系统建模与仿真论文

系统建模与仿真在制冷空调系统中的应用

城建学院暖通工程 272081404001 朱琴

1、简述仿真技术的应用

自20 世纪60 年代开始,仿真技术开始在制冷、空调领域开始得到应用。经过几十年的发展,这种技术在该领域内得到了充分的研究和广泛的应用,对制冷空调系统的运行特性研究、产品技术创新起到了非常重要的作用。

传统的制冷、空调装置设计手段是开发研究人员提出一种系统方案,并制出相应的样机,然后在实验台上进行样机性能测试,通过实验对装置的可靠性和运行效率进行改进。从理论上讲,实验改进方法是一种科学严谨的研究方法,但由于实验条件、测试精度、经济条件以及开发时间上的限制,使其无法对装置的实际运行进行较全面的预测和较理想的改进。而仿真技术则可以帮助人们更有效地利用计算机手段最大限度地改进所研究系统的性能。通过计算机仿真,原来需要在实际装置上进行的实验,很多就可以在计算机上实现,这样不仅可以节省大量的实验费用,而且节省开发时间,使厂家根据市场开发产品的反应速度大大加快。

计算机仿真模型在房间空调器系统中得到应用以来,有关房间空调器系统及部件的仿真模拟得到了越来越深入的研究。房间空调器模拟的目的之一是对现有的房间空调器系统的性能进行校核,其次是通过改变系统或部件的结构实现系统的最优化设计,同时为控制系统提供被控软件。仿真模拟的最终目的是期望最大限度地代替实验。

2、仿真技术的概念和特点

仿真技术是计算机技术的一种,它的产生和发展有着浓厚的工程实际应用背景。所谓仿真,就是指通过研究一个能代表所研究对象的模型来代替对实际对象的研究。计算机仿真就是在计算机上用数字形式表达实际系统的运动规律。计算机仿真技术具有如下特点:

a.利用对系统和过程的仿真模拟方法取代传统的实验方法,可以节省大量人力物力,同时还能提高开发效率,缩短开发时间。

b.加强了对过程特性的研究和分析,即逐步以动态分析方法取代传统的静态分析方法,使建立的数学模型更加接近实际的系统或过程,准确性提高。

c.对单个部件的仿真和对整个系统的仿真使得人们对部件特性和系统特性均能进行比较详尽的研究,可对产品开发和改进提供方向性指导。

d.最优化方法的广泛应用,包括最优化设计和最佳工况调节和控制等,大大地提高了系统设计和过程控制的质量。

e.变以往的典型工况设计为全过程工况设计,提高了系统的可靠性、可调性和系统运行的效率。

3、建模方法

系统模型的建立是系统仿真的核心问题。系统模型是实际系统或过程在某些方面特性的一种表现形式,它能反映出系统和过程的行为特性。围绕着系统应该有什么样的模型,如何建立或获取模型以及所建模型是否真实地反应了实际系统运行特性等问题,人们展开了大量的工作。

系统建模方法主要有机理建模方法和辨识建模方法两种。

3.1机理建模方法

机理建模方法就是根据实际系统工作的物理过程的机理,在某种假定的条件下,按照相应的理论(如质量守恒、能量守恒定律,运动学、动力学、热力学、流

体力学的基本原理等) ,写出代表其物理过程的方程,结合其边界条件于初始条件,再采用适当的数学处理方法。来得到能够正确反映对象动静态特性的数学模型。其模型形式有代数方程、微分方程、差分方程、偏微分方程等;系统可以是线性系统、非线性系统、离散系统、分布参数系统等。

机理建模方法是最基本的系统建模方法,采用机理建模方法时,必须对实际系统进行深入的分析、研究,善于提取本质、主流方面的因素,忽略一些非本质、次要的因素,合理确定对系统模型准确度有决定性影响的物理变量及其相互作用关系,适当舍弃对系统性能影响微弱的物理变量和相互作用关系,避免出现冗长、复杂、繁琐的公式方程堆砌。最终目的是要建造出既简单清晰,又有相当精度,基本反映实际物理过程的系统模型。

一般来说,采用机理建模方法所建立的系统模型,其定型结论都是正确的;然而,机理模型也都是在一定假设和简化条件下得到的,有时虽然模型的定型结论正确,但精度也不一定能够满足要求。另外,有些实际系统的机理过程可能非常复杂,还有些系统的机理过程人们不是十分清楚,此时采用机理建模方法往往也难以奏效。

3.2辨识建模方法

辨识建模方法就是采用系统辨识技术,根据系统实际运行或试验过程中所取得的输入、输出数据,利用各种辨识算法来建立模型的动静态数学模型,近十几年来,尤其是近几年,系统辨识技术得到了飞速发展。

系统辨识有四个方面的主要研究内容:系统辨识的试验设计,系统模型结构辨识,系统模型参数辨识(也叫参数估计) ,系统模型检验。根据问题的研究性质不同,系统辨识可分为:线性系统辨识,非线性系统辨识;静态(稳态) 系统模型辨识,动态系统模型辨识,连续系统辨识,离散系统模型辨识。

目前,线性系统的辨识理论比较成熟,其主要方法有:最小二乘法,递推最小二乘法,广义最小二乘法,增广最小二乘法,辅助变量法, Kalman 滤波法,极大似然法等。而非线性系统的辨识还没有构成完整的科学体系,在理论上和应用上都没有线性系统那样完善,所有对非线性系统辨识进行的研究一般都是针对具体的系统。非线性系统的辨识一般有: 多项式逼近法,Volterra 级数展开法(包括Hammerstein 模型,Wiener 模型) 等,非线性系统的辨识方法仍然有许多理论问题没有很好地解决,有待于进一步的研究和探讨。

近年来,随着模糊集合理论和神经网络理论的发展,模糊建模方法、基于神经网络的建模方法和基于模糊神经网络的建模方法等发展十分迅速,并在具有不确定性、非线性等特性的系统的建模方面,得到了广泛的应用。

4、制冷空调系统仿真模型

制冷系统是由换热器、节流装置和压缩机等部件相互连接而构成的一个封闭系统,部件模型是系统模型的关键和基础。

4.1换热器

换热器模型最初只是用集总参数法建立的黑箱模型,随着对精度要求的不断提高,出现了分段法模型,将冷凝器分为过热气体、两相流体和过冷液体三个区段,将蒸发器分为两相流体和过热气体两个区段,因为两项流体与单相流体在换热与流动特性上有着很大的差别,很多工作都围绕分界点而展开。随着研究的深入,很多学者发现两相区内不同干度下,制冷剂的流动与换热仍相差很大,更为细致的分布参数法模型也应运而生。

4.2节流装置