热力系统模块化仿真技术.pdf

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1、重庆大学硕士学位论文1绪论1 绪论1.1国内外相关研究概述1.1.1系统仿真技术及其发展综述 系统仿真技术 现代仿真技术均是在计算机支持下进行的，因此，系统仿真技术也称为计算机仿真技术。所谓系统仿真技术就是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域相关专业技术为基础，以计算机和各种物理设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多 媒体、软件工程、信息处理、自 动控制等多个技术领域的知识 1 系统仿真技术作为一门独立的学科已 经有近 6 0年的历史，不仅应用于航空航天、军事领域，而且在电力、交通运输、通信、化工、核能等领域得到

2、了越来越广泛的应用。系统仿真有三个基本的活动，即系统建模、仿真建模和仿真实验，联系这三个活动的是系统仿真的 三要素，即系统、模型、计算机=。本文将侧重于探讨模型方面。系统仿真的意义在于:1)使系统设计实现最优化。通过仿真对选择的各种总体方案进行比较，以选择合理的系统方案;分析被控对象、元部件的系统动态性能以合理的选择系统结构参数;对初步设计的系统或样机进行数字仿真，或将样机放到仿真回路中，以检查系统性能指标是否满足要求，并进行修改。2)可以节省大量的试验时间、节约大量的试验费用。3)在真实系统上进行试验可能会引起系统破坏或发生故障，利用系统仿真技术进行试验可以 提高系统研制、试验、调试和人员训

3、练过程的安全性。4)需要进行重复性试验时，对真实系统的试验难以保证每次试验的条件相同，因而无法对试验结果进行准确的比较和判断。5)可以预测系统的特性和在非正常情况下的反应，从而为指定控制策略做准备。通过仿真试验可以 确定系统的控制规律，选择合理的 控制参数，并对系统参数进行优化。尤其在非工程领域，可以尽可能地避免直接试验，大大提高了国民经济各部门中的各种中间试验环节的效益和速度。仿真的方法 近十年来对于复杂系统的研究，使得仿真工作从对对象单一的形式化模型及重庆大学硕士学位论文1绪论数字化信息空间的定 量研究发展到对对象建立起定性和定量的结合，形式化模型与认知模型相结合，将人一 信息一 智能集成

4、在一个复杂的信息空间中的定性和定量的研究。同时，由 于近年来信息技术的发展特别是高性能并行处理技术，可视化技术，分步处理技术，多媒体技术，虚拟现实技术的发展，使得建立人一 机一 环境一体化的、分布的、多维信息交互的仿真模型和仿真环境成为可能。从而使得仿真方法有了一些新的发展，形成了一些新的仿真方法研究热点，如:定性仿真方法;面向对象的仿真方法;分布交互仿真方法;人一 机和谐仿真环境建立方法学等3 1 1)定性仿真方法解决在复杂系统仿真中，由于对系统的认识不够或系统不确定性因素多，难以量化的情况。其主要包括模糊仿真方法、基于归纳学习和朴素物理学方法三个方面。在热力系统中主要应用在故障诊断等方面。

5、2)人 机和 谐 仿 真 环 境 包 括三 个方 面:可 视仿真 V i s u a l S i m u l a t io n(V S)、多 媒 体仿 真一 M u lt im e d i a S im u la t i o n(M S)和虚 拟 现实 技 术一 V i rt u a l R e a lit y(V R)o a.多 媒 体 技 术 伽S)己 在电 站仿 真 机上 得到 应用 a 1。亚 洲 仿 真 控制 系 统工 程有限公司、重庆大学、华北电力大学、清华大学等开发的仿真机都应用了 此技术。通过采用计算机多媒体技术，完成系统声响、汽包水位、火焰的模拟，使得仿真机更加接近现场实际，

6、也使用户能更好的在仿真机上感受现场的实际情况。b.虚 拟现实 技 术(V R)又 叫灵 境技 术，是 人一 机和谐仿 真 坏境的 关 键技 术。其创造的仿真环境的基本特征是:沉浸一 交互一 构想。即利用并集成高性能的计算机及各种传感器，在信息空间上创建一个使研究者具有身临其境的沉浸感、完善的交互能力、能帮助和启发构思的仿真环境。到目 前为止，虚拟现实技术主要应用在军事及相关领域，还没有应用在热力系统的相关方面报道。c.可 视仿 真(V S)就 是 将仿真过程中 生 成的 大量数据或 信息，通过可 视化计算适时的变换为直观的图形形式，反映仿真变量在时间和空间变化的过程。这种方法可以使研究人员通过

7、视觉信息掌握变量之间、变量与外部作用之间的关系，可以很直观、直接的了 解对象的静、动态特性。因而，人们有时也称可视化仿真为图形化仿真。d.面向对象的仿真方法是目前为止应用得比较普遍的仿真方法。这里的“面向对象”有两个方面的含义。一个是人们常说的面向对象方法.这是从编程的角度来看，其实质是一种编程方法，其主要特点为继承性、封装、多态等。另一个含义的实质是建模与仿真时面向实际的设备对象。此方法认为客观世界是由各式各样的对象组成，每种对象都有自己的内部状态和运动规律，不同对象间相互作用的联系构成不同的系统。由于这种对象可表示抽象概念，又可表示具体模型、软件或硬件，从而使这种方法为分析、设计到系统实现

8、提供了统一的框架。这也是此方法得重庆大学硕士学位论文1绪论到了普遍认可的原因之一。其关键是系统中对象的划分、对对象数据的操作以及对象之间的联系。本文所说的面向对象方法都是指后一种。仿真的 步骤15 1应用数字计算机进行计算机仿真分为这样几步，见图1.1.1)界定实际系统:确定仿真的对象，目 的和内容。并以此为依据，对所研究的实际系统进行必要的假设、简化、分解或合并，确定系统内具体的组成部分及相互连接关系，确定边界条件和约束条件。2)建立系统的数学模型:将被研究系统用演绎法或实验法抽象出表达式或信息流程图，此过程称为一次建模过程。图1.1仿真的步骤F ig.I P ro c e s s o f

9、S i m u l a t i o n 3)仿真模型的建立:根据系统的特点和仿真的要求选择合适的算法，将数学模型转化成能在计算机上运行的仿真模型，通常把仿真模型称为二次模型。4)模型的运行:在运行仿真模型之前，须对仿真的具体流程进行程序设计，即将仿真模型用计算机能执行的程序来描述，然后在计算机上加载模型求出仿真计算结果。5)仿真实验:根据实际系统中的运行工况，在数字计算机上对仿真模型做相应的仿真试验，来达到仿真设计的目的。6)仿真输出的分析和处理:包括仿真结果的可信度分析，确定是否要做补充试验，仿真结果的存放，编写仿真试验报告等。1.1.2 电站仿真技术的发展概况和发展趋势 电 站仿真技术的发

10、 展概况间 以 数字计算机为核心硬件的电站仿真技术的研究最早可追溯到2 0 世纪5 0 年代，而真正成为一种实用技术应从6 0 年代末7 0 年代初使用培训仿真器算起。随着培训用仿真器在电站中的广泛应用，人们注意到开发仿真软件直接面向工程分析和安全分析是很有前途和价值的。仿真分析软件不仅在加强电站事故前后的安全分析，事故预测和防范方面是重要的，而且有助于解决在电站运行中提出的提高设备的可靠性、可用性和可维护性等课题以及调峰、预测性维修、机组寿命延重庆大学硕士学位论文1绪论长等技术课题。因此，从 2 0世纪 7 0年代开始，工程分析用仿真软件有了很大的发展。各生产仿真器的公司或研究所，己开发出了

11、一批用于工程分析的仿真软件。近年来，由于桌面计算机系统功能的不断提高和加强，多以微机为中心的，用于电站工程分析的功能各异的 仿真工作站不断涌现，相应的专家系统的研制和开发，也有报道。国内工程分析仿真软件的研制起步比国外晚，但也取得了较大的进展。如华北电力大学开发的 S T A R-9 0,清华大学开发的 G N E T等，但是与国外同类软件相比还有一定差距。电站仿真支撑环境的发展 仿真支撑环境是一组软件的集合，这些软件包括了辅助建模、模型调试和运行支撑等系统，通过将它们有机的结合起来，可以在整个系统生命周期内为仿真系统开发者和最终用户提供一个开发和运行环境。随着计算机软硬件发展水平的变化经历了

12、三个不同的发展时期:1)基于U N I X或V M S 操作系 统的 仿真技术 随着不同时期电站仿真机的开发，世界各大公司开发出了各自的支撑环境软件。早期主要的支持软件，是基于多用户、多任务的 U N I X或 V MS操作系统的先进仿真建模软件，它们以数据库管理、进程通讯、内存共享和实时任务调度为手段，建立仿真支持环境，并在仿真环境的支持下实现多层次的建模工具一源代码管理、工程管理、自 动建模工具及仿真培训所需的辅助软件。辅助软件有:指导教师站软 件、就 地操作站软 件等。这一 代仿 真软 件国 外有:美国电 力研究所(E P P I)的MMS,L INK公司的 S 3,A B B公司的 C

13、 E T R A N，加拿大 C A E公司的 R O S E，芬兰V I T研究所开发的用于工业过程建模的A P R O S等。另外，法国、俄罗斯等国家一些公司也相继开发了许多用于火电厂的建模软件。然而，由于受到当时计算机软硬件水平的限制，这些软件图形化不强，有的软件模块难以扩充。2)基于U N I X或V M S 操作系统的图 形化仿真技术 清华大学开 发出了 国内 第一个电 站仿真建模图 形化软件系统 G N E T(G r a p h i cN e tw o r k M o d e lin g S y s t e m)，该 系 统 软 件 基于H P 工 作 站，X图 形 终 端，U

14、N I X 操作系统，用 GC 十 十，X WIND O WS语言混合编程而成。模型程序采用 F O R T R A N语言开发，是我国电站仿真行业中第一个出口的过程系统仿真建模大型软件的主要组成部分，此系统于 1 9%年9月正式交付韩国 使用。清华大学还独立开发了具有自己 版 权的 支 持 软 件“一 体 化 仿真 支持 环 境”-I S S E(I n t e g r a t e d S i m u l a t io n S u p p o rtE n v i r o n m e n t)，它 提供 仿 真开 发的 各 个阶 段，包括图 形化 建 模的 支 持。此外，I S S E提供了一

15、个基于网络通讯的开发接口，以便于第三方软件和 I S S E的通讯。3)基于Win d o w s 操作系统的图形化仿真技术重庆大学硕士学位论文1绪论 近年来，随着微机性能的快速提高以及 Wi n d o w s系统平台的广泛普及，基于此软件支撑平台开发电站仿真系统，可以有效的降低系统开发的费用、增强图形化用户界面的友好性。清华大学在这方面进行得比较早，于 1 9 9 2年就开始了这方面的研究工作，并取得了 一些自 动建模和支撑软件方面的进展。近期研究和开发的基于微机的电站仿真自 动建模软件，己应用到实际的工程项目中。电站仿真技术的发展趋势 一般地，仿真分析被分为三种主要的研究类型:系统设计、

16、系统管理和系统培训。未来的仿 真技术将围 绕基于WE B的仿真、分布交互式仿真以 及基于WE B的交互仿真等研究领域而拓展。过去，WE B在线仿真受到技术条件的限制，未来它将成为主要的发展方向。基于 WE B的仿真将利用高速发展的 I n t e rn e t 为平台，用J a v a语言来开发，实现远程仿真实验。J a v a特有的实时性、多线程、适合分布计算 等 特点，以 及处理图 形图 像、开发A p p l e t 和A p p l i c a t i o n 的 能 力，为 实 现远 程在线培训和远程建模提供了现实的可行性。J a v a还具有开发交互仿真、图形用户界面、交互过程通讯

17、的能力。同时，计算机和通信技术的飞速发展，也给分布仿真技术提供了新的发展机遇和应用前景。虚拟现实技术也是未来电站仿真的一个发展方向。目 前，虚拟现实技术在军事领域应用的比较广泛。其核心是建模与仿真，就是通过建立数学模型对人、物、环境及其相互关系进行本质的描述，在计算机上实现。虚拟技术具有良 好的可控制、可多次重复、安全、经济、节能降 污、不受外界环境限 制等突出 优点7 8 1因此，随着电站规模的不断扩大、复杂度的提高以 及安全要求的提高，虚拟技术应用在电力行业将成为可能。1.2热力系统模型的特点1.2.1热力系统模型的特点 模型的复杂性 热力系统是一个大系统，由 许多性质不同的热力设备组成，

18、十分复杂。比 如热力发电厂在生产过程中，有不同的能量转化形式，有不同性质和不同状态的介质及其不同的流动状态，并同时发生多种化学反应或物理反应，其建模工作比控制系统要复杂。在建立复杂系统的动态模型时，应善于对系统进行合理的分解，如按不同的化学、物理过程，如燃烧、传热、流动、做功等，把系统分成许多子系统，这些子系统也可以按设备的类型来划分。在分解系统时，正确的处理各个子系统之间的关系是十分重要的，因此要正确的选择系统中的状态变量，充分保证信息的传重庆大学硕士学位论文I绪论递按实际过程那样进行。多回路多变量 热力系统一般都是多回路系统，有各种不同的内扰和外扰，有各种不同的控制量和操作量，还有大量的状

19、态量。环节的连接可能是并联的，也可能是串 联的，甚至是交叉的。因此，系统的数学模型，是一个复杂的多元函数组成的数学模型。线性与非线性 发电厂生产过程十分复杂，有些环节是线性的，如汽轮机功率和调节级压力，抽汽量与汽机功率，都可以认为是线性关系。同时，有些环节是非线性的，如工质的流量与压差、转速与油压的关系等都是非线性的，水蒸汽状态参数之间的关系也是非线性的。线性特性可以应用叠加原理，非线性特性则不能叠加，因此必须有效的协调各环节之间的相互关系。分布参数 发电 厂生产过程是一个动力循环，工质状态不仅随工况和环境条件变化，绝大部分参数是三维空间的函 数，具有明显分布参数的特征，如汽轮机内工质流动为三

20、元流动等。时间常数差别悬殊 在发电厂动力循环中，各设备的动态特性不同，其时间常数差异巨大。如果按满足稳定性要求所选择的步长进行仿真，则不仅完成仿真所花费时间 很长，而且由于计算的舍入误差可能会导致仿真失败。这就是所谓“病态系统”问题。一般来说，热力系统就是一个典型的病态系统。例如:汽轮机通流部分各参数的变化、锅炉燃烧的变化均十分迅速，而各种热交换和传热则明显较慢。这些因素的影响，在建模过程中必须认真对待，显而易见，近似的办法虽然能获得简洁的模型，但却可能使精度降低，因此要根据实际情况全面权衡。模型的综合性 要仿真一个发电厂或某一热力系统，除要用到热力学、传热学、流体力学的基本理论和经验公式外，

21、还可能用到燃烧学、系统控制理论和电学等诸多学科的知识。1.2.2建立热力系统模型的总体原则在建立热力系统的数学模型时，总体上应遵循以下一些原则:系统的方框图 系统的方框图是用来指导系统研究的，它是对系统的原则综合。在拟定系统的方框图时，首先要明确建模目的，即建模的指导思想。不同的指导思想，所得环节的多少，方程的数目以及方程的复杂度等都不相同。其次，进行系统的分解。一般重庆大学硕士学位论文I绪论说来，可根据系统中设备的功能、介质的性质及过程的特点把一个系统划分为许多子系统。子系统可以是单个设备，也可以是几个设备的集合。当子系统不再分解时，确定系统的外部边界和内部边界，于是整个系统的框图就形成了。

22、在进行系统的分解时，可以 遵循以下环节:1)按设备的功能和工作特点分解;2)按部件的属性来分解;3)根据系统的响应来确定方程。相关性 系统的模型代表一个实际系统的简化形式，高度概括了系统中变量的相互关系，因此，模型中 应只包括与研究目 的有关的那些信息，无关的信息不仅增加了 模型的复杂性，而且增加了求解的工作量，甚至也增加出错的几率。因此，应该把与研究目的无关的信息剔除。准确性 一个不准确的模型不可能得到正确的研究结果，而准确模型的获得，有赖于对研究对象内部的物理、化学规律的熟悉程度和概括能力。准确性往往与系统的简化和假设条件的正确与否密切相关，这要求我们根据系统的研究目的和研究范围，把握环节

23、的本质属性，才能做到合理的简化，简化的程度应由 系统研究的精度要求来确定。集合性 建立系统的数学模型时，需要进一步考虑的是能否把一些个别的实体组合成更大实体的程度。例如，单独研究汽轮机时，为提高模型的精度，可以 把它划分成进汽部分、调节级、每一级等小实体:而当我们研究电站系统时，汽轮机只是系统中的一个实体，环节就不一定划分太细。因此，在研究系统时，应考虑将某些环节集合处理，从而使模型更为简洁和明确，有利于集中研究某一侧面，突出研究的中系统建模方法模型的建立是一个复杂又费时的过程，对建模技术的研究一直都是系统仿真技 0内心1.术人员研究的重点。建模技术包括两方面的内容:一是建立数学模型;二是建立

24、仿真模型。原则上讲，人们进行仿真试验都需要建立这两种模型:数学模型反映设备的实际物理规律;仿真模型是离散化的、能够供计算机识别和执行的数学模型。然而，每次仿真试验都进行这两步又是烦琐和不必要的，这会浪费大量的人力、物力。如何建立通用的数学模型和仿真模型，以适应不同的仿真任务的需要，国内外重庆大学硕士学位论文1绪论都做了大量的研究，开发了一些应用于热力系统的一体化仿真环境或者图形化建模仿真软件。其中，国内的相关软件都是以国外同类软件为蓝本仿制的，与国外同类软件还有一定的差距。本文在借鉴国外、国内同类软件先进思想的基础上，利用现在的计算机技术，根据热力系统的实际特点，为开发热力系统图形化仿真建模软

25、件的模型部分做了大量的研究和探索。下面先介绍建模方法。1.3.1数学模型建模方法综述 模型论 系统模型的建立是系统仿真的核心问题。系统模型是实际系统或过程在某方面特性的一种表现形式，它能反映出该系统和过程的行为特性。围绕着系统应该具有什么样的模型一 如何建立或获取模型以及所建模型是否真实的反映了实际系统运行特性等问题，人们开展了大量的研究工作，并逐渐形成了系统仿真的基础理论一模型 论9 1.它 概括了 以 下几 个问 题:1)系统模型具有什么样的形式，这很大程度上取决于仿真任务。根据任务不同，模型的形式是多种多样的。比如有物理模型和数学模型之分，非形式模型和形式模型之分等。这里我们讨论的是具有

26、形式描述的数学模型(微分方程、差分方程、代数方 程、传 递函 数、曲 线 及图 表等)。2)系统模型建立要采用什么样的建模方法。目前，系统建模方法主要有两大类，即机理建模和辨识建模，或两者相结合。对于不同的系统，要根据各自的特点采用不同的建模方法。3)模型的有效性验证。一个实际系统的模型建立完成后，是否可信或有效，是否能够真实的反映实际系统的各种动静态特性，还需要进行有效性验证。如果不满足仿真任务要求，还将进行相应的修正，直至正确。此部分在仿真模型建立后才进行。建 模 方 法 l 0 1 1)机理建模 机理建模方法是根据实际系统工作的物理过程的机理，在某种假定条件下，按照相应的理论(质量守恒、

27、能量守 恒、动力学、运动学、热力学、流体力学的基本原 理等)，写出 代 表 其物理过 程的 方程，结合 其边界条件与 初 始条 件，再 采用适当的数学处理方法，来得到能够正确反映对象动静态特性的数学模型。其模型形式有代数方程、微分方程、差分方程、偏微分方程等;系统可以是线性系统、非线性系统，离散系统，分布参数系统等。2)辨识建模 辨识建模方法就是采用系统辨识技术，根据系统实际运行或试验过程中所取得重庆大学硕士学位论文1绪论的输入输出数据，利用各种辨识算法来建立系统的动静态数学模型。近几十年来，系统辨识技术得到了飞速发展。系统辨识有四个方面的主要研究内容:系统辨识的试验设计，系统 模型结构 辨识

28、，系统模型参数辨识(也叫参 数估计)，系统模型验证。近年来，基于模糊集合理论的模糊建模方法、基于神经网络的建模方法和基于模糊神经网络的建模方法等发展十分迅速，并在具有不确定性、非线性等特性的系统的建模方面，得到了十分广泛的应用。模糊神经网络模型则是把神经网络和模糊辨识结合起来建模。本文根据开发此仿真软件的目的一研究热力系统的动态特性，采用机理建模的 方法建立数学模型(数学模型见第2 章)，以 保证模型的精度。1.3.2仿真模型建模方法综述 仿真模型的建立是仿真过程中必不可少又很重要的一个环节。仿真模型建立的好坏直接影响仿真的效果。因此，建立仿真模型时的方法选取就很重要。随着计算机技术的更新换代

29、，仿真建模的方法经历了从直接编程、仿真语言建模、交互式命令建模到图形化建模几个阶段。虽然建模的方法和形式有了很大变化，但从本质上讲，建 模的方法仍主要分为两大类:程序建模和模块化建模1 1 1 1 程序建模 程序建模是直接用程序设计语言或数字仿真语言编制仿真程序模型。它的优点是模型结构紧凑，运算速度快。程序建模对建模人员的要求比 较高，不仅要求其具有丰富的专业知识、数学知识，还要求其有建模、仿真及计算机等多方面的技术;由 于生成的模型是以 程序形式存在，这不便于分析和维护:模型需要经过编译、链接后才能运行，修改调试起来也很不方便。模块化建模1 1 2 1 1 1 3 1 1 1 4 1 1)模

30、块化建模的定义及特点 模块化建模是一个传统而有效的建模方法。它是根据动态大系统建模的一般步骤，将大系统按级别、层次、功能分解成由 若干个基本单元构成的 子系统(这些单元就是 模 块);然后 用 数学 一 物理 分析方 法建立这些 基本 单 元的 数 学 模型，形成 算法库，每个算法对应一类基本单元;最后再根据实际系统的物理过程用这些算法构造出模型。它的优点在于:一旦对某些典型系统或设备建立了 模型，则只要对其中的参数加以 修改即可实现系统的变更，所建模型也适用于数学、物理结构相似的其它系统。这种建模方法与程序建模方法相比有了很大进步，对建模人员的要求大大降低。它建成的模型以模块和变量的形式存在

31、，模块相对独立，每个模块由多个输入、输出和系数组成:模块之间的连接由 模块的输入、输出变量的相互引用形成。重庆大学硕士学位论文1绪论 使用模块 化建模的意 义在于:(1)模块化是通 用化的 基础。模块一 般都具 有相对独立的功能，模块虽然只对功能和接口 规定统一的要求，但使用起来对系统的维修、互 换，提供了 很大的 方便。(2)模块化有助于实 现系列 化。模块 化设计从对一系列功能相同、相近或相关的产品进行功能分析开始，先设计出若干系列模块，再选用这些模块组合成若干个相同、相近或相关的产品系列。因此，这些产品的通用性、适 应性也 更强。(3)模块化 有 助于实 现组合 化。模块化建模方法有别于

32、传递函数法及传统的状态空间法，该方法是通过对大系统的仿真而发展起来的建模方法，它的特点是系统模型是建立在系统物理设备或子系统的基础上，根据该系统的拓扑结构来处理整个系统的状态空间，从而建立系统的模型。模块化方法提供了一种强大的建模思想，归纳起来，其特点有:a按分层结构来组织系统模型，有助于用户理解模型如何组成及各部分之间的相互关系，模型的理解、描述变得更容易。同时降低了建模的复杂性和对用户的要求，模块的简单性和可读性好。b 可重用性好。可根据用户需要将模块参数化.这样构造的模块可重复使用，从而降低了建模成本，大大减少了建模工作量，缩短了 模型研制周期，降低了研制费用。c.可扩充性好。不同的模块

33、可以由不同的建模人员并行开发、不仅可以加快建模速度，还能使建模人员能够致力于各个模块。尤其是常用模块的优化工作。d模型的可靠性高。因为已经建立的所有模块都预先经过校验，而且模块化方法与现代的结构化程序技术的思想一致，从而使软件易于维护。2)模块化建模的关键技术 在对一个系统采用模块化建模技术建立仿真模型时，关键的是如何对系统进行合理的分解。在确定如何分解系统即如何合理的划分模块时主要考虑模块的物理意义完整、数学意义独立、动态特性及模块间相互影响等因素。a模块应完成独立的物理功能，以相互独立的物理设备为对象建模。这样，模块的物理意义明确，便于用户理解，而且可以对每个模块独立地进行仿真分析和校验;

34、b.模块应具有数学独立性，即数学上的相互关联应在模块内部处理。这里的数学独立是相对独立，即单个模块中的方程与边界条件或临近模块一起才构成封闭方程组。c.大系统中的不同动态特性应该分离。但这不是绝对的，要根据具体情况确定。如本文在第3 章所探讨的建模方法就没有进行快、慢特性的分离，而是采用其他的方法来解决。重庆大学硕士学位论文1绪论 d.模块划分必须要使模块的连接过程容易进行。因此，模块必须具有保证它与外界信息交换的一致性的边界或接口。实际上，不同的模块划分方法对仿真精度、仿真结果可信度及仿真时间等都有影响，因 此，在对具体系统进行分解或模块划分时，不能机械地按照以上几条原则进行。建模人员应对系

35、统的物理组成、主要特性及系统的总体构成有全面、充分的掌握和认识。同时，要保证系统具有扩展性，可重用、可修改，为以 后的模块管理和模块使用提供方便。同时，热力系统中压力一 流量和焙一 温变化的快慢差异很大，人们为了解决此问题，在建模时提出了不同的处理方法。典型的有基于流体网络的模块化建模方法。3)基 于 流 体 网 络的 模 块 化 建 模 方 法 1 5 1 16 11 7 1 采用此方法的代表性仿真软件有华北电力大学研制的 S T A R-9 0和清华大学研制的 G N E T。其主要建模思想:整个热力系统是一个流体网络。认为在电站仿真中，关心的只是管系中各个管路连接点处的压力和流量的瞬态特

36、性，而对管路内部流动的详细过程一般并不要求了 解。因此，可以 把一个流体管系考虑为一个流体网络，把流体管系的 传输和瞬变问 题简化成一个只是求流体网络节点的瞬态压力和流量的问题。即用网络分析的观点去研究流体管系的传输和瞬态过程，以避开单纯用流体力学方法解决所遇到的一些困难。在 建 模时，作了 如 下 几 点 说明 1 1 8 1.a.电站热力系统是一个大的流体网络系统，网络的基本构成为网络元，网络元由支路和节点组成。将系统中设备的进口或出口看作是网络的节点，而设备本身则是连接各个节点的支路。节点之间由有向支路连接。支路方向所指的节点称为进点 也称为上游节点;另一个称为出点，也称为下游节点。其中

37、，节点包括内 节点和外节 点(边界点)，支路包 括内 支路和 外支路(边界支 路)。支 路 对应的 设备的 仿真模型称为算法，相应地，设计算法时有四个:外节点算法、内节点算法、支路算法和网络控制算法。形成的网络拓扑结构决定于所模拟的热力系统。外节点算法的功能是将这些边界点的压力作为外节点压力输入到流体网络中，以便参与矩阵运算。内节点算法是计算内节点特性的算法，包括内节点的压力，内节点的容积和内节点的流量。支路算法是用来计算支路特性的算法，无论是内支路还是外支路，都采用同样的算法包括支路的流量、流导系数等参量。网络控制算法是流体网络的标志算法，用来控制流体网络的模型驱动。当支撑系统的模型驱动任务

38、检查到以该算法为依据建立的模型模块时，便检查网络的属性，进行该网络模型的计算。对单相可压缩/不可压缩流体系统的仿真仍是采用集中参数仿真模型，用压力节点(S F P N O D E)和流量(S F F L O W)模块连接的方法实 现。压力节点模块反映了 节点重庆大学硕士学位论文1绪论的质量守恒，流量模块计算各支路的流量，其微分方程采用半隐式欧拉法进行离散求解。当系统结构变化时，通过在线调整节点和支路模块的数量及连接关系，就可完成建模。b.节点具有一定的 容积(容积可以 为零)。节点内的流体处于均匀状态，并可与外界有质量和热量交换。c.支路有一定的长度和截面积，并且作为阻力元件起连接节点的作用。

39、支路内的流体与外界无质量、能量交换，支路内的流体状态参数等于所流出节点内的流体状态参数。它向建模人员提供了一种模块化建模手段，使模型人员不必直接编写程序，而是通过交互命令方式建立、修改和调试模型。但这种交互命令式的建模方式也存在一些不使之处。建模时首先要在图纸上手工绘制模块图，然后再将模块图用交互命令的方式输入计算机。该过程需要大量的键盘操作，而且建模与调试的专用命令不易一记忆。所建成的模型是数据表格形式，模块之间的连接关系不直观，不便于分析和维护。流 体 网 络 仿 真 建 模 方 法 的 特 点 为 1 19 1i2 1.a.将实际设备分为网络模块和设备模块两部份，把节点压力和支路流量置于

40、一个方 程 组中 统一 求 解，焙一 温则 在设 备模 块中 求 解(S T A R-9 0)或 所有 参数均 在网 络模块中 求解，设 备模块 仅提供网 络模 块所需的 输入参数(G N E T)。采用矩阵方法求解非线性方程组。b.流体网络模型采用快、慢特性分开求解来克服非线性方程组的“病态”问题。c用流体网络方法建立的模型计算收敛速度快.可以 快速响应压力的变化。然而，基于流体网络的模块化建模方法并不是完全的面向 对象的建模方法。因为在建模时将实际设备分成两部分，破坏了模块的物理意义完整性。同时，由于模块数的增多，增加了所形成的拓扑结构的复杂性和拓扑识别的难度，给用户的理解造成了一定的困难

41、。另外，采用流体网络方法主要是要解决仿真的实时性问题。如果要求仿真的精度较高，则可采用其它方法。下面介绍另外一种面向对象的模块化建模方法。4)面向 对 象的 模 块 化 建 模 方 法 16 112 1 11 2 2 11 2 3 1 应用此方法的代表性软件主要是美国电力研究所的模块化建模系统 M M S(M o d u l a r M o d e l i n g S y s t e m).M M S 是 美国 电 力 研究院E P R I 归e c t r i c P o w e r R e s e a r c hI n s t i t u t e)于1 9 7 8 年8 月 立 项开发，并

42、由 法马 通技 术公司(F r a m a t o m e T e c h n o l o g i e s)发展更新的电站系统图形建模的仿真软件。MMS 没有将压力流量通道分离出来作为独立的网络计算模块，而是将它们分重庆大学硕士学位论文1绪论隔在各自的设备模块中求解。保证了模块物理意义的完整性。由于流体网络特性的影响，为保证模块连接时不出现矛盾和错误，MMS将所有含有流体网络特性的设备模块分类并规定了它们的连接规范，同时设置了一个假想模块以解决兼容性和模块之间的数据传递问题。用户只要将系统的物理参数和运行参数在图形建模的时候输入，并按系统的要求将各设备连接起来，这样M MS系统将自 动参数化生

43、成模型中需要的参数，并生成连续系统仿真语言A C S L源程序，用户将A C S L源程序翻译成 F O R T R A N源程序，然后再生成执行文件。将模型和试验分离开来，用户要改变系统的参数和做仿真试验，只需改变文本命令文件，无需修改源程序。M M S 的特点:a.采用高级连续系统仿真语言A C S L E2 4 1(A d v a n c e d C o n t in u o u s S im u l a ti o nL a n g u a g e)作为 支 撑 语言。A C S L 基于F O R T R A N，适用 于 模 拟 和计 算非 线性 微分方程组所描述的连续系统特性。也兼

44、容 F O R T R A N，可以调用 F O R T R A N 中的所有库函数或子程序。最重要的是，A C S L提供了一种类似于 F O R T R A N 子程序的宏(M A C R O)语言，但比F O R T R A N子程序更灵活。被定义的M A C R O块，既可以 象F O R T R A N 中的子程序一样被调用，也可以象函数程序一样作为表达式的分量使用。b.既可以批处理式的运行模型，也可交互式的运行模型并且在终端设备上以图形或数据方式在线显示其中间结果或最终结果。c.提供大量的运算符和运行命令。d.自 动参数化、自 动生成模型源程序和试验框架文件。e.自 动生成新变量，

45、通过生成的新变量来进行模块之间的信息传递.因 此M M S己 经成为全世界 在电 站仿真领域比 较流行的仿真软件，深受用户的好评。但是，MM S是国外公司开发的具有知识产权的仿真专业软件，其购买费用昂贵。同时，软件的仿真语言A C S L、模型，甚至 F O R T R A N语言都在不停的升级换代，升级费用也较贵。另外，MMS的开放性不好，用户不方便也不容易添加、删除模块等。这些都严重限制了MMS 在国内的推广和使用。因此，在理解、消化国内外同类仿真软件的基础上，利用现有的计算机技术，克服现有软件的不足，借鉴原有的特色，研制出具有自 主知识产权、更直观、简洁、更具开放性、方便用户的可视化仿真

46、软件很有必要。1.3.3本文的模块划分原则根据上一节所述，本文以电站热力系统的实际基本设备作为模块的基本单位。这样划分是比较合理的。因为:重庆大学硕十学位论文1绪论 在电厂中，不同容量机组的热力系统结构是不相同的，即使相同容量机组的热力系统结构也有可能不相同。因此，不能以子系统作为模块的基本单位;我们对热力系统进行仿真，所关心和研究的只是整个系统的特性，并不研究设备特性和设备结构之间的关系。因此，也不需要将设备的零部件作为模块的基本单位。不同系统中同类设备的基本工作原理相同，工作过程一样，只是物理结构尺寸、运行参数不同，可以将这些设备做成一类通用的模块。这样就使得模块的通用性成为可能。同时，可

47、减少模块库中的模块数量，便于管理，也降低了 对存储空间的要求。每个模块在物理概念上完全独立，在数学模型上相对独立。这里所说的相对独立是指对单个模块进行仿真时，需要添加物理边界模块，即模块的微分方程或方程组在数学上不封闭，在物理上是封闭的。1.4本文的主要工作 本文工作是热力系统可视化仿真软件的一部分。软件组成可以由图1.2 简单表示。开发此软件的目的就是将所有与仿真活动有关的软件支持系统及分析工具集中在一起，用一个总体的管理程序有机的协调和支配这些软件及工具的使用，即建立一个一体化仿真环境。同时，完全独立于己有的仿真语言，开发出具有自 主知识产权的仿真软件。开发出的仿真软件可以用于以 下方面:

48、控制系统的设计和调整;对象性能的改善诊断;运行过程评估;电厂部件的选择，规范化及一体化;机组试运行和改型的分析和预测;电厂安全性分析的最优评估;电厂仿真培训台的合格考查。软件采用自 顶向下的分层结构，由软件管理系统直接管理下层子系统，而子系统又分别有自己的多层子系统，整个系统呈树状结构。其基础是模型库和算法库，模型库就是经过验证的、能正确反应物理部件物理规律的模块的集合;算法库则提供各种仿真任务所需的积分算法。模型库模块库应能很方便的访问、扩充甚至修改;模块应具有通用性、可扩充性、可修改、可移植性以及能在通用的硬件和软件环境下运行。本文主要工作就是模型库部分及算法库部分的开发。即建立电站热力系

49、统数学模型 见第2 章)和仿真模型(见第 3 章)，设计通用的G E A R算法。同时，由重庆大学硕士学位论文1绪论于模型验证工作需要，编写自 动生成变量功能子程序，实现大矩阵的自动生成。仿真软件管理系统帮助系统模块库管理分析系统仿真运行模型生成系统，一水蒸汽性质计算数据库算法库模块库 生成源程序自动生成变量 自动参数化图形建模 图1.2仿真软件组成框图F i g.1.2 T h e S t r u c t u r e o f S i m u l a t i o n S o f t w a r e重庆大学硕士学位论文2数学模型设计2 数学模型设计2.1建模的总体思路 一般说来，建立数学模型就是

50、写出反映系统或设备部件运动规律和特性的变量之间的关系式。对仿真来说，还需要仿真的输入及为关系式提供必要的数据。对系统提供一个精确的和有效的分析，而不在于去详细地分析某一部件的内部工作情况。因此只需要用尽可能少的节点来模拟有意义的部件或系统动态特性。另外，热力系统绝大部分参数都是三维空间的函数，具有明显的分布参数的特点。同时，在动态过程中，系统的参数还要随时间变化。因此，描述系统内部的动态特性就必须用偏微分方程。这样一个分布参数系统的数学模型显然十分复杂，若不进行适当的近似和简化将变得无法求解。建立电站部件数学模型的方法通常是对偏微分形式的守恒方程采用一些简化假设而得到一组可解的微分方程组。因此