系統(tǒng)仿真技術(shù)ppt課件

1、系統(tǒng)仿真技術(shù)系統(tǒng)仿真技術(shù)崔國(guó)民熱工程研討所仿真技術(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)仿真的根本概念、系統(tǒng)仿真的根本概念定義：運(yùn)用物理模型或數(shù)學(xué)模型替代實(shí)踐系統(tǒng)進(jìn)展實(shí)驗(yàn)和研討。定義：運(yùn)用物理模型或數(shù)學(xué)模型替代實(shí)踐系統(tǒng)進(jìn)展實(shí)驗(yàn)和研討。* 不是實(shí)踐系統(tǒng)不是實(shí)踐系統(tǒng)* 離不開系統(tǒng)離不開系統(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)系類似原理類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減少的實(shí)物模型減少的實(shí)物模型仿真計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)類似原理類似原理+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的未來的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)研討大型工業(yè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研討 不允許的不允許的 方案和設(shè)計(jì)的中間實(shí)驗(yàn)方案和設(shè)計(jì)的中間實(shí)驗(yàn) 沒有的沒有的預(yù)測(cè)性：預(yù)測(cè)性： 超時(shí)空運(yùn)轉(zhuǎn)效應(yīng)超時(shí)空運(yùn)轉(zhuǎn)效應(yīng) 無法實(shí)現(xiàn)的無法實(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 不能夠的不能夠的 節(jié)省原資料，節(jié)能，人力等節(jié)省原資料，節(jié)能，人力等 經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性 系統(tǒng)優(yōu)化、改良系統(tǒng)優(yōu)化、改良 預(yù)見、研發(fā)預(yù)見、研發(fā) 仿真軟件方式，利于傳播仿真軟件方式，利于傳播 普及性普及性 發(fā)現(xiàn)規(guī)律或科學(xué)研討發(fā)現(xiàn)規(guī)律或科學(xué)研討科研價(jià)值科研價(jià)值3 仿真系統(tǒng)的實(shí)踐運(yùn)用仿真系統(tǒng)的實(shí)踐運(yùn)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)反響動(dòng)力學(xué)計(jì)算化學(xué)反響動(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 反響平衡反響平衡 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)下的整體順應(yīng)性和穩(wěn)定性各種擾動(dòng)下的整體順應(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)鎖維護(hù)或自動(dòng)過程的可行性實(shí)驗(yàn)聯(lián)鎖維護(hù)或自動(dòng)過程的可行性實(shí)驗(yàn) 開車可行性實(shí)驗(yàn)開車可行性實(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)：采用動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)：采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)進(jìn)展設(shè)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)進(jìn)展設(shè)計(jì)、可行性分析、實(shí)計(jì)、可行性分析、實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)。 輔助消費(fèi)輔助消費(fèi)消費(fèi)優(yōu)化可行性實(shí)驗(yàn)消費(fèi)優(yōu)化可行性實(shí)驗(yàn) 安裝開、停車方案論證安裝開、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)鎖開車功能、快門記憶聯(lián)鎖開車功能、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 輔助研討輔助研討 計(jì)算流膂力學(xué)計(jì)算流膂力學(xué)(CFD) 分子仿真分子仿真MDDSMC 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)建模及求解閱歷缺乏，對(duì)系統(tǒng)了解片面閱歷缺乏，對(duì)系統(tǒng)了解片面 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 根底實(shí)際根底實(shí)際有些無法處理有些無法處理 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 構(gòu)成的是過時(shí)技術(shù)構(gòu)成的是過時(shí)

7、技術(shù)處理方法處理方法面向?qū)嵺`面向?qū)嵺`意志堅(jiān)決意志堅(jiān)決擅長(zhǎng)協(xié)作擅長(zhǎng)協(xié)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 傳送、分散傳送、分散 傳送、轉(zhuǎn)換傳送、轉(zhuǎn)換 傳送傳送 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化 反響反響 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：進(jìn)水穩(wěn)態(tài)條件：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)量通用守恒方程：能

8、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)關(guān)系1、一元

9、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留意計(jì)算效率留意計(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)(0tutyatyatyatyannnn

10、 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：對(duì)穩(wěn)態(tài)關(guān)系直接進(jìn)展微分處置原理：對(duì)穩(wěn)態(tài)關(guān)系直接進(jìn)展微分處置 近似為動(dòng)態(tài)變量關(guān)系 穩(wěn)態(tài)變量關(guān)系 條件：條件： 變量變化不是很猛烈變量變化不是很猛烈 忽略次要要素忽略次要要素 壓力不是很高，溫度不是很低壓力不是很高，溫度不是很低直接微分：直接微分： V

11、RTdtdmdtdP321FFFdtdmVRTFFFdtdP)(321問題：罐內(nèi)壓力變化規(guī)律問題：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：根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系進(jìn)展推導(dǎo)原理：根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系進(jìn)展推導(dǎo)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電安裝燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電安裝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)反響一反：化學(xué)反響問題：轉(zhuǎn)速變化規(guī)律問題：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)數(shù)反映了空間特性更全面的信息更全面的信息分

12、布參數(shù)模型；分布參數(shù)模型； 穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)均可描畫。穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)均可描畫。方法：劃分微元體方法：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 xx,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dxdydzt 微元內(nèi)的累積量微元內(nèi)的累積量整理

13、的：整理的：0)()()( zuyuxutzyx 第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)值求解數(shù)值求解 仿真模擬過程仿真模擬過程常規(guī)模擬方法：有限差分方法、有限元法、數(shù)常規(guī)模擬方法：有限差分方法、有限元法、數(shù)值積分方法值積分方法根本方法：根本方法：1描畫對(duì)象描畫對(duì)象 偏微分方程物理對(duì)象數(shù)學(xué)偏微分方程物理對(duì)象數(shù)學(xué)建模建模 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

14、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：高斯消去法、逆矩陣法、單純形法線性：高斯消去法、逆矩陣法、單純形法 非線性：線性化方法非線性：線性化方法 普通迭代法普通迭代法 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 1區(qū)域分解區(qū)域分解 幾何外形時(shí)間步長(zhǎng)幾何外形時(shí)間步長(zhǎng) 系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo) 當(dāng)?shù)刈?dāng)?shù)刈鴺?biāo)；標(biāo)； 精度要求精度要求 不同區(qū)域要求的分辨精度不同區(qū)域要求的分辨精度不同。不同。2 2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分 外形當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)下的方便網(wǎng)格外形；外形當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)下的方便網(wǎng)格外形； 時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)間步長(zhǎng) 密度物理量變化猛烈的區(qū)域；密度物理量變化猛烈的區(qū)域； 網(wǎng)格的排序及其銜接關(guān)系。網(wǎng)格的排序及其銜接關(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)根本推測(cè)和變量之間的粗略關(guān)系根據(jù)根本推測(cè)和變量之間的粗略