过程仿真

科技工作者之家 2020-11-17

过程仿真就是通过建立数学模型表征对象内部过程及外部表现的。也就是通过计算机代替具体的实物,成本很低,可以做各种条件的假设。然后观察结果。一般都是用于研究各种参数变化时的反应,例如经济变化、物理过程变化、危险对象的变化过程研究等等。

主要组成部分过程仿真所包含三个部分:

(1)过程系统;

(2)数学模型;

(3)仿真机。

这三个部分由两个关系沟通起来:过程系统与数学模型之间的关系 →建模数学模型与仿真机之间的关系 →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。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。

过程仿真技术的特殊作用所谓的特殊作用,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:

(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。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;

(2) 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;

(3) 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);

(4) 实际过程系统根本不允许做的试验。(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;

(5) 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。1

过程仿真的步骤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。

过程仿真技术的最新发展1.仿真实验任务的扩展

仿真实验的任务随着科学技术与生产水平的不断发展而不断扩大,当前已提出:基于仿真的设计、基于仿真的工程,全生命周期的仿真、分布仿真等方面的仿真任务要求,即对整个设计任务、整个大型工程项目,仿真对象的整个生命周期,以及分布于广阔时空各类事物,都能进行高逼真度的仿真,从而达到作出正确决策,指导科学研究、系统开发与生产实践,培训乘务人员、操纵人员、指挥人员、决策人员的目的。

2.仿真技术的发展动向

由于仿真理论、方法的提高,仿真实验任务的扩大以及相关学科的发展,当前发展技术主要向下列几个方向发展:向广阔时空发展;向快速、高效与海量信息通道发展;向规模化模型校核 验证、确认技术发展;向虚拟现实技术发展;向高水平的一体化、智能化仿真环境发展;向广阔的应用领域扩展与其它有关学科融合。2

过程仿真技术的应用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。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,大大缩短培训时间。美国称这种仿真培训系统是提高工人技术素质,确保其在世界取得生产技术领先地位的“秘密武器”和“尖端武器”,并且有许多企业已将仿真培训列为考核操作工人取得上岗资格的必要手段。

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所

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