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1、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
2、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
3、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,
4、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
5、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
6、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,
