系統(tǒng)仿真技術(shù)

1、系統(tǒng)仿真技術(shù)系統(tǒng)仿真技術(shù)崔國(guó)民熱工程研究所仿真技術(shù)是二十一世紀(jì)最關(guān)鍵技術(shù)之一！仿真技術(shù)是二十一世紀(jì)最關(guān)鍵技術(shù)之一！第一節(jié)第一節(jié) 系統(tǒng)仿真的概念及其意義系統(tǒng)仿真的概念及其意義物理系統(tǒng)物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型仿真系統(tǒng)仿真系統(tǒng)1、系統(tǒng)仿真的基本概念、系統(tǒng)仿真的基本概念定義：運(yùn)用物理模型或數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。定義：運(yùn)用物理模型或數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。* 不是實(shí)際系統(tǒng)不是實(shí)際系統(tǒng)* 離不開(kāi)系統(tǒng)離不開(kāi)系統(tǒng) 關(guān)系：物理系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型、仿真系統(tǒng)三者的關(guān)系關(guān)系：物理系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型、仿真系統(tǒng)三者的關(guān)系相似原理相似原理物理仿真物理仿真建模建模仿真仿真 分類分類實(shí)現(xiàn)上實(shí)現(xiàn)上物理仿真物理仿

2、真數(shù)學(xué)仿真數(shù)學(xué)仿真混合仿真混合仿真縮小的實(shí)物模型縮小的實(shí)物模型仿真計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)相似原理相似原理+模擬計(jì)算模擬計(jì)算算法上算法上數(shù)字仿真數(shù)字仿真模擬仿真模擬仿真混合仿真混合仿真電子計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī) 功能強(qiáng)，精度高功能強(qiáng)，精度高, 串行串行難實(shí)時(shí)難實(shí)時(shí)模擬運(yùn)算器模擬運(yùn)算器 功能弱，精度低功能弱，精度低 并行并行實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)電子計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)+模擬運(yùn)算器，模擬運(yùn)算器，兼具二者優(yōu)點(diǎn)兼具二者優(yōu)點(diǎn)時(shí)效上時(shí)效上實(shí)時(shí)仿真實(shí)時(shí)仿真亞時(shí)仿真亞時(shí)仿真超時(shí)仿真超時(shí)仿真同步同步欠同步、落后欠同步、落后超前，時(shí)間縮短超前，時(shí)間縮短 仿真對(duì)象仿真對(duì)象自然的自然的人工的人工的存在的存在的未來(lái)的未來(lái)的2 仿真的意義仿真的意義

3、大型工業(yè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究大型工業(yè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究 不允許的不允許的 計(jì)劃和設(shè)計(jì)的中間實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和設(shè)計(jì)的中間實(shí)驗(yàn) 沒(méi)有的沒(méi)有的預(yù)測(cè)性：預(yù)測(cè)性： 超時(shí)空運(yùn)行效應(yīng)超時(shí)空運(yùn)行效應(yīng) 無(wú)法實(shí)現(xiàn)的無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊實(shí)驗(yàn)：特殊實(shí)驗(yàn)： 超極限，破壞性，事故超極限，破壞性，事故 不可能的不可能的 節(jié)省原材料，節(jié)能，人力等節(jié)省原材料，節(jié)能，人力等 經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性 系統(tǒng)優(yōu)化、改進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化、改進(jìn) 預(yù)見(jiàn)、研發(fā)預(yù)見(jiàn)、研發(fā) 仿真軟件形式，利于傳播仿真軟件形式，利于傳播 普及性普及性 發(fā)現(xiàn)規(guī)律或科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)規(guī)律或科學(xué)研究科研價(jià)值科研價(jià)值3 仿真系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用仿真系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用 大型仿真系統(tǒng)大型仿真系統(tǒng)仿真工廠仿真工廠 輔助訓(xùn)練、人員培訓(xùn)輔

4、助訓(xùn)練、人員培訓(xùn)穩(wěn)態(tài)仿真穩(wěn)態(tài)仿真動(dòng)態(tài)仿真動(dòng)態(tài)仿真 輔助設(shè)計(jì)輔助設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)仿真穩(wěn)態(tài)仿真代數(shù)方程組代數(shù)方程組能不能實(shí)現(xiàn)能不能實(shí)現(xiàn)各種物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)計(jì)算各種物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)計(jì)算 單元設(shè)備及系統(tǒng)物料衡算單元設(shè)備及系統(tǒng)物料衡算 單元設(shè)備及系統(tǒng)能量衡算單元設(shè)備及系統(tǒng)能量衡算 氣液平衡計(jì)算氣液平衡計(jì)算 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算 物性計(jì)算物性計(jì)算 質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒 能量守恒能量守恒 兩相平衡兩相平衡 反應(yīng)平衡反應(yīng)平衡 動(dòng)態(tài)仿真動(dòng)態(tài)仿真微分方程組微分方程組實(shí)現(xiàn)效果如何實(shí)現(xiàn)效果如何停車可行性實(shí)驗(yàn)停車可行性實(shí)驗(yàn) 各種擾動(dòng)下的整體適應(yīng)性和穩(wěn)定性各種擾動(dòng)下的整體適應(yīng)性和穩(wěn)定性 自控系統(tǒng)可行性分析及實(shí)驗(yàn)自控系

5、統(tǒng)可行性分析及實(shí)驗(yàn) 工藝設(shè)計(jì)與控制的協(xié)調(diào)性工藝設(shè)計(jì)與控制的協(xié)調(diào)性 聯(lián)鎖保護(hù)或自動(dòng)過(guò)程的可行性實(shí)驗(yàn)聯(lián)鎖保護(hù)或自動(dòng)過(guò)程的可行性實(shí)驗(yàn) 開(kāi)車可行性實(shí)驗(yàn)開(kāi)車可行性實(shí)驗(yàn) dcs組態(tài)方案可行性組態(tài)方案可行性 工藝、自控技術(shù)改造方案的可行性工藝、自控技術(shù)改造方案的可行性 動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)：動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)：采用采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、可行性分析、實(shí)計(jì)、可行性分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)。 輔助生產(chǎn)輔助生產(chǎn)生產(chǎn)優(yōu)化可行性實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)優(yōu)化可行性實(shí)驗(yàn) 裝置開(kāi)、停車方案論證裝置開(kāi)、停車方案論證 復(fù)雜控制系統(tǒng)方案論證復(fù)雜控制系統(tǒng)方案論證 調(diào)優(yōu)公司調(diào)優(yōu)公司聯(lián)鎖開(kāi)車功能、快門記憶聯(lián)鎖開(kāi)車功能、快門記憶 控制節(jié)能、控制調(diào)優(yōu)控制節(jié)能、

6、控制調(diào)優(yōu)常規(guī)控制常規(guī)控制先進(jìn)控制先進(jìn)控制優(yōu)化控制優(yōu)化控制管控一體化管控一體化 事故方案和緊急救災(zāi)方案實(shí)驗(yàn)事故方案和緊急救災(zāi)方案實(shí)驗(yàn)隨機(jī)事故隨機(jī)事故 輔助研究輔助研究 計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)(cfd) 分子仿真（分子仿真（md）（）（dsmc） 4 系統(tǒng)仿真的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真的實(shí)現(xiàn)l 數(shù)學(xué)建模及求解數(shù)學(xué)建模及求解經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)系統(tǒng)理解片面經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)系統(tǒng)理解片面 測(cè)試手段限制、數(shù)據(jù)源不全測(cè)試手段限制、數(shù)據(jù)源不全 數(shù)學(xué)方法不當(dāng)、不穩(wěn)定數(shù)學(xué)方法不當(dāng)、不穩(wěn)定 基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論有些無(wú)法解決有些無(wú)法解決 代數(shù)不收斂、微分振蕩代數(shù)不收斂、微分振蕩實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)建模和求解效率低建模和求解效率低 形成的是過(guò)時(shí)技術(shù)

7、形成的是過(guò)時(shí)技術(shù)解決辦法解決辦法面向?qū)嶋H面向?qū)嶋H意志堅(jiān)定意志堅(jiān)定善于合作善于合作人馬齊備人馬齊備第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)仿真建模系統(tǒng)仿真建模1 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)建模的原理穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)建模的原理 物理、化學(xué)物理、化學(xué)變化系統(tǒng)變化系統(tǒng) 對(duì)對(duì) 象象 行行 為為質(zhì)量質(zhì)量能量能量 動(dòng)量動(dòng)量 氣液兩相氣液兩相 成份成份 傳遞、擴(kuò)散傳遞、擴(kuò)散 傳遞、轉(zhuǎn)換傳遞、轉(zhuǎn)換 傳遞傳遞 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化 反應(yīng)反應(yīng) 運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的靜止是相對(duì)的靜止是相對(duì)的 穩(wěn)態(tài)建模穩(wěn)態(tài)建模穩(wěn)態(tài)條件：穩(wěn)態(tài)條件：進(jìn)水進(jìn)水=出水出水h不變不變動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) h靜止靜止 水箱系統(tǒng)水箱系統(tǒng)守恒方程：守恒方程：0)(54321fffff 能量、質(zhì)量通用

8、守恒方程：能量、質(zhì)量通用守恒方程：0, 1, 1outmjjinniitwtw代數(shù)方程組代數(shù)方程組 動(dòng)態(tài)建模動(dòng)態(tài)建模微分方程微分方程動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)變化變化dtda守恒方程：守恒方程：54321fffffdtdm hrm25432121fffffrdtdh 能量、質(zhì)量通用守恒方程：能量、質(zhì)量通用守恒方程：inioutjjidtdwtwtw112 系統(tǒng)建模的方法系統(tǒng)建模的方法 初等幾何法初等幾何法對(duì)象對(duì)象系統(tǒng)設(shè)備的面積或體積等幾何量系統(tǒng)設(shè)備的面積或體積等幾何量 l 穩(wěn)態(tài)建模方法穩(wěn)態(tài)建模方法abbashbas2rls hrv231 24 rs 334rv 代數(shù)法代數(shù)法 系統(tǒng)變量間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系系統(tǒng)變量間的穩(wěn)態(tài)

9、關(guān)系1、一元回歸、一元回歸 2、初等函數(shù)法、初等函數(shù)法 3、多元回歸、多元回歸 單變量關(guān)系單變量關(guān)系 非線性關(guān)系非線性關(guān)系 多變量關(guān)系多變量關(guān)系)(xfy nnxaxaxaay 2210注意計(jì)算效率注意計(jì)算效率 )(43210 xaaxaxaxayctbapln飽和蒸汽壓方程飽和蒸汽壓方程 u 多元回歸多元回歸 黑箱子黑箱子),(2111nuuufy ),(2122nuuufy ),(21nmmuuufy nnuauauaay 221101多元線性回歸：多元線性回歸：保證精度：保證精度： 分段擬合分段擬合l 動(dòng)態(tài)建模方法動(dòng)態(tài)建模方法)()()()()(1) 1(1)(0tutyatyatyat

10、yannnn 微分方程微分方程變量變化率變量變化率 移不變的移不變的對(duì)象特征對(duì)象特征線性的線性的方程特征方程特征非線性的非線性的時(shí)變的時(shí)變的常微分方程常微分方程 偏微分方程偏微分方程 分布參數(shù)模型分布參數(shù)模型 集總參數(shù)模型集總參數(shù)模型 多元時(shí)空變化多元時(shí)空變化 一元時(shí)間變化一元時(shí)間變化 直接微分法直接微分法pvtf1f2f3空壓機(jī)出口緩沖罐空壓機(jī)出口緩沖罐原理：原理：對(duì)穩(wěn)態(tài)關(guān)系直接進(jìn)行微分處理對(duì)穩(wěn)態(tài)關(guān)系直接進(jìn)行微分處理 近似為近似為動(dòng)態(tài)變量關(guān)系動(dòng)態(tài)變量關(guān)系 穩(wěn)態(tài)變量關(guān)系穩(wěn)態(tài)變量關(guān)系 條件：條件： 變量變化不是很劇烈變量變化不是很劇烈 忽略次要因素忽略次要因素 壓力不是很高，溫度不是很低壓力不是

11、很高，溫度不是很低直接微分：直接微分： vrtdtdmdtdp321fffdtdmvrtfffdtdp)(321問(wèn)題：?jiǎn)栴}：罐內(nèi)壓力變化規(guī)律罐內(nèi)壓力變化規(guī)律mrtpv 理想氣體：理想氣體： 原理推導(dǎo)法原理推導(dǎo)法 原理：原理：根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置三傳一反三傳一反三傳：能量，動(dòng)量，質(zhì)量三傳：能量，動(dòng)量，質(zhì)量一反：化學(xué)反應(yīng)一反：化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題：?jiǎn)栴}：轉(zhuǎn)速變化規(guī)律轉(zhuǎn)速變化規(guī)律 動(dòng)能：動(dòng)能： 221jna 321eeedtda3212)(21eeedtndj321eeedtdnnj 偏微分方程法偏微分方程法 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 偏導(dǎo)數(shù)反映了空間特性偏導(dǎo)

12、數(shù)反映了空間特性更全面的信息更全面的信息分布參數(shù)模型；分布參數(shù)模型； 穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)均可描述。穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)均可描述。方法：方法：劃分微元體劃分微元體 流入的流率流入的流率流出的流率流出的流率=微元累計(jì)速度微元累計(jì)速度 x（x,y,z） y z dy dx dzxinxoutdxdydzxudydzdxxuudydzuxxxx )()( dxdydzyudxdzdyyuudxdzuyyyy )()( dxdydzzudxdydzzuudxdyuzzzz )()( x方向：方向：y方向：方向：z方向：方向：dxdydzzuyuxuzyx)()()( 三三個(gè)個(gè)方方向向流流入入流流出出的的差差dxd

13、ydzt 微元內(nèi)的累積量微元內(nèi)的累積量整理的：整理的：0)()()( zuyuxutzyx 第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)值求解數(shù)值求解 仿真（模擬）過(guò)程仿真（模擬）過(guò)程常規(guī)模擬方法：常規(guī)模擬方法：有限差分方法、有限元法、數(shù)值積分方法有限差分方法、有限元法、數(shù)值積分方法基本方法：基本方法：1 1）描述對(duì)象）描述對(duì)象 偏微分方程（偏微分方程（物理對(duì)象數(shù)學(xué)建模）物理對(duì)象數(shù)學(xué)建模） 線性方程線性方程 非線性方程非線性方程 時(shí)間不相關(guān)時(shí)間不相關(guān) 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) 時(shí)間相關(guān)時(shí)間相關(guān) 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)2 2）求解格式的生成）求解格式的生成 差分法差分法 微分；微分； 有限元、數(shù)值積分有限元、數(shù)值積分 積分積分 差分（組）差分（組） 微

14、分；微分； 微分方程（組）微分方程（組） 代數(shù)方程代數(shù)方程差分方法：向前差分；向后差分；中心差分差分方法：向前差分；向后差分；中心差分 顯示格式顯示格式 隱式格式隱式格式3 3）求代數(shù)方程組）求代數(shù)方程組 線性代數(shù)方程組線性代數(shù)方程組 非線性代數(shù)方程組非線性代數(shù)方程組線性線性：高斯消去法、逆矩陣法、單純形法：高斯消去法、逆矩陣法、單純形法 非線性非線性：線性化方法：線性化方法 一般迭代法一般迭代法 迭代法迭代法 牛頓迭代法牛頓迭代法 松弛技術(shù)：松弛技術(shù)： 擬牛頓法擬牛頓法 計(jì)算效率；計(jì)算效率； 收斂特性收斂特性程序?qū)崿F(xiàn)：程序?qū)崿F(xiàn)：1）區(qū)域分解）區(qū)域分解 幾何形狀（時(shí)間步長(zhǎng)）幾何形狀（時(shí)間步長(zhǎng)） 系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo) 當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)；當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)； 精度要求精度要求 （不同區(qū)域要求的分辨精度不同）。（不同區(qū)域要求的分辨精度不同）。2）網(wǎng)格劃分）網(wǎng)格劃分 形狀（當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)下的方便網(wǎng)格形狀）；形狀（當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)下的方便網(wǎng)格形狀）； （時(shí)間步長(zhǎng)）（時(shí)間步長(zhǎng)） 密度（物理量變化劇烈的區(qū)域）；密度（物理量變化劇烈的區(qū)域）； 網(wǎng)格的排序及其連接關(guān)系。網(wǎng)格的排序及其連接關(guān)系。3）迭代初值）迭代初值 影響求解速度；影響求解速度； 影響求解的穩(wěn)定性；影響求解的穩(wěn)定性； 根據(jù)基本推測(cè)和變量之間的粗略關(guān)系給出。根據(jù)基本推測(cè)和變量之間的粗