《计算机绪论》PPT课件.ppt

1、专业计算机的主要内容,主要是讲述计算机在专业中的运用，主要是对专业过程进行优化，这个过程主要是通过系统的模拟来实现的。在模拟过程中，主要是用数学形式表达实际系统的运动规律，然后用计算机来解这些方程,概论,1-1 仿真的概念与步骤 1-2 仿真与常规设计的比较 1-3 优化的含义 1-4 制冷装置计算机辅助设计入门 1-5 制冷装置仿真的基本现状 1-6 系统的分析与分解 1-7 模型、算法的选择策略 1-8 制冷系统仿真,仿真的由来,在进行实际系统的分析、设计的过程中人们除了对系统进行理论上的分析计算以外，常常需要对系统的特性进行实验研究。 实验种类：1)在实际系统上进行，2) 在模型上进行。

2、 用真实系统进行实验在许多情况下做不到, 原因: 1)不经济; 2)不安全; 3)做不到, 比如外层空间宇航。,1-1 仿真的概念与步骤,仿真定义,用模型代替真实系统做实验的方法。 主要有：1)物理仿真; 2)计算机仿真,物理仿真,物理仿真: 物理模型来仿真实际系统。 物理仿真例子: 1) 现在研究船舶航行情况时，通常用一缩小的船舶模型在船池中做实验; 2) 研究飞机的飞行性能时，也要经过飞机模型在风洞中的实验。,物理仿真局限性,对于一个比较复杂的系统来说，影响因素很多，很难用一个物理模型来进行仿真，这是因为: 1)对一个复杂系统设计制造一个模型常常要花费巨大的代价， 2)周期也相当长， 3)

3、同时进行一次实验准备工作也十分可观。,计算机仿真,用数学形式描述实际系统的运动规律，(它们是通常是一组微分方程或差分方程)，然后用计算机来解这些这些方程。在这里，描述实际系统运动规律的数学形式称为数学模型。,计算机仿真的优势,用一套仿真设备可以对物理性质截然不同的许多控制系统进行仿真研究，相对于复杂系统的物理模型的制作、调整、测试等工作，为了进行计算机仿真而准备模拟计算机的排题板或数字计算机的程序的工作量要小得多，周期也要短得多，所花的费用也要少得多。,仿真发展趋势,随着计算机的飞速发展，计算机仿真越来越多地代替了纯物理的仿真，因此现在通常所说的仿真，指的都是计算机仿真。,仿真步骤,1）写出实

4、际系统的数学模型。对于不同的要求可以采用不同的模型，对于热力系统的动态仿真，较多采用偏微分方程。 2）将它转变成能在计算机上进行运转的数学模型。比如要在数字计算机上进行仿真，应当将描述实际连续过程的方程，变成一组离散方程。 3）编出仿真程序。 4）对仿真模型进行修改、校验。,仿真模型建立过程,仿真涉及对象与模型化过程,涉及到三个具体的部分: 1)实际系统; 2)数学模型; 3)计算机 两次模型化: 1)将实际系统变成数学模型; 2)将数学模型变成仿真模型,1-2 仿真与常规设计的比较,工程技术界的仿真研究，主要是为产品开发服务。在仿真技术没有应用之前，技术人员已经成功地开发了许多产品，那么仿真

5、与常规设计方法的关系又如何呢?,常规设计方法与仿真在步骤上的比较,常规的设计: 定下产品的性能目标推断其工作状况最后确定产品的结构。 仿真: 定产品的结构看其具体的工作过程是如何的在算出其工作过程的基础上，得到最后的性能。,常规设计方法举例,以常规冰箱设计方法为例， 先定下产品的性能要求，如耗电量、储藏温度， 再推断运行参数，如制冷剂的蒸发压力、冷凝压力等， 最后得到作为设计目标的结构参数，如压缩机容量、蒸发器面积、毛细管长度与直径等。,常规的设计方法的特点,优点: 常规的设计方法，目标很明确，更有可操作性，所以容易被广大工程技术人员理解。 缺点: 常规的设计方法中没有一套完整描述整个系统特性

6、的模型，它所包含的仅是部分经过高度简化，能反映系统部分特性的模型。由于其先天的不足，使得它的发展受到较大的限制。,上述设计过程的问题,如果仅仅按照这样一套设计过程进行工作的话，即便设计方法绝对准确，仍然有许多不尽人意的地方。例如： 1)按某一环境参数进行设计，至多能保证在这一条件下的产品性能达到要求; 2)如果需要同时满足几个环境参数下的要求，而分别按照不同的环境条件去设计，会得到不同的设计结果，最后只能在其中进行折中。但是最后的性能会怎样呢, 却不能直接得出。,校核过程,从这样一个简单的例子可以看出，仅有从性能定结构这样一个步骤是不够的。在实践中，人们已经认识到这个问题，所以在设计时，都有一

7、个校核过程，即在产品结构定了以后，再计算一下各种性能，这个过程其实已经是仿真的过程了。也就是说，人们已经认识到常规设计方法的不足之处，体会到仿真的重要性了。,制冷装置的计算机仿真中的困难,要真正对系统进行正确仿真，需要建立准确的模型，而现在所常用的简单模型难以反映复杂的实际过程，因此这方面的研究仍然是相当欠缺的。由于计算机仿真的落后，所以现在制冷产品设计中，往往要制作大量的样机进行实验，即通过在这种最接近批量生产的实际产品的模型上进行物理仿真，弥补设计的不足。,1-3 优化的含义,优化就是根据人们期望的目标，使装置的性能达到最佳。制冷空调装置的优化首先要使装置设计最佳，其次要保证系统能够工作在

8、最优的工作状态下。,制冷装置优化设计,首先要建立研究对象的目标函数f(x), 使它在一组设计变量(x1、 x2、xn) 时达到最大值max f(x), 比如制冷装置的效率; 或最小值min f(x), 比如制冷装置的能耗。由于对于函数最大值的求解可以转化为对于函数最小值的求解，如max f(x)即相当于min f(x)，因此优化中一般统一归结为函数最小值的求取。,数学描述,上面讨论的数学总是可以采用如下的数学形式来描述 目标函数 min f(x) 约束条件 hi(x)=0 i = 1, 2, , m gj(x) 0 j = 1, 2, n,优化式子说明,目标函数f(x)中的设计变量(x1、x2

9、、xn)是不能任意选取的，它们必须满足一定的关系和要求，描述这些关系和要求的方程称为约束方程。这些方程可以为等式，也可以为不等式。,1-4 制冷装置计算机辅助设计入门,计算机辅助设计的基本概念 计算机辅助设计系统的组成及基本功能,计算机辅助设计的基本概念,计算机辅助设计(Computer Aided Design)CAD技术是近年来得到迅速发展的科技新领域。从广义讲，计算机辅助设计的概念包含了计算机在工程设计，产品设计等所有领域中的应用。设计包含有分析、计算、绘图等。实际上计算机问世不久即在设计中用于计算和分析。而计算机绘图则经历了一段较长的探索过程，计算机辅助设计CAD的概念是伴随计算机绘图

10、技术的发展才产生，并为广泛熟悉。,计算机辅助设计的内容,一个CAD系统一般应该包括有专业计算、分析、优化程序，数据库系统，以及自动化绘图系统。计算机辅助绘图（Computer Aided Drawing）是CAD系统的一个很重要的组成部分，也是影响最大的部分，它可以是一个独立的应用系统，直接为工程设计服务，而且也常常被称为CAD系统。计算机绘图系统，是计算机辅助设计系统的一部分。,计算机辅助设计系统的组成,(1)硬件环境。应该有带有高分辨率显示器的计算机主机、宽行打印机、数字化仪或图形扫描仪、绘图仪等。 (2)软件环境。计算机辅助设计系统, 不仅需要有完善的硬件设备, 还要选配与硬件设备相适应

11、的软件环境，主要包括:所选机型的系统软件, 如操作系统, 各种高级语言的编译程序以及其它有关系统软件; 图形支撑软件, 这实际上是计算机辅助设计中所需要的绘图系统。目前在国内最常见的计算机辅助绘图软件为AutoCAD。,1-5 制冷装置仿真的基本现状,时间: 过去的二十年左右 背景:工业界重视程度的提高和计算机及其相关学科的飞速发展,仿真发展历程,制冷装置的仿真与优化研究从产生到发展，经历了从1)单纯的部件模型研究到适合系统仿真要求的部件模型和系统模型研究，2)从稳态、集中参数到动态、分布参数，3)从瞬态特性研究到长期运行过程的仿真，并与优化与控制结合这样一条发展途径。,仿真发展水平,尽管许多

12、研究者力图通过对某一具体对象的深入研究而创立一套普遍适用的理论。然而迄今为止作为这一领域研究的基础和重点的系统动态仿真技术还有待进一步深入和扩展。,稳态仿真,从公开发表的文献来看，虽然从七十年代末开始就已有人开展制冷系统动态特性的研究工作，但到目前为止研究得最多、应用得最广的仍属稳态仿真。稳态仿真技术的逐步成熟及其所暴露的一些明显不足，刺激并推动了动态仿真技术的发展。,1-6 系统的分析与分解,把实际的复杂系统分解成各自独立的多个子系统， 而原系统可视为这些子系统的相互关系中产生的整体。对于每一个子系统, 又可以继续分解, 直到最后所得到的子系统足够简单为止。这是制冷装置动态仿真与优化软件开发

13、步骤中, 首先要做的工作。,建模阶段分解系统的方法,主要是了解系统的工作机理, 所以需要按照系统的传热传质关系, 将实际装置分成若于个大的部件, 了解这些部件各参数之间的相互耦合关系, 并继续对这些部件进行分解, 直到能比较方便地建立合乎要求的模型为止。,1-7 模型、算法的选择策略,1)系统动态仿真所用的部件模型不同于单独研究部件所用的模型，在保证相当精度的前提下，前者更需要简单。 2)算法与模型之间的相互制约作用，将从根本上决定今后模型的发展方向。,主要模型类型,1) 集中参数模型（又称单结点模型）目前仍为大多数研究者所采用的主要原因是简单。 2) 分布参数模型可提高精度，相当复杂的由此带

14、来的直接后果是计算所需的CPU时间骤增，故目前所能达到的只是粗网格实现。 3) 分块集中模型：由于分布参数模型的实现条件还不成熟，单结点模型又过于简单化，因此目前更多的研究者倾向于采用改进的分块集中模型。,模型、算法与计算机性能的平衡关系,仿真涉及三要素：数学模型,算法和数字计算机，它不但涉及这三个要素本身，而且还要处理它们之间的关系。仿真模型的正确建立，应在计算机水平允许的条件下，根据研究对象的要求来进行，在易理解、保证精度与简便之间达到一种平衡。,模型、算法与计算机性能的平衡关系,当计算机性能提高时，对模型和算法的限制要求就有所放宽； 模型简化，则对算法的要求下降； 算法研究有进展，则模型

15、的限制条件可放宽，通用性更强。 因此，我们面临两大课题：一是在现有（已知）算法的基础上，获取最佳模型；二是顺应模型改进的需要，研究新的算法。,系统动态仿真的要求-整体要求,系统动态仿真的整体要求可归纳为八个字：“稳定、准确、快速、通用”（stable, accurate, fast, flexible）。数值稳定是系统仿真的首要前提；仿真结果准确与否是用户最为关心的问题；快速是优化可行性和软件实用化的关键技术之一；通用性包括理论建模与软件开发规范化两个方面，提高通用性是每个研究者的目标。对于不同的对象（如研究者、同行、用户等），由于目的的差异，整体要求的重点可能有所变化，但内容大抵如此。,1-

16、8 制冷系统仿真,制冷系统仿真，通俗的讲，就是将计算机系统仿真的方法运用于引入到制冷空调装置的系统建模和特性研究中来。,部件模型,压缩机模型 节流部件模型 换热器（冷凝器或蒸发器）模型 制冷剂的充灌量模型 制冷剂的热物性模型 系统模型及算法,研究成果,上海交通大学在房间空调器的仿真上取得了骄人的成绩，他们开发出了一系列相关软件，并且在国内外知名企业得到了应用，取得了良好的实际效果 清华大学开发出国内第一套用于人工环境系统控制的分布式计算机系统，目前已发展成为国内此领域唯一的国产系列化产品。 西安交大对于在压缩机性能分析和技术改进有雄厚的基础，凭借其热工基础研究的积累，对于各种类型的换热器的换热机理也有深入的