《系統(tǒng)仿真技術(shù)》PPT課件

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1、系統(tǒng)仿真技術(shù)崔國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！第一節(jié)系統(tǒng)仿真的概念及其意義物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型仿真系統(tǒng)1、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。*不是實(shí)際系統(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)系相似原理物理仿真建模仿真分類實(shí)現(xiàn)上物理仿真數(shù)學(xué)仿真混合仿真縮小的實(shí)物模型仿真計(jì)算機(jī)相似原理+模擬計(jì)算算法上數(shù)字仿真模擬仿真混合仿真電子計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)，精度高,串行——難實(shí)時(shí)模擬運(yùn)算器功能弱，精度低并行——實(shí)時(shí)電子計(jì)算機(jī)+模擬運(yùn)算器，兼具二者優(yōu)點(diǎn)時(shí)效上實(shí)時(shí)仿真亞時(shí)仿真超時(shí)仿真同步欠同步、落后超前，時(shí)間縮短仿真對象自然

2、的人工的存在的未來的2仿真的意義大型工業(yè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究不允許的計(jì)劃和設(shè)計(jì)的中間實(shí)驗(yàn)沒有的預(yù)測性：超時(shí)空運(yùn)行效應(yīng)無法實(shí)現(xiàn)的特殊實(shí)驗(yàn)：超極限，破壞性，事故不可能的節(jié)省原材料，節(jié)能，人力等經(jīng)濟(jì)性系統(tǒng)優(yōu)化、改進(jìn)預(yù)見、研發(fā)仿真軟件形式，利于傳播普及性發(fā)現(xiàn)規(guī)律或科學(xué)研究科研價(jià)值3仿真系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用大型仿真系統(tǒng)仿真工廠輔助訓(xùn)練、人員培訓(xùn)穩(wěn)態(tài)仿真動態(tài)仿真輔助設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)仿真代數(shù)方程組能不能實(shí)現(xiàn)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)能量衡算氣液平衡計(jì)算化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)計(jì)算物性計(jì)算質(zhì)量守恒能量守恒兩相平衡反應(yīng)平衡動態(tài)仿真微分方程組實(shí)現(xiàn)效果如何停車可行性實(shí)驗(yàn)各種擾動下的整體適應(yīng)性

3、和穩(wěn)定性自控系統(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)性聯(lián)鎖保護(hù)或自動過程的可行性實(shí)驗(yàn)開車可行性實(shí)驗(yàn)DCS組態(tài)方案可行性工藝、自控技術(shù)改造方案的可行性動態(tài)仿真設(shè)計(jì)：采用動態(tài)仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、可行性分析、實(shí)驗(yàn)。輔助生產(chǎn)生產(chǎn)優(yōu)化可行性實(shí)驗(yàn)裝置開、停車方案論證復(fù)雜控制系統(tǒng)方案論證調(diào)優(yōu)公司聯(lián)鎖開車功能、快門記憶控制節(jié)能、控制調(diào)優(yōu)常規(guī)控制先進(jìn)控制優(yōu)化控制管控一體化事故方案和緊急救災(zāi)方案實(shí)驗(yàn)——隨機(jī)事故輔助研究計(jì)算流體力學(xué)(CFD)分子仿真（MD）（DSMC）4系統(tǒng)仿真的實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)建模及求解經(jīng)驗(yàn)不足，對系統(tǒng)理解片面測試手段限制、數(shù)據(jù)源不全數(shù)學(xué)方法不當(dāng)、不穩(wěn)定基礎(chǔ)理論有些無法解決代數(shù)不收斂、

4、微分振蕩實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)建模和求解效率低形成的是過時(shí)技術(shù)解決辦法面向?qū)嶋H意志堅(jiān)定善于合作人馬齊備第二節(jié)系統(tǒng)仿真建模1穩(wěn)態(tài)與動態(tài)建模的原理物理、化學(xué)變化系統(tǒng)對象行為質(zhì)量能量動量氣液兩相成份傳遞、擴(kuò)散傳遞、轉(zhuǎn)換傳遞轉(zhuǎn)化反應(yīng)運(yùn)動是絕對的靜止是相對的穩(wěn)態(tài)建模穩(wěn)態(tài)條件：進(jìn)水=出水H不變——動態(tài)平衡——穩(wěn)態(tài)H——靜止水箱系統(tǒng)守恒方程：能量、質(zhì)量通用守恒方程：代數(shù)方程組動態(tài)建模微分方程動態(tài)變化守恒方程：能量、質(zhì)量通用守恒方程：2系統(tǒng)建模的方法初等幾何法對象系統(tǒng)設(shè)備的面積或體積等幾何量穩(wěn)態(tài)建模方法ab代數(shù)法系統(tǒng)變量間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系1、一元回歸2、初等函數(shù)法3、多元回歸單變量關(guān)系非線性關(guān)系多變量關(guān)系注意

5、計(jì)算效率飽和蒸汽壓方程多元回歸——黑箱子多元線性回歸：保證精度：分段擬合動態(tài)建模方法微分方程——變量變化率移不變的對象特征線性的方程特征非線性的時(shí)變的常微分方程偏微分方程分布參數(shù)模型集總參數(shù)模型多元時(shí)空變化一元時(shí)間變化直接微分法PVTF1F2F3空壓機(jī)出口緩沖罐原理：對穩(wěn)態(tài)關(guān)系直接進(jìn)行微分處理近似為動態(tài)變量關(guān)系穩(wěn)態(tài)變量關(guān)系條件：變量變化不是很劇烈忽略次要因素壓力不是很高，溫度不是很低直接微分：問題：罐內(nèi)壓力變化規(guī)律理想氣體：原理推導(dǎo)法原理：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)電裝置三傳一反三傳：能量，動量，質(zhì)量一反：化學(xué)反應(yīng)問題：轉(zhuǎn)速變化規(guī)律動能：偏微分方程法優(yōu)點(diǎn)：偏導(dǎo)數(shù)反映

6、了空間特性——更全面的信息——分布參數(shù)模型；穩(wěn)態(tài)、動態(tài)系統(tǒng)均可描述。方法：劃分微元體流入的流率—流出的流率=微元累計(jì)速度x（x,y,z）yzdydxdzXinXoutX方向：Y方向：Z方向：整理的：第三節(jié)數(shù)值求解——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)值積分方法……基本方法：1）描述對象——偏微分方程（物理對象數(shù)學(xué)建模）線性方程——非線性方程時(shí)間不相關(guān)——穩(wěn)態(tài)時(shí)間相關(guān)——動態(tài)2）求解格式的生成差分法——微分；有限元、數(shù)值積分——積分差分（組）——微分；微分方程（組）——代數(shù)方程差分方法：向前差分；向后差分；中心差分顯示格式隱式格式3）求代數(shù)方程組線性代數(shù)

7、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……非線性：線性化方法一般迭代法迭代法牛頓迭代法松弛技術(shù)：擬牛頓法………計(jì)算效率；收斂特性程序?qū)崿F(xiàn)：1）區(qū)域分解——幾何形狀（時(shí)間步長）系統(tǒng)坐標(biāo)當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)；精度要求（不同區(qū)域要求的分辨精度不同）。2）網(wǎng)格劃分——形狀（當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)下的方便網(wǎng)格形狀）；（時(shí)間步長）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。3）迭代初值——影響求解速度；影響求解的穩(wěn)定性；根據(jù)基本推測和變量之間的粗略關(guān)系給出。4）數(shù)學(xué)模型的程序?qū)崿F(xiàn)迭代求解程序的編制效率程序的運(yùn)行效率5）結(jié)果