系统仿真技术

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相似原理物理仿真建模仿真分类实现上物理仿真数学仿真混合仿真缩小的实物模型仿真计算机相似原理+模拟计算算法上数字仿真模拟仿真混合仿真电子计算机功能强，精度高,串行——难实时模拟运算器功能弱，精度低并行——实时电子计算机+模拟运算器，兼具二者优点时效上实时仿真亚时仿真超时仿真同步欠同步、落后超前，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：0)(54321FFFFF能量、质量通用守恒方程：0,1,1outmjjinniitWtW代数方程组动态建模微分方程动态变化dtdA守恒方程：54321FFFFFdtdMHrM25432121FFFFFrdtdH能量、质量通用守恒方程：inioutjjidtdWtWtW112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abbaSHbaS2rLSHrV23124rS334rV代数法系统变量间的稳态关系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)(xfynnxaxaxaay2210注意计算效率)))(((43210xaaxaxaxayCTBAPln饱和蒸汽压方程多元回归——黑箱子),,(2111nuuufy),,(2122nuuufy),,(21nmmuuufynnuauauaay221101多元线性回归：保证精度：分段拟合动态建模方法)()()()()(1)1(1)(0tutyatyatyatyannnn微分方程——变量变化率移不变的对象特征线性的方程特征非线性的时变的常微分方程偏微分方程分布参数模型集总参数模型多元时空变化一元时间变化直接微分法PVTF1F2F3空压机出口缓冲罐原理：对稳态关系直接进行微分处理近似为动态变量关系稳态变量关系条件：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：VRTdtdmdtdP321FFFdtdmVRTFFFdtdP)(321问题：罐内压力变化规律mRTPV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：221JNA321EEEdtdA3212)(21EEEdtNdJ321EEEdtdNNJ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（x,y,z）yzdydxdzXinXoutdxdydzxudydzdxxuudydzuxxxx)()(dxdydzyudxdzdyyuudxdzuyyyy)()(dxdydzzudxdydzzuudxdyuzzzz)()(X方向：Y方向：Z方向：dxdydzzuyuxuzyx))()()((三个方向流入流出的差dxdydzt微元内的累积量整理的：0)()()(zuyuxutzyx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的编制效率程序的运行效率5）结果输出及后处理文本式输出、表格式输出、图形式输出利于表明变量变化规律以及变量之间的关系6）分析——发现规律；发现问题；提出改进意见；得到结论…….非常规方法——DSMC方法介绍