仿真基础学习.doc

1.1 化工仿真技术 1.1.1 化工仿真技术简介 仿真实习技术是以仿真机为工具，用实时运行的动态数学模型代替真实工厂进行教学实习的一门新技术。仿真机是基于电子计算机、网络或多媒体部件，由人工建造的，模拟工厂操作与控制或工业过程的设备，同时也是动态数学模型实时运行的环境。动态数学模型是仿真系统的核心，是依据工业过程的数据源由人工建立的数学描述。这种数学描述能够产生与工业过程相似的行为数据。动态数学模型一般由微分方程组成。用于仿真实习的动态数学模型应当满足：数值求解的实时性、全量程随机可操作性、逼真性和高度可靠性。 化工仿真技术是以软件为平台，以真实的工厂单元及工段为背景，以仿真机为工具，用实时运行的动态数学模型来模拟了真实的带有控制点的设备和工艺流程实际操作。以完成如何开车、停车、及常见的事故处理的全过程。具体来说就是将过程工业中的典型的单元操作如：离心泵单元、热管式交换器单元、液位单元控制、吸收解吸单元、固定床单元、流化床单元等包括控制系统的一系列可独立运行的单元操作，此外还包括大型的合成氨、常减压蒸馏、催化裂化反应再生等流程工段。总之系统仿真技术是计算机在化工生产中的应用。是计算机与化工的有机接合。 1.1.2 DCS集散控制系统介绍 1．系统仿真 系统仿真是运用物理模型或数学模型代替真实物体或系统的模型进行实验和研究的一门应用技术科学，按所用模型分为物理仿真和数字仿真两类。物理仿真是以真实物体或系统，按一定比例或规律进行微缩或扩大后的物理模型为实验对象。数字仿真是以真实物体或系统规律为依据，建立数学模型后，在仿真机上进行研究。与物理仿真相比，数字仿真具有更大的灵活性、能对截然不同的动态特性模型做实验研究，为真实物体或系统的分析和设计提供了十分有效而经济的手段。 2．过程系统仿真 过程系统仿真是指过程系统的数字仿真。它要求描述过程系统动态特性的数学模型，能在仿真机上再现该过程系统的实时特性，以达到在该仿真系统上进行实验研究的目的。过程系统仿真由三个主要部分组成,即过程系统、数学模型和仿真机。这三部分由建模和仿真两个关系联系在一起。 3．DCS 仿真系统及其优越性 DCS是Distributed Control System 的缩写，简称集散控制系统，即称分布式控制系统，是使用多台计算机分担了系统的控制功能和范围，实现控制回路分散化、数据管理集中化的控制系统。大大地将事故的危险性分散。作为化工仿真实训载体其特殊作用主要有以下几个方面： (1)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。仿真技术为学生提供充分的动手机会，学生在计算机上可以反复停车、开车甚至设计故障，这是实际工厂中所不能实现的。 (2)仿真软件提供快门设定、工况冻结、时标设定、成绩评定、趋势记录、报警记录、参数设定等特殊功能，便于教师实施各种新的教学与培训方法。这些在真实工厂是无法实现的。 (3)高质量的仿真模型具有预测性。利用高速大容量仿真机，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，这是仿真技术的“超时空”的优点。如：某一生产的产量、催化剂使用失活随时间下降趋势等状态变化。 (4)实际过程系统根本不允许作的实验。如在仿真机上可以设定各种极限运行状态、破坏性试验及各种事故，利用仿真技术不会造成任何损失，是最安全的试验方法，同进提高学生的分析能力和在复杂情况下的决策能力。这些在真实工厂的生产操作中是很难遇到的。 (5)仿真实验主要在仿真机上进行，通常用软件形式体现。在仿真机上，学生是学习的主体。学生可以根据自己的具体情况有选择地学习。例如自行设计，试验不同的开、停车方案，试验复杂控制方案，优化操作等。真实工厂考虑到生产安全及正常生产计划，决不允许这样做。另外，仿真技术通常用软件形式体现，用软盘、磁带或激光盘作为载体，传递复制极为方便。还可以通过网络传递,故大幅度地节省能源、材料、人力。 (6)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，即模型的预测性。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。比如：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及合理性。阀门开度与流体流量及流速等参数是成一定规律的。从这个意义上看，采用仿真技术可以辅助工程技术人员全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。 (7)计划中或设计中的过程系统，现实世界中尚不存在，只有通过仿真进行实验研究。如：在化工实验中我们想合成高分子材料，对其方法的可行性及能否得到预期产品如果用传统方法需要数月、数年甚至下几年的时间。利用仿真技术可以达到。在这方面这处领域目前有很大突破