化工过程系统工程概论ppt课件.ppt

1 系统与系统工程系统与系统工程2 化工过程系统工程化工过程系统工程3 数学模拟的优点与限制数学模拟的优点与限制4 流程结构的图形表示流程结构的图形表示5 流程结构的矩阵表示流程结构的矩阵表示6 流程模拟系统流程模拟系统 化工过程系统工程概化工过程系统工程概论论廿世纪廿世纪20年代，从各种各样化工生产工艺中找年代，从各种各样化工生产工艺中找出了组成它们的共同的基本单元，抽象出出了组成它们的共同的基本单元，抽象出“”的概的概念，从而奠定了化学工程的基础；念，从而奠定了化学工程的基础；廿世纪廿世纪50年代，从年代，从“单元操作单元操作”中又进一步归中又进一步归纳出其中共同的基本规律，进而提出了纳出其中共同的基本规律，进而提出了“”的概念；的概念；廿世纪廿世纪50年代以后，是将各种单元操作所组成年代以后，是将各种单元操作所组成的的作为一个整体进行研究。作为一个整体进行研究。 引言：化工生产认识上的三次飞跃引言：化工生产认识上的三次飞跃 新产品、新过程的开发加快与工业放大技术落后之间的矛盾尖锐化新产品、新过程的开发加快与工业放大技术落后之间的矛盾尖锐化，要求将过去的相似模拟（如实验室的试验）、逐级放大的方法改为通要求将过去的相似模拟（如实验室的试验）、逐级放大的方法改为通过数学模拟来指导放大与设计，以加快放大与设计的整个过程，缩短过数学模拟来指导放大与设计，以加快放大与设计的整个过程，缩短开发周期；开发周期；现代工业的综合化发展，使流程结构日益复杂，在这种综合企业的合现代工业的综合化发展，使流程结构日益复杂，在这种综合企业的合理理设计设计时，就时，就不能把单个装置孤立不能把单个装置孤立起来，而必须要整个地起来，而必须要整个地作为一个系作为一个系统统来进行研究，分析其整体特性；装置规模的日益大型化对设计提出来进行研究，分析其整体特性；装置规模的日益大型化对设计提出了更高的要求，即要求做到大型系统的了更高的要求，即要求做到大型系统的整体最优化设计整体最优化设计，这样可大幅，这样可大幅度节省投资费用和操作费用。度节省投资费用和操作费用。化工过程系统工程产生的化工过程系统工程产生的必要性必要性：生产的发展生产的发展化学工程：化学工程：对过程的机理了解比较清楚；对过程的机理了解比较清楚；计算数学：计算数学：复杂问题在计算机上顺利求解；复杂问题在计算机上顺利求解；运筹学运筹学及后来的及后来的系统工程学科：系统工程学科：分析大规模系统的手段；分析大规模系统的手段；控制论学科：控制论学科：从过程控制的角度，运用系统工程方法来研从过程控制的角度，运用系统工程方法来研 究整体控制性能；究整体控制性能；计算机技术：计算机技术：为化工过程分析和顺利而高效地进行过程设为化工过程分析和顺利而高效地进行过程设 计提供了基础；计提供了基础；等等等等。 化工过程系统工程产生的化工过程系统工程产生的可能性可能性：临近学科的发展临近学科的发展将系统工程的思想和方法应用于化工过程，即将系统工程的思想和方法应用于化工过程，即称为称为化工过程系统工程化工过程系统工程。 化工过程系统模拟与分析化工过程系统模拟与分析是化工过程系统工程是化工过程系统工程的重要组成部分，是其研究的基础与主要内容。的重要组成部分，是其研究的基础与主要内容。1 系统与系统工程系统与系统工程v系统系统”这一概念的来源？这一概念的来源？v传统的分析方法与系统工程学的分析方法的区别？传统的分析方法与系统工程学的分析方法的区别？v“系统工程系统工程”的对象是什么？的对象是什么？v系统工程对系统整体的协调与优化过程是一个怎样的过程？系统工程对系统整体的协调与优化过程是一个怎样的过程？ 正像科学与其它领域中的正像科学与其它领域中的每一个新的观念每一个新的观念一样，系统的概念也一样，系统的概念也有一段漫长有一段漫长的历史的历史。“系统系统”概念，来源于人类的长期社会实践，但由于受到早年科学技术发展概念，来源于人类的长期社会实践，但由于受到早年科学技术发展水平的限制，一直没有受到应有的重视。直到水平的限制，一直没有受到应有的重视。直到廿世纪廿世纪40年代年代美国才开始在工美国才开始在工程设计中应用程设计中应用“系统系统”这一概念，到了这一概念，到了50年代以后年代以后“系统系统”这一概念逐步明这一概念逐步明确化、具体化，并在工程技术系统的研究和管理中广泛应用。确化、具体化，并在工程技术系统的研究和管理中广泛应用。系统工程学：系统工程学：把所研究的对象当作一个把所研究的对象当作一个整体整体来研究，也即把来研究，也即把一个研究的对象看作一个系统，从系统整体出发去研究系统一个研究的对象看作一个系统，从系统整体出发去研究系统内部各组成之间的有机联系和系统外部环境的相互关系。内部各组成之间的有机联系和系统外部环境的相互关系。综合研究的方法，即是系统工程研究方法综合研究的方法，即是系统工程研究方法。传统的分析方法：传统的分析方法：往往把一个事物分解成许多独立的往往把一个事物分解成许多独立的部分，把问题分得很细，然后分别进行深入研究。由部分，把问题分得很细，然后分别进行深入研究。由于这样的研究方法往往容易把事物看成是于这样的研究方法往往容易把事物看成是孤立的、静孤立的、静止的止的，因此得出的结论往往被限制在一个局部的条件，因此得出的结论往往被限制在一个局部的条件下，如果扩大到更大的范围来考察，那么整体的结论下，如果扩大到更大的范围来考察，那么整体的结论就可能是片面的、甚至是错误的。就可能是片面的、甚至是错误的。一般系统论：一般系统论：美籍奥地利生物学家贝塔朗菲美籍奥地利生物学家贝塔朗菲L.V.Bertalanffy）创立的一门逻辑和数学领域的科学创立的一门逻辑和数学领域的科学，它的主要目的是企图确，它的主要目的是企图确立适用于系统的一般原则。它运用完整性、集中化、等级结立适用于系统的一般原则。它运用完整性、集中化、等级结构、终极性、逻辑同构等概念，找出适用于一切综合系统或构、终极性、逻辑同构等概念，找出适用于一切综合系统或子系统的模式、原则和规律。子系统的模式、原则和规律。后来又发展成为试图包括一般系统论、控制论、自动机理论、后来又发展成为试图包括一般系统论、控制论、自动机理论、信息论、集合论、图论、网络理论、系统数学、对策论、判信息论、集合论、图论、网络理论、系统数学、对策论、判定论、计算数学、模拟定论、计算数学、模拟的理论和方法，统称为的理论和方法，统称为系统论系统论。它活跃于国际学术界，已成为科学哲学流派之一。它活跃于国际学术界，已成为科学哲学流派之一。 系统工程与其它工程学不同，不限于某个领域，不限系统工程与其它工程学不同，不限于某个领域，不限 于物质系统，被认为是一种于物质系统，被认为是一种“软科学软科学”。 作为一门工程技术，是在作为一门工程技术，是在运筹学运筹学、控制论控制论、计算机技术计算机技术、 工程设计工程设计、管理科学等管理科学等学科的基础上发展起来的。学科的基础上发展起来的。 系统工程对系统整体的协调与优化过程可用系统工程对系统整体的协调与优化过程可用表示。表示。电子计算机电子计算机 分析分析 制造制造 设计设计 服务服务 构成要素构成要素组织结构组织结构信息交换信息交换反馈控制反馈控制 局部利益局部利益整体利益整体利益系统综合系统综合 最优化最优化 协调协调 配合配合 最优设计最优设计控制控制 管理管理 生产生产科研科研经济活动经济活动 构构 成成 系系 统统 功能功能 利益利益系统思想、理论、系统思想、理论、方法、策略、手段方法、策略、手段 工程学的方法论，工程学的方法论，以研究大系统为对象的一门边缘学科。以研究大系统为对象的一门边缘学科。将自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手将自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要有机地联系起来，段等根据总体协调的需要有机地联系起来，把把生产、科研、经生产、科研、经济活动等有效地组织起来济活动等有效地组织起来。用数学方法和计算机等工具，对系统的构成要素、组织结构、用数学方法和计算机等工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换、反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务信息交换、反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务。从而达到最优设计、控制、管理，使局部和整体之间的关系协从而达到最优设计、控制、管理，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化。调配合，以实现系统的综合最优化。 化学工程学的一个分支化学工程学的一个分支，是将系统工程学的理论和方法应用于化，是将系统工程学的理论和方法应用于化工过程领域的一门新兴的边缘学科。工过程领域的一门新兴的边缘学科。所涉及的学科有：化学工程、系统工程、运筹学、控制论、计算所涉及的学科有：化学工程、系统工程、运筹学、控制论、计算机科学、计算数学、人工智能等。机科学、计算数学、人工智能等。基本内容基本内容: 是从化工系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成是从化工系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成部分的特性及其相互关系，部分的特性及其相互关系，确定化工系统在规划、设计、控制和确定化工系统在规划、设计、控制和管理等方面的最优策略管理等方面的最优策略。包括包括: 过程系统模拟与分析、过程系统综合、过程系统控制与操作、过程系统模拟与分析、过程系统综合、过程系统控制与操作、过程系统的设计与优化和人工智能技术在化工过程中的应用等。过程系统的设计与优化和人工智能技术在化工过程中的应用等。 2 2 化工过程系统工程化工过程系统工程 廿世纪廿世纪60年代年代是化工过程系统工程产生和发展的是化工过程系统工程产生和发展的理论准备时期理论准备时期，代表性的研，代表性的研究者有美国的究者有美国的Rudd和和Watson（1968），），Himmelblau和和Bischoff（1968），），日本的矢木荣和西村肇（日本的矢木荣和西村肇（1969），苏联的），苏联的（1971）等，他们的论著）等，他们的论著阐述了化工过程系统工程的研究方法和内容。阐述了化工过程系统工程的研究方法和内容。廿世纪廿世纪70年代年代是化工过程系统工程走上是化工过程系统工程走上实用的时期实用的时期。随着计算机应用的普及，。随着计算机应用的普及，采用化工过程系统工程方法，陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟系采用化工过程系统工程方法，陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟系统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。廿世纪廿世纪80年代年代是化工过程系统工程是化工过程系统工程普及推广的时代普及推广的时代，不仅在化工、石油、石，不仅在化工、石油、石油化工、核工业和能源工业中获得广泛应用，而且向冶金、轻工、食品等连油化工、核工业和能源工业中获得广泛应用，而且向冶金、轻工、食品等连续加工过程工业部门推广，有力地促进了这些部门生产技术的飞速发展，相续加工过程工业部门推广，有力地促进了这些部门生产技术的飞速发展，相应地，化工过程系统工程学科在理论、方法和内容方面也在不断完善和发展，应地，化工过程系统工程学科在理论、方法和内容方面也在不断完善和发展，自自1982年起每隔三年一届的国际化工过程系统工程会议就是这一进步的标志年起每隔三年一届的国际化工过程系统工程会议就是这一进步的标志之一。之一。我国从廿世纪我国从廿世纪70年代开始介绍这门新学科。廿世纪年代开始介绍这门新学科。廿世纪80年代开始这一学科发展年代开始这一学科发展很快。很快。化工过程系统工程的产生和发展化工过程系统工程的产生和发展v 过程开发过程开发（又称为规划决策阶段），主要完成可行性研究，提（又称为规划决策阶段），主要完成可行性研究，提出出可行性研究报告可行性研究报告；v 科研阶段科研阶段，建立数学模型建立数学模型，描述过程对象的规律性与特点。，描述过程对象的规律性与特点。 在数学模型基础上进行流程方案的开发，用流程模拟系统和经在数学模型基础上进行流程方案的开发，用流程模拟系统和经 济评价进一步进行可行性研究；济评价进一步进行可行性研究；v 技术开发阶段技术开发阶段，通过中试（或小试）与系统模拟相结合，寻，通过中试（或小试）与系统模拟相结合，寻 找装置整体操作的最优条件，缩短开发周期，同时也可以利用找装置整体操作的最优条件，缩短开发周期，同时也可以利用 中试中试的实验数据来的实验数据来修正模型修正模型；化工过程系统工程研究的目的和任务化工过程系统工程研究的目的和任务 v设计设计 化工过程系统工程的主要任务是化工过程系统工程的主要任务是CAD，即计算机辅助设计，即计算机辅助设计（Computer Aided Design），仍以化工过程系统模拟为基础。），仍以化工过程系统模拟为基础。化工过程设计就是如何找到一个理想的过程以满足给定的生产要化工过程设计就是如何找到一个理想的过程以满足给定的生产要求，长期以来是凭工程师的经验完成的，而求，长期以来是凭工程师的经验完成的，而 “过程综合过程综合”则将化则将化工流程设计由经验上升到科学，即用计算机实现最优化设计。工流程设计由经验上升到科学，即用计算机实现最优化设计。v生产生产投产之前研制模拟培训系统，对操作人员进行培训。投产之后对投产之前研制模拟培训系统，对操作人员进行培训。投产之后对已有的化工系统进行模拟与分析，找到适宜的操作条件，与集散已有的化工系统进行模拟与分析，找到适宜的操作条件，与集散控制系统结合起来，指导控制系统结合起来，指导生产操作生产操作。v扩产改造扩产改造对现有装置进行模拟与分析，寻找薄弱环节，提出对现有装置进行模拟与分析，寻找薄弱环节，提出改造方案改造方案。 v 一般含义上的模拟：借助于一个系统或过程的性能，一般含义上的模拟：借助于一个系统或过程的性能， 对另一个系统或过程的性能作出模仿性的演示。对另一个系统或过程的性能作出模仿性的演示。 v 物理模拟：用试验水槽里的船舶模型来研究船舶的性能；物理模拟：用试验水槽里的船舶模型来研究船舶的性能； 用风洞中的飞机模型来研究飞机的性能。用风洞中的飞机模型来研究飞机的性能。v 数学模拟：把要加以研究讨论的系统或过程的性能用一数学模拟：把要加以研究讨论的系统或过程的性能用一 个数学模型（数学方程组）描述出来，之后采取某种解个数学模型（数学方程组）描述出来，之后采取某种解 算手段去对数学模型进行求解，从而达到研究的目的。算手段去对数学模型进行求解，从而达到研究的目的。： 建立化工过程系统的数学模型或描述模型并在计算机上建立化工过程系统的数学模型或描述模型并在计算机上 加以体现、试验和分析。加以体现、试验和分析。 2.1 化工过程系统模拟与分析化工过程系统模拟与分析 数学模型或描述模型是指借助有关概念、变量、规则、逻辑关系、数学模型或描述模型是指借助有关概念、变量、规则、逻辑关系、数学表达式、图形和表格等对系统的一般描述。数学表达式、图形和表格等对系统的一般描述。把这种模型转换成计算机上可执行的程序，并给出系统参数、初把这种模型转换成计算机上可执行的程序，并给出系统参数、初始状态和环境条件等输入数据后，便在计算机上进行运算，得出始状态和环境条件等输入数据后，便在计算机上进行运算，得出结果，并提供各种直观形式的输出，还可根据对结果的分析改变结果，并提供各种直观形式的输出，还可根据对结果的分析改变有关参数或系统模型的部分结构，重新进行运算，了解在各种不有关参数或系统模型的部分结构，重新进行运算，了解在各种不同条件下系统的行为和性能。同条件下系统的行为和性能。具体地说，是具体地说，是将系统逐级分解成一系列子系统，根据系统分解原将系统逐级分解成一系列子系统，根据系统分解原理确定系统的解算方法及解算顺序；建立单元数学模型，进行系理确定系统的解算方法及解算顺序；建立单元数学模型，进行系统的稳态模拟计算，乃至动态特性分析；计算系统的可靠性与灵统的稳态模拟计算，乃至动态特性分析；计算系统的可靠性与灵敏度，进行设备设计及成本核算等。敏度，进行设备设计及成本核算等。数学模型数学模型数学模型的基本类型数学模型的基本类型 (1) 按数学模型的建立方法分类按数学模型的建立方法分类 (2) 按对象的时态本质分类按对象的时态本质分类(3) 按过程对象的数学描述方法分类按过程对象的数学描述方法分类(4) 按过程对象的属性分类按过程对象的属性分类数数学学模模型型理论模型理论模型 经验模型经验模型 稳态模型稳态模型动态模型动态模型 集中参数模型集中参数模型 分布参数模型分布参数模型 确定性模型确定性模型 随机性模型随机性模型模糊性模型模糊性模型 用于化工过程系统模拟与分析的应用软件称为化工模拟用于化工过程系统模拟与分析的应用软件称为化工模拟系统系统，它是过程综合的重要手段，也是过程综合的基础。，它是过程综合的重要手段，也是过程综合的基础。要对化工过程系统进行模拟与分析，必须首先要有工作要对化工过程系统进行模拟与分析，必须首先要有工作平台，即性能可靠的平台，即性能可靠的系统模拟软件系统模拟软件，该软件中要包含许，该软件中要包含许多过程单元操作的数学模型，开发这样的系统软件的工多过程单元操作的数学模型，开发这样的系统软件的工作量很大，也是过程模拟与分析的基本和中心工作，其作量很大，也是过程模拟与分析的基本和中心工作，其基本步骤见基本步骤见图图。化工模拟系统化工模拟系统计算结果分析计算结果分析 与实际数据不符与实际数据不符 返返回回各各环环节节明确任务和研究对象明确任务和研究对象 对象的过程机理分析对象的过程机理分析 数据准备数据准备 模型建立模型建立 选择数值计算方法选择数值计算方法 程序编制，上机调试程序编制，上机调试 模型检验模型检验确定模型确定模型 模拟分析模拟分析 符合符合 化工过程系统模拟与分析步骤化工过程系统模拟与分析步骤考虑模拟对象所要求的特性与时间的关系考虑模拟对象所要求的特性与时间的关系 过程模拟过程模拟稳态模拟稳态模拟动态模拟动态模拟在在化工过程系统工程化工过程系统工程中，中，化工过程系统模拟与分析是基础化工过程系统模拟与分析是基础，而且，而且实用化程度最高，无论从学科发展还是从对国民经济发展的作用实用化程度最高，无论从学科发展还是从对国民经济发展的作用角度上看，该专题都占有中心地位。角度上看，该专题都占有中心地位。 化工过程系统工程化工过程系统工程化工过程系统化工过程系统 模拟与分析模拟与分析 （1）稳态过程系统模拟）稳态过程系统模拟稳态模拟是化工过程流程模拟研究中开发最早、应用最普遍的重要技术，包稳态模拟是化工过程流程模拟研究中开发最早、应用最普遍的重要技术，包括物料与能量衡算、设备尺寸与费用计算、过程的技术经济评价等。括物料与能量衡算、设备尺寸与费用计算、过程的技术经济评价等。稳态流程模拟系统分为专用系统和通用系统两大类。稳态流程模拟系统分为专用系统和通用系统两大类。专用流程模拟系统是针专用流程模拟系统是针对某一具体过程开发的，模拟计算效率高，结果准确。通用流程模拟系统具对某一具体过程开发的，模拟计算效率高，结果准确。通用流程模拟系统具有柔性结构，可用于各种工艺过程。有柔性结构，可用于各种工艺过程。一般商品化的流程模拟系统由以下几部分组成：输入、输出系统；单元操作一般商品化的流程模拟系统由以下几部分组成：输入、输出系统；单元操作模块库；物性数据库；数值解算模块库；执行系统。模块库；物性数据库；数值解算模块库；执行系统。目前，国际上最有名的通用流程模拟软件是麻省理工学院目前，国际上最有名的通用流程模拟软件是麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)开发的开发的ASPEN软件软件:Advanced System for Process Engineering国内模拟软件：青岛化工学院的国内模拟软件：青岛化工学院的ECSS（重点是分离过程）；兰州石化研究院、大连理（重点是分离过程）；兰州石化研究院、大连理工大学、华东理工大学联合研制的合成氨流程专用模拟系统：工大学、华东理工大学联合研制的合成氨流程专用模拟系统：Micro SAPROSS （2 2）动态过程系统模拟）动态过程系统模拟 比稳态过程系统模拟晚比稳态过程系统模拟晚1010年左右。年左右。 了解装置经受动态负荷变化的能力及可操作性；了解装置经受动态负荷变化的能力及可操作性； 分析开、停车及外部干扰作用下的动态性能，为装置及其控制系统的分析开、停车及外部干扰作用下的动态性能，为装置及其控制系统的 设计提供依据；设计提供依据； 通过通过仿真仿真计算，在多种控制方案中进行优选；计算，在多种控制方案中进行优选； 用动态模型代替实际装置对操作作出动态响应，开发达到训练目的的用动态模型代替实际装置对操作作出动态响应，开发达到训练目的的 操作人员培训器；操作人员培训器； 用计算机动态模拟手段代替教学实验设备，培养学生实验研究能力。用计算机动态模拟手段代替教学实验设备，培养学生实验研究能力。2.2 化工过程系统综合化工过程系统综合 多目标最优组合问题，多目标最优组合问题，是化工过程系统工程学科的核心内容。是化工过程系统工程学科的核心内容。指：按照规定的系统特性，寻求所需的系统结构及其各子系指：按照规定的系统特性，寻求所需的系统结构及其各子系统的性能，并使系统按规定的目标进行最优组合。统的性能，并使系统按规定的目标进行最优组合。 研究的主要课题有：研究的主要课题有： （1 1）反应路径的综合；）反应路径的综合； （2 2）换热器网络的综合；）换热器网络的综合； （3 3）分离序列的综合；）分离序列的综合； （4 4）反应器网络的综合；）反应器网络的综合； （5 5）全流程的综合；）全流程的综合； （6 6）公用工程系统的综合；）公用工程系统的综合； （7 7）全过程系统能量优化综合。）全过程系统能量优化综合。 2.3 2.3 化工过程系统的操作与控制化工过程系统的操作与控制化工过程系统的操作与控制研究的课题主要有：化工过程系统的操作与控制研究的课题主要有：（1 1）数据的筛选与校正；）数据的筛选与校正；（2 2）过程操作最优化；）过程操作最优化；（3 3）过程监控与故障诊断；）过程监控与故障诊断；（4 4）操作模拟仿真培训系统。）操作模拟仿真培训系统。 2.4 2.4 间歇化工过程系统的设计与操作优化间歇化工过程系统的设计与操作优化英帝国化学公司在英帝国化学公司在19831983年组建了专门的研究组，推出了间歇年组建了专门的研究组，推出了间歇过程设计与操作优化软件过程设计与操作优化软件 Batch MASTERBatch MASTER和和Beyond MASTERBeyond MASTER，可帮助工程师迅速可帮助工程师迅速将实验室中的将实验室中的“配方配方”放大为工厂设备序放大为工厂设备序列及操作时间表。列及操作时间表。我国的研究工作始于廿世纪我国的研究工作始于廿世纪8080年代，天津大学等单位在单产年代，天津大学等单位在单产品间歇过程最优设计及多产品间歇过程最优操作时间表方面品间歇过程最优设计及多产品间歇过程最优操作时间表方面做了大量研究工作。做了大量研究工作。2.5 人工智能技术在化工系统中的应用人工智能技术在化工系统中的应用人工智能的基本问题：知识的获取、知识的表达和知识的处理。人工智能的基本问题：知识的获取、知识的表达和知识的处理。其中其中专家系统专家系统取得的进展最大、应用最广，它是一种基于知识取得的进展最大、应用最广，它是一种基于知识的、用来解决过程综合和过程开发问题的计算机软件，对所面的、用来解决过程综合和过程开发问题的计算机软件，对所面临的复杂问题作出专家水平的结论，也可称为临的复杂问题作出专家水平的结论，也可称为“计算机辅助过计算机辅助过程综合系统程综合系统”。专家系统主要用于推理而不是计算，并具备学习功能。主要解专家系统主要用于推理而不是计算，并具备学习功能。主要解决这样一类的问题：例如在特定的条件下选择什么样的过程系决这样一类的问题：例如在特定的条件下选择什么样的过程系统结构和过程单元，以构造满足要求的过程系统等。统结构和过程单元，以构造满足要求的过程系统等。 专家系统结构示意图专家系统结构示意图 用用 户户 用户接口用户接口 数据库数据库 知识库知识库 推理机推理机 o 主要利用推理规则主要利用推理规则实现推理过程；实现推理过程；o 用于存储事实（指用于存储事实（指的是广泛共有的知识）以及通的是广泛共有的知识）以及通过与用户对话得到的信息；过与用户对话得到的信息；o 存 储 专 家 的 经 验存 储 专 家 的 经 验（即探试性知识或推理规则）。（即探试性知识或推理规则）。 大规模、并行、分布式的处理系统，具有很强的自适应性和自大规模、并行、分布式的处理系统，具有很强的自适应性和自学习功能。按其网络的拓扑结构可分为两大类：无反馈神经网学习功能。按其网络的拓扑结构可分为两大类：无反馈神经网络（典型的为络（典型的为BP网络）和反馈神经网络（典型的为网络）和反馈神经网络（典型的为Hopfield网网络）。两类网络对应两种算法：络）。两类网络对应两种算法：BP算法（误差回传算法）和算法（误差回传算法）和Hop-field算法。算法。 人工神经网络模型是以现场数据或过程模拟计算结果为学人工神经网络模型是以现场数据或过程模拟计算结果为学习样本，通过培训（即训练）而建立起来的。习样本，通过培训（即训练）而建立起来的。目前，目前，人工神经网络模型在化工中的应用很多，例如：过程模人工神经网络模型在化工中的应用很多，例如：过程模拟、成分分析、控制算法、模式识别、故障诊断、过程优化等。拟、成分分析、控制算法、模式识别、故障诊断、过程优化等。（1）经济经济 ：相对于各种规模的试验装置来说，采用数学模型在计算机上进行：相对于各种规模的试验装置来说，采用数学模型在计算机上进行试验，显然投资要少得多，而且更迅速。试验，显然投资要少得多，而且更迅速。（2）适用性广适用性广：可以模拟各种条件，可以在各种条件下进行模拟计算，以获：可以模拟各种条件，可以在各种条件下进行模拟计算，以获得过程的性能信息。得过程的性能信息。（3）互换性强互换性强：可以将各种新的因素（包括新的单元操作）加在系统中，替：可以将各种新的因素（包括新的单元操作）加在系统中，替换旧的因素，加以模拟考核，提供方案的比较，或验证某些假设可否成立。换旧的因素，加以模拟考核，提供方案的比较，或验证某些假设可否成立。（4）信息详尽信息详尽：可以最大限度地将生产过程的有关基础资料和数据关联起来，：可以最大限度地将生产过程的有关基础资料和数据关联起来，加工出这一系统的完备的技术资料。加工出这一系统的完备的技术资料。（5）加大放大倍数加大放大倍数：可以缩短放大试验的进程，减少中间环节，大大缩减新：可以缩短放大试验的进程，减少中间环节，大大缩减新产品、新工艺投产的放大周期（平均由产品、新工艺投产的放大周期（平均由8年以上降为年以上降为3年左右）。如果放大倍年左右）。如果放大倍数小，则需要放大的级数增多，用于过程研究的时间就长，开发周期也长。数小，则需要放大的级数增多，用于过程研究的时间就长，开发周期也长。3.1 数学模拟的优点数学模拟的优点 利用数学模拟的手段能够最大限度地利用大量的理论研究成果来分析复杂的利用数学模拟的手段能够最大限度地利用大量的理论研究成果来分析复杂的实际过程系统。实际过程系统。例如，甲苯歧化反应器由实验室数据直接放大到生产设备，例如，甲苯歧化反应器由实验室数据直接放大到生产设备，放大倍数达到放大倍数达到6000倍；丙烯二聚反应器的放大倍数达到倍；丙烯二聚反应器的放大倍数达到17000倍。倍。兰州石化设计院、大连理工大学化工学院与华东理工大学共同开发完成了合兰州石化设计院、大连理工大学化工学院与华东理工大学共同开发完成了合成氨流程专用模拟系统：成氨流程专用模拟系统：Micro SAPROSS I、II版，其中有的已达到国际先版，其中有的已达到国际先进水平。进水平。大连理工大学化工学院以大连理工大学化工学院以 Micro SAPROSS II 中所开发的中所开发的RPS为系统分析平为系统分析平台，研制开发了两项关于台，研制开发了两项关于低温甲醇洗工艺的专利技术低温甲醇洗工艺的专利技术，经与兰州石化设计院，经与兰州石化设计院合作，现已完成了专利技术工艺软件包与低温甲醇洗工艺扩产合作，现已完成了专利技术工艺软件包与低温甲醇洗工艺扩产10% 工艺软工艺软件包的研制任务。此外，我国某有机合成厂于廿世纪件包的研制任务。此外，我国某有机合成厂于廿世纪70年代引进了西德年产年代引进了西德年产10万吨乙烯水合乙醇装置，在技术消化、吸收的基础上，进行了不少改进，万吨乙烯水合乙醇装置，在技术消化、吸收的基础上，进行了不少改进，取得了明显效果，但能耗仍然很高，大连理工大学化工学院就此装置应用全取得了明显效果，但能耗仍然很高，大连理工大学化工学院就此装置应用全系统系统“能量集成策略能量集成策略”，实现了生产装置的能量优化综合。，实现了生产装置的能量优化综合。：不能将数学模型推广应用到模型建立时的假设不能将数学模型推广应用到模型建立时的假设前提之外，或是超出变量允许的适用范围。前提之外，或是超出变量允许的适用范围。：建立数学模型过程中经常遇到的难题是：如何比较准建立数学模型过程中经常遇到的难题是：如何比较准确地确定模型公式中的各种参数，如组分之间的交互作用系数、化学动力学确地确定模型公式中的各种参数，如组分之间的交互作用系数、化学动力学常数、塔板效率、传质系数等等。这些数据的可靠性如何在很大程度上决定常数、塔板效率、传质系数等等。这些数据的可靠性如何在很大程度上决定了所建数学模型能否真实反应实际工艺过程。了所建数学模型能否真实反应实际工艺过程。：数学问题在计算机上求解能否得以实现，显然数学问题在计算机上求解能否得以实现，显然取决于两个因素：数学方法和计算机本身。取决于两个因素：数学方法和计算机本身。：无论是人们对一些过程机理方面的认识深度，还是化工系：无论是人们对一些过程机理方面的认识深度，还是化工系统工程有关理论研究的进展程度，都势必对数学模拟这种方法的应用范围及统工程有关理论研究的进展程度，都势必对数学模拟这种方法的应用范围及应用效果有决定性的影响。应用效果有决定性的影响。 3.2 数学模拟的限制因素数学模拟的限制因素 4.1 信息流图信息流图 （Information flow diagram） 工艺流程示意图工艺流程示意图 6G 8 F 混合器混合器反应器反应器压缩机压缩机分割器分割器闪闪蒸蒸罐罐10 A31 B E D C 97 2 45，又称为，又称为、，重点表示，重点表示模拟分析中单元之间的模拟分析中单元之间的。用方块表示单元，实质上单元起信息转换作用。用方块表示单元，实质上单元起信息转换作用。 A1 B2 C3 D4 E5 F9 8 7 6 10 G收敛框收敛框 信息流（程）图与工艺流程图的区别：信息流（程）图与工艺流程图的区别： 信息流图用方块图表示，不强调设备外型；信息流图用方块图表示，不强调设备外型； 流程图中没有的设备在信息流图中有时也需要画出来，流程图中没有的设备在信息流图中有时也需要画出来，如分配（割）器、混合器等；如分配（割）器、混合器等； 流程图中有的设备有时可以在信息流图中不画出来，如流程图中有的设备有时可以在信息流图中不画出来，如在进行物料衡算时，冷却器不需要画出来；在进行物料衡算时，冷却器不需要画出来； 模拟时需要作流股断裂（假定初值），相当于加一个模模拟时需要作流股断裂（假定初值），相当于加一个模块，即收敛框（块）。块，即收敛框（块）。收敛框的作用是比较计算值与假设值，并按一定的原则调整收敛框的作用是比较计算值与假设值，并按一定的原则调整假设值。假设值。 上游节点：输入信号上游节点：输入信号下游节点：输出信号下游节点：输出信号 公用工程物流有时可以不关心。公用工程物流有时可以不关心。 着眼于信号之间的联系。着眼于信号之间的联系。 5 流程结构的矩阵表示流程结构的矩阵表示 有了信息流之后，各单元设备及各流股已经数字化，有了信息流之后，各单元设备及各流股已经数字化， 就能用一定形式的矩阵来表示流程的结构。就能用一定形式的矩阵来表示流程的结构。过程矩阵（过程矩阵（process matrix） 关联矩阵（关联矩阵（occurrence matrix） 邻接矩阵（邻接矩阵（adjacency matrix） 5.1 过程矩阵（过程矩阵（process matrix） 在过程矩阵中，在过程矩阵中，行代表单元，列代表流股行代表单元，列代表流股，元素代表进出单元的流股号元素代表进出单元的流股号， 规定输入为规定输入为“+”，输出为，输出为“-”。有关流股的先后次序是任意的。有关流股的先后次序是任意的。 过程矩阵过程矩阵 在过程矩阵中只出现一次的流股必为系统总输入或总输出流股，在过程矩阵中只出现一次的流股必为系统总输入或总输出流股， 例题中的例题中的 “ 1 ”，“ -8 ” 分别代表流程的输入与输出流股。分别代表流程的输入与输出流股。 A 1 10 -2 B 2 -3 C 3 -4 D 4 -5 E 5 -6 -7 F 7 -8 -9 G 9 -10 5.2 关联矩阵（关联矩阵（occurrence matrix） 关联矩阵同样是表示单元与流股之间的关联情况。在矩阵中，关联矩阵同样是表示单元与流股之间的关联情况。在矩阵中，行表示单元行表示单元，列表示流股号列表示流股号。元素表示单元与流股的关联情况元素表示单元与流股的关联情况，输入为，输入为“1”，输出为，输出为“-1”。 关联矩阵关联矩阵 由各列元素值加和所提供的信息，可判别相应流股是系统内部流股，还是系统由各列元素值加和所提供的信息，可判别相应流股是系统内部流股，还是系统的输入输出流股。或根据各列元素情况判别：的输入输出流股。或根据各列元素情况判别：有两个不为有两个不为“0”元素的列代表中元素的列代表中间流股，只有一个不为间流股，只有一个不为“0”元素的列代表输入输出流股，元素的列代表输入输出流股，如如“1”为流程总输入为流程总输入流股，流股，“6”，“8”为流程总输出流股。而如果某列的为流程总输出流股。而如果某列的“+1”、“-1”两个元素排两个元素排列次序为列次序为“+1”出现在出现在“-1”之前，则表示该列流股为再循环流股，如流股之前，则表示该列流股为再循环流股，如流股“10”。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10A 1 -1 1 B 1 -1 C 1 -1D 1 -1 E 1 -1 -1F 1 -1 -1 G 1 -1 5.3 邻接矩阵（邻接矩阵（adjacency matrix） 表示单元之间的关联情况，即是否邻接。邻接矩阵中表示单元之间的关联情况，即是否邻接。邻接矩阵中行、列均代表单元行、列均代表单元，所，所以，一个由以，一个由n个单元组成的流程，其邻接矩阵是一个个单元组成的流程，其邻接矩阵是一个nn阶方阵。其中行代表阶方阵。其中行代表物流流出单元，列代表物流流入单元。物流流出单元，列代表物流流入单元。元素表示各单元之间的关联情况元素表示各单元之间的关联情况行单元的输出为列单元的输入时为行单元的输出为列单元的输入时为“1”，不相联为，不相联为“0”。 邻接矩阵邻接矩阵 这种这种由由“0”，“1”两种元素构成的矩阵称为两种元素构成的矩阵称为布尔矩阵布尔矩阵或或逻辑矩阵逻辑矩阵。邻接矩阵。邻接矩阵虽然比关联矩阵简单，但它只表示了单元之间的关联情况，而没有反映系统虽然比关联矩阵简单，但它只表示了单元之间的关联情况，而没有反映系统的边界信息，即流程的总输入、总输出流股是从哪一个单元流入或流出的。的边界信息，即流程的总输入、总输出流股是从哪一个单元流入或流出的。 A B C D E F GA 1 B 1 C 1D 1 E 1F 1 G 1 6 流程模拟系统流程模拟系统 第一代第一代（19581965）的特点：专用软件，规模小）的特点：专用软件，规模小（15人年，几千行人年，几千行FORTRAN语句）。语句）。软件的使用受到限制，不能用于