系統(tǒng)建模與仿真

前言

自動化學(xué)科有著光榮的歷史和重要的地位，20世紀(jì)50年代我國政府就十分重視自動化學(xué)科的發(fā)展和自動化專業(yè)人才的培養(yǎng)。五十多年來，自動化科學(xué)技術(shù)在眾多領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，如航空、航天等，“兩彈一星”的偉大工程就包含了許多自動化科學(xué)技術(shù)的成果。自動化科學(xué)技術(shù)也改變了我國工業(yè)整體的面貌，不論是石油化工、電力、鋼鐵，還是輕工、建材、醫(yī)藥等領(lǐng)域都要用到自動化手段，在國防工業(yè)中自動化的作用更是巨大的。現(xiàn)在，世界上有很多非?；钴S的領(lǐng)域都離不開自動化技術(shù)，比如機(jī)器人、月球車等。另外，自動化學(xué)科對一些交叉學(xué)科的發(fā)展同樣起到了積極的促進(jìn)作用，例如網(wǎng)絡(luò)控制、量子控制、流媒體控制、生物信息學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)等學(xué)科就是在系統(tǒng)論、控制論、信息論的影響下得到不斷的發(fā)展。在整個(gè)世界已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代的背景下，中國要完成工業(yè)化的任務(wù)還很重，或者說我們正處在后工業(yè)化的階段。因此，國家提出走新型工業(yè)化的道路和“信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化”的科學(xué)發(fā)展觀，這對自動化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)前所未有的戰(zhàn)略機(jī)遇。機(jī)遇難得，人才更難得。要發(fā)展自動化學(xué)科，人才是基礎(chǔ)、是關(guān)鍵。高等學(xué)校是人才培養(yǎng)的基地，或者說人才培養(yǎng)是高等學(xué)校的根本。作為高等學(xué)校的領(lǐng)導(dǎo)和教師始終要把人才培養(yǎng)放在第一位，具體對自動化系或自動化學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和教師來說，要時(shí)刻想著為國家關(guān)鍵行業(yè)和戰(zhàn)線培養(yǎng)和輸送優(yōu)秀的自動化技術(shù)人才。影響人才培養(yǎng)的因素很多，涉及教學(xué)改革的方方面面，包括如何拓寬專業(yè)口徑、優(yōu)化教學(xué)計(jì)劃、增強(qiáng)教學(xué)柔性、強(qiáng)化通識教育、提高知識起點(diǎn)、降低專業(yè)重心、加強(qiáng)基礎(chǔ)知識、強(qiáng)調(diào)專業(yè)實(shí)踐等，其中構(gòu)建融會貫通、緊密配合、有機(jī)聯(lián)系的課程體系，編寫有利于促進(jìn)學(xué)生個(gè)性發(fā)展、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教材尤為重要。清華大學(xué)吳澄院士領(lǐng)導(dǎo)的《全國高等學(xué)校自動化專業(yè)系列教材》編審委員會，根據(jù)自動化學(xué)科對自動化技術(shù)人才素質(zhì)與能力的需求，充分吸取國外自動化教材的優(yōu)勢與特點(diǎn)，在全國范圍內(nèi)，以招標(biāo)方式，組織編寫了這套自動化專業(yè)系列教材，這對推動高等學(xué)校自動化專業(yè)發(fā)展與人才培養(yǎng)具有重要的意義。

內(nèi)容概要

　　本書特點(diǎn)是注重理論聯(lián)系實(shí)際、突出工程實(shí)踐內(nèi)容和實(shí)用有效的建模方法。全書從定量和定性兩個(gè)方面闡述了系統(tǒng)建模與仿真的基本原理、計(jì)算方法和本領(lǐng)域當(dāng)前的先進(jìn)技術(shù)。主要內(nèi)容包括過程系統(tǒng)仿真的應(yīng)用領(lǐng)域和進(jìn)展，定量仿真建模常用方法及工業(yè)應(yīng)用案例，數(shù)值積分原理、實(shí)用算法與計(jì)算程序，定性仿真基本原理，復(fù)雜過程系統(tǒng)定性建模方法，定性模型的推理解法，定性仿真技術(shù)在過程系統(tǒng)危險(xiǎn)識別與分析、故障診斷和智能仿真訓(xùn)練等方面的應(yīng)用案例?！　”緯m用于工業(yè)過程自動化、過程裝備與控制工程、化學(xué)工程等專業(yè)大學(xué)本科專業(yè)教學(xué)。本書的內(nèi)容有助于本科生、碩士研究生和博士研究生增加過程工業(yè)原理知識與實(shí)踐知識，可以用于畢業(yè)論文階段進(jìn)行仿真建模和仿真實(shí)驗(yàn)的技術(shù)指導(dǎo)。同時(shí)也可以作為從事過程系統(tǒng)仿真、過程系統(tǒng)安全評價(jià)、化工工藝與控制安全設(shè)計(jì)、故障診斷、人工智能研發(fā)人員的技術(shù)參考書。

作者簡介

吳重光，1945年出生，教授，博士生導(dǎo)師。1968年畢業(yè)于北京化工學(xué)院基本有機(jī)合成專業(yè)，1982年畢業(yè)于北京化工大學(xué)系統(tǒng)控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位?，F(xiàn)任中國系統(tǒng)仿真學(xué)會副理事長，教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會委員。榮獲國家有突出貢獻(xiàn)中青年專家、全國化工有突出貢獻(xiàn)的優(yōu)秀專家、北京市勞動模范等稱號。主要研究方向：化工過程動態(tài)建模與仿真、工業(yè)過程控制理論與應(yīng)用、人工智能技術(shù)理論與應(yīng)用、系統(tǒng)安全工程理論與應(yīng)用。主持開發(fā)我國第一個(gè)過程工業(yè)動態(tài)流程模擬系統(tǒng)，開創(chuàng)我國化工與石油化工過程仿真培訓(xùn)事業(yè)。近年來從事系統(tǒng)安全工程研究和應(yīng)用工作，在計(jì)算機(jī)智能化自動危險(xiǎn)識別、安全評價(jià)和故障診斷方面取得進(jìn)展，研發(fā)成功一系列創(chuàng)新技術(shù)。發(fā)表科技論文90余篇，科技著作7部。

書籍目錄

第1章 系統(tǒng)建模與仿真概論1.1 系統(tǒng)建模與仿真基本概念1.1.1 系統(tǒng)、模型與仿真1.1.2 過程系統(tǒng)建模與仿真1.2 現(xiàn)代建模與仿真技術(shù)的含義及其體系1.3 仿真技術(shù)的特殊作用1.4 過程系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用1.4.1 輔助訓(xùn)練1.4.2 輔助設(shè)計(jì)1.4.3 輔助生產(chǎn)1.4.4 輔助研究1.4.5 仿真技術(shù)在過程安全領(lǐng)域中的應(yīng)用1.5 習(xí)題第2章 定量仿真建模方法2.1 仿真建模概述2.1.1 仿真建模分類2.1.2 過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及動態(tài)建模原理2.1.3 仿真模型的評估2.2 常用定量建模數(shù)學(xué)方法2.2.1 初等幾何法2.2.2 代數(shù)方程法2.2.3 動態(tài)補(bǔ)償法2.2.4 通道動態(tài)模型測試法2.2.5 微分方程法2.2.6 偏微分方程法2.2.7 圖論法2.3 過程系統(tǒng)仿真建模舉例2.3.1 PID控制器模型2.3.2 自動控制閥的機(jī)械特性模型2.3.3 自動控制閥的流通能力計(jì)算2.3.4 自動控制閥的流量特性建模2.3.5 離心泵特性建模2.3.6 列管式熱交換器傳熱過程建模2.3.7 精餾塔系統(tǒng)動態(tài)建模 2.3.8 間歇反應(yīng)系統(tǒng)建模2.3.9 工業(yè)加熱爐系統(tǒng)建模2.3.10 65t/h環(huán)保鍋爐系統(tǒng)建模2.4 動態(tài)仿真模型的特點(diǎn)及注意事項(xiàng)2.5 習(xí)題第3章 連續(xù)系統(tǒng)定量仿真算法系統(tǒng)建模與仿真3.1 連續(xù)系統(tǒng)定量仿真算法分類3.2 高階常微分方程數(shù)值解法3.2.1 數(shù)值積分原理3.2.2 歐拉法及四階龍格庫塔法積分公式3.2.3 幾個(gè)基本概念3.2.4 常用數(shù)值積分方法及選擇3.3 聯(lián)立方程法仿真算法3.3.1 計(jì)算方法3.3.2 計(jì)算程序3.3.3 計(jì)算舉例3.4 序貫?zāi)K法仿真算法3.4.1 原理簡述3.4.2 典型模塊積分公式推導(dǎo)3.4.3 基本模塊算法3.4.4 仿真程序3.4.5 計(jì)算舉例3.4.6 程序的擴(kuò)展3.5 習(xí)題第4章定性仿真、建模及應(yīng)用4.1 定性仿真基礎(chǔ)4.1.1 定性仿真概論4.1.2 定性線性代數(shù)方程及求解方法4.1.3 定性常微分方程及求解4.1.4 推理引擎及算法4.2 符號定向圖原理與建模4.2.1 符號定向圖原理4.2.2 SDG建模方法和原則4.2.3 SDG模型的主要推理機(jī)制4.2.4 SDG建模實(shí)例4.2.5 SDG模型簡化4.3 基于SDG技術(shù)的危險(xiǎn)識別、分析與安全評價(jià)4.3.1 過程系統(tǒng)危險(xiǎn)識別與分析4.3.2 HAZOP基本原理4.3.3 SDG—HAZOP技術(shù)4.4 基于SDG技術(shù)的故障診斷4.4.1 故障診斷概述4.4.2 基于SDG技術(shù)的在線危險(xiǎn)識別與診斷4.4.3 基于SDG技術(shù)的報(bào)警自解釋仿真實(shí)驗(yàn)案例4.4.4 基于SDG技術(shù)的智能仿真訓(xùn)練系統(tǒng)4.5 習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章 系統(tǒng)建模與仿真概論1.3 仿真技術(shù)的特殊作用前面提到，數(shù)學(xué)模型是由人工建立的，對建模者的素質(zhì)要求較高，而且數(shù)學(xué)模型有可能是不完備的，為什么非使用仿真技術(shù)不可呢？這個(gè)問題涉及仿真技術(shù)的特殊作用。所謂特殊作用，就是其他技術(shù)很難達(dá)到或者無法取代的作用，主要有以下幾個(gè)方面。（1）過程工業(yè)系統(tǒng)通常屬于大型工業(yè)系統(tǒng)，其流程復(fù)雜、投資巨大、生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)。從經(jīng)濟(jì)利益和安全性出發(fā)，一般不允許在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)研究，必須借助于仿真手段。（2）計(jì)劃中或設(shè)計(jì)中的過程系統(tǒng)，現(xiàn)實(shí)世界中尚不存在，只有通過仿真手段進(jìn)行試驗(yàn)研究。（3）高質(zhì)量的仿真模型具有預(yù)測性。應(yīng)用現(xiàn)代高速大容量的仿真計(jì)算機(jī)，人們可以在短時(shí)間內(nèi)預(yù)測實(shí)際過程系統(tǒng)數(shù)月甚至數(shù)年時(shí)問中所發(fā)生的現(xiàn)象和事件，這是仿真技術(shù)“超時(shí)空”的優(yōu)點(diǎn)。（4）實(shí)際過程系統(tǒng)根本不允許作的試驗(yàn)，如超極限運(yùn)行、破壞性實(shí)驗(yàn)、事故試驗(yàn)等，利用仿真技術(shù)不會造成任何損失，是最安全的實(shí)驗(yàn)研究方法。（5）仿真實(shí)驗(yàn)研究主要在仿真機(jī)上進(jìn)行，與真實(shí)系統(tǒng)試驗(yàn)相比，除了安全以外還能節(jié)省原材料、能源消耗和人力資源等。（6）動態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型可以產(chǎn)生被仿真系統(tǒng)受到各種外部擾動或操作變化的動態(tài)響應(yīng)，這種特點(diǎn)即模型的預(yù)測性。也就是說，一個(gè)高質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型不是主觀認(rèn)為賦給模型哪些功能，模型則只能產(chǎn)生哪些功能或現(xiàn)象。例如一個(gè)設(shè)計(jì)合理的流體流動管路與閥門組成的網(wǎng)絡(luò)模型，可以產(chǎn)生各閥門不同狀態(tài)的所有排列組合現(xiàn)象。從這個(gè)意義上看，采用仿真技術(shù)可以輔助工程技術(shù)人員全面認(rèn)識和分析過程系統(tǒng)，包括事故和危險(xiǎn)隱患，防止人為思維慣性所產(chǎn)生的遺忘或概念混淆導(dǎo)致的試驗(yàn)、研究或設(shè)計(jì)巾的重大失誤。目前，仿真技術(shù)已經(jīng)成為安全分析的重要手段。（7）仿真技術(shù)通常用軟件形式體現(xiàn)，用軟盤、磁帶或光盤作為載體，傳遞復(fù)制極為方便。軟件還是一種可以在“信息高速公路”甚至電話線中傳送的資源，這是仿真技術(shù)便于傳播推廣的一大優(yōu)勢。除以上提到的仿真技術(shù)的七種特殊作用和優(yōu)點(diǎn)，還能列舉一些。不過從已列舉的特殊作用來看，足以說明采用仿真技術(shù)輔助過程系統(tǒng)試驗(yàn)和研究的重要意義。

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