计算机仿真在现代工业中的应用

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 21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 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 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 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 一一上述两种的混合。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。主要参考文献：1张明宇.谈谈虚拟实验技术.电脑与网络,2003( 1) : 9091.2 李纪武,韦群. 计算机辅助物理教学的构想与探索. , NTPE 专辑。3 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： 118120。4 单美贤.虚拟实验室的发展方向.开放教育研究，2002( 2)。5 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 center Laminated Object Manufactuer http:/www.warwick.ac.ukZ.