系统仿真的技术.ppt

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 第一节系统仿真的概念及其意义 物理系统 数学模型 仿真系统 1 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 不是实际系统 离不开系统 关系 物理系统 数学模型 仿真系统三者的关系 分类 实现上 数学仿真 混合仿真 算法上 模拟仿真 混合仿真 时效上 亚时仿真 超时仿真 超前 时间缩短 仿真对象 自然的 人工的 存在的 未来的 2仿真的意义 大型工业系统的实验研究 不允许的 计划和设计的中间实验 没有的 预测性 超时空运行效应 无法实现的 特殊实验 超极限 破坏性 事故 不可能的 节省原材料 节能 人力等 经济性 系统优化 改进 预见 研发 仿真软件形式 利于传播 普及性 发现规律或科学研究 科研价值 3仿真系统的实际应用 大型仿真系统 仿真工厂 辅助训练 人员培训 稳态仿真 动态仿真 辅助设计 稳态仿真 代数方程组 能不能实现 各种物质物理化学性质计算 单元设备及系统物料衡算 单元设备及系统能量衡算 气液平衡计算 化学反应动力学计算 物性计算 质量守恒 能量守恒 两相平衡 反应平衡 动态仿真 微分方程组 实现效果如何 停车可行性实验 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 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 开车可行性实验 DCS组态方案可行性 工艺 自控技术改造方案的可行性 动态仿真设计 采用动态仿真技术进行设计 可行性分析 实验 辅助生产 生产优化可行性实验 装置开 停车方案论证 复杂控制系统方案论证 调优公司 联锁开车功能 快门记忆 控制节能 控制调优 常规控制 先进控制 优化控制 管控一体化 事故方案和紧急救灾方案实验 随机事故 辅助研究 计算流体力学 CFD 分子仿真 MD DSMC 4系统仿真的实现 数学建模及求解 经验不足 对系统理解片面 测试手段限制 数据源不全 数学方法不当 不稳定 基础理论 有些无法解决 代数不收敛 微分振荡 实现难点 建模和求解效率低 形成的是过时技术 解决办法 面向实际 意志坚定 善于合作 人马齐备 第二节系统仿真建模 1稳态与动态建模的原理 物理 化学变化系统 对象 行为 质量 能量 动量 气液两相 成份 传递 扩散 传递 转换 传递 转化 反应 运动是绝对的静止是相对的 稳态建模 稳态条件 进水 出水H不变 动态平衡 稳态H 静止 水箱系统 守恒方程 能量 质量通用守恒方程 代数方程组 动态建模 微分方程 动态 变化 守恒方程 能量 质量通用守恒方程 2系统建模的方法 初等几何法 对象 系统设备的面积或体积等几何量 稳态建模方法 代数法 1 一元回归 2 初等函数法 3 多元回归 单变量关系 非线性关系 多变量关系 注意计算效率 饱和蒸汽压方程 多元回归 黑箱子 多元线性回归 保证精度 分段拟合 动态建模方法 微分方程 变量变化率 移不变的 对象特征 方程特征 直接微分法 原理 对稳态关系直接进行微分处理 条件 变量变化不是很剧烈忽略次要因素压力不是很高 温度不是很低 直接微分 问题 罐内压力变化规律 理想气体 原理推导法 原理 根据系统内部关系进行推导 燃气轮机发电装置 三传一反 三传 能量 动量 质量一反 化学反应 问题 转速变化规律 动能 偏微分方程法 优点 偏导数反映了空间特性 更全面的信息 分布参数模型 稳态 动态系统均可描述 方法 划分微元体流入的流率 流出的流率 微元累计速度 X方向 Y方向 Z方向 整理的 第三节数值求解 仿真 模拟 过程常规模拟方法 有限差分方法 有限元法 数值积分方法 基本方法 1 描述对象 偏微分方程 物理对象数学建模 线性方程 非线性方程时间不相关 稳态时间相关 动态2 求解格式的生成差分法 微分 有限元 数值积分 积分差分 组 微分 微分方程 组 代数方程差分方法 向前差分 向后差分 中心差分显示格式隐式格式 3 求代数方程组线性代数方程组非线性代数方程组线性 高斯消去法 逆矩阵法 单纯形法 非线性 线性化方法一般迭代法迭代法牛顿迭代法松弛技术 拟牛顿法 计算效率 收敛特性程序实现 1 区域分解 几何形状 时间步长 系统坐标当地坐标 精度要求 不同区域要求的分辨精度不同 2 网格划分 形状 当地坐标下的方便网格形状 时间步长 密度 物理量变化剧烈的区域 网格的排序及其连接关系 3 迭代初值 影响求解速度 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 4 数学模型的程序实现迭代求解程序