系统仿真应用与发展方向.doc

过程仿真的应用与发展方向机博111班 张英杰一、系统仿真的基本概念系统仿真可以理解为运用物理模型或数学模型代替实际系统进行实验和研究。系统仿真是一门面向实际的具有很强应用特征的学科，也是一门综合性新技术学科。系统仿真应用领域很广，涉及航空、航天系统、石油化工过程系统、火力发电系统、冶金与钢铁工业系统、水泥工业过程系统、食品加工系统、造纸工业系统、交通管理系统、环境及环境保护系统、社会经济系统和医学生物系统等等。过程系统仿真技术随着电子计算机软、硬件发展而发展。近年来数字电子计算机已成为系统仿真的主要工具。过程系统仿真下定义可描述为：以仿真机为工具，用数学模型代替过程系统进行实验和研究。此定义指明了过程系统仿真所关心的三个主要组成部分，即过程系统、数学模型和仿真机。三个部分由两个关系沟通。其一，过程系统与数学模型之间的关系，称建模；其二，数学模型和仿真机之间的关系，称仿真。数学模型是依据过程系统数据源由人工建立的数学描述。这种数学描述能够产生与过程系统相似的行为数据。数学描述常用代数方程法，微分方程法或状态方程法等。仿真机是以现代高速电子计算机、网络设备、多媒体设备为基础，由人工建造的模拟实际操作控制或现场装置环境的机器，同时也是数学模型软件实时运行的硬件环境。一般科学计算问题有通用数字计算机或微型计算机就可以满足计算要求。但过程系统仿真必须具备特殊的仿真机、实时操作系统及专用仿真软件环境，才能逼真地模拟动态过程现象。近十年中，我国科技人员已研制成功多种型号的仿真机产品。目前主要有通用型模拟仪表盘式和DCS式两大类。二、仿真技术的特殊作用所谓特殊作用，就是其他技术很难达到或者无法取代的作用。主要有以下几个方面：第一，过程系统通常属于大型工业系统，其流程复杂、投资巨大、生产连续性强。从经济利益和安全性出发，一般不允许在真实系统上进行试验研究，即必须借助于仿真手段；第二，计划中或设计中的过程系统，现实世界中尚不存在，只有通过仿真手段进行试验研究；第三，高质量的仿真模型具有预测性。应用现代高速大容量仿真计算机，人们可以在短时间内预测实际过程系统数月甚至数年时间中所发生的现象和事件，这是仿真技术“超时空”的优点；第四，实际过程系统根本不允许作的试验。如超极限运行、破坏性试验、事故分析等等，利用仿真技术不会造成任何损失，是最安全的试验研究方法；第五，仿真试验研究主要在仿真机上进行。与真实系统试验相比，除了安全以外还能大大节省原材料、能源消耗和人力资源等；第六，动态仿真数学模型可以产生被仿真系统受到各种外部扰动或操作变化的动态响应，这种特点即模型的预测性。也就是说，一个高质量的数学模型不是主观认为赋给模型哪些功能，模型则只能产生那些功能或现象。例如一个设计合理的流体流动管路与阀门组成的网络模型，可以产生各阀门不同开关状态的所有排列组合现象。从这个意义上看，采用仿真技术可以辅助工程技术人员全面认识和分析过程系统，防止人为思维惯性所产生的遗忘导致的试验、研究或设计中的重大失误。第七，仿真技术通常用软件形式体现，用软盘、磁带或激光盘作载体，传递复制极为方便。软件还是一种可以在“信息高速公路”甚至电话线中传送的资源，这是仿真技术便于传播推广的一大优势。从上面的这些特殊作用来看，足以说明采用仿真技术辅助过程系统试验和研究的重要意义。三、系统仿真的步骤对于一般意义下的系统仿真，通常将它分为以下十个步骤：1.系统定义。确定所研究系统的边界条件与约束。2.数据准备。收集和整理各类有关信息，简化成适当形式，同时对数据可靠性进行核实，为建模做准备。3.模型表达。把实际系统抽象成数学公式或逻辑流程图，并进行模型验证。4.模型交换。用计算机语言模型变换，即建立仿真模型，并进行模型校核。5.模型认可。断定所建模型是否正确合理，是整个建模与仿真过程中极其困难而又非常重要的一步，与模型校核，模型验证及其它各步都有密切联系。6.战略设计。根据研究目的和仿真目标，设计一个试验，使之能提供所需要的信息。7.战术设计。确定试验的具体流程，如仿真执行控制参数、模型参数与系统参数等。8.仿真执行。运行仿真软件并驱动仿真系统，得出所需数据，并进行敏感性分析。9.结果整理。由仿真结果进行推断，得到一些设计和改进系统的有益结论。10.实现与维护。使用模型或仿真结果，形成产品并进行维护。四、过程系统仿真技术的应用先进工程技术的最大价值在于实际应用，实际应用又反过来促进工程技术发展。过程系统仿真技术的工业应用大约起始于60 年代，80年代中期随着计算机技术广泛普及而取得很大进展。仿真技术在过程工业领域中的应用已涉及教育与训练、工程设计、辅助生产和辅助研究等方面，其社会经济效率日趋显著。1辅助训练采用过程仿真技术辅助训练，简而言之就是由人工建造一个与真实系统相似的操作控制设备，或直接采用真实工业控制设备，如模拟仪表盘、DCS工作站等，作为学员的操作控制环境。用计算机及其中运行的实时动态数学模型取代真实的生产装置，在这样的仿真环境下学员可以得到非常逼真的操作技能训练。过程仿真技术在操作技能训练方面的应用近十年来在全世界许多国家得到普及，这是因为过程工业在世界各国国民经济中的地位日显重要。工艺流程和工厂设备越来越复杂化、连续化。自动控制水平迅速提高。工业技术发展对操作工人、现场技术人员、管理人员和仪表工人提出了更高的要求。这种新的形势使得传统的技术培训方式已无法满足需要。发达国家，例如美国、英国、德国、法国、加拿大以及日本等国的大型石油化工企业相继采用计算机仿真培训系统训练操作工人，效果十分突出。大量统计结果表明，仿真培训可以使工人在数周之内取得现场2-5年的经验。这种仿真培训装置能逼真地模拟工厂开车、停车、正常运行和各种事故状态的现象。无需投料，没有危险性，能节省培训费用，大大缩短培训时间。美国称这种仿真培训系统是提高工人技术素质，确保其在世界取得生产技术领先地位的“秘密武器”和“尖端武器”，并且有许多企业已将仿真培训列为考核操作工人取得上岗资格的必要手段。据估计，美国石油化工企业已有上千套仿真培训系统投入使用。 80年代以来有许多专营石油化工仿真器硬件和软件的公司相继成立。其中，Audy公司在炼油、石油化工企业推出400余套仿真培训系统。仿真软件所涉及的工艺流程包括催化裂化、常压和减压蒸馏、铂重整、合成氨、乙烯、合成纤维、气体加工、还有纸浆和造纸、发电系统等。美国大西洋仿真公司（Atlantic Simulation）是专门开发微型机仿真器的公司，美国深康公司（SimCon）是综合性的仿真技术公司，主要经营石油化工工程设计、设计方案、可行性分析、先进控制系统及优化控制设计，同时也开发仿真培训系统。我国仿真培训软件开发也达到了很高水平。据不完全统计，我国科技人员自行开发的仿真软件已经覆盖了炼油、化肥、乙烯、合成纤维与合成橡胶等多种工艺过程。总计70多套仿真器投入使用。参加仿真培训的学员约10万人次，效果很好。国产化仿真培训系统的推广应用为我国炼油、化工和石油化工领域职业技术训练开辟了一条新的有效途径。可以预料，随着仿真培训技术在我国推广应用，将在保障安全生产、降低操作成本、节省开停车费用、节能、节省原料、提高生产率、保障人身安全、保护生态环境、延长设备使用寿命、减少或避免停产所造成的损失、减少或避免工厂装置破坏所造成的经济损失等等与操作人员素质密切相关的方方面面发挥有效作用。 2辅助设计仿真技术用于辅助工程设计已不是新概念。化工工艺设计中常用的过程模拟技术，实质就是一种稳态数字仿真。过程系统稳态仿真主要包括如下内容：各种化学物质物理化学性质计算；单元设备及系统物料衡算；单元设备及系统能量衡算；气液平衡计算；化学反应动力学计算。以上各部分除化学反应动力学计算以外，稳态仿真数学处于相对稳定工况的数据集，用于试验和核算单元设备或过程系统的几何尺寸与能力。过程系统仿真主要研究系统动态特性，又称为动态仿真或非稳态仿真。动态仿真数学模型一般由线性或非线性微分方程组表达。仿真结果描述当系统受到扰动后，各变量随时间变化的响应过程。显然，仿真技术在工程设计中起着与稳态模拟互补且不可分割的特殊作用。动态仿真技术在工程设计中的应用例举如下：工艺过程设计方案的开车可行性试验；工艺过程设计方案的停车可行性试验；工艺过程设计方案在各种扰动下的整体适应性和稳定性试验；系统自控方案可行性分析及试验；自控方案与工艺设计方案的协调性试验；联锁保护系统或自动开车系统设计方案在工艺过程中的可行性试验； 组态方案可行性试验；工艺、自控技术改造方案可行性分析。以上设计课题都是在过程系统处于动态运行状态下的试验。离开动态仿真技术，这种试验工作将十分困难甚至根本无法进行。采用动态仿真技术进行设计可行性分析试验，在国内设计部门目前几乎还是空白。然而发达国家已经将动态仿真技术大量应用于过程系统设计。美国杜邦公司专设仿真工程部，有着一批经验丰富的仿真专家。该工程部每年进行100多项工艺及自控方案可行性分析。ABB公司的SimCon子公司开发了专用软件包称为SimCon仿真语言。软件包提供完整的数值算法库、热力学数据库、500多种针对用户的过程数学模型。软件具有实时仿真复杂过程的能力以及智能化的仿真模型开发与使用人-机界面。SimCon公司采用仿真技术为用户进行设计可行性分析、先进控制方案设计和过程优化控制系统设计，同时也提供仿真培训系统。现代计算机技术使仿真技术在辅助过程系统设计方面前途无量。 3辅助生产仿真技术辅助生产在大型复杂过程工业中逐渐被采用，这是因为对于如此大规模的连续生产中，任何一种技术上的改变都必须三思而后行，否则会造成无法挽回的损失。目前仿真技术辅助生产应用较多的有如下几方面：（1）生产优化可行性试验采用仿真技术进行生产优化可行性试验是一种离线优化方法，避免了直接在生产装置上试验的危险性和经济损失，只要建立起符合实际的数学模型，一般都能取得预期效果。目前有相当一批以生产调优为目标的公司活跃在世界各大石油化工企业。成绩卓著的有美国SETPOINT公司、西雷公司及其软件产品ONSPEC。近来由于用户不断增加，调优公司之间竞争日趋激烈。美国Honeywell公司为了加强实力兼并了加拿大SACDA公司和Profimatics公司，新组建了Hi-Spec Solution 公司，并且着手打入我国生产调优市场。(2)复杂控制系统方案论证复杂的控制系统通常应当在新厂开工一段时期之后再实施。因为新开工装置的安全与稳定操作是主要矛盾，往往采用简单控制回路。另外，由于人们对过程系统的动态特性了解不足，尚未积累丰富的经验，所以不易实现复杂控制。当装置开工一段时期之后，如果工程技术人员和企业管理人十分重视了解该装置静态和动态特性，又积累了较多的经验和现场运行数据，在这种条件下，比较理想的作法是： 在现场技术人员的密切配合下，由仿真技术人员依据长期积累的现场数据，全面细致的核对、校验开工时（开工前）所建立的过程系统动态模型，尽可能修正出较为精确的适合于不同工况的数学模型。然后应用仿真技术，依据数学模型分析、试验多种先进的自动控制方案，改造不合理的联锁保护系统。经仿真试验有了把握之后可逐步转入现场实施。 首先从常规控制逐步过渡到先进控制，在先进控制取得成功的基础上进而实现优化控制，最终在条件成熟时可以着手开发更高水平的CIMS控制，以管控一体化控制。（3）事故预案和紧急救灾方案试验过程仿真模型具有预测性，可以仿真各种事故状态以及事故源扩散影响所造成的损失。若辅以人工智能技术，计算机软件能根据事故状态立即输出紧急救灾方案，为及时准确地指挥抢险提供科学依据。人工事故预案主要采用穷举法，罗列出各种预先设想的事故状态以及不同事故状态的抢救方案。这种常规的方法编制预案的工作量很大，文字说明冗长，使用时翻阅查询费时费力。化工部劳动保护研究所已开发完成了某石油化工厂油罐区计算机事故预案和紧急防灾软件系统，该系统以仿真数学模型为核心，运用数据库技术、计算机多媒体技术，可以装入笔记本电脑带到灾害现场。软件采用随机决策方式运行。只要指定出事故源位置及程度，仿真模型立即预测出不同气象条件下罐区火灾随时间扩散及对周围影响情况，并根据已存入的现场消火栓分布、道路等实际情况给出消防车出动救灾方案。本项目已通过部级技术鉴定，得到专家好评。若将仿真方法推广到石油化工装置事故预案和紧急效灾方案论证方面，优点更加突出。因为生产装置比罐区复杂得多，靠常规人工预案工作量极大。可以预料，仿真技术在过程系统防灾救灾方面很有应用前景。4.辅助研究利用电子计算机高速图形数据的处理技术，高分辨率三维彩色显示技术将仿真计算结果实时直观地表达于屏幕上，科技人员能够置身于一种虚拟的实验环境中从事过程系统研究 。美国SGI、SUN、DEC和HP等计算机公司所研制的功能强大的三维图形工作站，可以非常快速的完成复杂计算任务。这种图形工作站使仿真技术倍添光彩，在过程系统研究领域为促进计算流体力学、分子仿真设计等学科的发展作出了贡献。(1)计算流体力学(CFD)基本研究方法是，以高速数值积分求解偏微分方程所组成的流体力学仿真模型，得到随时间变化及二维或三维空间变化的数据场。通过专用的数据场可视化软件处理后，在屏幕上以箭头、流线、流面、迹线等方式，用不同的颜色显示密度、温度或压力等物理量，动态地表现流场中各物理量变化过程，揭示流场的变化规律。目前仅在 工作站上运行的商用软件就多达数十种。(2) 分子仿真设计计算机可视化技术与仿真技术相结合开创了分子仿真设计新领域。研究人员藉助于三维动画技术可以在计算机屏幕上构造分子模型，可以修改、调整、预测和计算从简单分子、蛋白质分子、药物分子到高分子聚合物的分子动力学问题。例如：能量最小化、分子振动频率、预估分子的