系统仿真技术

1、系统仿真技术系统仿真技术崔国民热工程研究所仿真技术是二十一世纪最关键技术之一！仿真技术是二十一世纪最关键技术之一！第一节第一节 系统仿真的概念及其意义系统仿真的概念及其意义物理系统物理系统数学模型数学模型仿真系统仿真系统1、系统仿真的基本概念、系统仿真的基本概念定义：运用物理模型或数学模型代替实际系统进行实验和研究。定义：运用物理模型或数学模型代替实际系统进行实验和研究。* 不是实际系统不是实际系统* 离不开系统离不开系统 关系：物理系统、数学模型、仿真系统三者的关系关系：物理系统、数学模型、仿真系统三者的关系相似原理相似原理物理仿真物理仿真建模建模仿真仿真 分类分类实现上实现上物理仿真物理仿

2、真数学仿真数学仿真混合仿真混合仿真缩小的实物模型缩小的实物模型仿真计算机仿真计算机相似原理相似原理+模拟计算模拟计算算法上算法上数字仿真数字仿真模拟仿真模拟仿真混合仿真混合仿真电子计算机电子计算机 功能强，精度高功能强，精度高, 串行串行难实时难实时模拟运算器模拟运算器 功能弱，精度低功能弱，精度低 并行并行实时实时电子计算机电子计算机+模拟运算器，模拟运算器，兼具二者优点兼具二者优点时效上时效上实时仿真实时仿真亚时仿真亚时仿真超时仿真超时仿真同步同步欠同步、落后欠同步、落后超前，时间缩短超前，时间缩短 仿真对象仿真对象自然的自然的人工的人工的存在的存在的未来的未来的2 仿真的意义仿真的意义

3、大型工业系统的实验研究大型工业系统的实验研究 不允许的不允许的 计划和设计的中间实验计划和设计的中间实验 没有的没有的预测性：预测性： 超时空运行效应超时空运行效应 无法实现的无法实现的特殊实验：特殊实验： 超极限，破坏性，事故超极限，破坏性，事故 不可能的不可能的 节省原材料，节能，人力等节省原材料，节能，人力等 经济性经济性 系统优化、改进系统优化、改进 预见、研发预见、研发 仿真软件形式，利于传播仿真软件形式，利于传播 普及性普及性 发现规律或科学研究发现规律或科学研究科研价值科研价值3 仿真系统的实际应用仿真系统的实际应用 大型仿真系统大型仿真系统仿真工厂仿真工厂 辅助训练、人员培训辅

4、助训练、人员培训稳态仿真稳态仿真动态仿真动态仿真 辅助设计辅助设计稳态仿真稳态仿真代数方程组代数方程组能不能实现能不能实现各种物质物理化学性质计算各种物质物理化学性质计算 单元设备及系统物料衡算单元设备及系统物料衡算 单元设备及系统能量衡算单元设备及系统能量衡算 气液平衡计算气液平衡计算 化学反应动力学计算化学反应动力学计算 物性计算物性计算 质量守恒质量守恒 能量守恒能量守恒 两相平衡两相平衡 反应平衡反应平衡 动态仿真动态仿真微分方程组微分方程组实现效果如何实现效果如何停车可行性实验停车可行性实验 各种扰动下的整体适应性和稳定性各种扰动下的整体适应性和稳定性 自控系统可行性分析及实验自控系

5、统可行性分析及实验 工艺设计与控制的协调性工艺设计与控制的协调性 联锁保护或自动过程的可行性实验联锁保护或自动过程的可行性实验 开车可行性实验开车可行性实验 dcs组态方案可行性组态方案可行性 工艺、自控技术改造方案的可行性工艺、自控技术改造方案的可行性 动态仿真设计：动态仿真设计：采用采用动态仿真技术进行设动态仿真技术进行设计、可行性分析、实计、可行性分析、实验验。 辅助生产辅助生产生产优化可行性实验生产优化可行性实验 装置开、停车方案论证装置开、停车方案论证 复杂控制系统方案论证复杂控制系统方案论证 调优公司调优公司联锁开车功能、快门记忆联锁开车功能、快门记忆 控制节能、控制调优控制节能、

6、控制调优常规控制常规控制先进控制先进控制优化控制优化控制管控一体化管控一体化 事故方案和紧急救灾方案实验事故方案和紧急救灾方案实验随机事故随机事故 辅助研究辅助研究 计算流体力学计算流体力学(cfd) 分子仿真（分子仿真（md）（）（dsmc） 4 系统仿真的实现系统仿真的实现l 数学建模及求解数学建模及求解经验不足，对系统理解片面经验不足，对系统理解片面 测试手段限制、数据源不全测试手段限制、数据源不全 数学方法不当、不稳定数学方法不当、不稳定 基础理论基础理论有些无法解决有些无法解决 代数不收敛、微分振荡代数不收敛、微分振荡实现难点实现难点建模和求解效率低建模和求解效率低 形成的是过时技术

7、形成的是过时技术解决办法解决办法面向实际面向实际意志坚定意志坚定善于合作善于合作人马齐备人马齐备第二节第二节 系统仿真建模系统仿真建模1 稳态与动态建模的原理稳态与动态建模的原理 物理、化学物理、化学变化系统变化系统 对对 象象 行行 为为质量质量能量能量 动量动量 气液两相气液两相 成份成份 传递、扩散传递、扩散 传递、转换传递、转换 传递传递 转化转化 反应反应 运动是绝对的运动是绝对的静止是相对的静止是相对的 稳态建模稳态建模稳态条件：稳态条件：进水进水=出水出水h不变不变动态平衡动态平衡稳态稳态 h静止静止 水箱系统水箱系统守恒方程：守恒方程：0)(54321fffff 能量、质量通用

8、守恒方程：能量、质量通用守恒方程：0, 1, 1outmjjinniitwtw代数方程组代数方程组 动态建模动态建模微分方程微分方程动态动态变化变化dtda守恒方程：守恒方程：54321fffffdtdm hrm25432121fffffrdtdh 能量、质量通用守恒方程：能量、质量通用守恒方程：inioutjjidtdwtwtw112 系统建模的方法系统建模的方法 初等几何法初等几何法对象对象系统设备的面积或体积等几何量系统设备的面积或体积等几何量 l 稳态建模方法稳态建模方法abbashbas2rls hrv231 24 rs 334rv 代数法代数法 系统变量间的稳态关系系统变量间的稳态

9、关系1、一元回归、一元回归 2、初等函数法、初等函数法 3、多元回归、多元回归 单变量关系单变量关系 非线性关系非线性关系 多变量关系多变量关系)(xfy nnxaxaxaay 2210注意计算效率注意计算效率 )(43210 xaaxaxaxayctbapln饱和蒸汽压方程饱和蒸汽压方程 u 多元回归多元回归 黑箱子黑箱子),(2111nuuufy ),(2122nuuufy ),(21nmmuuufy nnuauauaay 221101多元线性回归：多元线性回归：保证精度：保证精度： 分段拟合分段拟合l 动态建模方法动态建模方法)()()()()(1) 1(1)(0tutyatyatyat

10、yannnn 微分方程微分方程变量变化率变量变化率 移不变的移不变的对象特征对象特征线性的线性的方程特征方程特征非线性的非线性的时变的时变的常微分方程常微分方程 偏微分方程偏微分方程 分布参数模型分布参数模型 集总参数模型集总参数模型 多元时空变化多元时空变化 一元时间变化一元时间变化 直接微分法直接微分法pvtf1f2f3空压机出口缓冲罐空压机出口缓冲罐原理：原理：对稳态关系直接进行微分处理对稳态关系直接进行微分处理 近似为近似为动态变量关系动态变量关系 稳态变量关系稳态变量关系 条件：条件： 变量变化不是很剧烈变量变化不是很剧烈 忽略次要因素忽略次要因素 压力不是很高，温度不是很低压力不是

11、很高，温度不是很低直接微分：直接微分： vrtdtdmdtdp321fffdtdmvrtfffdtdp)(321问题：问题：罐内压力变化规律罐内压力变化规律mrtpv 理想气体：理想气体： 原理推导法原理推导法 原理：原理：根据系统内部关系进行推导根据系统内部关系进行推导燃气轮机发电装置燃气轮机发电装置三传一反三传一反三传：能量，动量，质量三传：能量，动量，质量一反：化学反应一反：化学反应问题：问题：转速变化规律转速变化规律 动能：动能： 221jna 321eeedtda3212)(21eeedtndj321eeedtdnnj 偏微分方程法偏微分方程法 优点：优点： 偏导数反映了空间特性偏导

12、数反映了空间特性更全面的信息更全面的信息分布参数模型；分布参数模型； 稳态、动态系统均可描述。稳态、动态系统均可描述。方法：方法：划分微元体划分微元体 流入的流率流入的流率流出的流率流出的流率=微元累计速度微元累计速度 x（x,y,z） y z dy dx dzxinxoutdxdydzxudydzdxxuudydzuxxxx )()( dxdydzyudxdzdyyuudxdzuyyyy )()( dxdydzzudxdydzzuudxdyuzzzz )()( x方向：方向：y方向：方向：z方向：方向：dxdydzzuyuxuzyx)()()( 三三个个方方向向流流入入流流出出的的差差dxd

13、ydzt 微元内的累积量微元内的累积量整理的：整理的：0)()()( zuyuxutzyx 第三节第三节 数值求解数值求解 仿真（模拟）过程仿真（模拟）过程常规模拟方法：常规模拟方法：有限差分方法、有限元法、数值积分方法有限差分方法、有限元法、数值积分方法基本方法：基本方法：1 1）描述对象）描述对象 偏微分方程（偏微分方程（物理对象数学建模）物理对象数学建模） 线性方程线性方程 非线性方程非线性方程 时间不相关时间不相关 稳态稳态 时间相关时间相关 动态动态2 2）求解格式的生成）求解格式的生成 差分法差分法 微分；微分； 有限元、数值积分有限元、数值积分 积分积分 差分（组）差分（组） 微

14、分；微分； 微分方程（组）微分方程（组） 代数方程代数方程差分方法：向前差分；向后差分；中心差分差分方法：向前差分；向后差分；中心差分 显示格式显示格式 隐式格式隐式格式3 3）求代数方程组）求代数方程组 线性代数方程组线性代数方程组 非线性代数方程组非线性代数方程组线性线性：高斯消去法、逆矩阵法、单纯形法：高斯消去法、逆矩阵法、单纯形法 非线性非线性：线性化方法：线性化方法 一般迭代法一般迭代法 迭代法迭代法 牛顿迭代法牛顿迭代法 松弛技术：松弛技术： 拟牛顿法拟牛顿法 计算效率；计算效率； 收敛特性收敛特性程序实现：程序实现：1）区域分解）区域分解 几何形状（时间步长）几何形状（时间步长） 系统坐标系统坐标 当地坐标；当地坐标； 精度要求精度要求 （不同区域要求的分辨精度不同）。（不同区域要求的分辨精度不同）。2）网格划分）网格划分 形状（当地坐标下的方便网格形状）；形状（当地坐标下的方便网格形状）； （时间步长）（时间步长） 密度（物理量变化剧烈的区域）；密度（物理量变化剧烈的区域）； 网格的排序及其连接关系。网格的排序及其连接关系。3）迭代初值）迭代初值 影响求解速度；影响求解速度； 影响求解的稳定性；影响求解的稳定性； 根据基本推测和变量之间的粗略关系给出。根据基本推测和变量之间的粗