化工仿真软件开发

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1、第14章 化工仿真软件开发,14.1 概述14.2 化工仿真软件开发中的几个主要问题14.3 强化传热过程实验仿真软件开发,总目录,14.1 概述,计算机技术和设备的开发成功，促进了计算机技术的多媒体化、智能化 ； 许多具有强大绘图功能的辅助软件的出现，都为计算机辅助教学（CAI）的发展奠定了可靠的基础 ； 开发化工生产实习和化工实验的计算机仿真软件，通过计算机模拟化工生产实习及化工实验 。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.1.1 仿真（定义、数模）,仿真是通过对代替真实物体或系统的模型进行试验和研究，达到探索真实物体或系统规律的一门应用技术科学。 模型是一事物（或过程）

2、的近似代表或其模仿。所说的事物包括概念、实物、过程或复杂系统。相对于模型来说，原事物可称为原型。仿真可分为物理仿真和数学仿真，关键在它所采用得模型。如果采用数学模型，就是数学仿真；反之，则为物理仿真。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.1.1 仿真（定义、数模）,模型有数学模型和物理模型之分 如用风洞试验来模拟飞机在空中的飞行情况的风洞及用冷模试验来研究实际系统的规律的冷模试验设备就是物理模型。物理模型的好处是无需建立复杂的数学模型并求解模型，但缺乏数学模型的灵活性。 所谓数学模型就是将一个实际过程各参数之间的关系及其求解条件用数学方程组来描述。它是实际过程特征的数学描述。

3、,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.1.2 化学化工仿真,化学化工仿真就是化学化工过程的数学仿真，它是以起初的化学化工过程基本规律为依据，建立数学模型后，在计算机上再现该化学化工过程的一种应用技术 。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.1.2 化学化工仿真,优点 ： 提高培训、实验质量和效率； 降低培训、实验成本和时间； 既有真实感又安全可靠； 对新开发的控制方案、优化设计可预先得到调试； 进行现场常规操作、实验，可不受限制。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.1.3 仿真软件开发策略,化工仿真系统软件的开发通常有两种方式 ： 一是应

4、用多媒体合成平台，将多媒体素材有机组装成所要的系统，这一类平台具有代表性的是北大方正的方正奥思（Founder Author）以及Macromedia公司的Authorware ； 二是应用可视化开发语言工具，如Microsoft公司的Visual C+和Visual Basic，以及Borland公司的C+ Builder和Delphi等。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.1.4 化工仿真软件基本要求及功能,对新开发的化学化工仿真软件的基本要求是： 操作系统的运行环境是Windows中文版，或者带有中文平台的Windows英文版 ； 人机界面友好，全部采用标准的Wind

5、ows图形窗口； 图像分辨率高；可实现多任务操作，方便用户使用。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.1.4 化工仿真软件基本要求及功能,实验数据处理,图14-1 化工仿真系统功能结构,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,仿真操作训练：这是化工仿真系统的核心。根据正确的操作步骤，通过鼠标直接操作阀门或仪表等设备，可以完成仿真的全部过程，并依据仿真操作情况给出仿真的操作成绩。 化工数据的读取及数据的处理：在实验装置已处于稳定运行状态下，在相应的仪表上读取原始数据，只有在完整读取数据之后，才可以调用数据处理模块对数据进行处理，并将处理结果以图、表的形式显示出来。,14

6、.1.4 化工仿真软件基本要求及功能,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,思考题测试：在本系统中，将基本实验知识以选择题的形式给出，学生可以选择正确的选项，并对测试进行评分。 帮助系统：在进行仿真操作的过程中，可以充分利用Windows的多任务操作，从完全Windows风格的帮助系统中获得有关实验或生产原理、实验或生产的目的、实验操作步骤或开车停车的过程、数据处理及软件的使用等方面的帮助信息。,14.1.4 化工仿真软件基本要求及功能,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,其它辅助功能：软件可以提供快速信息提示功能，每个化工过程均有众多的设备及仪表，当鼠标在相应设备或仪表

7、上停留一、两秒钟后，就会弹出浮动信息条，提示该设备或仪表的名称及简单的功能介绍。操作者在开始仿真操作之前，可以先采用此方法熟悉化工的流程，提高仿真的操作效率。另外，在仿真操作失误的情况下，通过弹出消息对话框给出警告及信息提示。,14.1.4 化工仿真软件基本要求及功能,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.2 化工仿真软件开发中的几个主要问题,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.2.1 过程建模 14.2.2 界面图形 14.2.3 控制算法 14.2.4 阀门调节 14.2.5 动画效果 14.2.6 帮助系统 14.2.7 考题系统,14.2.1 过程建模

8、,数学模型就是实际化学化工过程的数学描述它规定了化学化工系统的各个参数和变量之间的数学关系，通常表现为一个数学方程组。,实际过程,物理模型,图14-2 模型建立的步骤,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,对于实际过程的合理简化应注意做到以下四点： （1）简化但不失真； （2）简化但能满足应用要求； （3）简化使之能适应当前实验条件，以便于模型鉴别和参数估； （4）简化使这能适应现有的计算机能力。,14.2.1 过程建模,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.2.2 界面图形,任何一个仿真软件，均需要一个图形界面来描述化学化工生产现场或实验现场，然后通过在图形界面上是

9、适当位置设置控件来控制生产或实验过程，从而达到仿真化学化工生产或实验过程的目的。这个图形界面可以通过AutoCAD软件来绘制，该软件是目前较为优秀的CAD软件，主要表现在系统的开放性和实用性。利用AutoCAD软件绘制图形，并将其转化成JPG格式图添加到主程序窗体上即可。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.2.3 控制算法,真实的化学化工过程需要对某些变量进行控制，而控制过程是有一定规律的，最常用的是比例-积分-微分（PID）控制，其数学公式如下：KP是放大系数， TI积分时间， TD微分时间， e是偏差，它是被控变量的设定值和当前实际测量值之间的偏差,（14-1）,总目录

10、,本章目录,14.1,14.2,14.3,仿真软件中，无法直接使用公式（14-1），需要将该公式进行离散化处理，假设采样周期为，则在采样时刻t=k，PID控制的离散化计算公式如下：,14.2.3 控制算法,（14-2）,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.2.4 阀门调节,对于开关式阀门只需通过逻辑变量设置就可以实现 ； 对于需要调节流量大小的阀门，则需要采用VB程序中的垂直滚动条控件Vscrollbar来实现 。在具体应用时，通过点击界面上的阀门图标，系统弹出阀门控制窗口，拖动滚动条上下移动就可以控制阀门的开度进而调节流量 。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3

11、,14.2.5 动画效果,在仿真软件中可以通过二维动画来表示物流的流动,以使仿真软件更加逼真。简单的二维动画可以利用利用VB中的shape控件，利用timer控件触发该控件中的visible、height、top等属性变化，达到二维动画的效果。当然，更为复杂的动画效果可以通过复杂的编程来实现。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.2.6 帮助系统,仿真软件中的帮助系统可以使用CHM格式文件： CHM文件是微软1998年推出的基html文件特性的帮助文件系统，以替代早先的WinHelp帮助系统 被Internet Explorer支持的JavaScript、VBScript、A

12、ctiveX、Java Applet、Flash、html图像文件（GIF、JPEG、PNG）、音频视频文件（AU、MIDI、WAV、AVI）等等，CHM同样支持，并可以通过URL地址与因特网联系在一起。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.2.7 考题系统,一个完善的仿真软件一般会有考题系统，通过考题，检验仿真实习的效果，关于考题系统的开发请参见第13章的内容。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.3 强化传热过程实验仿真软件开发,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.3.1 软件要求及功能 14.3.2 后台数学处理模型 14.3.3 后

13、台逻辑关系设置 14.3.4 软件开发环境设置 14.3.5 软件窗体设置 14.3.6 主要控件开发 14.3.7 软件导入及仿真实验窗体源代码及说明 14.3.8 进一步维护及扩展,14.3.1 软件要求及功能,软件为用户提供了真实、规范的强化传热实验操作，并模拟出过程中冷、热水流量的控制以及换热时温度的变化情况，利用科学合理的数学模型模拟温度的动态变化。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,图14-3 软件功能结构,14.3.1 软件要求及功能,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.3.2 后台数学处理模型,本仿真实验软件中，数学模型是常见的换热器模型。 实验

14、中共有两个不同的换热器，换热器中装有不同的传热强化管。后台数学模型需要解决的问题是当换热器的冷热物流流量（G，W）及进口温度确定（t1，T1）的情况下，算出冷热物流的出口温度（t2，T2），并将该温度进行动态处理，模型示意图见图14-4。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.3.2 后台数学处理模型,图144 换热器模型示意,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.3.2 后台数学处理模型,对于给定的换热器，我们通过实验测量了冷热物流进出口温度及流量，并通过下面方程的计算得到不同工况下的每一个换热器的名义总传热系数（KA/CP），这里假设 ：,总目录,本章目录,

15、14.1,14.2,14.3,14.3.2 后台数学处理模型,（14-3）,（14-4）,（14-5）,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.3.2 后台数学处理模型,将实验测得的数据进行拟合处理，将影响固定换热器名义总传热系数的变量定义为冷热物流流量（G，W）及冷热物流进出口平均温度温度确定（t，T），得到每一个换热器名义总传热系数的拟合公式如下：,（14-6）,利用梯度法确定公式（146）中右边的个拟合系数 。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.3.2 后台数学处理模型,图145 计算程序框架,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.3.2

16、 后台数学处理模型,假设静态模拟后得到共况改变后换热达到稳态时的出口温度为tn，而原来的出口温度为t0，从工况发生变化开始计时，要求在n时刻换热器的出口温度达到稳态温度的99%，即：t(n)99%（tn - t0）+t0 采用下式处理动态变化：式中t() 为时刻的出口温度,（14-7）,（14-8）,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.3.3 后台逻辑关系设置,后台逻辑关系设置依据下面的实验操作要求通过逻辑变量及MsgBox语句来实现。实验操作的要求如下：实验开始前需要将水箱中的水加满，才能打开温度控制仪设定加热温度，水箱中的水到达设定温度后自动保温。此时才可以进行实验的后继工作。,总目录,本章目录,14.1,14.2,14.3,14.3.3 后台逻辑关系设置,打开水泵；打开热水阀门；打开换热器的热水进出口阀门。 打开冷水阀门；打开换热器的冷水进出口阀门。 此后可以改变冷热水的流量进行实验仿真；也可以切换不同的换热器进行仿真实验。 如果要改变热水的进口温度，需要先停止传热实验，重新设定加热温度，待水箱的温度达到要求后按前面的步骤进行操作即可。,