制冷系统仿真设计 01 基本概念

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1-2 仿真与常规设计的比较

仿真研究是为产品开发服务，但仿真技术之前，许多 产品已开发出来了。 产品已开发出来了 干吗还要仿真?二者有何关系？ 常规的设计: 定下产品的性能目标推断其工作状况 最后确定产品的结构。 最后确定产 的结构 优点: 目标很明确，易理解。 缺点: 没有 没有一套完整描述整个系统特性的模型 套完整描述整个系统特性的模型，仅是 仅是 部分经过高度简化，能反映系统部分特性的模型，必 须校核 如冰箱设计 须校核，如冰箱设计。
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优化的含义


优化就是根据人们期望的目标，使装置的 优化就是根据人们期望的目标 使装置的 性能达到最佳。 制冷空调装置的优化首先要使装置设计最 佳，其次要保证系统能够工作在最优的工 作状态下，因此制冷空调装置的优化包括 最优设计与最优控制
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制冷装置优化设计


首先要建立研究对象的目标函数f(x), ) 使它 在一组设计变量(x1、 x2、…、xn) 时达到 最大值max f(x), ) 比如制冷装置的效率; 或 最小值min f(x), 比如制冷装置的能耗。 由于对于函数最大值的求解可以转化为对 于函数最小值的求解 如max f(x)即相当 于函数最小值的求解，如 于min [–f(x)]，因此优化中一般统一归结 为函数最小值的求取。 为函数最小值的求取

仿真: 定产品结构看具体的工作过程在算出其工作 过程的基础上 得到最 的性能 过程的基础上，得到最后的性能。
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制冷装置的计算机仿真中的困难 真


要真正对系统进行正确仿真，需要建立准 要真正对系统进行正确仿真 需要建立准 确的模型，而现在所常用的简单模型难以 反映复杂的实际过程 因此这方面的研究 反映复杂的实际过程，因此这方面的研究 仍然是相当欠缺的。 由于计算机仿真的落后，所以现在制冷产 品设计中 往往要制作大量的样机进行实 品设计中，往往要制作大量的样机进行实 验，即通过在这种最接近批量生产的实际 产品的模型上进行物理仿真 弥补设计的 产品的模型上进行物理仿真，弥补设计的 不足。
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计算机仿真的比较



在模拟计算机上计算是“并行的”，速度快；运算是“连续” 在模拟计算机 计算是 并行的 速度快；运算是 连续 的，更接近实际的连续系统；适宜于快速、实时仿真。 模拟计算机精度比较低，一般为千分之几；对一些特殊环节 如纯迟延 有比较多的逻辑判断环节时 比较困难；仿真的 如纯迟延，有比较多的逻辑判断环节时，比较困难；仿真的 自动化程度较低。 数字机精度上远高于模拟机; 对于一些特殊环节，用数字机 来仿真也很容易 易处理逻辑判断环节; 修改参数也很容易， 来仿真也很容易，易处理逻辑判断环节 修改参数也很容易 仿真的自动化程度相当高。 数字机在运算速度上同模拟机仍有差距，在一些要求反应较 数字机在运算速度上同模拟机仍有差距，在 些要求反应较 快的系统，不如模拟机效果好。 将两种机器结合起来进行仿真的混合仿真系统。它的基本结 将两种机器结合起来进行仿真的混合仿真系统 它的基本结 构有两种，1)在模拟机的基础上增加一些数字逻辑功能，称 为混合模拟机，2) )另 另一种是由模拟机、数字机及混合界面三 种是由模拟机、数字机及混合界面 者联合起来构成一个模拟－混合计算系统。
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仿真发展水平Байду номын сангаас

尽管许多研究者力图通过对某一具体对象 的深入研究而创立一套普遍适用的理论。 然而迄今为止作为这 领域研究的基础和 然而迄今为止作为这一领域研究的基础和 重点的系统动态仿真技术还有待进一步深 入和扩展。
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在实际系统上进 行实验 在许多情况下有 问题: 1)不经济; 2)不安全; 3) )做不到, 比如 外层空间宇航; 4)没有意义。
二种仿真的优劣比较
物 仿真局限性 物理仿真局限性: 对于一个比较复杂的系 统来说，影响因素很 多 很难用一个物理 多，很难用 个物理 模型来进行仿真， 这是因为： 1)对一个复 杂系统设计制造 个 杂系统设计制造一个 模型常常要花费巨大 的代价，2)周期也相 当长 3)同时进行一 当长， 同时进行 次实验准备工作也十 分可观。
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本课程所指的仿真




从发展趋势看，数字仿真大有后来居上之势。 现代计算机成分中，数字计算机占了主要成分，在没有 专门说明的情况下，通常所说的计算机指的都是数字计 算机。 算机 近年来，数字计算机的软硬件飞速发展，运算速度已不 再成为主要问题 全数字实时仿真已成为现实 再成为主要问题，全数字实时仿真已成为现实。 预料今后系统仿真技术将向着全数字方向发展，特别是 将来随着智能机的问 将来随着智能机的问世，数字仿真也必将发展到一个相 数字仿真 将发展到 个相 应的新阶段。 在没有特别说明的情况下，现在通常所说的仿真指的是 计算机数字仿真 本课程所指的仿真研究 也是在这个 计算机数字仿真。本课程所指的仿真研究，也是在这个 范围中进行的。
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制冷装置计算机辅助设计入门

计算机辅助设计的基本概念 计算机辅助设计系统的组成及基本功能
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计算机辅助设计的基本概念



计算机辅助设计(Computer Aided Design)-– CAD技术是近年来得到迅速发展的科技新领 域。 从广义讲，计算机辅助设计的概念包含了计 算机在工程设计 产品设计等所有领域中的 算机在工程设计，产品设计等所有领域中的 应用。设计包含有分析、计算、绘图等。 实际上计算机问世不久即在设计中用于计算 和分析。而计算机绘图则经历了一段较长的 探索过程，计算机辅助设计–CAD的概念是 伴随计算机绘图技术的发展才产生，并为广 伴随计算机绘图技术的发展才产 并为广 泛熟悉。
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数学描述


上面讨论的数学总是可以采用如下的数学 形式来描述 目标函数 min f(x) 约束条件 hi(x)=0 i = 1, 1 2, 2 …, m gj(x) 0 j = 1, 2,…, n
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优化式子说明


目标函数f(x)中的设计变量(x1、x2、…、 xn)是不能任意选取的，它们必须满足一定 的关系和要求 描述这些关系和要求的方 的关系和要求，描述这些关系和要求的方 程称为约束方程。 这些方程可以为等式，也可以为不等式。 采用小于号的不等式 通过两边加上负号 采用小于号的不等式，通过两边加上负号， 可以转化为采用大于号的不等式，因此不 等式 束 等式约束统一为采用大于号的不等式。 采 大 等式
丁国良 3
概论

仿真的概念与步骤 仿真与常规设计的比较 优化的含义 制冷装置计算机辅助设计 仿真对于系统的分析与分解 模型、算法的选择策略
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仿真的基本概念

在进行实际系统的分析、综合与设计的过程中人们除了 对系统进行理论上的分析计算以外 常常需要对系统的 对系统进行理论上的分析计算以外，常常需要对系统的 特性进行实验研究。 模型代替真实系统做实验的方法，即仿真。
物理仿真: 物理模 计算机仿真：用数学形式描述 实际系统的运动规律，(它 型来仿真实际 系统 系统。 们是通常是 组微分方程或 们是通常是一组微分方程或 差分方程)，然后用计算机 例子: 1) 船舶模 来解这些这些方程。 型在船池中做 实验; 2)飞机 描述实际系统运动规律的数学 模型在风洞中 形式称为数学模型 的实验。 的实验 解数学方程的计算机可以是模 拟计算机、数字计算机。
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仿真、优化与常规设计方法相结合



1)仿真是定结构参数后检测性能的过程。通过仿 真，可以知道多项性能，从而对所确定的结构参 数是否合 作出较好的评价 数是否合理作出较好的评价。 2)为了寻求一组合理的结构参数，需要作不断的 调整 不断的仿真 调整，不断的仿真，这是优化过程，可以通过配 是优化 程 可以 配 置优化程序完成，或者直接根据经验与要求，由 操作者来完成。 3)为了能较快地寻到一组较好的结果，希望初始 的结构参数尽量要好, 用常规设计的方法确定初 始参数是 种比较好的方法 所以应该把常规设 始参数是一种比较好的方法。所以应该把常规设 计的方法和计算机仿真的方法相结合，可使工作 更有效 更有效。
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计算机辅助设计的内容

一个 个CAD系统 系统一般应该包括有专业计算 般应该包括有专业计算、 分析、优化程序，数据库系统，以及自动 化绘图系统 计算机辅助绘图（Computer 化绘图系统。计算机辅助绘图（ Aided Drawing）是CAD系统的一个很重要 的组成部分 也是影响最大的部分 它可 的组成部分，也是影响最大的部分，它可 以是一个独立的应用系统，直接为工程设 计服务 而且也常常被称为CAD系统。计 计服务，而且也常常被称为 系统 计 算机绘图系统，是计算机辅助设计系统的 一部分。 一部分
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优化计算说明


上面方程是通过数学模型的建立而得到的，按照 要求不同，可以采用简易程度不同，形式相差很 大的方程 如对于制冷装置动态过程性能进行综 大的方程。如对于制冷装置动态过程性能进行综 合优化，就需要建立系统仿真模型，这时f(x) 实 际上是一组很复杂的微分方程。约束条件有时也 不能用简单的代数方程写出 这些在具体的对象 不能用简单的代数方程写出。这些在具体的对象 研究中确定。 优化过程就是在上面这些方程确定后 通过 优化过程就是在上面这些方程确定后，通过 合适的优化算法，求得目标函数最小值，以及此 时的设计变量值。 时的设计变量值
制冷空调系统的仿真与优化
计算机在制冷空调装置设计与运行 算机在制冷空 装 与 中的应用技术
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教材与参考资料
陈芝久, 阙雄才, 丁国良. 制冷系统热动力学. 北京: 机械工业出 版社, 1998 丁国良, 张春路. 制冷空调装置仿真与优化. 北京: 科学出版社, 2001 丁国良,丁国良, 张春路. 制冷空调装置智能仿真. 北京: 科学出 版社, 2002 欧阳华, 李鸿光. 制冷空调装置数字化设计技术. 北京: 中国建 筑工业出版社, 2008 丁国良, 张春路, 赵力. 制冷空调新工质- 热物理性质的计算方法 与实用图表. 上海: 上海交通大学出版社, 2003 丁国良, 黄冬平. 二氧化碳制冷技术. 北京: 化学工业出版社, 2007
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制冷装置仿真的基本现状

时间: 过去的三十年左右 背景:工业界重视程度的提高和计算机及其 相关学科的飞速发展
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仿真发展历程


1)单纯的部件模型研究到适合系统仿真要 求的部件模型和系统模型研究， 2)从稳态、集中参数到动态、分布参数， 3)从瞬态特性研究到长期运行过程的仿真， 从瞬态特性研究到长期运行过程的仿真 并与优化与控制结合这样一条发展途径。
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计算机仿真分类
按照有无实物介入来区分： 实时仿真系统 非实时仿真系统 非实时仿真系统。 按照计算机的类型不同来区分 按照计算机的类型不同来区分： A)用模拟计算机组成的仿真系统 B)用数字计算机组成的数字仿真系统 C)用混合机或用数字－模拟混合计算机组成的混 合仿真系统 D)用微型机阵列组成的全数字式仿真系统等等。

计算机仿真的优势： 用一套仿真设备可以对物理性 质截然不同的许多控制系统进 行仿真研究 相对于复杂系统 行仿真研究，相对于复杂系统 的物理模型的制作、调整、测 试等工作 为了进行计算机仿 试等工作，为了进行计算机仿 真而准备模拟计算机的排题板 或数字计算机的程序的工作量 或数字计算机的程序的 作 要小得多，周期也要短得多， 所花的费用也要少得多。
仿真发展趋势：随着计算机的飞速发展，计算机仿真越 来越多地代替了纯物理的仿真 因此现在通常所说的仿 来越多地代替了纯物理的仿真，因此现在通常所说的仿 真，指的都是计算机仿真。
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计算机仿真步骤
实际系统 计算机
一次模型化(系统 取模, 系统辨识) 数学模型

二次模型化(仿真 模型编程校核)


写出实际系统的数学模型。对于不同的要求可以采用不 同的模型 对于热力系统的动态仿真 较多采用偏微分 同的模型，对于热力系统的动态仿真，较多采用偏微分 方程。 将它转变成能在计算机上进行运转的数学模型。比如要 在数字计算机上进行仿真，应当将描述实际连续过程的 方程，变成一组离散方程。 编出仿真程序 编出仿真程序。 对仿真模型进行修改、校验。