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化工系统图形化建模仿真平台的设计与开发

作　者: 王双剑
导　师: 楚纪正
学　校: 北京化工大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 建模仿真平台化工系统图形化 Hammerstein模型新型神经动力学
分类号: TQ019
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 65次
引　用: 2次
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内容摘要

化工系统模型对于研究系统的动态特性、控制和安全性能评价、操作人员培训等均有重要作用。然而，由于化工对象是复杂的物质、能量和信息系统，其模型构建需要精深的专业知识和娴熟的软件设计与实现能力，是制约仿真器开发质量和速度的瓶颈。本文针对这一问题，开展了以下工作：（1）建立了化工系统动态建模的基本单元的模型库。该模型库基于严格的化学工程原理，采用流、积表达方法，采用统一的接口标准，具有良好的可组装性。主要内容：物质系统性质计算模块、石油系统特征化模块、化工基本单元操作模块（管道、泵、压缩机、容器、精馏塔、换热器、闪蒸分离、调节器、逻辑控制单元等）。（2）推导了多输入多输出Hammerstein模型的矩阵格式，提出了改进的新型神经动力学算法辨识模型参数。为了弥补机理建模在实际应用中的不足，本文推导了多输入多输出Hammerstein模型的矩阵格式，并提出了一种改进的新型神经动力学算法。应用此算法，可同时辨识出Hammerstein模型的多组未知参数，求解精度高，收敛速度快。文章对改进的新型神经动力学算法进行了参数的收敛性分析。之后，本文推导了基于Hammerstein模型的混合模型，并利用其建立实际模型与机理模型之间的偏差模型，具有很好的补偿效果。（3）提出了平台建设的六层结构，并构建了平台。系统分析了化工系统建模和仿真的需求，根据对平台建设的研究和通用型分析，总结了平台的六大层次：运行层、工艺流程层、设备连接层、模型连接层、过程控制层、物理属性层。并根据此六层层次，设计并软件实现了化工建模与仿真平台。平台在图形化的前提下，包含了建模功能和仿真功能。建模平台满足图形化建模、初始化、属性编辑、数据存储等。仿真平台主要包含指导员、流程运行、仪表数据显示等。（4）将本文建立的平台应用于建设常减压初馏系统和常压系统的流程模型，实际验证了平台的有效性。实践表明，该平台建模时间短，建模方便、门槛低、用户不必集成很多的化工知识，即可构建流程模型并仿真，具有可重用以及广泛通用性等。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-16
符号说明  16-17
第一章绪论  17-23
  1.1 本文研究的背景与意义  17-18
  1.2 文献综述  18-20
  1.3 本文的研究内容、组织结构及主要创新点  20-23
第二章化工系统模块化建模方法  23-43
  2.1 引言  23-24
  2.2 石油物系特征化  24-27
    2.2.1 原油的馏分分布  24-25
    2.2.2 原油的假组分划分  25
    2.2.3 假组分物质性质  25-27
  2.3 机理建模方法  27-34
    2.3.1 流程的表达  27
    2.3.2 适合仿真需求的物质基本性质计算方法  27-29
    2.3.3 适合仿真需求的汽液相平衡描述  29
    2.3.4 适合仿真需求的精馏塔板简化描述  29-33
    2.3.5 适合仿真需求的精馏塔简化动态模型的构造方法  33
    2.3.6 压力-流量网络的计算方法  33-34
    2.3.7 物质性质计算  34
    2.3.8 模块化流程状态  34
  2.4 Hammerstein模型建模方法  34-39
    2.4.1 模型格式  34-37
    2.4.2 新型神经动力学方法辨识模型  37-39
  2.5 混合模型结构及建模方法  39-41
  2.6 本章小结  41-43
第三章平台的总体结构及设计  43-49
  3.1 引言  43
  3.2 层次结构  43-46
    3.2.1 运行层  44
    3.2.2 工艺流程层  44-45
    3.2.3 设备模型层  45-46
    3.2.4 模型连接层  46
    3.2.5 过程控制层  46
    3.2.6 物理属性层  46
  3.3 面向对象的设计  46-47
  3.4 功能介绍  47-48
  3.5 本章小结  48-49
第四章平台的实现  49-65
  4.1 引言  49
  4.2 平台界面的实现  49-51
  4.3 建模功能的实现  51-61
    4.3.1 组态功能的实现  51-60
      4.3.1.1 模块编辑的实现  52-58
      4.3.1.2 连线编辑的实现  58-60
    4.3.2 数据存储、加载功能的实现  60-61
  4.4 仿真功能的实现  61-64
    4.4.1 流程运行功能的实现  61-62
    4.4.2 趋势图显示功能的实现  62-64
    4.4.3 模块属性页面数据更新的实现  64
  4.5 本章小结  64-65
第五章初馏系统在平台中的实现  65-79
  5.1 引言  65
  5.2 初馏系统的工艺流程  65-67
  5.3 初馏系统的仿真设计  67-71
  5.4 初馏系统仿真的平台实现  71-78
  5.5 本章小结  78-79
第六章常压塔系统在平台中的实现  79-87
  6.1 引言  79
  6.2 常压系统的工艺流程  79-81
  6.3 常压系统的仿真设计  81-83
  6.4 常压系统仿真的平台实现  83-85
  6.5 本章小结  85-87
第七章结论及展望  87-89
  7.1 结论  87-88
  7.2 工作展望  88-89
参考文献  89-93
致谢  93-95
研究成果及发表的学术论文  95-97
作者和导师简介  97-98
硕上研究生学位论文答辩委员会决议书  98-99

化工系统图形化建模仿真平台的设计与开发

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