（控制理论与控制工程专业论文）基于modelica语言的火电厂炉膛燃烧室模型的建立与仿真.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 目前控制系统设计很多都是基于传递函数的，这种设计方法的缺陷是，对象的 传递函数往往是固定的，或者在几个可选的传递函数之间根据一定的条件进行切 换。而事实是机组的对象传递函数往往是随着负荷工况的变化而变化的。 其它一些公司所开发的建模系统虽然可以满足全工况设计的要求，但是由于各 个厂家往往采用不同的建模理念和建模工具，使得它们往往非常专业，并缺乏统一 标准规范，因而通用性和可重用性差。因此迫切需要一种新的建模方法，来弥补以 上不足。 本文用m o d e l i c a d y m o l a 建立了炉膛燃烧室模型，为m o d e l i c a 在火电厂的建 模起了个开端。仿真结果表明，将m o d e l i c a 所建模型应用于先进控制系统设计具 有巨大潜力。 关键词：炉膛燃烧室模型，m o d e l i c a ，建模与仿真 a b s t r a c t c u r r e n t l y ，t h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m so ft h e r m a lp o w e rp l a n ti sm o s t l yb a s e do n t r a n s f e rf u n c t i o n s t h em o r t a lf l a wo fi ti st h a tt h e ya s s u m e dt r a n s f e rf u n c t i o n so fc o n t r o l o b j e c t sa r ef i x e do rs w i t c h e db e t w e e nm o r et h a no n e o p t i o n a lt r a n s f e rf u n c t i o n s ，w h i c h i sa g a i n s tt h ef a c tt h a tt r a n s f e rf u n c t i o n so ft h e r m a lp o w e rp l a n ta r ec h a n g i n gg r a d u a l l y w i t ht h ec h a n g eo fu n i tl o a d t h e r ea r em a n yo t h e ra d v a n c e dm o d e l i n g p l a t f o r m st h a tc a nb eu s e di nt h e d e v e l o p m e n to ff u l l s c a l em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，b u tt h e ya r eu s u a l l yt o op r o f e s s i o n a l a n dl a c ko fu n if o r ms t a n d a r dt h a tm a k et h e mb a di ng e n e r a lu s ea n dr e u s a b i l i t ys oa m o r ep o w e r f u lp l a t f o r mi sn e e d e d i nt h i sa r t i c l e ，ac o m b u s t i o nc h a m b e ri sb u i l tw i t hm o d e l i c a d y m o l a t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w e dt h eg r e a tp o t e n t i a lo fm o d e l i c am o d e l si nt h ed e s i g no f a d v a n c e dc o n t r o ls y s t e mo ft h e r m a lp o w e rp l a n t h ex ia o h u ( 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 i z h e n k e yw o r d s ：c o m b u s t i o nc h a m b e r ，m o d e l i c a ， m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 摘要 目前控制系统设计很多都是基于传递函数的，这种设计方法的缺陷是，对象的 传递函数往往是固定的，或者在几个可选的传递函数之间根据一定的条件进行切 换。而事实是机组的对象传递函数往往是随着负荷工况的变化而变化的。 其它一些公司所开发的建模系统虽然可以满足全工况设计的要求，但是由于各 个厂家往往采用不同的建模理念和建模工具，使得它们往往非常专业，并缺乏统一 标准规范，因而通用性和可重用性差。因此迫切需要一种新的建模方法，来弥补以 上不足。 本文用m o d e l i c a d y m o l a 建立了炉膛燃烧室模型，为m o d e l i c a 在火电厂的建 模起了个开端。仿真结果表明，将m o d e l i c a 所建模型应用于先进控制系统设计具 有巨大潜力。 关键词：炉膛燃烧室模型，m o d e l i c a ，建模与仿真 a b s t r a c t c u r r e n t l y ，t h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m so ft h e r m a lp o w e rp l a n ti sm o s t l yb a s e do n t r a n s f e rf u n c t i o n s t h em o r t a lf l a wo fi ti st h a tt h e ya s s u m e dt r a n s f e rf u n c t i o n so fc o n t r o l o b j e c t sa r ef i x e do rs w i t c h e db e t w e e nm o r et h a no n e o p t i o n a lt r a n s f e rf u n c t i o n s ，w h i c h i sa g a i n s tt h ef a c tt h a tt r a n s f e rf u n c t i o n so ft h e r m a lp o w e r p l a n ta r ec h a n g i n gg r a d u a l l y w i t ht h ec h a n g eo fu n i tl o a d t h e r ea r em a n yo t h e ra d v a n c e dm o d e l i n g p l a t f o r m st h a tc a nb e u s e di nt h e d e v e l o p m e n to ff u l l s c a l em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，b u tt h e ya r eu s u a l l yt o op r o f e s s i o n a l a n dl a c ko fu n if o r ms t a n d a r dt h a tm a k et h e mb a di ng e n e r a lu s ea n dr e u s a b i l i t ys oa m o r ep o w e r f u lp l a t f o r mi sn e e d e d i nt h i sa r t i c l e ，ac o m b u s t i o nc h a m b e ri sb u i l tw i t hm o d e l i c a d y m o l a t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w e dt h eg r e a tp o t e n t i a lo fm o d e l i c am o d e l si nt h ed e s i g no f a d v a n c e dc o n t r o ls y s t e mo ft h e r m a lp o w e rp l a n t h ex ia o h u ( 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 i z h e n k e yw o r d s ：c o m b u s t i o nc h a m b e r ，m o d e l i c a ， m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n 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 语言的火电 厂炉膛燃烧室模型的建立与仿真，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： 锄丛掣 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： 日期： 导师签名： 日期： 丝俨 唑一号 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 目前我国在建、计划建设的发电机组容量绝大多数都是6 0 0 m w 以上超临界锅炉 机组，有的甚至已经是超超临界。大容量、高参数机组的普及，一方面要求控制系 统要能够一如既往地保障机组安全、可靠地运行，并具备优秀的调峰调频能力，另 一方面，由于全球能源供给的日趋紧张以及人们对环境保护的更加重视，也对发电 机组运行的经济性、环保性提出了更高的要求。这些都要求良好的热力分析与设计 优化以及对发电机组的整个启动、正常运行以及停机过程进行全程监控和管理。 运行中的机组出于安全考虑是不允许采用不成熟的控制策略的，一个足够可信 逼真的模型对于先进控制策略的设计具有重要意义。另外一个良好的控制系统必然 是基于对控制对象的深入了解的基础上的，因此如果一个热力系统模型同时可以被 用来进行热力分析，则必然对其控制系统的设计更加有利。 目前大部分高校的火电厂控制系统设计一般是基于m a t l a b 中s i m u l i n k 的传递 函数，这种设计方法的缺陷是，对象的传递函数往往是固定的，或者在几个可选的 传递函数之间根据一定的条件进行切换。而事实是机组的对象传递函数往往是随着 负荷工况的变化而变化的。所以传统的基于传递函数的控制系统设计是无法进行全 工况设计的，更不用说热力分析了。何况一个复杂系统传递函数的求取现实中往往 没那么容易。再者，用s i m u l i n k 搭建的模型也相当抽象，不直观。 国内外一些公司比如北京清华能源仿真公司、亚洲仿真公司，各大电站设备厂 家如a b b 、日本三菱，还有高校研究所如华北电力大学、西安热工研究院等，也都 各自开发出了一些电厂仿真系统l l j ，这些仿真系统也融合当前很多先进技术成果， 比如面向对象，图形化建模，物理建模等等，但是大多是用作培训仿真机用的，少 数是用来做工程分析。而且各个厂家也往往采用不同的理念和建模工具。这样一来 它们对高校来说不但非常昂贵而且非常专业，非专业人士很难用它们来进行热力分 析和控制系统设计，再者它们缺乏统一的规范和标准，通用性和可重用性差，无法 实现知识的广泛共享、积累和继承。 综上所述，我们需要一个既可以把热力分析与控制系统设计相结合，又具有统 一规范性并融合当前最先进技术的建模仿真体系来建立火电厂模型。 所幸的是，计算机技术，特别是面向对象编程技术，图形化建模技术，还有图 符转换和代数微分方程求解技术的进步，为我们带来了新的建模途径。m o d e l i c a 语 言就是其一。m o d e l i c a 是一种仿真编程语言，它基于方程，对象和接口，具有统一 l 华北电力大学硕士学位论文 标准规范，对来自不同领域的系统构件采用统一方式进行描述，可以实现不同领域 模型之间的无缝集成，非常适合于多领域复杂物理系统的建模。目前它的主要建模 支撑环境是d y m o l a 软件。d y m o l a 是符合m o d e li c a 语言规范的集图形建模、图符转 换、数学求解、仿真运行、结果显示于一体的软件平台。在d y m o l a 中已经包含了 很多各个领域的m o d e l i c a 标准库包。另外已经有人开发了专门用来电厂建模的免 费包t h e r m o p o w e r 2 0 。但是还在进一步完善中。t h e r m o p o w e r 2 0 的重要意义是它 定义了以水蒸气为媒体工质的一些模型组件，这就为热电厂的热力分析和建模奠 定了坚实的基础，因为我们知道水蒸气是热电厂中燃料的化学能与汽轮机机械能 的能量转换载体。 另外在d y m o l a 下建立的模型还可以作为一个模块放到m a t l a b 中被使用，这对 熟悉和习惯使用m a t l a b 的人来说，很方便。 所以说将m o d e l i c a 应用于火电厂建模，从而实现系统热力分析与控制系统设 计相结合，是个很好的选择。 1 2 目前国内外研究状况 国外m o d e l l c a 在各个领域都得到了很好的应用 2 3 ， 3 ， 4 1 ，将m o d e l i c a 应用 于电厂建模与仿真，也有一些应用，不过仅限于小型机组主要是联合循环锅炉。比 如文献 1 2 ，1 3 分别提到的实验室小锅炉和意大利一个联合循环机组，模型如下： 魂b ，“彰”、， 帮帮嘲 图1 - 1 实验室小锅炉 幽圣 2 图1 - 2 意大利一个联合循环机组 ( 2 5 0 m w + 1 3 0 m w ) 华北电力大学硕士学位论文 面肴艾藉m o d e 五_ a 扇于其： 电领域的建模与仿真比如航空发动机 5 6 l 、 电机 7 8 j 、燃气轮机 9 j 、机械振动 1 0 等，但是应用于火力发电厂建模则截止 至2 0 0 7 年1 2 月尚未见相关文献记录。 1 3本论文主要内容及安排 本文主要就如何应用m o d e l i c a d y m o l a 进行火电厂炉膛燃烧室模型的建模进行 阐述，提出了应将电厂热力分析与控制系统设计相结合的观点。工作主要从以下几 个方面展开。 ( 1 )首先，通过分析传统建模方法的不足引出将m o d e l i c a 应用于火电厂建模 的意义和必要性，提出应将电厂热力分析与控制系统设计相结合。并介 绍了目前m o d e l i c a 在火电厂建模方面国内外的研究现状。 ( 2 )第二章对m o d e l i c a 与d y m o l a 进行介绍。 ( 3 )第三章将就m o d e l i c a 编程注意事项和t h e r m o p o w e r 包的结构进行说明， 其中对各种工质媒体的父类模板p a r t i a lm e d i u m 以及重要的工质媒体 w a t e r 进行特别的讲解。 ( 4 )第四章为炉膛燃烧室在m o d e l i c a d y m o l a 下的建立，就锅炉分类、炉膛 燃烧室传热模型、一些物理量的计算和处理进行说明，并给出锅炉模型 框图。 ( 5 )第五章为仿真与结果分析。 ( 6 )最后为总结与展望，将就目前所完成的工作，碰到的问题，以及以后还 需要进一步努力完善的地方进行说明。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章m o d e l i c a 与d y m o l a 介绍 一个良好的建模仿真平台应该具备以下几个特点： 模块化：面向对象性，支持模块化建模 通用性：模型应该是可以在不同领域中通用的 重复使用：所定义的模块应该可以在本领域甚至其它领域重复使用 可扩展：可以根据具体需要以及使用的特殊性，进行修改和扩展 图形化：通过简单的拖拽图形化模块连接建立所需模型，使得建模过程变得直 观简单 透明性：用户可以容易地深入模型内部查看、修改模型参数 规范性：不同个人、组织开发的模块库具有统一的规范标准，可以相互共享 开放性：允许用户建立自己的模型库 而由m o d e l i c aa s s o c i a t i o n 所开发的面向对象无因果物理建模语言m o d e l i c a 正是基于以上考量应运而生的。有关m o d e l i c a 可以访问其主页网站： 垒主圭巳；z z ! ! ! ：堡q 鱼金! i 鱼垒：q ! g 。 m o d e l i c aa s s o c i a t i o n 是2 0 0 0 年2 月在瑞典l i n k o p i n g 成立的一个不以营利 为目的的非政府组织，旨在促进m o d e l i c a 语言在物理技术系统和过程系统建模与 仿真中的应用。m o d e l i c aa s s o c i a t i o n 拥有并管理与m o d e l i c a 有关的诸如：商 标、语言规范、m o d e l i c a 标准库等非物质方面的权利。 人们很早就开始酝酿开发一种面向对象的物理建模语言，1 9 7 8 年，瑞典人 h i l d i n ge l m q v i s t 在其博士论文中首先提出了一种建立在d y m o l a 软件仿真平台上 的建模语言思想。它的基本原理就是利用通用公式( g e n e r a le q u a t i o n s 、对象 ( o b j e c t s ) 和连接( c o n n e c t i o n s ) ，让建模者从物理的角度而不是从纯数学的角度建 模。这一思想在2 0 世纪8 0 年代末因用p a n t e l i d e s 算法求解d a e 方程而有了进一 步发展，并最终在2 0 世纪9 0 年代后半期形成了一种崭新的、面向对象的仿真语言 1 4 o 模型的可重用性和可交换性必须基于一个统一的标准规范。m o d e l i c a 标准最先 由瑞典d y n a s i ma b 公司的h i l d i n ge l m q v i s t 发起，并在1 9 9 6 年9 月的欧洲信息 技术研究战略计划( e s p r i tp r o j e c t )一“欧洲基础研究工作组仿真项目 4 华北电力大学硕士学位论文 ( s i m u l a t i o ni ne u r o p eb a s i cr e s e a r c hw o r k i n gg r o u p ( s i e w g ) ) 中正式启动 m o d e l i c a 语言的编写设计则最先是由a 1 l a n ，d y m o l a ：n m f ，o b j e c t m a t h ：o m o l a ， s i d o p s + ：s m i l e 以及一些不同领域的建模工作者来共同实施的。在经历了持续3 年 的共达1 9 个为期3 天的会议之后， m o d e l i c a1 3 版本终于在1 9 9 9 年1 2 月面世了 这是第一个用于实际应用的版本。2 0 0 0 年1 2 月m o d e li c aa s s o c i a t i o n 发布了 m o d e l i c a l 4 。现在的最新版本是m o d e l i c a 3 0 ，于2 0 0 7 年9 月1 0 发行。 本文使用的版本是m o d e l i c a 2 0 而m o d e l i c a 3 0 相比m o d e l i c a 2 0 在一些关 键方面有很大的改进，将使得建模更加可靠，高效。 2 2 关于m o d e i ic a 语言 m o d e l i c a 语言的特点： 1 、面向对象，模块化编程 m o d e l i c a 基于面向对象编程技术，因而适合于模块化编程。一个复杂系统可以 分解为一系列简单典型的子模件，比如对一个给水系统，可以分解为泵模块、法兰 模块、阀门模块、给水管道模块、加热器模块、除氧器模块等。而各个子模块独立 编写，具有重用性，可扩展性。 2 、基于方程、陈述式物理建模 m o d e l i c a 语言是一种基于方程的陈述式非因果物理建模语言，能够用来直接描 述系统的物理结构，适合于物理建模。使用方程建立的非因果模型是一种陈述式模 型，能够最大限度的贴近实际物理系统的组成。 无因果联系建模的特点是：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。 在m o d e l i c a 中，方程式可以以它们自然的形式出现。也就是说，可以用微分 代数方程d a e ( d i f f e r e n t i a la l g e b r a i ce q u a t i o n ) 来表示模型。 由于m o d e l i c a 的这些特点，使得在建模中不同物理系统的模块可以像在实际 系统中那样的连接。这就使得模型易于理解。因而被广泛地用于汽车航空和机器人 等复杂系统的仿真。 与s i m u l i n k 模型连接相比较，基于块图的建模语言通常将系统分解成有特定 输入输出关系的块图连接，这通常会丢失实际物理系统的拓扑信息。而m o d e l i c a 模型是基于组件的连接，其模型和实际物理系统的逻辑结构或连接非常接近。 3 、支持多领域建模 一个复杂系统往往涉及到多个领域( 电子电路、流体、机械) 。而目前各个领 5 华北电力大学硕士学位论文 域的建模又相互独立，难于融合。因而迫切需要一种适合多领域建模的语言。 m o d e l i c a 支持在一个模型中包含来自多个领域的模型组件。同领域组件之间借助连 接器实现连接，不同领域组件之间交互通过具有多个领域连接器的特定转换器实 现。 4 、支持连续离散混合系统建模 m o d e l i c a 用d a e ( 微分代数方程) 来描述连续系统，并提供多种描述离散系统 行为的机制，如：有限自动机、p e t r i 网、状态表、分段函数表、d f v s 和差分方程 等等。 5 、规范性、通用性、开放性、扩展性 m o d e l i c a 业已得到欧洲大多数国家的支持，具有统一的标准规范，因而通用性 强，我们可以通过扩展已有的类型库来开发自己的模型库。可以从网上免费下载适 合热力电厂建模的t h e r m o p o w e r 类库( 其源代码也是公开的、可修改的) ，里面为我 们提供了很多有用的组件，大大方便我们建模。 m o d e l i c a 是一种正在发展中的很有前途的面向对象的物理建模语言，特别适用 于复杂大系统多领域建模。将之应用于火力发电厂建模是个非常理想的选择。 2 1 2 关于d y m o la 为了将m o d e l i c a 语言应用于解决实际问题，一个建模和仿真环境是必不可少 的。其功能主要有三个，一个是能够方便地使用图形化界面来建模，并将用图形描 述的系统模型转化为m o d e l i c a 格式的文本语言；另一个是要能够将所描述的模型 转化为易于仿真的形式。这需要依靠复杂的符号转换技术：三是将转换的模型用标 准的数字积分方法( n u m e r i c a li n t e g r a t i o nm e t h o d s ) 进行仿真，并将仿真结果 可视化显示。 d y m o l a 是瑞典d y n a s i ma b 公司开发的支持m o d e l i c a 语言的商用建模和仿真软 件。它具有以下特点： 支持大系统建模和仿真( 可以处理高达1 0 0 ，0 0 0 个以上的方程) 支持实时应用 图形化建模与仿真环境 提供到m a t l a b 和s i m u l i n k 的接口 d y m o l a 支持将一个m o d e l i c a 模型转换为s 函数文件和cm e x 文件，可以作为 s i m u l i n k 的一个输入输出子模块使用。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 3d y m oia 下m o d eiic a 类库的组织结构介绍 d y m o l a 下m o d e li c a 的组织结构是按特定领域类型分成若干个包，每个包里包 含相应领域的子模型库，层次分明、一目了然。 其中的t h e r m o p o w e r 是用户自己开发的专门用于热力电厂建模的包。是我们建 模的主要参考来源。而我们专门用来火电厂建模的包p o w e r p l a n t 也被创建在 t h e r m o p o w e r 中，作为t h e r m o p o w e r 的一个子包存在。 2 3 1d y m o i a 下m o d e ii c a 的组织结构 下面就相应的包配合图片进行简要说明： p a c k a g e s 薹o | o d e l ic ar e f e r e n c e 萋曰t h e 穗o p o v e r 籀 u s e r sg u i d e o c k s 獯囝c o n s t a n t s 鬟园e l e c t r i c a l 霉园i c o n s 篱囝曩a t h 鬟嗣蔫e c h a n i c s 涠l e d i a 爱囝s l u n i t s 园s t a t e 好r a p h 萋ir = t h e r m a l 霉曰u t i l i t i e s 图2 - im o d e l i c a 结构图 m o d e l i c ar e f e r e n c e ：关于m o d e l i c a 语言的一些 操作符号说明 t h e r m o p o w e r ：网上免费下载的专门用于热力电厂 建模的包 u s e r sg u i d e ：m o d e l i c a 使用向导 b l o c k s ：具有因果输入输出关系的模型，比如p i d ， s i n e 正弦等模块 c o n s t a n t s ：一些常量，比如刀等 e l e c t r i c a l ：电气类模型库 i c o n s ：模型的图标库 m a t h ：数学类库 m e c h a n ic s ：机械类库 m e d i a ：流体工质类库 s i u n i t s ：标准单位库 s t a t e g r a p h ：状态图库 t h e r m a l ：传热类库 u t i l i t i e s ：适合于文本方面应用的函数 u n a m e d ：未命名，用于建立自己的新库包 7 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2t h e r m o p o w e r 包的组织结构说明与分析 毫口t h c r r o p o w e r h y d r a u l i c c o n d u c t a r l c e h y d r a u l i o r e s i s t 毗 2 c e p e r u n i t d e n s i t y l i q u i d d e n s i t y g a s d e n s lt y a b s o l u t e t e m p e r a t u r e a b so l u te p r e ss u r e 簿口i c o n s 貔口f u n c t i o n s 缆口e l e c t r i c a l 荔口c h o i c e s i 裙口e x a m p l e s 渤口g a s 国口l e d i a 5 瓣p o w e r p la n t 篱口t e s t 缆口t h e r m a l 瓣口i a t e r 图2 2t h e r m o p o w e r 结构图 左图从h y d r a u l i c c o n d u c t a n c e到 a b s o l u t e p r e s s u r e 为一些自己定义的数据类型 ( 物理量) ，比如密度d e n s i t y ，压力 a b s o l u t e p r e s s u r e ，温度a b s 0 1 u t e t e m p e r a t u r e f u n c t i o n s ：一些函数的定义 c h o i c e s ：用于需要选择些特定属性的模型的 包 e x a m p l e s ：模型使用方面的一些例子 g a s ：气体类模型包 t e s t ：用于测试一些模型的包 w a t e r ：以水蒸汽为工质的模型包 p o w e r p l a n t ：本人自定义的专门用于火电厂建模 的包 其它如i c o n s 、e l e c t r i c a l 、m e d i a 、t h e r m a l 等 意义同m o d e l i c a 结构图 2 3 3p o w e r pia n t 包的组织结构介绍 p o w e r p l a n t 为本人自建的专门用于火电厂建模的包： 耄翻p o w c r p la n t 算亡】b o i l e r 髯_ t u r b i n e 魄一g e n e r a t o r 镬口e 1 e c t r i c a l 篓_ l o a d 麓囝l e d l a 鹫口t h e r m a l 籀口l a t h 垮i 黯三冀照蔓曼一j 蠢口c o n s t a n t s ：纛口b 1 0 c k s 辑口t e s t b o x 图2 - 3p o w e r p l a n t 结构图 b o i l e r ：锅炉侧的模型库，比如燃烧室、 磨煤机等 t u r b i n e ：汽机侧模型库，比如给水泵、高低 加、汽机等 g e n e r a t o r ：发电机相关模型 e l e c t r i c a l ：电气类相关模型 l o a d ：电网用户类模型 m e d i a ：流体工质类模型 t h e r m a l ：传热方面模型 m a t h ：数学方面 匝 华北电力大学硕士学位论文 s l u n i t s ：自己定义的一些单位 c o n s t a n t s ：一些常量 b i o c k s ：具有因果输入输出的模型 t e s t b o x ：用来测试模型的包 在p o w e r p l a n t 结构图中，如果m o d e l i c a 或者t h e r m o p o w e r 中已经有的模型， 在p o w e r p l a n t 中将尽量直接引用不再另外定义，以保持一致性：p o w e r p l a n t 中包 名与m o d e l i c a 或者t h e r m o p o w e r 中包名相同的，其意义相同，但是里面的模型是 m o d e l i c a 或者t h e r m o p o w e r 中所没有的，是对它们在p o w e r p l a n t 中应用的一个补 充和扩展；另外，p o w e r p l a n t 中的t h e r m a l 只是对m o d e l i c a 中的t h e r m a l 库的一 个拷贝而已，纯粹是为了使用方便。本人的锅炉燃烧室模型就在b o i l e r 包中。 2 3 4p o w e r p i a n t 下b o il e r 包说明 - 目p o , e r p l a n t s i u n i t s 、c o n s t a n t s 、f u n c t i o n s 为本锅炉模 ， b o i l e r 型中使用到的单位、常量和函数； 萋同s i m i s ；w a t e r c 。m p 。n e n t s ：以水为工质的锅炉侧设备模型； = s t e a m c o m p o n e n t s ：以蒸汽为工质的锅炉侧设备模 妻口c 。越l a n 5 ；型，比如水冷壁、省煤器、过热器等； 曰f 强c i 。n s；c o m b u s t i o n c o m p o n e n t s ：燃烧类模型，也是本论文的 i1 w a t e r c o l p o n e n t s l 燃烧室模型所在； m s t e a m c 0 m p o n e n t s p u l v e r i z e d c o a l c o m p o n e n t s ：以煤粉为工质的模型， l c 0 1 b u s t i o n c 0 m p o n e n t s j 比如给煤机，磨煤机等； i 闩p u l v 叭z e 鼢a i c o 囊p o n e n i s a i r c 。m p 。n e n t s ：以空气为工质的模型，比如送风机、 = 。 一次风机等o ! 口m r c o m p o n 呲5 c o m b u s t i o n g a s c o m p o n e n t s ：以烟气为工质的模型， ：i ：曰e o 曩b u s a s e o 即o n s比如引风机； i 园h e a v y o i l c 0 m p o n e n t s h e a v y o i l c o m p o n e n t s ：以重油为工质的模型，比 + f i d i e s e l o i l c o m p o n e n ：s i 重油泵，管道，阀门等； i 嗣 e s b o x d i e s e l o i l c o m p o m e n t s ：以轻油为工质的模型，比如 。 柴油泵，管道，阀门等； 图2 - 4b o i l e r 结构图t e s t b o x ：用于测试本b o i l e r 中模型的包； 当然以h 结构随时可以根据需要进行灵活调整。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 4 小结 本章先是介绍了m o d e l i c a 和d y m o l a 的主要特点，然后分析了d y m o l a 开发环 境下m o d e l i c a 标准库的组织结构以及d y m o l a 的主要布局。 l o 华北电力大学硕士学位论文 第三章m o d e1 c a 语言编程注意事项与t h e r m o p o w e r 包分析 3 1 引言 m o d e l i c a 本身是一种编程语言，有它的编程规则，本章先就本人在编程中经常 遇到的问题进行说明，然后分析了专门用于热电厂建模的t h e r m o p o w e r 包，以及重 要的媒体模型w a t e r ( 水蒸气) 。 3 2m o d ei c a 语言编程注意事项 3 2 1m o d e i i g a 中类的思想 面向对象的思想是基于这样一个事实：我们面对的客观世界可以看成是由无数 多个各种各样的对象( o b j e c t ) 所组成的一个整体。而众多对象中，我们可以根据 需要或者习惯，把具有某些相同特性的对象划归为一类( c l a s s ) 。比如我们看到的 各式各样的树木，就是客观世界的对象，而具有可以结果实特性的树，我们可以把 它们归结、抽象为一类，即果树。因而果树就是一个类( c l a s s ) ，而实际中的可以 结出果实的各棵树就是一个个的对象。类是对对象的抽象，对象是类的实例化。 对于每个对象来说，我们可以用数据和对数据的操作来描述它的特性和行为。 一个对象，往往被抽象成数据和操作的组合体。也就是说决定一个对象特性的是它 具有什么数据，和它对数据进行什么操作。这里数据就表现为变量( 实际上用来存 储数据的预留空间) ，而操作就表现为方程。 对象数据的来源有两个：一是对象内部本身自有的一些属性数据，比如对象的 尺寸、颜色、重量等等，另外一个是，来自于对象的外部，是从别的对象传递过来 的数据信息。 因而对象与对象之间的交互和联系就表现为对象间通过一定的接口实现数据、 信息的交互。 而每个对象在获得数据之后，就需要对数据进行某种处理和运算，这个就表现 为方程，对象中的方程描述了对象是如何对其内在和外来的数据进行处理的。 因而，接口、数据、方程就构成了面向对象思想的全部，也是理解m o d e l i c a 建模思想的基础。当然从另外一个角度来看也可以看成是对象、连接、方程的集合 华北电力大学硕士学位论文 体。 m o d e li c a 全部由类( c l a s s ) 构成，c l a s s 是m o d e l i c a 中类定义的关键字。 m o d e l i c a 内在定义了7 个有特定用途的限制类( r e s t r i c tc l a s s e s ) 和4 个内置数 据类型。 限制类： p a c k a g e 包类，一个包中往往包含有其他类组件； m o d e l 模型类，比如给水泵模型，发电机模型等； b l o c k 模块类，具有因果输入输出关系的模块，比如p i d 模块； c o n n e c t o r 连接器类，用以定义模型间的连接接口； f u n c t i o n 函数类，用以定义函数； r e c o r d 记录类，用以定义一些组变量； ， 内置数据类型： r e a l 实型数据类，它具有比如最大值，最小值，初始值等的一些属性 i n t e g e r 整型数据类 b o o l e a n 布尔类型 s t r i n g 字符串类型 所有建模都是在以上基础上展开的。 而m o d e l i c a 已经在以上基础上开发出了一些各个领域的通用的类库，这个就 称为m o d e l i c a 的标准库。在这个标准库的基础上用户可以进一步开发自己的模型 库，t h e r m o p o w e r 就是其一，我们的p o w e r p l a n t 也是其一。 3 2 2m o d eiic a 中e is eif 与eis 6if 的使用场合 编程中会发现条件判断语句e l s ei f 和e l s e i f 是不一样的，它们各自用在不 同的地方，这个往往对初学者造成困惑，现在特说明一下： 在如下形式时，要用e l s e i f ( 合着写) ： i fx 3t h e n u = o ： e l s e l fx 3t h e n0e l s ei fx 2t h e n1e l s e2 ： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 3 。2 3m o d eiic a 中关于sin g uia rit y 问题 这是编程中最常见的问题，基本上是由于变量的个数与方程的个数不匹配所引 起的，比如有4 个未知量却有6 个方程( o v e r d e t e r m i n e d ) ，或者有6 个未知量却 只有4 个方程( u n d e r d e t e r m i n e d ) 等。所以在编写每个子模型，保证变量的匹配 是很重要的，也就是说你要非常清楚模型中的每个变量是如何被唯一确定的，必须 确定它的确切来源，要把每个变量的来龙去脉搞清楚。并且尽量每个子模型要先经 过测试，保证没有问题，再作为大模型的一个子模型放到大模型中，否则放到大模 型中时再查找问题会比较麻烦，不容易知道到底是哪个子模型出问题了。 3 2 4m o d e | c a 中关于变量初始化问题 变量的初始化也是个重要的问题，特别是当模型中有常微分方程的时候。所谓 变量的初始化，就是在仿真开始的0 初始时刻，变量取多少值。凡是跟时间有关的 变量都应该有个初始值。不过很多数据类型，如果你不给出初始值的话，系统会用 该变量的默认初始值作为初始值，比如对r e a l 实型变量，它的默认初始值是0 。 更多介绍可以见( d y m o l au s e rm a n u a l ) 第9 0 页“i n i t i a l i z a t i o no fm o d e l s ，。 3 2 5m o d e i j c a 中关于对函数的微分求导问题 当被求导是个函数时，即高数中的复合求导问题，这个时候m o d e l i c a 还无力 去自动处理这样的问题，所以要求用户必须自己定义该函数的各阶导函数，并用 a n n o t a t i o n 给以指出。当然首先要保证该函数是不是可导的。详见( d y m o l au s e r m a n u a l p 2 4 9 d e c l a r ef u n c ti o n s 。 3 2 6m o d e i i c a 中关于以实型变量的相等作为判断条件问题 当以两个r e a l 型变量是否相等作为判断条件的时候，是不被d y m o l a 允许的。 比如设x 1 ，x 2 为实型变量，有i fx l