系统仿真应用与发展方向

过程仿真的应用与发展方向

机博111班张英杰

一、系统仿真的基本概念

系统仿真可以理解为运用物理模型或数学模型代替实际系统进行实验和研究。系统仿真是一门面向实际的具有很强应用特征的学科，也是一门综合性新技术学科。系统仿真应用领域很广，涉及航空、航天系统、石油化工过程系统、火力发电系统、冶金与钢铁工业系统、水泥工业过程系统、食品加工系统、造纸工业系统、交通管理系统、环境及环境保护系统、社会经济系统和医学生物系统等等。

过程系统仿真技术随着电子计算机软、硬件发展而发展。近年来数字电子计算机已成为系统仿真的主要工具。过程系统仿真下定义可描述为：以仿真机为工具，用数学模型代替过程系统进行实验和研究。此定义指明了过程系统仿真所关心的三个主要组成部分，即过程系统、数学模型和仿真机。三个部分由两个关系沟通。其一，过程系统与数学模型之间的关系，称建模；其二，数学模型和仿真机之间的关系，称仿真。

数学模型是依据过程系统数据源由人工建立的数学描述。这种数学描述能够产生与过程系统相似的行为数据。数学描述常用代数方程法，微分方程法或状态方程法等。仿真机是以现代高速电子计算机、网络设备、多媒体设备为基础，由人工建造的模拟实际操作控制或现场装置环境的机器，同时也是数学模型软件实时运行的硬件环境。一般科学计算问题有通用数字计算机或微型计算机就可以满足计算要求。但过程系统仿真必须具备特殊的仿真机、实时操作系统及专用仿真软件环境，才能逼真地模拟动态过程现象。近十年中，我国科技人员已研制成功多种型号的仿真机产品。目前主要有通用型模拟仪表盘式和DCS式两大类。二、仿真技术的特殊作用

所谓特殊作用，就是其他技术很难达到或者无法取代的作用。主要有以下几个方面：

第一，过程系统通常属于大型工业系统，其流程复杂、投资巨大、生产连续性强。从经济利益和安全性出发，一般不允许在真实系统上进行试验研究，即必须借助于仿真手段；

第二，计划中或设计中的过程系统，现实世界中尚不存在，只有通过仿真手段进行试验研究；

第三，高质量的仿真模型具有预测性。应用现代高速大容量仿真计算机，人们可以在短时间内预测实际过程系统数月甚至数年时间中所发生的现象和事件，这是仿真技术“超时空”的优点；

第四，实际过程系统根本不允许作的试验。如超极限运行、破坏性试验、事故分析等等，利用仿真技术不会造成任何损失，是最安全的试验研究方法；

第五，仿真试验研究主要在仿真机上进行。与真实系统试验相比，除了安全以外还能大大节省原材料、能源消耗和人力资源等；

第六，动态仿真数学模型可以产生被仿真系统受到各种外部扰动或操作变化的动态响应，这种特点即模型的预测性。也就是说，一个高质量的数学模型不是主观认为赋给模型哪些功能，模型则只能产生那些功能或现象。例如一个设计合理的流体流动管路与阀门组成的网络模型，可以产生各阀门不同开关状态的所有

排列组合现象。从这个意义上看，采用仿真技术可以辅助工程技术人员全面认识和分析过程系统，防止人为思维惯性所产生的遗忘导致的试验、研究或设计中的重大失误。

第七，仿真技术通常用软件形式体现，用软盘、磁带或激光盘作载体，传递复制极为方便。软件还是一种可以在“信息高速公路”甚至电话线中传送的资源，这是仿真技术便于传播推广的一大优势。

从上面的这些特殊作用来看，足以说明采用仿真技术辅助过程系统试验和研究的重要意义。

三、系统仿真的步骤

对于一般意义下的系统仿真，通常将它分为以下十个步骤：

1.系统定义。确定所研究系统的边界条件与约束。

2.数据准备。收集和整理各类有关信息，简化成适当形式，同时对数据可靠性进行核实，为建模做准备。

3.模型表达。把实际系统抽象成数学公式或逻辑流程图，并进行模型验证。

4.模型交换。用计算机语言模型变换，即建立仿真模型，并进行模型校核。

5.模型认可。断定所建模型是否正确合理，是整个建模与仿真过程中极其困难而又非常重要的一步，与模型校核，模型验证及其它各步都有密切联系。

6.战略设计。根据研究目的和仿真目标，设计一个试验，使之能提供所需要的信息。

7.战术设计。确定试验的具体流程，如仿真执行控制参数、模型参数与系统参数等。

8.仿真执行。运行仿真软件并驱动仿真系统，得出所需数据，并进行敏感性分析。

9.结果整理。由仿真结果进行推断，得到一些设计和改进系统的有益结论。

10.实现与维护。使用模型或仿真结果，形成产品并进行维护。

四、过程系统仿真技术的应用

先进工程技术的最大价值在于实际应用，实际应用又反过来促进工程技术发展。过程系统仿真技术的工业应用大约起始于60 年代，80年代中期随着计算机技术广泛普及而取得很大进展。仿真技术在过程工业领域中的应用已涉及教育与训练、工程设计、辅助生产和辅助研究等方面，其社会经济效率日趋显著。

1．辅助训练

采用过程仿真技术辅助训练，简而言之就是由人工建造一个与真实系统相似的操作控制设备，或直接采用真实工业控制设备，如模拟仪表盘、DCS工作站等，作为学员的操作控制环境。用计算机及其中运行的实时动态数学模型取代真实的生产装置，在这样的仿真环境下学员可以得到非常逼真的操作技能训练。

过程仿真技术在操作技能训练方面的应用近十年来在全世界许多国家得到普及，这是因为过程工业在世界各国国民经济中的地位日显重要。工艺流程和工厂设备越来越复杂化、连续化。自动控制水平迅速提高。工业技术发展对操作工人、现场技术人员、管理人员和仪表工人提出了更高的要求。这种新的形势使得传统的技术培训方式已无法满足需要。发达国家，例如美国、英国、德国、法国、加拿大以及日本等国的大型石油化工企业相继采用计算机仿真培训系统训练操作工人，效果十分突出。大量统计结果表明，仿真培训可以使工人在数周之内取得现场2-5年的经验。这种仿真培训装置能逼真地模拟工厂开车、停车、正常运行和各种事故状态的现象。无需投料，没有危险性，能节省培训费用，大大缩短