（控制理论与控制工程专业论文）基于modelica的火电厂给煤系统建模.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于m o d e l i c a 的火电厂给煤系统建 模，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者签名： 扯日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 杠 导师签名： 2 华北电力人学硕士学位论文 摘要 制粉系统作为锅炉的燃料来源，对火电厂的建模非常重要。特别是磨煤机的惯 性和迟延是造成锅炉负荷难以控制的主要原因。因而建立一个合理的模型，对控制 系统的设计具有重要意义。而由m o d e l i c a a s s o c i a t i o n 所推出的m o d e l i e a 语言是当 前非常适合于多领域复杂物理系统建模的语言。本文首先介绍了m o d e l i c a 语言及其 开发环境d y m o l a 的特点，初步介绍了应用m o d e l i c a 语言在d y m o l a 编译器中的建 模方法，然后给出了给煤机和磨煤机的数学模型。最后在m o d e l i c a 的d y m o l a 编译 器下建立给煤机和磨煤机的模型，并给出比较符合实际的仿真结果。初步探讨了给 煤系统控制方法的设计。 关键词：给煤机，磨煤机，建模与仿真，控制方法，d y m o l a ；m o d e l i c a a b s t r a c t ： a st h ef u e ls o u r c eo fp o w e rp l a n tf u r n a c et h ep u l v e r i z e dc o a lm a k i n gs y s t e mi s v e r yi m p o r t a n tf o rt h em o d e l i n go fac o a lf i r e dp o w e rp l a n t f u r t h e rm o r et h ei n e r t i aa n d d e l a yo fm i l la r et h er e a s o no ft h eu n e a s y t o c o n t r o lp r o b l e mo fb o i l e rl o a dc o n t r o l l i n g t h u si ti sq u i t es i g n i f i c a n tt om o d e lar e a s o n a b l ec o a l p u l v e r i z i n gs y s t e mf o rt h ed e s i g n o fb o i l e rl o a dc o n t r o ls y s t e m m o d e l i c a ，w h i c hw a sb r o u g h tb ym o d e l i c aa s s o c i a t i o n i sa v e r yp o w e r f u lm o d e l i n gl a n g u a g e f o rt h em o d e l i n go f m u l t i d o m a i n ， c o m p l i c a t e d a n d h y b r i dp h y s i c a ls y s t e m s i nt h i sp a p e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m o d e l i c a d y m o l aa r ei n t r o d u c e df i r s ta n dt h e nt h em o d e l i n go fc o a lf e e d e ra n dm i l li s p r e s e n t e d f i n a l l yp i c t u r e so fs i m u l a t i o nr e s u l ta n dc o n t r o l s y s t e ma r eg i v e n g u oq i a n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i uj iz h e n k e y w o r d s ：c o a l f e e d e r & m i l l ，m o d e l i e a ，m o d e l i n g & s i m u l a t i o n ，c o n t r o ls y s t e m 3 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 火电厂建模的意义 随着火电机组容量的增大、参数的提高，机组运行的安全性、经济性越来越依 赖于先进的自动控制系统。d c s 系统的使用有效地提高了机组的自动化水平，并为 新型控制算法的使用提供了必要条件。由于火电机组热力系统的复杂性、多数热工 对象都存在多变量耦合、大惯性、非线性的特点，使得控制系统的性能并不理想。 为此，有必要改进系统中原有控制算法或研究新型智能控制策略。如自整定p i d 、 预估控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等。 这些控制策略所依据的理论基础已经比较完善，但实际应用结果并不十分令人 满意。其中一个重要原因是许多高级控制算法的成功应用离不开精确的对象模型。 即使控制算法本身不依赖于模型或对模型的要求不高，检验控制算法时也需要一个 完整、可靠的对象模型，特别是能够真实反映机组整个运行工况动态特性的精确模 型。因此，用于控制系统改进的机组整体模型已成为电力系统建模与仿真领域的重 要研究课题之一。 近年来，国内外许多学者对以上各种模型进行了很多研究，并取得了很多成果。 在用于控制系统研究的模型中，比较有代表性的是瑞典学者k j h s t r o m 对一台 1 6 0 m w 的燃油机组的研究结果。他通过理论分析和实验修正的方法得到了组用于 描述机组特性的代数微分方程。在此基础上，k j h s t r o m 又做了进一步的研究， 得到了一系列描述锅炉、汽轮发电机组的实用模型。这些模型由于具有典型的非线 性，能够较为真实地反映机炉系统体的总特性，从而被广泛用于火电机组协调控制 系统的研究和改进中。除此之外，f p d em e l l o 、j h h w a n g 、m e f l y n n 、j p m c d o n a l d 、p k c h a w d r ya n db wh o g g 、g o r d o np e l l e g r i n e t t i ，j o n s e p hb e n t s m a n 等人对火电机组模型特别是锅炉模型进行了较详细的研究，得到了许多有实用价值 的模型。 国内学者对火电机组或工业过程动态模型也进行了大量的研究，比较有代表性 的是清华大学的倪维斗、李天铎、东南大学的陈来九、章臣樾、华北电力大学的高 镗年等。其它单位及学者也对火电机组动态模型进行了大量研究，包括锅炉单相介 质换热器通用动态模型、用于事故分析和故障诊断的锅炉、汽轮发电机组模型、机 组协调系统模型等的研究。 这些模型大部分是采用机理法得到的，建模时考虑了对象的分布参数特性，得 到的模型由微分方程或偏微分方程及代数方程组成。其仿真结果较为精确，多用于 对象动态特性分析。 为了保证模型的实时性，f p d em e l l o 采用分析方法建立了传递函数框图的形 式的火电机组模型，考虑了压力流量之间的非线性关系，该模型也被用于火电机组 5 华北电力大学硕士学位论文 协调控制系统的研究上。并取得了较好的效果。 从现有的资料看，目前在动态模型方面的研究工作存在两个急待解决的问题： ( 1 ) 这些研究成果通常以数学模型的书面形式提供，使得模型不易于推广使 用。因为要想使用这些模型，首先要花费很大的精力弄清模型的建立机理、各系数 的含义及计算方法，模型的使用方法及适用范围等。另外，还要把这些模型转换为 可以直接进行研究或使用的软件形式。这对一些从事控制策略研究的科研人员和工 程技术人员是一件比较困难的事情，而且在很多情况下也是不必要的。进行控制算 法研究或控制系统改进时，研究人员往往只关心模型的准确性、实时性及使用的简 便性，而对模型的结构及建模机理不感兴趣。对于他们来讲，最好能把动态模型直 接放入一个集成软件环境下。在该环境下，可以很方便地组态控制系统，并与模型 连接。 ( 2 ) 在现有的热工系统动态模型研究中，一般都把研究的重点放在局部设备 或系统的精确模型上，而忽略了机组整体模型的研究。由于在建立各设备子模型时 没有从整体模型的角度统一考虑输入输出变量的连接关系，要想把这些模型连接在 一起是很困难的。要想建立一套火电机组整体模型，有必要对整个系统进行合理划 分，在建模之前便确定好各子模型的输入输出及连接关系。 就火电机组模型的用途而言，建模的目的主要有三种： 第一种是精度要求很高的复杂模型，如炉膛的三维传热、流动、燃烧模型、循 环流化床的精确模型、燃气轮机精确模型、汽轮机转子热应力计算模型等。这种模 型主要用于改进设计，分析故障原因，一般是针对机组的某一部分建立模型；第二 种是用于实时仿真培训装置的模型，这种模型的精度一般要求不高，但应能反映各 种扰动因素，以达到预期的培训效果。建模时一般采用机理法进行，依据基本守衡 定律及热力学定律建立系统的基本模型，再依据设计数据求得模型的参数，无法求 出的参数一般根据经验设定；第三种是用于对象特性分析及预测、控制系统集成及 控制算法研究的模型。这种模型一般要比仿真机上的模型更加精确，其系数的确定 应以实际运行数据为基础。建立这种模型的方法一般有两种：一种是通过现场试验 得到系统对各种输入的响应，再通过系统辨识得到传递函数描述，这种模型的缺点 是使用范围较小，不能反映模型的非线性，主要用于控制系统分析、设计、和检验。 另一种是依据基本定律建立系统的基本模型，再通过设计参数、运行参数及现场扰 动试验确定模型的参数。本文将采用这种方式建立火电机组整体模型。为了便于控 制系统研究，建立这种模型时，一般应将热工系统模型与控制系统模型分开考虑。 在已有模型中，前两种模型的研究较多，用于控制系统集成的动态模型较少。 随着电力生产的发展，3 0 0 m w 、6 0 0 m w 火电机组已成为电力系统的主力机组。到目前 为止，在公开文献上还没有一个包括主要热力系统在内的火电机组整体动态模型， 用于火电机组动态特性分析及控制系统的研究。在进行控制系统改进或控制算法研 6 华北电力大学硕士学位论文 究时，只能参考使用国外或其它机组的模型，在很大程度上限制了这些工作的进行。 基于热工系统动态模型的研究现状及电力生产的需求，有必要采用通用的软件 平台建立较为详细的机组整体模型，该模型可以直接在软件平台上运行。建模时可 将模型的具体结构及参数封装起来，只提供模型的输入、输出作为接口，并给出相 应的说明( 如物理含义、单位等) ，以便于与控制系统的连接。 1 2 目前的建模方法 随着建模技术和数值技术的发展，数学建模与仿真在产品设计中的作用越来越 重要，已经成为测试和分析产品技术性能的一项重要手段。然而，随着产品复杂度 的不断提高，以及人们对产品各项性能的日益重视，使得产品设计过程中越来越多 地需要考虑产品的整体性能。目前较为流行的不同领域子系统单独仿真的做法已经 不能满足复杂产品设计的需要，针对复杂产品的建模与仿真技术正朝着多领域统一 建模与协同仿真的方向发展。 目前，多领域建模仿真方法主要有两种：一种是基于高层体系结构( h i g h l e v e l a r c h i t e c t u r e ，h l a ) 的方法，另一种是基于统一建模语言的方法。h l a 是一种 支持分布式仿真的集成框架标准，它将由不同领域的仿真软件建立的模型划分为不 同的联邦成员，并按照h l a 的规范进行集成以实现协同仿真。因此，基于h l a 的 多领域建模方法实质上是一种模型集成方法，它需要得到各领域商用仿真软件公司 的合作，需要针对不同的仿真应用配置模型接口，编写集成代码，实现较为困难， 而且需要人为地割裂不同领域子系统之间的耦合关系。 基于统一建模语言的方法对来自不同领域的系统构件采用统一方式进行描 述，彻底实现了不同领域模型之间的无缝集成和数据交换。m o d e l i c a 语言是目前盛 行的一种多领域物理系统建模语言，它具备模型重用性高、建模简单方便、无须符 号处理等许多优点。m o d e l i c a 语言的建模思想在很大程度上顺应了知识的可积累、 可重用和可重构的指导原则。m o d e l i c a 语言的优秀特性使得基于m o d e l i c a 语言的 多领域建模方法具有非常显著的优势，必将成为今后多领域物理系统建模的主流方 法。 m o d e l i c a 语言是为解决多领域物理系统的统一建模与协同仿真，在归纳和统 一先前多种建模语言的基础上，于1 9 9 7 年提出的一种基于方程的陈述式建模语言。 m o d e l i c a 语言采用数学方程描述不同领域子系统的物理规律和现象，根据物理系统 的拓扑结构基于语言内在的组件连接机制实现模型构成和多领域集成，通过求解微 分代数方程系统实现仿真运行。该语言可以为任何能够用微分方程或代数方程描述 的问题实现建模和仿真。 d y m o l a 是在瑞典l i n k o p i n g 大学的技术支持下，由m o d e l i c a 协会研发的新 一代计算与仿真软件。该软件主要采用m o d e l i c a 语言，是一种基于物理模型实体 的建模和仿真软件。该软件问世以后，以其独特的简单实用性、模型一目了然的图 7 华北电力大学硕士学位论文 形化设计、大量的预定义模块数据库以及用户自定义模块良好的可重复利用性，带 来了建模和仿真领域的一场革命性变革。 d y m o l a 具备其它软件所没有的诸多优点和功能，如内核开放、用户自定义便 捷等。该软件在国内的应用，尤其是火电厂建模领域的应用尚处于起步阶段。本文 对该软件在火电厂给煤系统方面应用的可能性和主要优点进行初步分析和论述。 1 3 目前仿真方法的特点与不足 据统计，现在的仿真机系统，大约5 0 使用仿真语言，3 0 使用f o r t r a n 语 言，1 0 使用一些特殊的程序设计语言。 使用仿真语言( 比如f o r t r a n ) ，其缺点是，即使已有大量通过子程序库可用， 建模人员也必须编写一个主程序库来调用所需的子程序。因此建模人员不得不去熟 悉某种算法语言( f o r t r a n ) 、操作系统的基本功能以及逻辑、编译、链接和文件 管理等使用过程。而这与把建模工程师从繁杂的编制程序任务中解脱出来的目标想 违背。 而使用仿真语言建模可以大大节省用户的编程时间，使用户避开程序设计的细 节，同时也降低了建模人员掌握专门知识的熟练程度的要求，具有易于掌握、使用方 便、功能强、通用性好、较高执行速度的特点。 仿真语言是一种高级语言，它的每个语句都可描述被仿真系统的一个设备名， 语句名就是设备的英文名或缩写，设备参数及其它设备的连接参数则直接写在其名 字之后。建模者可以在不了解任何算法语言及操作的系统知识的情况下，建立、修 改自己的模型。仿真语言建模方法又可以分为两种：基于编程语言的程序化建模和 基于图形模块的图形化建模。 程序化建模是针对某一具体研究对象建立数学模型，并编制计算机程序，程序 的结构是全局一体的，不可分割。一方面该程序只适用于所针对的特定对象，可继 承性差。因此，系统一旦变更，则需要重新建立数学模型，重新编制程序。造成不 必要的重复劳动，耗时长，对以前编制的程序要进行大量的修改，或者全部推翻， 对入力物力都是一种浪费，而且对建模人员的技术水平要求较高，要求建模人员了 解电站设备结构和过程特性，具备深厚的关于理论建模、仿真技术和程序设计方面 的知识和经验另一方面，对模块的结构缺乏统一规范，可靠性小、可维护性差。特 别是对于火电设备模型往往与运行工况有关，因而具有模型不确定性。所以这种建 模方法不仅工作量大，而且可扩性也不好。 图形化建模是伴随着计算机业的蓬勃发展，各种软件开发平台的功能不断完 善，以及面向对象的编程思想在编程技术中统治地位的确定而产生的一种建模思 想。分析电站的热力系统，无论其结构如何多变，均可由如锅炉、汽轮机、凝汽器、 给水泵等典型的设备组成，因而可以预先对各部分建立规范化的通用数学模型，然 后依照一定的组合规律将其组合成整个系统模型。同一设备使用同一模型，只是设 8 华北电力大学硕士学位论文 定不同的热力参数即可。而且其优良的交互性，使建模操作变得方便易用。因此， 改变了传统的建模仿真系统使用上的局限性，具有很大的实际应用价值。 图形化建模也就是将系统模块化分解，其各个子模块由高级编程语言编写，而 其建模则基于图形化环境，只需将代表所建模系统各个环节的图形模块进行拖拽、 链接即可。具有直观、易学、易用的特点。描述系统模型的方程和算法则由建模软 件自动产生。 但是传统的建模方法都有一个共同的特点：在建立系统的仿真模型时大多采用 高级语言来进行编写代码，高级语言编程固然方便，但是同时也有不足之处。采用 高级语言编写的模型对用户来说就像一个“黑匣子”，用户很难去理解由一大串毫 无任何含义的字母和数字构成的一个具有实际物理意义的模型。不仅给开发者的调 试造成很大的麻烦，而且用户也很难根据自身的现场实际经验进一步完善模型。另 外，模型缺乏统一性标准，往往一个仿真厂家建立的模型不能为其他厂家所用。 1 4 m o d e l i c a 建模语言及d y m o l a 简介 1 产生的背景 自从计算机发明之后，建模和仿真就成为计算机应用的重要部分。最初，建模 者的主要工作是把模型用普通微分方程( o d e s ) 表示出来，然后再编写代码积分这些 微分方程式从而获得仿真结果。后来，出现了广域积分器，一种独立的软件单元， 这样，建模者就能够把更多的精力放在微分方程式的表达和使用非定制积分器进行 仿真运算上。从那时起，让建模者能够把更多的精力放在对模型问题的描述上，而 不是解决数学问题的方法上，就成为一种趋势，不断的被人们研究。在过去的3 0 年中，有许多数字工具被开发出来，帮助建模者完成仿真模拟。其中一些是通用仿 真程序，如a c s l ，e a s y 5 ，s y s t e m b u i l d 和s i m u l i n k ；另一些是用在专业的工程领 域，如电路( s p i c e ) ，多刚体( a d a m s ) 或是化学过程( a s p e n p l u s ) 。每一种仿真软件 都有自己的优点。但是这些软件在处理涵盖多物理系统的模型时，总是存在或多或少 的问题。 1 9 7 8 年，h i l d i n g e l m q v i s t 在其博士论文中，首先提出了一种全新的通过设计 和执行d y m o l a 模型平台来建立物理系统仿真的方法。它的基本思想是使用通用的 公式、对象和连接，允许模型的开发者从物理的角度而不是数学角度来进行建模。 并且引入了图形化理论算法和符号算法，在d y m o l a 模型平台执行过程中，把模型 变为数字求解器可以接受的形式。在这种方法的发展过程中，重要的里程碑是：1 9 8 8 年，求解d a e 方程的p a n t e l i d e s 算法得到了改进。在d y m o l a 之后，其它的数字式 工具( 如o m o l a ) 也开始进一步研究这种全新的建模方法。m o d e l i c a 语言的设计思想 是，创建一种建模语言，它可以从多工程领域表达模型的特性。换句话说，m o d e l i c a 既是一种建模语言，也是一种模型交换规则。为了实现这个目的，许多面向对象的 建模语言，如a l l a n 、d y m o l a 、n m f 、o b j e c t 2 m a t h 、o m o l a 、s i d o p s + 、s m i l e 9 华北电力火学硕士学位论文 的开发者和各个工程领域的专家们被聚集在一起，根据他们丰富的经验开发出了 m o d e l i c a 语言的规则。 2 m o d e l i c a 语言简介 近年来在基于统一语言的建模方面，最引人注目的进展就是仿真语言 m o d e l i c a ，的出现。m o d e l i c a 是为解决复杂物理系统建模与仿真问题而提出的一种 统一建模语言，它源与工程实际，集物理系统仿真建模语言之大成，正在向复杂物 理系统建模与仿真的标准语言发展。 在某种程度上，m o d e l i c a 语言类似于早期的j a v a 语言，只不过应用领域是虚 拟原型而不是网络编程。它采用面向对象和组件的思想，对不同领域物理系统的 模型进行统一表述，实现了统一建模，而且支持层次结构建模，语言本身带有可重 用的机械、电子、液压、控制、热流等领域的标准库和扩展库。基于m o d e l i c a 实 现的机电系统建模与仿真平台，如d y m o l a ，m a t h m o d e l i c a ，等，不仅可以利用 m o d e l i c a 标准模型库和用户扩展库为机械、电子、液压、控制等领域系统建立平等 的、开放的、可重用的可视化模型，而且可建立用户定义的领域模型库，实现领域 知识的重用。 m o d e l i c a 语言是一种应用于多领域的、面向对象的高级完善的建模语言， m o d e l i c a 的设计是为了允许复杂物理系统的方便的、面向于元件的建模。它具有面 向对象和非因果的特点，这些特点有助于改善软件的模块化、可重用性、灵活性及 实现快速原型方法，提高系统建模能力，缩短建模和验模的时间。面向对象的仿真 使用户能够以应用领域熟悉的直观的对象概念来建立仿真模型，建模观点与人们认 识现实世界的思维方式一致。非因果的特点使块的数据流既可以是单向的，也可以 是双向的；而不是传统的必须明确进出关系的单向流。m o d e l i c a 语言能够实现数据 处理的自动化，无需对特别的变量进行人为预处理。 此外，语言还具有参数化，模块化，图形化等特点。使得系统模块既可以独立建 立，又可以快速组装。 目前，基于m o d e l i c a 语言的支持多领域系统建模与仿真的比较成熟的商用建 模仿真工具有两个：d y m o l a 和m a t h m o d e l i c a d y m o l a 由瑞典d y n a s i ma b 公司设计开发，是第一个支持m o d e l i c a 语言的 建模仿真工具。d y m o l a 提供图形化建模环境，支持基于图标的拖放式图形建模。 d y m o l a 也提供文本建模环境，支持具有m o d e l i c a 语言的文本建模。d y m o l a 具有 功能强大的符号处理引擎，集成了多个数值求解包，可实现较大规模的多领域物理 系统建模仿真。目前，基于m o d e l i c a 语言的建模应用大多是采用d y m o l a 实现的。 m a t h m o d e l i c a 由瑞典l i n k o p i n g 大学p e l a b 实验室设计开发，它通过集 成m i c r o s o f tv i s i o 、m a t h m a t i c a 和d y m o l a 仿真引擎开发而成。其中，m i c r o s o f t v i s i o 用于实现图形建模，d y m o l a 仿真引擎用于模型转化和求解，m a t h m a t i c a 的 1 0 华北电力大学硕士学位论文 n o t e b o o k 用于文本建模和仿真后处理。m a t h m o d e l i c a 拥有和d y m o l a 一样的图形 和文本建模能力。与d y m o l a 不同的是，m a t h m o d e l i c a 的各组成模块没有集成在 同一个框架界面中，在建模仿真过程常常需要反复激活和切换操作界面。 3 仿真软件d y m o l a m o d e l i c a 模型库的编译和管理是由编译器来完成的。d y m o l a 编译器上有两类 窗口：主窗口和模块库窗口。对于主窗口，存在两种运行模式：建模和仿真。主窗 口的建模模式主要用于编写模块和用已有模块进行模块化建模；仿真模式主要执行 仿真功能。模块库窗口即模块浏览器，主要用于显示仿真模型库及其它模块。当要 用到已有模块或模型时，只需将其从该窗口内拖入到主窗口即可。 d y m o l a 是一种基于m o d e l i e a 语言的，适合机电系统模块化快速建模的仿真 软件。其主要特点是： ( 1 ) 支持跨领域建模和仿真 d y m o l a 拥有由不同领域的模型库，并且所有的模型库之间都是兼容的，这 就意味着其模型能由来自不同应用领域内的元件构成。 ( 2 ) 符号处理能力 d y m o l a 根据图形学理论和符号运算方法，自动对微分代数方程( d a e ) 进行排 序、筛选和转换，并采用内置的d a e 方程仿真器求解。 ( 3 ) 生动直观的建模环境 d y m o l a 提供的图形化建模环境，模型的建立就像在实际的物理系统中完成 组合一样直观；具有与c a d 之间的接口，使得仿真过程能通过3 d 动画方式实时展 示。 d y m o l a 的仿真过程分为三步 第一步：模型编辑，即使用已存在的模型组合成新的模型或者通过写入公式 建立新的模型。 第二步：利用已有的模型搭建需要验证的系统，并在主窗口中进行仿真。 第三步：仿真结果的可视化演示。 1 5 本文主要研究内容 本文在研究了火电厂建模的意义的基础上，着重探讨了m o d e l i c a 语言的特点 和使用方法以及d y m o l a 编译器的应用和建模方法，重点进行了火电厂给煤系统的 数学模型，并建立了火电厂给煤系统模型，在d y m o l a 编译器中进行了仿真。仿真 曲线基本负荷实际情况。并和其他同学建立的模型一起组成了火电厂的基本运行单 元，简单讨论了火电厂给煤系统的控制策略。 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于m o d e l i c a 的d y m o l a 的使用方法与应用 2 1m o d e l i c a 语言 m o d e l i c a 语言是为解决多领域物理系统的统一建模与协同仿真，在归纳和统 一先前多种建模语言的基础上，于1 9 9 7 年提出的一种基于方程的陈述式建模语言。 m o d e l i c a 语言采用数学方程描述不同领域子系统的物理规律和现象，根据物理系统 的拓扑结构基于语言内在的组件连接机制实现模型构成和多领域集成，通过求解微 分代数方程系统实现仿真运行。该语言可以为任何能够用微分方程或代数方程描述 的问题实现建模和仿真 2 1 1m o d e l i c a 类 类是m o d e l i c a 语言的基本结构元素，是构成m o d e l i c a 模型的基本单元。类 可以包含三种类型的成员：变量、方程和成员类。变量表示类的属性，通常代表某 个物理量。方程指定类的行为，表达变量之间的数值约束关系。方程的求解方向在 方程声明时是未指定的，方程与来自其它类的方程的交互方式决定了整个仿真模型 的求解过程。类也可以作为其它类的成员。类的成员可以直接定义，也可以通过继 承从基类中获得。 m o d e l i c a 类概念是一般类和特定类的统称。特定类具有特殊用途，在语法规 范上有一定的限制。使用特定类是为了使m o d e l i c a 模型代码便于阅读和维护。一般 类由关键字c l a s s 修饰，特定类由特定的关键字修饰，如m o d e l 、c o n n e c t o r 、r e c o r d 、 b l o c k 和t y p e 等。特定类只不过是一般类概念的特殊化形式，在模型中特定类关 键字可以被一般类关键字c l a s s 替代，而不会改变模型的行为。特定类关键字 m o d e l 、c o n n e c t o r 、r e c o r d 、b l o c k 和t y p e 也可以在适当条件下替代一般类关键字 c l a s s ，只要二者在语义上等价。 2 1 2 组件连接机制 m o d e l i c a 语言提供了功能强大的软件组件模型，其具有与硬件组件系统同等 的灵活性和重用性。m o d e l i c a 的软件组件模型主要包含三个概念：组件、连接机制 和组件构架。组件通过连接机制进行交互连接。组件构架实现组件和连接，确保由 连接维持的约束和通讯工作稳定可靠。 在m o d e l i c a 语言中，组件的接口称作连接器，建立在组件连接器上的耦合关 系称作连接。如果连接表达的是因果耦合关系，则称其为因果连接。如果连接表达 的是非因果耦合关系，则称其为非因果连接。 模型类必须有明确的接口，即连接器，用于实现组件与外界的通讯。模型类应 该定义为是环境无关的，此举是组件可重用的关键所在。这意味着在类定义中只能 包含方程，只使用局部变量与连接器变量，并要求组件与外界的通讯必须通过组件 连接器。组件可以由其它相互连接的组件构成，也就是层次建模。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 m o d e l i c a 连接器是连接器类的实例。连接器类的主要用途就是定义组件接口 的属性与结构。连接器类中定义的变量可划分为两种类型：流变量和势变量。流变 量是一种“通过 型变量，如电流、力、力矩等，由关键字f l o w 限定。势变量是 一种“跨越”型变量，如电压、位移、角度等。下面给出的一个连接器类p i n 定义 的是电路元件的接口，它包含两个变量，电压v 为势变量，电流i 为流变量。 c o n n e c t o rp i n r e a lv ； f l o wr e a li ； e n dp i n ； m o d e l i c a 连接必须建立在相同类型的两个连接器之上，表达组件之间的耦合 关系。这种耦合关系在语义上通过方程实现。故m o d e l i c a 连接在模型编译时会转 化为方程。具体来说，流变量之间的耦合关系由“和零 形式的方程表示，即连接 交汇点的流变量之和为零。势变量之间的耦合关系由“等值 形式的方程表示，即 连接交汇点的势变量值相等。 连接方程反映了实际物理连接点上的功率平衡、动量平衡或质量平衡。假设存 在连接c o n n e c t ( p 1 ，p 2 ) ，其中，p 1 和p 2 为连接类p i n 的两个实例。该连接等价 于以下两个方程。 p l v2p 2 y p l f + p 2 f = 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 2 2 基于m o d e l i c a 语言的建模 2 2 1 面向对象建模 在数学建模中引入面向对象思想的主要目的是为了简化复杂性。m o d e l i c a 语 言将面向对象看作为用于处理复杂大系统描述的一种模型组织概念，强调陈述式描 述和模型的重用。m o d e l i c a 语言以类为中心组织和封装数据，支持采用分层机制、 组件连接机制和继承机制构建m o d e l i c a 模型。m o d e l i c a 模型实质上是一种陈述式 的数学描述，这种陈述式的面向对象方式相比于一般的面向对象程序设计语言而言 更加抽象，因为它可以省略许多实现细节，比如不需要编写代码实现组件之间的数 据传输。图l 所示的简单电路的m o d e l i c a 模型详细描述如下： m o d e lc i r c u i t s i n e v o i t a g ev s ( v = 2 2 0 ) ；r e s i s t o rr i ( r = 1 0 ) ； r e s i s t o rr 2 ( r = 1 0 0 ) ；c a p a c i t o rc i ( c = o 0 1 ) ； i n d u c t o rl i ( l = o 1 ) ；g r o u n dg 1 ； e q u a t i o n c o n n e c t ( r 1 p ，v s p ) ；c o n n e c t ( r 2 p ，v s p ) ； l l 华北电力大学硕士学位论文 c o n n e c t ( r 1 n ，c i p ) ；c o n n e c t ( r 2 n ，l i p ) ； c o n n e c t ( v s n ，g 1 p ) ；c o n n e c t ( l 1 n ，g 1 p ) ； c o n n e c t ( c 1 n ，g i p ) ； e n dc i r c u i t 霹 譬 图2 1 简单电路的m o d e l i c a 组件连接图模型 上述电路模型很好地体现了m o d e l i c a 语言的面向对象建模思想的三种模型 组织方式。其中，分层机制体现为：将系统层模型和组件层模型分开描述。系统模 型c i r c u i t 中的连接语句，如c o n n e c t ( r 1 p ，v s p ) ，体现了模型组织的组件连接机 制。组件类r e s i s t o r 、c a p a c i t o r 和i n d u c t o r ( 限于篇幅，文中没有给出相应代码) 均是从同一个基类t w o p i n 派生而来，这体现了模型组织的继承机制。总而言之， 通过采用分层、组件连接和继承这三种机制，可以构建出任意复杂的仿真模型。 2 2 2 非因果建模 m o d e l i c a 语言采用数学方程而不是赋值语句定义类的行为。方程具有陈述式 非因果特性，也就是声明方程时没有限定方程的求解方向，因而方程具有比赋值语 句更大的灵活性和更强的功能。方程可以依据数据环境的需要用于求解不同的变 量。无因果联系建模的特点：为了使部件模型能够被重复使用，描述模型的方程式 应该以一种中性的形式表达，而不必更多的考虑计算的顺序，这就是所谓的非因果 联系建模。市场上许多商业的通用仿真软件，都采用了把系统分割成多个过程的结构 的方法，这些模型都被表示成用普通微分方程o d e ( o r d i n a r y d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n ) 描 写的子模型间的相互连接。 _ d x ：厂( x ，甜) a t y = f ( x ，甜) 1 4 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 这里u 是输入量，y 是输出量，x 是状态变量。通常，模型中的方程式需经过 变形来得到这个形式。因而，大量的工作被用在了方程式的分析与变形上，这不仅 需要丰富的技巧而且很容易出差错。在面向过程的模型中还受到基本原理的限制并 且过程的数据流是单向的，只能从输入到输出。所以说，需要人工对方程式进行变 形就意味着使用面向过程的语言建立物理仿真模型库是非常复杂的。无因果联系建 模的这一特性大大提升了m o d e l i c a 模型的重用性。方程的求解方向最终由仿真求 解器根据方程系统的数据流环境自动确定。这意味着用户不必在建模时将以自然形 式表述的方程转化为因果赋值形式，这极大地减轻了建模工作量，尤其是对复杂系 统建模，同时也可以避免因公式的转化和推导而引起的错误，使得模型更加健壮。 对于m o d e l i c a 语言来说，构建非因果模型是一件很容易的事情。只要采用 方程描述物理元件的基本规律或现象，并将组件之间的交互关系表示为非因果连 接。 2 2 3 陈述式物理建模 陈述式程序设计思想是受到数学思想的启发而产生的。数学思想主张陈述或声 明拥有什么，而不是象采用过程式语言所必须的那样，给出一个详细的过程式算法 描述怎样实现既定目标。 m o d e l i c a 语言采纳了陈述式设计思想，其软件组件模型支持根据实际系统的 物理拓扑结构组织构建仿真模型，即陈述式物理建模。物理元件对应模型的一个组 件，物理元件之间的真实的物理连接对应于组件连接图中模型组件之间的逻辑连 接。采用这种方式构建的物理系统的m o d e l i c a 模型有着与实际系统类似的层次结 构。此外，m o d e l i c a 模型的组件连接图还可以粗略地表示实际物理系统的结构布局。 图1 和图2 表示的是同一个电路的模型，比较它们可以清楚地看出， m o d e l i c a 模型的组件连接图可以很好地保持实际物理系统的拓扑结构信息，而 s i m u l i n k 的块图模型则不能。m o d e l i c a 语言的陈述式物理建模能力使其较其它语 言更适合于复杂系统建模。 画 图2 2 简单电路的s i m u l i n k 块图模型 2 2 4 多领域统一建模 1 5 华北电力人学硕十学位论文 基于物理系统数学表示的内在一致性，m o d e l i c a 语言支持同一个模型容纳来 自不同领域的模型组件，从而具备多领域统一建模能力。m o d e l i c a 语言将任意领域 元件的行为统一采用数学方程描述，将元件与外界的通讯接口统一定义为连接器。 同一领域内的组件之间的通讯借助建立在相同类型的领域连接器之间的连接 实现，如图1 中电阻r 1 与电感l l 之间的连接。不同领域的组件之间的交互通 过特定的领域连接转换器实现。图3 所示的交流电动机是一个简单的多领域耦合 系统，它包含电子元件和机械元件。下面给出的模型定义描述的是一个电能机械能 转化器。 m o d e le m f 。 p a r a m e t e rr e a lk = l ； v o l t a g ev ； c u r r e n ti ； a n g u l a r v e l o c i t yw ； p i np ，n ； f l a n g ef l a n g e b ； e q u a t i o n v 2p v 。n v ； 0 = p i + n i ； i2p i ； w = d e r ( f l a n g e b p h i ) ； k w2v ； f l a n g e b t a u = - k i ； e n de m f ； o 图2 3 交流电动机模型 模型e m f 的主要功能是将电能转化为机械动能。图3 中的组件e m f 就是 上述转化器类e m f 的一个实例，它具有两个电子元件接口p 和n 用于与电子元 件通讯，以及一个机械元件接口f l a n g e _ b 用于与机械元件通讯。通过这三个接口 1 6 华北电力人学硕士学位论文 间接地实现电子元件与机械元件的通讯。 象e m f 这样的基于两个不同领域的流变量与势变量设计的领域间转化器模 型可以看作是连接不同领域组件的桥梁，通过定义这样的桥梁可以实现多领域物理 系统组件的互连。因此，基于m o d e l i c a 语言的多领域统一建模的关键就是抽象地 设计出领域间转化器。 2 2 5 连续离散混合建模 物理系统的动态特性可以是连续时变的，也可以是离散时变的，即系统状态 只在某些离散时间点上发生变化。动态连续建模的关键是基于能量守恒、动量守恒、 质量守恒等基本物理定律描述系统行为，而离散事件建模的关键是怎样表达与事件 相关的行为。 m o d e l i c a 语言提供如下两种结构体用于表达混合模型。 ( 1 ) i f 结构，包含条件表达式和条件方程，用于描述不连续条件模型。 ( 2 ) w h e n 结构，用于表示只在某些离散时刻有效的方程。 、 、 ： ，、 - _ z z ：k 图2 4 正在弹跳的球 如图4 所示的正在弹跳的球就是一个混合系统的例子。球的运动通过球的高 度h e i g h t 和速度v e l o c i t y 来描述。球在两次碰地弹起期间连续地运动，当球碰到 地面弹起时，离散时间发生，速度反向。假定球的弹性系数为0 9 ，即球每次反弹 的速度为原来的百分之九十。 m o d e l i c a 代码。 m o d e lb o u n c i n g b a l l c o n s t a n tr e a lg = 9 8 1 ； p a r a m e t e rr e a lc 2 o 9 ； p a r a m e t e rr e a lr a d i u s = o 1 ； r e a lh e i g h t ( s t a r t = 1 ) ； r e a lv e l o c i t y ( s t a r t = o ) ； e q u a t i o n d e r ( h e i g h t ) = v e l o c i t y ； d e r ( v e l o c i t y ) = - g ； w h e nh e i g h t or e q u i r e d ) f o rp i ( f o rc o a lf e e d e rv e l o c i t yc o n t r 0 1 ) ”； p a r a m e t e ri n i t t e m pi n i t t y p e = m o d e l i c a b l o c k s t y p e s i n i t n o l n i t ”t y p e o f i n i t i