电力电子建模与仿真-仿真技术概述-6稿120405
电力电子建模与仿真
J f a
N1 2 1单极性PWM控制方式波形
同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下痔直通造成短路，留一小段上下臂 都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由器件关断时间决定。死区时 间会给输出PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。
计算法中一种较有代表性的方法，图2-2-2o输出电压半周期内，器件通、断各3
图2-2-2,能独立控制a】、a?和CX3共3个时刻。该波形的心为
an=^口丫豊(wt)sin刀cutdcut丿6— -y-sin noot)dcut "
J：；-y-sin no)tdcu6— -y-sin noot)dcut]=
警(1- 2cos net] + 2cos na2-2cos na3)(2-4)
［关键词］:
单相逆变SPWM技术MATLAB SIMULINK仿真 分析
弓I言1
1.单相逆变器SPWM控制的相关总体介绍2
1.1PWM控制的基本原理2
1. 1.1理论基础-2
1. 1.2面积等效原理-2
1.2 PWM逆变电路及其控制方法3
1. 2.1计算法・3
1.2.2调制法・3
1.3SPWM控制方式6
「单相逆变器
1.1PWM控制的基本原理
1.1.1理论基础
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。 冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频 段非常接近，仅在高频段略有差异。
电力系统建模与仿真技术研究
电力系统建模与仿真技术研究一、引言电力系统是现代社会中不可或缺的一部分，它为人们的生活、生产提供了必要的能源支撑。
在电力系统的设计和运行管理中，建模和仿真技术一直是电力系统领域中非常重要的技术手段。
电力系统的建模和仿真技术可以帮助电力工程师更好地理解和掌握电力系统的特性，并针对实际问题进行分析和优化。
本文将介绍电力系统建模与仿真技术的研究现状和未来发展方向。
本文将按如下方式进行组织：二、电力系统建模技术电力系统建模是指将电力系统的各个部分分解为可仿真的子系统并进行各子系统间关系的描述和组合。
在电力系统建模中，应考虑电力系统的稳定性、可靠性、安全性等方面的因素。
1. 基于物理建模的技术基于物理建模的技术是电力系统建模的主要方法。
该方法需要将电力系统的各个部分分解为具有物理意义的子系统组件，并使用物理方程描述各个子系统间的相互作用关系。
基于物理建模的技术可以精确地描述电力系统的工作原理和特性。
2. 基于数据驱动建模的技术基于数据驱动建模的技术是利用大量历史数据和现场监测数据，通过数据挖掘和模式识别等技术，对电力系统进行建模。
该方法能够很好地适应不同电力系统的变化和不确定性，较为灵活。
三、电力系统仿真技术电力系统仿真是指通过模拟电力系统运行实际场景，预测电网运行情况和变化规律，探究电力系统存在问题并提出优化方案。
1. 时域仿真时域仿真是一种基于时间的仿真方法，可以模拟电力系统的瞬态过程。
该方法可以精确地模拟电力系统各个部件的动态响应过程，包括瞬态稳定、短路、过流、过电压等情况。
2. 频域仿真频域仿真是一种基于频率响应的仿真方法，可以模拟电力系统的稳定过程。
该方法可以精确地模拟电力系统的功率流和电压波动等情况，可用于分析电力系统的稳态电路、短路容限等情况。
四、电力系统建模与仿真软件电力系统建模和仿真软件是电力系统应用中不可或缺的工具。
目前，国内外市场上具有代表性的电力系统建模与仿真软件主要有PSSE、PSCAD、EMTP、MATLAB等。
电子与电气系统的仿真与建模
电子与电气系统的仿真与建模电子与电气工程是一个广泛而复杂的领域，涵盖了诸多技术和应用。
在这个领域中，仿真与建模是非常重要的工具和方法。
本文将探讨电子与电气系统的仿真与建模，包括其定义、应用、技术和挑战。
1. 定义电子与电气系统的仿真与建模是指通过计算机模拟和建立数学模型来描述和分析电子与电气系统的行为和性能。
这些系统可以是各种规模和复杂度的，从微小的电子元器件到大型电力系统。
2. 应用仿真与建模在电子与电气工程中具有广泛的应用。
首先，它可以用于设计和优化电子电路和系统。
通过建立电路的数学模型，并在计算机上进行仿真，工程师可以评估不同设计选择的性能和可行性，从而指导设计过程。
其次，仿真与建模也可以用于分析和优化电力系统。
电力系统是一个复杂的网络，包括发电机、输电线路、变压器等组件。
通过建立电力系统的模型，并模拟不同工况和故障情况，工程师可以评估系统的稳定性、可靠性和效率，并提出改进措施。
此外，仿真与建模还可用于研究新技术和解决实际问题。
例如，在电动汽车的研发中，工程师可以建立电动机和电池的模型，并模拟不同驱动条件下的性能和能量消耗，以指导电池容量和电机控制策略的设计。
3. 技术在电子与电气系统的仿真与建模中，有多种技术和工具可供选择。
其中，最常用的是基于电路和系统方程的数值仿真方法。
这些方法基于数学模型和计算算法，通过求解方程组来模拟系统的行为。
常见的仿真软件包包括SPICE、MATLAB/Simulink等。
此外，还有基于物理建模的仿真方法，如有限元分析（FEA）和计算流体力学（CFD）。
这些方法基于物理原理和数值计算，可以模拟电子元器件和电磁场的行为。
它们在电机设计、电磁兼容性分析等领域有广泛应用。
最近，机器学习和人工智能技术也开始在电子与电气系统的仿真与建模中发挥作用。
通过训练神经网络和深度学习模型，工程师可以实现更准确和高效的仿真和优化。
4. 挑战电子与电气系统的仿真与建模面临一些挑战。
首先，系统的复杂性和规模不断增加，使得模型的建立和仿真计算变得更加困难和耗时。
现代电力电子技术之igbt建模与仿真
现代电力电子技术IGBT建模与仿真一、IGBT结构及工作原理自上世纪80年代绝缘栅双极型晶体管（IGBT）问世以来，逐渐取代了晶闸管和功率MOSFET等器件，在中频、中等功率变流领域获得了广泛的应用。
IGBT 克服了功率MOSFET高通态损耗的特性，同时保持了MOSFET门极电压驱动的优点。
IGBT是一种PNPN四层结构的器件，其结构剖面图和等效电路如图（1）所示。
(a) 剖面图(b) 达林顿等效结构图(1)IGBT结构剖面图及等效电路由图（1）（b）可知，IGBT相当于一个MOSFET和一个BJT的混合电路。
当在其栅极施加一个足够大的正向电压时，MOSFET内部将形成沟道，为晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。
此时由于P+区的空穴注入到N-区产生电导调制效应，能够减小N-区的电阻，从而使IGBT具有较小的通态压降。
二、IGBT工作特性IGBT的工作特性分为静态特性和动态特性两种。
(1)静态特性静态特性描述了稳态情况下IGBT的电流与电压关系，最常用的是其伏安特性和转移特性。
伏安特性指的是在不同的Vge下，Ice与Vce之间的关系，如图（2）左图所示。
转移特性是指集电极电流Ic与栅射电压Uge之间的关系，如图（2）右图所示。
图(2)IGBT的静态特性(2)动态特性动态特性描述了开关过程中IGBT的电压电流随时间变化的关系，分为开通特性和关断特性。
(a)开通过程 (b)关断过程图(3)IGBT的动态特性在开通过程中有两点值得关注：一是电流Ic上升率较快时，快恢复二极管的反向恢复电流将导致Ic出现尖峰，这一尖峰会引起电磁干扰等问题；二是寄生电容Cgc导致Miller效应，使Vge出现Miller平台，增加开通损耗。
在关断过程中，Cgc的分流作用使得在Vce下降过程中同样会出现Miller 平台，增加关断损耗。
此外电流下降过程中，二极管偏置导通将引起电压过冲，导致电磁干扰问题。
由于MOSFET快速关断，PNP双极管中存储的电荷不能及时释放，关断过程中还会有一个较长的拖尾电流，也增加了关断损耗。
《电力电子建模与仿真》课程教学大纲(本科)
《电力电子建模与仿真》课程教学大纲课程编号：081052111课程名称：电力电子建模与仿真英文名称：Modeling and Simulation of Power Electronics课程类型：专业课课程要求：选修学时/学分：32/2（讲课学时：16 实验学时：0 上机学时：16）适用专业：自动化一、课程性质与任务电力电子建模与仿真是自动化专业的专业选修课。
为自动化专业的学生将来进行课程设计、毕业设计以及走向工作岗位后从事电力电子电路相关设计提供有力的计算机仿真工具。
通过本课程的学习，学生可以掌握当今广泛流行的MATLAB \SIMULINK仿真软件、仿真环境。
掌握电力电子变流电路、电机调速系统计算机仿真的基本原理及方法，为以后的课程设计、毕业设计等打下基础。
本课程在教学内容方面着重基础知识、基本概念、仿真方法的讲解；在实践能力方面着重培养学生的系统建模能力和仿真分析能力，使学生具备一定的使用MATLAB \SIMULINK仿真软件解决实际电力电子工程问题的能力。
二、课程与其他课程的联系先修课程：《电力电子技术》、《电力电子与能源变换》、《变频器原理与应用》，这些课程中学习到的知识都为本课程的学习提供理论基础，这些课程的原理、方法、电路都可以通过本课程学习的MATLAB \SIMULINK建模与仿真方法对其验证。
三、课程教学目标1．通过本课程的学习，使学生掌握MATLAB\SIMULINK仿真环境和模块库；掌握电力电子器件模型和电动机模型；掌握电力电子变流电路的仿真；掌握直流调速系统的仿真；能用MATLAB/SIMULINK仿真工具对电力电子工程问题进行合理的建模和仿真计算，达成毕业要求1.1、1.5。
2．在课堂教学过程中适当讲解使用MATLAB\SIMULINK软件如何解决实际的电力电子工程问题，如何对实际工程问题进行适当的简化，并且在模拟过程中能够综合考虑模型简化所带来的局限性，以及如何处理实际工程问题中的约束，并得到合理的设计，达成毕业要求3.3、5.2。
电力电子系统的建模与仿真研究
电力电子系统的建模与仿真研究一、引言随着工业化和信息化不断推进，电力电子成为了近些年来的热点研究领域之一。
电力电子技术是指在电力系统中对电能进行转换、控制和调节等过程中应用的电子技术，其所涉及到的领域包括功率电子器件、电磁兼容、系统控制等方面。
在电力电子系统的设计与开发过程中，建模与仿真技术已经发挥了重要的作用，本文将对电力电子系统建模与仿真研究进行探讨。
二、电力电子系统建模技术电力电子系统建模是指对于电力电子系统的各个组成部分进行抽象和模拟，以期能够得到该系统的整体性能和特性。
电力电子系统建模技术可以分为两类：物理建模技术和黑盒建模技术。
1.物理建模技术物理建模技术是指基于物理原理和电路等的数学模型对电力电子系统进行建模。
比如，对于交流变电站来说，可以利用电机理论及变压器的等效电路进行模拟。
物理建模技术适用于系统结构相对稳定和系统的单元较为清晰的情况下，能够更精确地反映工程实际应用。
2.黑盒建模技术黑盒建模技术是指将某些受控系统作为整体，而不考虑其内部结构和机制，将系统的输入和输出关系进行数学描述。
黑盒建模技术适用于系统内部结构复杂、组成部分很多或者对系统行为知识不够充分或不可预知的情况。
常用的黑盒建模技术包括ARMA、ARIMA、ARMAX、Gray Box等。
三、电力电子系统仿真技术电力电子系统仿真技术是指将建模结果转化为可以数字化处理的仿真模型，开展电力电子系统行为的数字化仿真分析。
在电力电子系统设计中，利用仿真技术可以预测系统性能、分析系统的优化方案和研究系统的控制策略。
电力电子系统的仿真技术包括离散时间仿真与连续时间仿真。
1.离散时间仿真离散时间仿真是指将一个连续时间的电路模拟器在存在离散时间的情况下进行仿真。
使用离散时间仿真可以很好地处理数值误差的问题。
通常，离散时间仿真适合于模拟具有整数时节性的系统。
离散时间仿真主要有的两种方法是事件驱动仿真和固定时间间隔仿真。
2.连续时间仿真连续时间仿真是指基于微分方程或者差分方程的模型对电力电子系统进行仿真。
电气工程中的电力系统仿真与建模
电气工程中的电力系统仿真与建模在当今高度依赖电力的社会中，电气工程领域的电力系统仿真与建模技术发挥着至关重要的作用。
电力系统作为一个复杂而庞大的体系，其运行的稳定性、可靠性和经济性直接关系到社会的正常运转和人们的生活质量。
为了更好地理解、设计和优化电力系统，仿真与建模成为了不可或缺的工具。
电力系统仿真，简单来说，就是在计算机上模拟电力系统的运行状态和行为。
通过建立数学模型和算法，输入各种参数和条件，如电源的出力、负荷的需求、线路的参数等，来预测系统在不同情况下的性能和响应。
这就好比在虚拟的世界中搭建一个电力系统，然后观察它如何工作，从而为实际的电力系统运行和规划提供参考。
电力系统建模则是仿真的基础。
建模过程需要对电力系统的各个组成部分，如发电机、变压器、输电线路、负荷等，进行精确的数学描述。
这些模型不仅要考虑电气特性，还要考虑机械、热力等方面的影响。
例如，发电机模型需要考虑其电磁暂态过程、机械转动惯量等因素；输电线路模型则要考虑电阻、电感、电容等参数的分布特性。
在建模过程中，准确性和简化性之间需要找到一个平衡。
过于复杂的模型可能导致计算量过大，难以在实际应用中快速得到结果；而过于简化的模型则可能无法准确反映系统的真实特性。
因此，建模者需要根据具体的研究目的和应用场景，选择合适的模型复杂度。
电力系统仿真与建模在电力系统的规划和设计中发挥着重要作用。
在规划新的电力网络时，可以通过仿真来评估不同的线路布局、变电站位置和容量选择等方案的效果。
例如，通过模拟不同负荷增长情况下的系统运行，确定最佳的电网扩展方案，以满足未来的电力需求，同时避免过度投资和资源浪费。
在电力系统的运行和控制方面，仿真与建模同样不可或缺。
实时的仿真可以帮助调度人员预测系统的动态变化，提前采取措施来应对可能出现的故障和异常情况。
例如，当电网中出现短路故障时，通过仿真可以快速评估故障对系统的影响，从而指导继电保护装置的动作，确保系统的安全稳定运行。
电力系统建模与仿真技术研究
电力系统建模与仿真技术研究随着社会的发展，能源资源的需求越来越大，而电能在其中占据重要地位。
然而，电力系统的运行远不止是简单地发电和输送。
在电力系统中，各种因素的变化会对电力系统的运行造成各种影响，并且这些影响之间也相互连锁。
因此，如何准确地对电力系统建模和仿真，成为电力系统研究的重要议题。
一、电力系统建模电力系统建模是指根据电力系统各个组成部分的特性、相互关系和运行机理，建立电力系统数学模型的过程。
相对于实际的电力系统，数学模型具有简单、方便、经济等优点，能够有效地分析电力系统的运行情况。
电力系统建模主要有以下几方面的内容：1. 电力系统的物理特性建模。
包括传输线路、变压器、开关、刀闸等各种设备的特性，以及电力系统的运行和负荷特性等。
2. 电力系统的数学模型建立。
包括运用各种数学工具对电力系统的物理特性进行分析，并建立对应的数学模型，以便于后续的仿真分析。
3. 电力系统的节点建模。
电力系统是一个分布式的系统，每个节点之间存在复杂的物理和电学联系。
在建立电力系统模型时，需要对每个节点进行建模，以方便对电力系统进行分析。
二、电力系统仿真电力系统仿真是对电力系统模型进行仿真计算，以得到各种系统的状态和性能指标。
通过仿真，可以分析电力系统各种运行状态及其相互之间的影响，并确定各种控制策略，以便对电力系统进行优化。
电力系统仿真主要有以下几方面的内容：1. 电力系统的动态仿真。
主要是针对电力系统的动态特性进行建模和仿真研究，可以预测各种故障情况，并确定相应的应急措施。
2. 电力系统的稳态仿真。
主要是针对电力系统的稳态特性进行建模和仿真研究，可以确定系统的稳态工作点、控制变量及其稳定性分析等。
3. 电力系统的最优控制仿真。
主要是针对电力系统的优化运行进行建模和仿真研究，可以确定电力系统的经济性、安全性和环境保护等方面的综合指标。
三、电力系统建模和仿真技术的发展趋势近年来，随着电力系统的不断发展和复杂化，电力系统建模和仿真技术也在不断地发展和完善。
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10 0
固有特性分析
Magnitude (dB)
-10 -20 -30 -40 -50 -1 10
T 2 (S) T 1 (S) T 1 (S) T 1 (S)
L=1.0m L=1.1m L=1.0m L=0.9m
10
0
10
1
10
2
Frequency (rad/sec)
Root Locus
2.方法要恰当 （1）逻辑推理方法：归纳、推演、类比、移植 （2）机理建模法:白箱问题
（3）实验建模法：黑箱问题
（4）综合建模法：机理+实验
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模型及其建立
建模三要素：目的，方法，验证
3.结果要验证
数学模型——必要条件
实物模型——充要条件 实际应用——结果检验
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相似性原理及应用
1、几何相似
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相似性原理及应用
2、环境相似
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相似性原理及应用
3、性能相似
F
M
Fx
x
路面
+
人
计算机
人
数据采集
视觉传感器
CCD
听觉传感器
专用音频转换器
位置传感器
数据手套、三维鼠标
触觉传感器
压电复合材料
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟现实（VR）
感知设备： 表现装置： 三大特征：
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Ud
Id
M n
n ud +
y
x
yx
q h1
t
-
-
d2x dx a 2 b cx y (t ) dt dt
q1 h
hq
+
i(t ) U (t )
L
R C uc u
+
U c (t )
-
-
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相似性原理及应用
相似定理：
第一定理: 第二定理: 第三定理:
系统建模与仿真 ——仿真技术概述
张晓华
教授 /博士生导师
E-mail:xh_zhang@
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主要内容
科研工作的
基本方法
相似原理及其应用 模型及其建立
仿真技术及其重要性
学习本课程的
目的与方法
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科研工作的基本方法
5猜想法：
布丰投针原理
l a
1 y l sin q (不相交) 2
1 y l sin q (相交) 2
1 y l sin q (不相交) 2
q
l y
y y
q
q
y
a
l
q
l
l
q 90
1 y l sin q (不相交) 2
1 y l sin q (相交) 2
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科研工作的基本方法
5猜想法：
哥德巴赫猜想 相对论假说
电磁波设想
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科研工作的基本方法
5猜想法：
宇宙大爆炸 理论
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电 动 机 电 流 Id/A
2
ASR输 出
1200
转 速 n/r/min
14
1200
仿真技术及其重要性
控制系统CAD
球棒系统
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟现实（VR）
0.42
0.56
0 0.7
6
2000
2000
20
4
1600
1600
转速 13A 14
转 速 n/r/min
ASR输 出 /V
转速 0 800
转 速 n/r/min
1200
8
电动机电流 800 1A 2
-2
400
400
-4
-4
0
0.14
0.28 t/s
0.42
0.56
0 0.7
0
0
1
2 t/s
3
4
-10 5
3 2
Root Locus
10 5
Imag Axis
1 0 -1 -2 -3 -6 -5 -4 -3 -2 Real Axis -1 0
Imag Axis
0 -5
-10 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 Real Axis 0 0.5
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模型及其建立
建模过程
仿真实验
研究目的 OK 先验知识
NO
机 理 建 模
实 验 建 模
综 合 建 模
分析、归纳、推演、类比、移植、综合
数学模型
模型验证 OK
NO
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主要内容
科研工作的
+
U c (t )
-
-
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科研工作的基本方法
2实验法：
实际系统
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科研工作的基本方法
3仿真实验法：
在模型上（物理的/数学的）所进行的系统性能分析 与研究方法。
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模型及其建立
建模三要素：目的，方法，验证
1.目的要明确
飞行器
目的1 飞行器的动态性能
流体力学 方法1
目的2 飞行器的结构强度
结构力学 方法2
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模型及其建立
建模三要素：目的，方法，验证
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟现实（VR）
感知设备：
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
仿真实验性能比较： 数 学 模 型 低 仿真精度
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虚 拟 模 型
实 物 模 型 高
实 物 原 型
科研工作的基本方法
3仿真实验法：
工程应用： 飞行器设计的三级仿真体系
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科研工作的基本方法
虚拟样机：
1仿真实验的高级形式
2可视化/真实性
3有助于人们的创造与想象力的发挥
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟现实（VR） 虚拟样机：
声音模拟 音响装置 图像模拟 视觉装置 运动模拟 运动装置 虚拟现实
信息处理 提 出 问 题 人 机 交 互 网 络 设 备 远 程 实 验
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主要内容
科研工作的
基本方法
相似原理及其应用 模型及其建立
仿真技术及其重要性
学习本课程的
目的与方法
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相似性原理及应用
仿真实验所遵循的基本原则； 科学技术创新与应用的桥梁；
1、几何相似 2、环境相似 3、性能相似 4、思维相似 5、生理相似
基本方法
相似原理及其应用 模型及其建立
仿真技术及其重要性
学习本课程的
目的与方法
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
控制系统CAD 机械系统CAD
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仿真技术及其重要性
控制系统CAD
t
我们要确定的“六系数”（偏导数）
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科研工作的基本方法
4 混合法：
工程实例： 水轮发电机组
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科研工作的基本方法
5猜想法：
又称为“假想法”，通过人们对所研究问题的 “直觉”，提出“可能的”结果/结论，利用 “反演/推理/证明”的方法进行“创造性”的研 究和发现。
科研工作的基本方法
解析法：
Routh判据
英国E.J.Routh建立 （Routh-Hurwitz Stability Criteria）（1875年）