仿真 热动力系统仿真技术 荷小龙 2004.10 vna
热动力系统仿真技术 苟小龙 2004,10
第1讲绪论 11引言 系统仿真技术是近几十年发展起来的一门综合性技术科学 为系统分析、系统设计、理论验证、人员培训等提供了一种先 鑪韁盂豎和是栓箐跫蓝券髮的认识能力,有方 ◆建模与仿真技术的发展历史,是计算机技术、信息技术的发展 用计算机 术的最新成果,使其成为具有更强 分析能力,快速渗透到各个领域,在各个领域的成功应用又 促进了系统仿真技术的发展 ◆目前,在各个工业,甚至社会科学领域,建模与仿真日益显 重要,德国科研部已把这项接术列入 点发展的关键 术 在我国航天工业 建立起装备完善的国家级仿真 对各种运载系统、发射系统、飞行器在空中的姿态及飞 幂爱皇彷贊仿真试验。在火电、核电、化工行业都有
第 1 讲 绪论 1.1 引言 系统仿真技术是近几十年发展起来的一门综合性技术科学，它 为系统分析、系统设计、理论验证、人员培训等提供了一种先 进的手段。增强了人们对客观世界内在规律的认识能力，有力 地推动了科学由定性分析向定量分析的发展。 建模与仿真技术的发展历史，是计算机技术、信息技术的发展 史。它应用计算机与信息技术的最新成果，使其成为具有更强 的分析能力，快速渗透到各个领域，在各个领域的成功应用又 促进了系统仿真技术的发展。 目前，在各个工业，甚至社会科学领域，建模与仿真日益显得 重要，德国科研部已把这项技术列入21世纪重点发展的关键技 术之一。在我国航天工业中，已建立起装备完善的国家级仿真 中心，对各种运载系统、发射系统、飞行器在空中的姿态及飞 行器本身进行精细的仿真试验。在火电、核电、化工行业都有 部级以上的仿真中心
引言(Con 可以说,建模与仿真从领域的覆盖面上已差不多包括现代社 会的各个领域,如:能源、交通、航空、航天、冶金 木等工程领域,生态、环境、人口、经济运行、金融运 作等非工程领域 ◆从纵向看,其应用的方向有: 没计阶段——参数优化,动态特性分析、控制系统配置: 业性试验阶段——放大的理论校核,并进行模型验证与完 善; 系 用仿真来提供调整的数据,避免做 大量、昂贵的有时甚至是不或能做的实验,大大缩短调试过 程,使设备及早投运; 段—提供有关系统过去、现在甚至将来的信息 以利作出正确决策,如:故障诊断、事故预报、预测性维 修、运行方式研究等等 —利用仿真模型作仿真培训装置,训练系统操作 人员和管理人员
引言(Con.) 可以说，建模与仿真从领域的覆盖面上已差不多包括现代社 会的各个领域，如：能源、交通、航空、航天、冶金、化工 、土木等工程领域，生态、环境、人口、经济运行、金融运 作等非工程领域。 从纵向看，其应用的方向有： 设计阶段──参数优化，动态特性分析、控制系统配置； 工业性试验阶段──放大的理论校核，并进行模型验证与完 善； 整个系统的调试阶段──用仿真来提供调整的数据，避免做 大量、昂贵的有时甚至是不或能做的实验，大大缩短调试过 程，使设备及早投运； 系统运行阶段──提供有关系统过去、现在甚至将来的信息 ，以利作出正确决策，如：故障诊断、事故预报、预测性维 修、运行方式研究等等； 人员培训──利用仿真模型作仿真培训装置，训练系统操作 人员和管理人员
仿真技术的特点 仿真技术之所以被广泛应用的主要原因是:有很多生产实验及科学实验受 到经济、安全、时间等各方面的限制 安全性:核电站中的很多实验,尤其是破坏性实验是根本不能做的。例如 电全停事故,以研究应急系统的反应,实验中如发生意外,则可能导致 反应堆堆芯烧毁,严重时发生核泄漏。因而,仿真技术在核电工业得到 泛应用,从电站设计、安全分析、运行规程编制等均要用到仿真技术,其 运行人员每年都要在其相应的全仿真机上培训,进行各种操作训练。 经济性及快速性:英法合作生产的“协合式”飞机,由于采用了仿真技术 使其研制周期缩短 美国空气动力学中心仿真实验室,采用运算速度为20亿次秒的“克雷” 计算机,用于仿真航天飞机的气体动力学性能。与实物实验相比,其耗费 并且周期短,研制人员的任何一种设想均可以立即将设备在计算机 上制造出来,并进行实验研究。当然,所制造出的是一个虚拟设备 预测性:天气预报、人口预测、工程风险评价、工程未来状态分析等。 复现性:如洪水、火灾、地震等自然灾害,由于对原型实验几乎是不可能 的,因而,在这一领域应用计算机仿真就具有非比寻常的意义,对这些自 然灾害的仿真中,人们可以研究防灾规划及在遭遇灾害时指导人员疏散
仿真技术的特点 仿真技术之所以被广泛应用的主要原因是：有很多生产实验及科学实验受 到经济、安全、时间等各方面的限制。 安全性：核电站中的很多实验，尤其是破坏性实验是根本不能做的。例如 ：电全停事故，以研究应急系统的反应，实验中如发生意外，则可能导致 反应堆堆芯烧毁，严重时发生核泄漏。因而，仿真技术在核电工业得到广 泛应用，从电站设计、安全分析、运行规程编制等均要用到仿真技术，其 运行人员每年都要在其相应的全仿真机上培训，进行各种操作训练。 经济性及快速性：英法合作生产的“协合式”飞机，由于采用了仿真技术 ，使其研制周期缩短了。 美国空气动力学中心仿真实验室，采用运算速度为20亿次/秒的“克雷” 计算机，用于仿真航天飞机的气体动力学性能。与实物实验相比，其耗费 很小，并且周期短，研制人员的任何一种设想均可以立即将设备在计算机 上制造出来，并进行实验研究。当然，所制造出的是一个虚拟设备。 预测性：天气预报、人口预测、工程风险评价、工程未来状态分析等。 复现性：如洪水、火灾、地震等自然灾害，由于对原型实验几乎是不可能 的，因而，在这一领域应用计算机仿真就具有非比寻常的意义，对这些自 然灾害的仿真中，人们可以研究防灾规划及在遭遇灾害时指导人员疏散
仿真技术的意义 纵观仿真技术的发展,其研究的初期,以至于目前发展 最快的应用最好的是对各种系统动力特性及设备控制策略的 研究。而设备的物理特性一般由相关学科研究。归纳起来, 、使系统设计实现最优化; 2、使系统研制省时、省工、省钱,降低系统的研制成本; 3、提高系统研制、实验、调试和人员训练过程的安全性 4、可以预测系统未来的特性和在意外情况下的反应,从而 制定控制策略。尤其在非工程领域,可以尽可能避免直接实
仿真技术的意义 纵观仿真技术的发展，其研究的初期，以至于目前发展 最快的应用最好的是对各种系统动力特性及设备控制策略的 研究。而设备的物理特性一般由相关学科研究。归纳起来， 仿真的意义在于： 1、使系统设计实现最优化； 2、使系统研制省时、省工、省钱，降低系统的研制成本； 3、提高系统研制、实验、调试和人员训练过程的安全性； 4、可以预测系统未来的特性和在意外情况下的反应，从而 制定控制策略。尤其在非工程领域，可以尽可能避免直接实 验
12仿真的定义 用通俗的话来讲,就是用一个物理的或数学的模型去“模仿”真实系统 的外型、工作过程或变化过程。因此也叫“模拟”。其英文名为: Simulation 目前使用较多的中文名词有:计算机仿真、数值仿真、数值模拟、系统仿 真、仿真、模拟等,其意义相近,但外延并不完全相同 仿真的确切定义目前尚有争议,但比较典型的定义有两种。 (1)仿真是对真实系统特性在运行时间内的模仿 该定义强调对真实系统变化规律或信息传递规律在特定条件下的相似再 现,强调了仿真对实际系统的演示性、复现性。 (2)仿真是建立系统的模型并用模型对系统进行试验研究的过程 该定义指出仿真包含建模和用模型作试验两个环节。从而强调了对系统 建模的重要性和仿真是一种试验活动的实质,因而强调了仿真对所研究系统 的探索性和预测性 在电站热力系统仿真领域,遵循第一种定义,可进行培训用实时仿真器 的开发;遵循第二种定义,可进行工程设计和过程分析用仿真器或原理型仿 真器的开发。 在仿真的定义中,有两个术语必须作进一步的解释:系统、模型
1.2 仿真的定义 用通俗的话来讲，就是用一个物理的或数学的模型去“模仿”真实系统 的外型、工作过程或变化过程。因此也叫“模拟”。其英文名为：Simulation 。目前使用较多的中文名词有：计算机仿真、数值仿真、数值模拟、系统仿 真、仿真、模拟等，其意义相近，但外延并不完全相同。 仿真的确切定义目前尚有争议，但比较典型的定义有两种。 (1) 仿真是对真实系统特性在运行时间内的模仿。 该定义强调对真实系统变化规律或信息传递规律在特定条件下的相似再 现，强调了仿真对实际系统的演示性、复现性。 (2) 仿真是建立系统的模型并用模型对系统进行试验研究的过程。 该定义指出仿真包含建模和用模型作试验两个环节。从而强调了对系统 建模的重要性和仿真是一种试验活动的实质，因而强调了仿真对所研究系统 的探索性和预测性。 在电站热力系统仿真领域，遵循第一种定义，可进行培训用实时仿真器 的开发；遵循第二种定义，可进行工程设计和过程分析用仿真器或原理型仿 真器的开发。 在仿真的定义中，有两个术语必须作进一步的解释：系统、模型
1.3系统 1、什么叫系统 适输套个绕用去第统等等如1剩 理规律不同,规模不同,而直描述它 的 处理爸的方法也 完成一是功能的诸部分的组合体,。 定规律结合、相互作用、相互依存, 以看n系统晏嘉之的,括三历有工程惑的系终 能 寨等工程 统句以是式 济、生物 环境 2、系统环境 系统环 如果要研究水电站的一个单 器: 总之:系统、子系统、系统环境都是相对的,与研究的目标有关 系统又分为连续系统和离散系统
1.3 系统 1、什么叫系统 系统这个术语已经在各个领域中应用得非常广泛，如：控制系统、汽轮 机调速系统、管理系统、经济系统、社会系统等等，这些系统所涉及的 物理规律不同，规模不同，而且描述它的形式、处理它的方法也大不相 同。 在系统仿真中系统的定义是：按一定规律结合、相互作用、相互依存， 完成一定功能的诸部分的组合体，叫系统。 从定义可以看出，系统是广义的，它概括了所有工程或非工程的系统。 它可以是一个部件，一台设备，一个热力系统，一个控制系统，一个电 站，一个电网，一个能源体系等工程系统；也可以是社会、经济、生物 、环境、管理等非工程系统。 2、系统环境 所谓系统环境是指系统以外的与之相联系的外部关系。任何一个系统都 存在于一定环境中，它要受到环境变化的影响，研究系统就必须确定它 与环境的关系，这一关系也称它为边界条件或约束条件。 系统和系统环境与研究的目标有关。例如：如果要研究火电站的一个单 元机组，则所界定的系统边界就是电网。而单元机组可分为：机、炉、 电、控各子系统，各子系统也仍然有边界，各子系统又有下级子系统。 这里提到了子系统的概念，要注意：子系统是一个相对的，如果研究的 目标是锅炉，则可以称做锅炉系统，其子系统为：过热器、再热器、汽 泡等等。如果只研究过热器，也可叫过热器系统。 总之：系统、子系统、系统环境都是相对的，与研究的目标有关。 系统又分为连续系统和离散系统
1.4模型 (1)什么叫模型 描述真实系统某种或某些特性的实体或数学方程,称为模型 模型 (2)模型分类 实物模型 数学模型 模型可分为:实物模型(或叫物理_二 模型)和数学模型两大类,每一类匾态[动态 静态 动态 又可分为静态模型和动态模型两种 静态模型是系统静态特性的表达 仿真模型 动态模型是系统动态特性的表达。 计算机仿真
1.4 模型 （1）什么叫模型 描述真实系统某种或某些特性的实体或数学方程，称为模型。 （2）模型分类 模型可分为：实物模型（或叫物理 模型）和数学模型两大类，每一类 又可分为静态模型和动态模型两种。 静态模型是系统静态特性的表达， 动态模型是系统动态特性的表达
数学模型的分类 (1)根据模型的时间集合来分 连续时间模型—用实型数来表示时间; 离散时间模型—用整型数来表示时间 混合时间模型。 (2)根据模型的状态量来分 连续变化模型——状态量的变化是连续的 离散变化模型——状态量的变化是不连续的,它只在特定的时刻 变化,而在两个特定的时刻之间保持不变 3)根据模型中各种描述变量是否存在来分,模型的描述变量包括:输 入量、输出量、状态量 如果一个模型既没有输入量,也没有有输岀量—闭式模型,反之 为开式模型。 如果一个模型没有输入量——自治模型,反之,为非自治模型。 如果一个模型没有状态量—无记忆模型,反之,为有记忆模型
数学模型的分类 ⑴根据模型的时间集合来分 连续时间模型──用实型数来表示时间； 离散时间模型──用整型数来表示时间； 混合时间模型。 ⑵根据模型的状态量来分 连续变化模型──状态量的变化是连续的； 离散变化模型──状态量的变化是不连续的，它只在特定的时刻 变化，而在两个特定的时刻之间保持不变。 ⑶根据模型中各种描述变量是否存在来分,模型的描述变量包括：输 入量、输出量、状态量。 如果一个模型既没有输入量，也没有有输出量——闭式模型,反之 ，为开式模型。 如果一个模型没有输入量──自治模型，反之，为非自治模型。 如果一个模型没有状态量──无记忆模型，反之，为有记忆模型
数学模型的分类(Con) (4)根据模型中描述变量的函数关系来分 确定模型/随机模型 线性模型/非线性模型 病态模型/非病态模型。 )从数学模型的具体形式分 状态量的轨迹 连续变化模型 离散变化模型 模连续 常微分 离散事件分为 型时间 偏微分 面向进程 的时间集 模型 连续时间 面向事件 面向活动 离散 偏微分 差分方程 合|时间 离散时间 有限状态自动机 模型 系统动力学 马尔可夫链模型
数学模型的分类（Con.） ⑷根据模型中描述变量的函数关系来分 确定模型/随机模型 线性模型/非线性模型 病态模型/非病态模型。 ⑸从数学模型的具体形式分 状态量的轨迹 连续变化模型 离散变化模型 模 型 的 时 间 集 合 连续 时间 模型 常微分 偏微分 连续时间 离散事件分为： 面向进程 面向事件 面向活动 离散 时间 模型 偏微分 离散时间 系统动力学 差分方程 有限状态自动机 马尔可夫链模型