真的计算机（简称仿真机）都应充分反映上述的仿真的特点及满足仿真工作者的需求。

系统仿真是建立系统模型，并在模型上进行试验的技术、方法和过程。随着仿真技术的不断发展，诞生了许多仿真实验室，许多机构也参与到了仿真技术的研发和应用中，积累了大量的仿真资源。本文介绍了 MATLAB 及其数据采集工具箱，利用声 卡的 A/ D、D/ A 技术和 MATLAB 的方便编程及可视化功能，提出了一种基于声卡的数据 采集与分析方案，该方案具有实现简单、性价比和灵活度高的优点。用 MATLAB 语言编制 了相应软件，实现了该系统。该软件有着简洁的人机交互工作界面，操作方便，并且可以根 据用户的需求进行功能扩充。

结

论：

由以上分析我们可以看到，系统仿真软件确实是一个优秀的模拟实验平台，利用它可以方便、快捷地完成许多电路的实验和测试，在高校的科研和实 验教学改革中，我们可以采用实际实验与仿真实验相结合、相对比的方式，使二者的长处都得到充分应用，对科研人员而言，计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁 琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，而且还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度的降低设计 成本，缩短系统研制周期。

姓名：郝

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学号：201050616210 主要参考文献：张明宇.谈谈虚拟实验技术.电脑与网络, 2003(1): 90～91.2 李纪武,韦群.计算机辅助物理教学的构想与探索.> , NTPE 专辑。霍剑青,王晓蒲.大学物理仿真实验和实验教学的新模式.工科物理, 1998 年增刊： 118～120。单美贤.虚拟实验室的发展方向.开放教育研究，2002(2)。Lim C S,Eng P,Lin S C.Rapid Prototyping and Tooling of Custom-Made Tracheobronchial Stenets.[J].The International Journal of A dvanced Manufacturing Technology,2002,20.6 The RP&T

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