（动力机械及工程专业论文）基于bs模式的电厂数学模型的图形化建模软件的开发.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的i 自i 速发展，大型发电机组装机容肇的不断扩大，仿真机和仿真建模技术的发展 受到越来越多的芙注。目前国内外有各种各样的仿真建模软件，使用相当地广泛，性能也比较完善， 但仍存在一定的局限性。以我院从芬兰引进的仿真支撑建模系统a p r o s 为例，数学模型与集散控制 系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 之间的接口比较复杂；电厂仿真的热力系统不是很完善 需要用户补充开发一些模块；系统实时运行不够稳定，需要长时间调试；不能在w e b 平台上使_ i j ， 没有很好的开放性 基丁以上现状，本文结合对虚拟d c s 技术的扩展，开发了一套与之配套的全范围仿真建模软件。 具体开发思路是：基于浏览器服务器( b s ) 模式，采用图形化建模的方法使刚m i c r o s o f t 的通 用开发i ：具，如v i s u a lc + + 、f r o n t p a g e 和i n t e r n e te x p l o r e 等，将人型火电机组的锅炉、汽机、 电气等子系统及其辅助设备作为仿真对象进行建模。本建模软件具有很好的通用性、开放性、经济 性和可移植性。 本图形化建模软件包括图形用户界面、l i b 模型算法库软件、仿真建模系统的服务器软件文 中详细介绍了整个建模软件的框架结构，实现技术和具体的实现过程。在建模仿真环境卜i ，以部分 具体系统为例具体地介绍实现系统的组态和实现仿真建模的过程。并在不同扰动下，对设备动态响 应进行结果分析继而验证所开发的图形化建模软件功能的适l j 性。 关键词：图形化建模b s 模式数学模型组态流体网络 来南大学颂i ：学位论文 a b s t r a c t - i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h es i z ea n dv 0 1 u m eo fp o w e rp l a n t b e c o m e sl a r g e r s os i m u l a t o r sa n dt e c h n o i o g l e so fs i m u l a t i o na n dm o d e l i n gg e tm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n yk i n d so fs o f t w a r ef o rs i m u l a t i o na n dm o d e li n gh o m e a n da b r o a da n dt h e ya r ew i d e l yu s e dw i t hr i c hp e r f o r m a n c e s h o w e v e rt h e r ei ss t i1 1s o m e t h i n g n o tp e r f e c t t a k i n ga p r o so ff i n l a n db r o u g h ti na to u rs c h o o la se x a m p l e ，c o m p l e xi n t e r f a c e b e t w e e nm a t hm o d e l i n ga n dd c s ：t h et h e r m a ls y s t e mo ft h es i m u l a t i o no fp o w e rp l a n tw a sn o t c o m p l e t e l yp e r f e c t ，u s e r sh a v et od e v e l o ps o f t i ee x t r am o d e l s ：l a c ko fg o o ds t a b i l i z a t i o n i nr u na n dn e e dal o n gti m et od e b u g ：n o tb eu s e do nw e bp l a t f o r m ，s oitw a sl a c km it ho p e n n e s s b a s e do nt h e s ea b o v es i t u a t i o t i s ，c o m b i n e dw i t he n l a r g eo fv i r t u a ld c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) ，s e r i e ss o f t w a r eo fs i m u l a t i o na n dm o d e l i n ga c c o r d i n gt ov i r t u a ld c si s d e v e l o p e d t h em a yo fd e v e l o p m e n ti sa sf o l l o w s ：b a s e do nb r o w s e r s e r v e rl o d e ，g r a p h i c m o d e l i n gw a sa p p l i e d u n i v e r s a lt o o l so fm i c r o s o f tw a su s e d 。f o re x a m p l ev i s u a c + + 、 f r o n t p a g ea n di n t e r n e te 】【p l o r ea n ds oo n b o i l e r 、t u r b i n ea n de l e c t r i ca n dt h ea u x i l i a r y e q u i p m e n t sa r ea l it a k e na sm o d e l i n go b j e c t t h eo u t s t a n d i n go ft h i ss o f t w a r ei so p e n 、 u n i v e r s a l 、e c o n o m i c a la n dc h a r a c t e ro ft r a n s p l a n t t h i ss o f t w a r ei n c l u d e sg r a p h i ci n t e r f a c eo fu s e r 、l i bm o d e l i n ga r i t 岫e t i cw a r e h o u s e a n ds e r v e rs o f t w a r eo fs i m u l a t i o ns y s t e m t h es t r u c t u r eo ft h ew h o l es i m u l a t i o na n dm o d e li n g s o f t w a r e ，t h et e c h n o l o g i e sa n d t h ep r o c e s so fr e a l i z a t i o ni sa l li n t r o d u c e di nt h ep a p e r u n d e rt h i sg r a p h i cs i m u l a t i o na n dm o d e l i n ge n v i r o n m e n t ，c o n f i g u r a t i o np i c t u r e so fc e r t a i n s y s t e ma r ee o n f i g u r e da n ds i m u l a t e dw h i c ha r ea 1 1i n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h r o u g hd i f f e r e n t d i s t u r b i n g ，r e s u l t so fd y n a m i cr e s p o n s eo fc e r t a i ne q u i p m e n t sa r ea n a l y z e d i no r d e rt o c o n f i mt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h i ss i m u l a t i o na n dm o d e l i n gs o f t w a r e k e y w o r d ：g r a p h i cs i m u l a t i o na n dm o d e l i n g ：b sm o d e ：m a t hm o d e l i n g ：c o n f i g u r a t i o n ：f l u i d n e t w o r k 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：鲢盔垒日 期：巡：2 ：! i 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：砬蕴霆导师签名： 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 随着科学技术的迅猛地发展，大型发电机组不断向着大容量、高参数的方向发展，继而出现高 度复杂和功能强人的集散控制系统( d c s ) 对发电机组的控制。在这种情况f ，若要维持机组安全、 可靠和经济的运行必然要提高d c s 操作人员的专业知识、操作水平、应变能力和熟练样度等对运 行人员实施有效的培训。但要想在实际发电机组上直接对运行人员进t ? i i i 练义是很不现实且不可能 的。由此，在计算机技术和数学模型基础上兴起了一f jl ：程技术仿真技术。仿真技术，是以模 型为核心进行试验、研究和培训，具有可控、安全、经济、节约时间、允许多次重复的特点采用 仿真技术上述问题就可迎刃而解。 早在1 9 7 5 年美国联邦能源部提出的一项安全性专题报告中就指出：。电厂的可靠性可以由改 进设计和加强维护来改善，但是它只占可靠性的2 0 3 0 ，另外7 0 8 0 依靠于运行人员”。所以， 为了有效地提高电厂的可靠性和安全性，增强电厂运行人员的专业知识、业务水平很多发电厂已 配备了仿真机专j 培训操作人员，培养其止确分析、判断和处理各种紧急故障和事故的能力。井 为发电厂生产过程的动态特性研究及白动控制系统模拟调试整定提供方便继而有效地提高电厂的 安全性和经济性。当今世界上已普遍采删仿真机来培训运行人员，已成为提高电力部fj 安全经济运 行的一个重要手段，并被定为法定的培训方式。 本研究论文的选题止是开发完善的仿真系统提出的，用于电厂运行人员的培谰。 1 2 仿真技术的发展动态 1 2 1 国外电站仿真机发展概况 从l 8 年起，美国4 大动力集团公司分别建立了各自的仿真培训中心：1 9 6 8 年，通用电气公 司建立了世界上第一台完全复 i i l j 8 0 0 m w 沸水堆控制室仿真机；1 9 7 7 年，美国在t v ( t e n n e s s e e v a l l e ya g e n c y ) 建立了第一台火电机组仿真机。 1 9 7 3 年，法国建立了第一个火电仿真培i j l i 中心：1 9 7 6 年，日本关西电力公司建立火电培训中心 安装了两台仿真机，仿真的发电设备容颦分别为2 5 0 m w 和4 5 0 m w 。至1 9 7 8 年，世界上共已建成了 5 2 台电站仿真机，土要用丁培训远行操作人员，其中核电3 5 台、火电1 7 台。 2 0 世纪9 0 年代，发达国家国内的川电颦开始减少，电力1 ：业发展缓慢仿真机的研发也几乎陷 于停顿状态。2 l 世纪，西方的电力上业趋于饱和，仿真机的市场重点开始转移剑哑洲地区。 1 2 2 国内电站仿真机发展历程 总体来说国内的仿真机研究起步较早。在1 9 7 5 年，原水利电力。i ：业部就支持清华人学研制“大 型火电机组仿真系统”。并以2 0 0 m w 燃煤发电机组作为仿真对象丁1 9 8 2 年研制成功。1 9 8 4 年一1 9 8 8 年，清华人学研发了2 0 0 帅全范隔高逼真度仿真机，东南人学( 当时的南京i ：学院) 参与研制了1 2 5 胛 全范围仿真机，这些是中国口士研制成功的最早的实_ l j 的火电仿真机。 鉴丁仿真培训的电要性和必要性，白1 9 8 8 年起，国家能源部规定：2 0 0 m w 以上机组的操作运 行人员在上岗前必须亢在仿真机上进行为期不少丁| 1 个月的培训。培训不合格者小得上岗：对r 已 投入生产的2 0 0 m w 以上的发电机组的主要远行人员也要逐渐做剑定期上仿真机轮i j i l s j 反事故演习， 井将此作为重要考饮内容。由此我国的仿真机进入了一个人的发展时坶| 。 在2 0 t 廿：纪8 0 ：l ：f 我国引进了儿台国外研制的电厂仿真机。如1 9 8 6 年i 目家核。奠全局从美国引进 了一台9 0 0 m w 肚水卅核电仿真机安装在清华人学；一台3 0 0 m w 全范r 火也仍f l 机，安装住j e 京 l 东南人学颂 学位论空 电力学校：一台5 5 0 m w 原理删火电仿真机，安装在华北电力人学( 原华北电力学院) 。 此后，我国白土地进行火电站仿真机的开发。除计算机设备依靠t h ：界市场外，主要的核心技术， 如建模和支樟平台都完全是白土研发。通过一段时间的努力电力仿真技术日趋成熟，开发时间 缩短且价格较低廉白1 9 8 8 年以来极少从国外整体进口火电仿真机。 粗略统计，目前我国电力行业已经使川和正住研发的各种培训仿真机约4 0 0 台远远超过世界上 任何国家的仿真机拥有量显示了中国强人的仿真技术和仿真机的开发实力。全国各人电力公司和 各人发电厂基本上都建立了各白的电力仿真培训中心，拥有或规划建成1 3 5 2 0 0 3 0 0 6 0 0 1 0 0 0 m w 等各种规格型号的火电培训仿真机 1 2 3 电站仿真机的发展方向 随着电站臼动化程度的提高计算机和网络通讯技术的迅猛发展，需要仿真机实现的功能也在 不断扩展，继而对仿真机也提出了更高的要求“ 1 ) 电站仿真机功能的扩展。如： ( 1 ) 在仿真机上进行机组控制系统合理性的验证和分析，寻求有关参数的晟佳整定值。 ( 2 ) 在仿真机上通过对不同运行方式的仿真试验，寻求最优运行方式和提供事故分析指导 ( 3 ) 与实际机组运行数据信息相通，通过通讯技术，将实际机组的运行数据送入仿真机从 而实现事故诊断分析研究。 2 ) 为了满足上述对仿真机的要求，使得仿真对象数学模型要有更高的精度和逼真度。 3 ) 将高速发展的i n t e r n e t 应用到仿真机，采用基于w e b 的分布交互仿真，提高仿真系统的通 用性和开放性。 从技术和应用角度满足这些要求成为新一代电厂仿真技术发展的主要方向在这些发展方面， 国外有些软件技术如h p r o s 等还在进入国内。国内的技术力攮也在不断借鉴和创新，力争在技 术上不断推陈出新，本文所研究的内容，正是这种努力的一个部分。 1 3 仿真系统及仿真支撑系统 1 3 1 仿真系统的介绍 一个仿真系统主要由四个主要部分组成”1 ： 1 ) 数学模型：包括锅炉、汽机、电气、控制系统等，是仿真系统的核心。 2 ) 设计和运行人员：是仿真系统的制造者和使用者，其存在体现了仿真系统的实际意义。 3 ) 计算机利专用物理效麻设备：它”j 是仿真系统的物理载体，通过这些物理载体将实际仿真对 象和仿真系统联系起来。 4 ) 仿真支撑系统：它是以计算机为载体，为设计人员和运行人员提供一个输入输出界面，并通 过此界面与数学模犁联系起来。 冈此没有仿真支撑系统，数学模犁就无法与人发生联系，它在整个仿真系统中起到了桥梁的 作用。仿真支撵系统与其他环竹之问的关系如幽卜1 所示： | ! l 卜l 仿真系统结构 仿真支撑系统”，有时也称作仿真支撑纠，境是川r 支持软什开发、调试，维护、修改、延 行利管理的软什系统。它是现代仿真机州发发延i j 维护必不可少的、重要的软1 1 。系统，它的允进j 2 第一币绪论 否商接影响到仿真机的质苗和水平。因此住没有支撑系统情况f ，将开发仿真机比作“手i ：操作”， 将有仿真支撑系统的仿真机比作“自动化操作”。 仿真支撑系统一般麻包括自动建模系统、数据预处理系统、调试系统，变量数据库管理系统、 主程序库和网络通信系统等人人部分组成，如图卜2 所示。 图卜2 仿真支撑系统的构成图 1 ) 自动建模系统：用于完成整个仿真系统数学模型的自动生成，包括锅炉自动建模系统、汽机 自动建模系统、电气自动建模系统二人组成部分。 2 ) 数据预处理系统：给模块的各参数预先赋值，防j p 出现系统不稳定现象。 3 ) 调试系统：是整个仿真支撑系统最为核心的部分，通过调试使仿真系统的静态特性和动态特 性尽可能的接近与实际系统。 4 ) 数据库管理系统：负责模型变量数据库的管理t 作包括备参数变晕的入库、变量检索、变 量删除、数据各种存l 汉等功能为数学模型、调试系统和通信系统提供变量共享和存取的媒 介 5 ) 主程序：为用户模型程序提供与调试系统的接n 。与调试系统共同完成对模型程序的调度和 管理，i ：作，还包括过程设备模块、边界条件模块、备算法库、热上物性参数库和各热力子系 统之间的接口等。 6 ) 通信系统：为仿真支撑系统各部分提供通信手段，也可以为在不同计算机上运行的调试系统 提供通信手段，或者利川多台计算机上运行的调试系统构成人型仿真系统。 1 3 2 仿真支撑系统的发展及其特点 自8 0 年代初，国外相继开发了一些仿真支撑系统软什如意人利自动化和计算研究中心开发地 l e g o 、美国电力研究所研制的删s 、德国曲】子公司的n l o o p 、美国a b b ( 原c e ) 公司的c e t r a n 、美国 原1 i n k 公司的s 3 、法国t h o m s o n 公- 7 的f l o w n e t & l o g n e t 、芬兰技术研究中心( v 丌) 的a p r o s ，以及 加拿人c a e 公司的r o s e 、s a c d a 公司的s a c d a 等等。 国内，土要有清华能源仿真公司开发的电站i 氅| 形化仿奠建模系统g e n t 和仿真支撑环境i s s e 、清 华热能系的可视化计算与仿真支撑平台v c s 3 与电站仿真h 彤化自动建模系统t h a m s 等。华北电力学 院住引进美国原c e 公司5 5 0 m w 原理掣仿真机的同时，在c r a n 的基础上进一步开发出了s t a r 9 0 模块 化建模环境弧洲仿真公司也使h 】了引进美国l i 、k 公司仍如支撑软r l ：s 3 的部分建模和支撑环境，并 开发t a s c a 先进仿真支撑系统软件。 东南人学颅i 学位论文 从国内、外仿真支撑系统”o 的发展米看，仿直支撑系统的土要特点有： 1 ) 模块化建模即将实际对象中独立的物理设备作为研究对象，利_ i i j 模块化建模的思想和方 法生成仿真拌序： 2 ) 高度的i 璺i 形处理能力系统具备功能强使用方便的图形化的环境，幽形对象与实际对象做 到内涵与外延的相似从而可以根据实际热力系统方便、快捷地以图形方式构造出来： 适用范围广具有一定的通川性，不仅仅局限丁某个部分或某具体对象； 4 ) 具有方便的调试功能； 一些先进的建模系统可以在支撵系统的支持下直接进行编译。并完成请如数据显示、致据修改 等调试i + 作。另外些更先进的支撑系统采h j 数据驱动的方法。组态完成后i r 以直接运行，不需要 编译器的参与，只是其运算性能会稍有影响 1 4 仿真建模与虚拟仿真系统 由于近十年以来，真实控制系统是从仪表控制向集散控制快速发展，控制系统仿真一直是电站 仿真技术中快速发展的一个方面。本实验室负责人在2 0 0 3 年系统性地提出了虚拟d c s 的技术概念， 并实施了全面深入的技术攻关开发。虚拟d c s “是基于非d c s 系统平台上再现真实d c s 控制功能 的实时计算机系统，是仿真系统中控制模型的软件组合，包括控制器算法和人机界面两部分。根据 虚拟d c s 的特点无论是控制器参数和算法，还是人机界面的交且形式和内存。都完全由m si - _ 程 师站拷出的组态数据转换生成使用与真实d c s 系统相同的控制算法、模块、位号、图形和动态图 标等。通过特殊编制的虚拟系统转换软件，读入真实d c s 的组态数据文件，自动生成可供仿真运行 的虚拟控制器程序软件包和虚拟人机界面程序软件包，其系统结构图见如图1 3 。由于虚拟d c s 系 统能够快述臼动生成和高逼真度仿真因此能够随着真实d c s 系统的修改而同步更新，在人员培训 和数据分析的实际应用方面，逐渐成为大型发电企业的最新选择 真实d c s 系统 控制器转换软件 虚拟d c s 系统 控4 器组态 l l 一屉似忱s 径制嚣程厅 自动生成 人机界面组态l- i 虚拟d c s 人机界面程序 人机界面转换软件 图1 - 3 虚拟d e s 系统 基于本实验室已有的虚拟d c s 技术的突出优势，本文提出对虚拟d c s 技术进行新的扩展在浏 览器服务器( b s ) 结构上开发了一套与之配套的全范甬仿真建模软什，由仿真建模系统和虚拟d c s 系统构成全新的虚拟仿真系统( 其结构如图i 一4 ) 。该虚拟仿真系统结合了虚拟o c s 的优势，同时具 有独立开发基丁| w e b 的仿真建模系统，使得虚拟仿真系统具有很好的通用平台，适戍电力，i ：业仿真 发展的需要。 该虚拟仿真系统戍将d c s 控制范围全部纳入仿真的范围，除了具有满足人员培训的功能外。还 能实现一些新的应h j 功能，如：一方面，实现厂级实时监控系统即s i s ( s u p e r v is o r yi n f o r m a t i o n s y s t e m ) 系统剑虚拟系统的连接使虚拟仿真数学模型获得能符合某一历史u 、刻的初始i ：况从而 为进一步机组状态分析提供起始运算点：另一方面能够实现虚拟系统钊s i s 采统的反馈，使运行监 控和决策人员可以对实时数据和仿真数据进行方便的比较，做山止确的判断。 4 第一章绪论 吕 仿 教 控 通信 真 通信 练 制 系 模 员 统 型 口 图1 4 虚拟仿真系统结构图 该虚拟仿真系统的教练员台应为教练员提供一纽软件1 二具，以控制与监视培训过程。教练员台 的功能包括初始j ：况选择、设置消除故障、设定环境参数、控制i o 设备、政变仿真机的运行速度( 慢 实时及超实时) 等。同时，可通过趋井曲线。过利图显示及参数监视等功能监视学员的操作状况，及 时给予指导和纠正，并具有成绩评定功能”先进的教练员功能具有多级冻结、在线管理、数据追 忆和先进的评分系统等功能。 在虚拟仿真系统中操作员可通过d c s 操作员下达命令，通信程序将操作员下达的命令传递到 仿真平台中，仿真模型进行循环运算，当有新的输入量，仿真模型经过计算得出新的输出量，仿真 平台的输出量再经过通信程序传递到d c s 操作员站监控界面 1 5 本文主要工作 目前国内外有各种各样的仿真建模软件，使用相当地广泛，性能也比较完善，但仍存在一定的 局限性以我院从芬兰引进的仿真支撑建模系统a p r o s 为例数学模型与集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 之间的接口比较复杂：电厂仿真的热力系统不是很完善需要用 户补充开发一些模块；a p r o s 运行不够稳定，需要长时间调试；不能在w e b 平台上使用，没有很好 的开放性。 基丁以上现状，本文结合对虚拟m s 技术的扩展开发了一套与之配套的全范围仿真建模软什。 具体开发思路是：基于浏览器服务器( b s ) 模式，采_ i ；i 图形化建模的方法，使删m i c f o s o f t 的通 用开发i 具。如v i s u mc + + 、f r o n t p a g e 和i n t e r n e te x p l o r e 等将人犁火电机组的锅炉、汽机、 电气等子系统及其辅助设备作为仿真对象进行建模。本建模软件具有很好的通朋性、开放性、经济 性和可移植性。 该图形化建模软件是由图形_ 【l j 户界面软件、l i b 模型算法库软件、仿真建模系统服务器锋部分 组成。图形化建模系统比较庞人开发 作任务比较繁重，由于时间的限制目前完成了图形化建 模软什初步阶段的开发i ：作。 在基t b s 电厂数学模型的图形化建模软件的开发中，本文的主要工作有以下几个方面： 1 ) 图形川户界面的开发 首先将幽形用户界面的元素进行分类；基于a c t i v e x 技术，针对各种过程设备，开发其a c t i v e x 控件库。 根据实际建模的需要利电厂实际的d c s 热力系统图进行简化设计并绘制本文图形化建模的川 户界面。住f r o n t p a g e 组态环境f ，将a c t i v e x 控什嵌入剑组态页面上，组态生成相应的数学模删 用户界面的h t m l 页面，即构成相麻的f 系统幽。 在仿真建模时，可通过嵌入往卦1 态页面内的通信控什与仿真建模系统服务器实现实时交互通信 提供实时动态页面的浏览午ij 模掣操作。 2 )l i b 模刑算法库软什的j f 发 东南人学硕十+ 学位论文 对应丁用户界面中a c t i v e x 控件库种类，建立模删算法库，包含管道阀fj 换热器风机 挡板发动机、凝结器等设备模块的数学模删。 模块的接口就是设备的实际出入口，使得每个模块都有明确的实际的物理意义且每个模块 之间有完全独立性。根据质鼙守恒、动颦守恒、能量守恒定律以及流体力学和传热学等相戈知识建 立各设备模块的数学模型并通过数学方法将备设备的模型转化为程序代码，在计算机中进行数值 计算 在模型算法库软件中还要开发工质热力特性算法和i 流体网络算法等。 3 ) 软什调试和验证 以云南滇东发电厂为仿真对象，在本图形化建模仿真环境f ，建立仿真对象的模型的组态图， 进行各系统的仿真建模。迮接虚拟d c s 系统，通过对某个扰动情况f ，以部分具体设备为例，对仿 真结果进行分析，继而验证了所开发的图形化建模软件的适性。 6 第一二章基于b ，s 摸- 的幽形化建摸软件的设计 第二章基于b s 模式的图形化建模软件的设计 2 1 数学建模的理论基础 发电机组的动态数学模型是仿真机的重要组成部分。全t 况数学建模的内容包括所有要求模 拟设备中的显示参数，适麻机组设备自冷态和热态启的全过程，如包括冷炉启动中的外来蒸汽加热， 点火、产汽、暖管、升温、升压直至冲动汽轮机、升速、并网及逐步达到满负荷的全过程并能仿 真各辅助设备的起、停运行、各种不正常运行状态、事故发生及处理情况。仿真结果应能正确反映 热力设备参数及其动态响应过程。 一个复杂对象的数学模犁包括稳态模型和动态模型两大部分。 所谓稳态( 静态) 数学模犁是指系统或过程在稳定状态或平衡状态下各输入变量与输出变罱之 间关系的数学描述，它能反映系统或过程的静态特性。热力设备或系统运行时，如果输入与输出的 物质和能封保持不变，而且恰好收支平衡，那么设备内部各出l ：质的参数以及设备本身各处的金属 温度等都能保持稳定。在一定j ：况f ，各种稳态参鼍都有一定的数值，与前后的历程无关。在不同 的稳定l ：况f ，各种状态参鼍之问总存在着某些确定的关系。这些关系可_ i f 】公式，图线、表格等数 学形式表达，从而构成静态的数学模型。综上所述，静态数学模型可_ l f j 直接或间接地取白各种静态 计算方法，也可由试验结果得到它们除了服从物理和化学的基本定律外，还取决于研究对象本身 的结构特点。 动态数学模巾是用来描述系统或过程在不稳定状态下各种参量随时间变化的数学关系式。这些 数学关系式一方面服从物理与化学的基本定律，另一方面也取决丁系统的结构特点和初始l ：作条件 动态数学模犁与静态数学模型的土要差别是：前者含有时间变最，后者则与时间无关。理论上说 当时间趋于无穷时由动态数学模型决定的所有参量的最终稳态值应该与静态数学模型所决定的完 全一样，两种模型在形式上也趋于一致。但是为了简化动态模型的计算，在建模时所坩的物理模型 和假定条件往往比静态计算更加简化所以时间趋下无穷时，动态模型在形式上不一定与静态模型 完全趋于一致。一般，动态模型的稳态误差人丁静态计算结果的误差。 在动态模掣的建立过拌中，一般需要建立若干简化假设，这些假设必须符合客观实际，这是正 确建立数学模型的先决条件。为建立工e 确的热l ：对象的数学模型晟好先建立对象的热物理模型， 对事物进行定颦定性的物理分析及描述，有助于掌握其主要特点。按热工对象本身的特点，大致可 区分为四种环竹和三类现象。四种环节是： 1 ) 分布参数环节：较k 的介质输送管道及管式热交换器如蒸汽过热器等都属于这类环节。 2 ) 集中参数环肖：有集中容积的对象都属丁i 此类如锅炉汽包、汽轮机的凝汽器、喷水减温器 以至燃烧室空间的容积和压力特性和转动惯鼙等都可列入此环肖。其特点是设备及i ：作介 质的热i ：状态参数可以相当准确地川某一点的参数米代表，因而其状态方群完全可川常微分 方样组描述即只是时间的函数。此类环节中一般有较人的质域及能颦的储存。 3 ) 特殊环竹：此类环竹中的质昔即能量储存相对来说较小，或其变化较小宵独特的- i 作特点。 如汽轮发电机、风机、水泵以及燃烧空的传热特点等。这类环节的惯性小，或在所考虑的范 围内近丁常数，但其【：作特性却具有决定性的影响。 4 ) 纯延迟环竹及其它环节：如管内压力扰动的传播、热惯性小的传输管道中的流动以及皮带给 煤机这类传输机械等属丁纯延迟环节。此类环仃比较简单易丁处理。 在上述四种环1 y 中从热l ：特性角度可以人体区分为二类现象： 1 ) 缓慢的能苗迁移及质草迁移现象。热量和质蕈的迁移及其相应的温度场及浓度场的变化在很 多的情况r 是一些甚为缓慢的现象。如在 = = 度很人的管式热交换器中介赝温度由入口剑出口 的变化：在人质昔j 举部什中如汽包肇、厚晕联箱、高压汽轮机的汽缸戍转子受热或冷却的 不稳定热传导i - 的湍度场的变化等都属丁i 此类，属丁一些惯性较人的过靴。 2 ) 相对快速达到平衡的现象。在不可压缩介质及处丁饱年1 1 状态r 的汽、液曲相混合介质中，压 力变化的传播u 丁认为具有足够快的速度( 卢速) 。而且住压力变化4 i 人时，一些可乐缩介 质也u ，按不“f 压缩情况处理，冈而属r 相对较快述平衡的现象。例如t ! ，管道中的介质压力 7 东南人学颂1 学位论文 变化孳。在以“秒( s ) ”以至t “l o s ”为时间单位的热i ：过渡过程中，这些快速平衡现象 的处理比较简便，常可用代数方程来描述。 3 ) 完全可按平衡状态处理的过程：有些参苗变化实质上是动态变化过程但由丁变化速度很快， 可忽略其动态变化过程。在模艰中作为静态处理。如汽轮机流苗功率、炉内燃烧锋。另外 有些参数只与i ：况某些特性有关与不随时间改变或属1 ：对运行影响不人的参数，通常也作为 静态模型处理。 这种划分对丁合理解决复杂热1 ：系统的动态研究有其实际意义。若研究重点是慢过程，则有 荚快过程可h j 其慢特性方程组描述。若士要目标是快过程，! i ! i j 缓慢过程的变化可省去。若两者都是 研究的目标则可组成不同的通道或子系统。如在流体管吼的仿真中，往往把管网中流体温度和焓 值的计算与流体压力和流体的流餐计算分开处理从而使建立的数学模型能够适应仿真的需要。 为了正确地建立热i ：对象的数学模型，必须对它的物理实质进行充分的分析找到合适的数学 描述方法，建立相应变量的数学模型方程组。 2 2 建模系统的划分 大型发电机组系统复杂，设备非常庞大，下质种类繁多。为简化工作，本文按照d c s 系统划分 方式，把发电机组划分为若干子系统然后再根据介质性质、过程特点、模型之间通讯的优化及调 试方便等因素，将人系统细分为若干子系统，每个子系统包括很多设备和连接管道，从而实现电厂 的各系统仿真建模。这种划分方式符合电厂的工艺流程的特点，与设计和运行是一致的，为实现建 模做了准备i ：作。 发电机组具体地被划分为如下几大系统：锅炉系统、汽轮机系统、发电机和电气系统( 建模系 统的层次图如图2 - 1 ) 8 第一二章基于b s 模式的幽形化建模软件的设计 图2 1 仿真建模系统的层次图 2 3 基于a s 模式的图形化建模软件的设计思想 2 3 1 图形化建模设计思想 随着计算机技术的不断发展和j i 泛应用，仿真建模技术经历了手1 ：建模，模块化建模、专_ 【l j 仿 真语言、面向对象建模币j 图形化自动建模等儿个阶段 i 生i 形化自动建模是在模块化建模和面向对象建栏杜础上形成的一种比较先进的建模技术。图形 广l 动建模住系统的底层采川模块化建模丰面向对琢j 术开发模块库，而土程序采川的是交互方式 进行建立通过选取代表实际对象的相关幽标， f 4j 近? k 的方式将l 笙| 标连接，建立起实际物理对象 9 东南人学颤i ：学位论文 之问数据流和信息流的关系来n 动完成建模i 作。目前，l 兰| 形白动建模己在很多领域得到了，“泛的 应川平发展已成为仿真技术的必然趋势之一。 应h j i 璺i 形化建模技术，有以卜i 几个方面的优势“”“： 1 ) 采h 幽形建模可加速建模，更加形象直观能够表现许多用语言难以表达的信息，便丁交 流，f = 且降低了对户操作水平的要求。另外还可以提供多种辅助分析i ：具，多种信息处理 方式。住图形化仿真软1 ，l = 中可以充分发挥软件资源的综合作川，使绍个建模i ：作效率更高。 2 ) 采用统一的模块化管理和统一的变茸命名规则。这样，通过使瑚图形化建模系统可以促进模 块开发的标准化以及提高对模块的管理质凿的能力。 3 ) 图形化建模系统是面向两级州户进行开发的即专业建模人员和一般用户。专业建模人员需 要编弓模块程序加入模块库，但不需要编写仿真系统程序，因此大人降低了对建模人员掌握 计算机相关技术的要求。用户可以不戈心数据共享的编制方法，不需要考虑设备模块数据接 口拌序的编制。这些编程i ：作均由图形建模环境白行完成。因此，使_ i j 图形建模环境人人地 方便了建模人员，减少了编拌餐与编样难度。 4 1 图形建模系统一般包括良好的模型调试环境，可以很方便地显示数据曲线、趋势图，以及可 以很直观地演示事故。 因此，运用计算机图形化建模技术，来实现热工过程的高效自动化建模的必要选择。 区别与一般的图形化建模技术，本文采用自主开发的图形化建模方式进行图形化建模。专门的 图形软什很多“”“，如常见的图形制作_ i ：具m a t l a b 、美国a u t o d e s k 公司开发的通用计算机辅助设 计与绘图软件a u t o c a d 、加拿人c o r e l 公司开发的图形软件c o r e l d r a w 、 控软件l a b v i e w 、北京诺 斯维信科技有限公司开发的矢茸化图形软件n e o - p r o c e s s v i e w 等。就软件本身而言功能1 f 常丰富，在 工程领域应用也相当广泛。而这些图形制作软件都需要安装专i 】的软件，从电厂图形化建模和整个 虚拟仿真系统的通刚性和开放性考虑，基于对虚拟d c s 进行扩展开发的技术路线，本文提出有必要 开发全新的幽形化建模软件。 本文针对各种电厂子系统，如风烟系统、主蒸汽系统、给水系统、制粉系统、循环水系统、发 电机和电气系统等，根据图形化建模的指导思想，在w i n d o w s2 0 0 0 系统平台f ，采用v i s u a c + + 开发具有图形界面的通川建模软件，包括常_ l j 设备的模块库和代表各设备幽标的0 c x 控件库，并通 过图形转换软什建立设备i 芏i 标的控件与算法模块的对应关系。专业建模人员只需要住f r o n t p a g e 组 态环境f “画”出机组的热力系统图并且设置各设备相关的参数，然后经过图形转换软件建立电 厂的数学模硝。 本文图形化建模软件建模过挥是以电厂的技术资料和d c s 热力系统图为基础，按被仿真对象的 物理、化学过程，特别是按电力设计院进行的管道连接设计进行模块搭接连接的，每个模块代表的 是仿真对象的某个设备，具有一对一的对应关系，技术设计概念十分清晰。 2 3 2b i s 模式的结构体系 1 常见的计算模式介绍 常见的计算模式主要有：主机终端模式( m a i n f r a m e t e r m i n a l ) 、客户服务器( c 1i e n t s e r v e r ) 及浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r ) “1 。 1 )土机终端模式 主机终端模式( m a i n f r o e t e r m i n a l ) 的特点：由人型的土机完成系统中儿乎所有的计算，终 端只单纯作为一种输出设备_ 【i j 丁显示结果。以主机为中心，所有榨序集中在一个土机上运行，包括 d b m s 、麻川拌序以及负责向终端发送和接收数据的通讯程序。所有数据都保存在主机上，用户通过 本地或远科终端来访问土机。 优势：集中式的安全性和海鼍数据存储设备的管理能力，系统维护升级一般只涉及主机。 局限：川户缺乏个人定置无任何处理功能，且系统初期投入人，维护费用高。 2 ) c li e n t s e r v e r 模式 8 0 年代末，针对士机终端模式在网络上戍用的局限性提出了客户服务器( c i i e n t s e r v e r ) 的模式。这种结构比较适_ l i j 丁局域网运行环境因此很快得剑了r 泛的府州。c l j e n t s e r v e r 模式 能够合理地分布数据，网络卜传送的一般是请求( 如s o l 语句) 丰结果( 如记录) ，而不是整个文件， 冈此，网络j f 铺平i i 响戍时间极人降低减少对网络带宽平成本的需求。这种模式中服务器负责数 据符理客j ，瑞克成与川户的奁且任势。 优贽：j i 仃强人的数据撑纵和事务处理能力。以及数据的安全性和j 完整性约求。 1 0 第一二章摹十b s 筷式的幽彤化硅模软件的设计 3 )b r o _ s e r s e r v e r 模式 i n t e r n e t 是埘i n t e r n e t 技术和产品建立的企业内部信息管理系统，即企业内部的i n t e r n e t 。 i n t e r n e t 是一种全新的、简单实_ 【 j 的技术。它是以w e b 为基础。支持多种硬软件平台统一的浏 览器界面，操作简单采川多种动态技术，如a c t i v e x 、j a v a 、o l a p c o n t r o l 、c g i 实现数据库操作 等交且式的应刚功能。基t - i n t e r n e t 的w e b 模跫，称为b r o w s e r s e r v e r ( 浏览器服务器) 模型。 2 c 1 i e n t s e r v e r 与b r o w s e r s e r v e r 的比较 1 ) 结构模式 在c i l e n t s e r v e r 模式中服务器端，主要是多个用户共享的信息与功能：客户端，为每 个用户所专用。客户端负责执行前台功能而服务器端执行后台服务。由丁这种结构被设计成 两层模式，显示逻辑和事井处理逻辑部分均被放在客户端，数据处理逻辑和数据库放任服务器 端，使得客户端变得很“胖”，成为胖客户端，而服务器端的任务则相对较轻，成为瘦服务器， c 1 i e n t s e r v e r 体系结构如图2 2 所示 客户机服务器 显示b 事务 请求 。 事务f 、 、 逻辑一 处理 d e s c r i p t i o n ，设备描述，c s t r i n g 类型对设备的具体型号等进行说明。 2 ) k k s ，功能名称，c s t r i n g 类型，表示该控件在组态页面中的标识，如上所述电厂唯一标识符 k k s 码 3 ) d i r e c t i o n ，设备的方向属性，s h o r t 类型，0 r 表水平，l 代表向右2 代表向下，3 代表向左 4 ) o p e n t i m e ，设各上e 常完全开启所需要的时间常数，d o u b l e 类型 5 ) f l o w ，流经设备的质量流量，d o u b l e 类型。 6 ) p o s i t i o n 阀fj 设备的阀位，d o u b l e 类型 方法接口： s e t v a l u e ( s h o r ti d ，b s t rv a l u e l i s t ) ，对数学模型传送的数据打包量进行解包的函数。 增加控制撵作窗口的功能，做法：为r 程添加一个1 模态对话框，并为其生成一个名为 c o p e r a w n d d l