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1、化工过程模拟与仿真1.仿真与模拟 所谓仿真就是建立系统的模型（数学模型、物理效应模型或数学-物理效应模型），并在模型上进行实验和研究一个存在的或设计中的系统。这里的系统包括技术系统，如土木、机械、电子、水力、声学、热学等，也包括社会、经济、生态、生物和管理系统等非技术系统。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的迅猛发展，则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。 模拟，即是外形仿真、操作仿真、视觉感受仿真，使用真实
2、的汽车模型或其他等比例的飞机、飞船等模型作为参与者的操控平台，利用VR技术（虚拟现 实技术），通过实际操作，使参与者有身临其境的切身体会。以汽车驾驶为例，在车体内辅以方向盘、档位装置和油门踏板、刹车踏板等输入装置作为参与者对车辆 控制的界面，能够控制虚拟的车辆在视景中形式，并且车辆的运动在一定程度上符合真实车辆的运动。在车体模型前放置大屏幕，利用单通道或多通道技术装置在车 体模型前形成尽量大的视景，作为车辆控制的视觉回馈。在车内相应位置安装速度表，转速表等装置作为车辆行驶信息的反馈，参与者看到较为真实的虚拟道路景象。同时，在车内配以音响装置，作为操作中汽车发动机及路面噪声、空气噪声的回馈装置，
3、给予参与者操控的声音回馈。2.仿真模拟技术的三大组成部分对一个工程技术系统进行模拟仿真，包括了建立模型、实验求解和结果分析三个主要步骤。2.1建立系统数学模型模拟仿真是一基于模型的活动，是用模型模拟来代替真实系统进行实验和研究。因此，首先就要对待仿真的问题进行定量描述，这就是建立系统的数学模型。 模型是对真实世界的模仿，真实世界是五彩缤纷的，因此模型也是千姿百态的； 根据模型中是否包含随机因素，可分为随机型和确定型模型。根据模型是否具有时变性，可分为动态模型和静态模型。根据模型参数是否在空间连续变化，可分为分布参数模型和集中参数模型。根据模型参数是否随时间连续变化，可分为连续系统模型和离散系统
4、模型。根据模型的数学描述形式，又可分为常微分方程、偏微分方程、差分方程、离散事件模型等。 对于上述不同类型的模型，这里不作深入的论述，只讨论建立系统数学模型中的几个共性问题。 1）建模的过程是一个信息处理的过程，换而言之，信息是构造模型的“原材料”，根据建模所用的不同类型“原材料”可将建模方法归为两类： 一类是演绎法建模，即利用先验的技术信息建模。其过程是：从某些前提、假设、原理和规则出发，通过数学逻辑推导来建立模型。因此，这是一个从一般到特殊的过程，即根据普遍的技术原理推导出被仿真对象的特殊描述。 另一类是归纳法建模，即利用对真实系统的试验数据信息建模。其过程是：通过对真实系统的测试获 得数
5、据，这些数据中包含着能反映真实系统本质的信息，然后通过数据处理的方法，从中得出对真实系统规律性的描述，例如大家熟知的最小二乘回归模型等。这是 一个从特殊到一般的过程。 但是实际应用中，常常是通过上述两类方法的结合完成模型的建立，即混合法建模。 不管用哪种方法建模，其关键都在于真实系统的了解程度。如果对真实系统没有充分的和正确的了解，那么所建的模型将不能准确地模仿出真实系统的本质。 2）模型的可信度。既然模型是对真实系统的模仿，那么就有一个模仿得像不像的问题，这就是模型的相似度、精度的可信度的问题。 模型的可信度取决于建模所用的信息“原材料”（先验知识、试验数据）是否正确完备，还取决于所用建模方
6、法（演绎、归纳）是否合理、严密。此外，对于许多仿真 软件来说，还要将数学模型转化为仿真算法所能处理的仿真模型。因此，这里还有一个模型的转换精度问题。建模中任何一个环节的失误，都会影响模型的可信度。 为此，在模型建立好以后，对模型进行可信度检验是不可缺少的重要步骤。检验模型呆信度的方法通常是：首先由熟悉被仿真系统的专家对模型作分析评估，然后对建模所用数据进行统计分析，最后对模型进行试运行，将初步仿真结果与估计结果相比较。2.2仿真计算 仿真计算是对所建立的仿真模型进行数值实验和求解的过程，不同的模型有不同的求解方法。例如：对于连续系统，通常用常微分方程、传递函数，甚至偏微分方程对 其进行描述。由
7、于要得到这些方程的解析解几乎是不可能的，所以总是采用数值解法，如：对于常微分方程主要采用各种数值积分法，对于偏微分方程则采用有限差 分法、特征法、蒙特卡罗法或有限元方法等。 又例如：对于离散事件系统，通常采用概率模型，其仿真过程实际上是一个数值实验的过程，而这些参数又必须符合一定的概率分布规律。对于不同类型的离散事件系统（如随机服务系统、随机库存系统、随机网络计划等）有不同的仿真方法。 随着被仿真对象复杂程度的提高和对仿真实时性的迫切要求，研究新的仿真算法一直是一项重要的任务，特别是研究各种并行的仿真算法。2.3仿真结果的分析要想通过模拟仿真得出正确、有效地结论，必须对仿真结果进行科学的分析。
8、早期的仿真软件都是以大量数据的形式输出仿真的结果，因此有必要对仿真结果数据进行 整理，进行各种统计分析，以得到科学的结论。现代仿真软件广泛采用了可视化技术，通过图形、图表，甚至动画生动逼真地显示出被仿真对象的各种状态，使模拟 仿真的输出信息更加丰富、更加详尽、更加有利于对仿真结果的科学分析。 3.1 仿真与模拟在科研领域的应用 在仿真与模拟的过程中可以运用用MCGS软件开发的监控系统具有结构简单，成本低，容易维护等优点，扩展性强，即可通过某些软硬件的扩充，实现多个参数的检测和控制。利用MCGS可以开发过程控制系统软件，在实验室用相关过程控制实验设备，来模拟化工过程。国内已经有了利用MCGS软件
9、开发的一系列解决不同问题的研究：学者任雯在她的研究方向基于MCGS的工业过程控制系统的开发与应用在锅炉内胆液位控制系统中，采用MCGS组态软件，实现了预定的目标。本系统成功运行, 调试和各种参数的整定极为方便, 极大地提高了参数整定过程和工作效率。要维持系统高质量的运行,除具有良好的硬件设备外, 还必须具备可靠、实用的系统软件及最佳控制参数, MCGS 组态软件以其优异的特性在锅炉内胆液位控制系统中获得了成功的应用。该锅炉内胆液位控制系统具有结构简单、成本低、性能稳定等优点, 同时可方便地通过硬、软件的扩充, 实现锅炉的温度、流量等控制, 即扩展性强。该锅炉控制系统的成功设计对提高工业现场锅炉
10、房的微机化自动控制具有一定的参考价值, 值得推广和应用2。MCGS软件在废水处理控制系统中的应用，唐辉，李迪，叶峰等学者研究了该软件在废水处理过程控制系统中的应用。通过检测出水cod和进水cod，来判断污水处理效果。在该实验中，MCGS组态软件提供了一个很好的界面，动态的画面，方便的检测控制。为工业生产中，大规模采用该软件提供了理论基础3。山西农业大学刘振宇学者也做了相关的研究，在液位控制系统中利用mcgs组态软件开发三位水箱的控制，实现了对液位精确控制，实时在线控制，达到了良好的控制效果4。MCGS软件在实验室教学中也相应的进行了开发。在西南石油大学的李丹学者等发表了它的研究成果。在MCGS
11、软件在控制实验室建设中的应用，简要介绍了该软件在过程装备与控制系统中的应用，阐明了MCGS软件在监控开发系统的过程。得出了软件具有界面友好，便于监控，扩充性好5。4.化工流程模拟化工流程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程，因此流程模拟的第一步就是要在计算机上建立需要模拟的流程。在这个过程中，用户需要根据需要模拟的实际过程，选择合适的模型去描述每一个单元操作过程；根据实际流程中的物流走向将单元操作的模块连接起来，形成完整的模拟所需要的工艺流程。MCGS软件给用户提供了交互式图形界面用于流程的定义，同时还提供了多种单元操作的模型库可供用户选择。用户只需在模型库中选择所需的模型，并在流程图窗口
12、绘制整个流程图就可以完成流程的建立。同时还可以根据需要在该窗口中对建立的流程进行修改。（1）打开MCGS组态界面，新建工程项目；进行设备配置，实现计算机与智能输入输出模块之间的通讯；在实时数据库窗口建立新的数据库文件,要求与设备要求的数据库一致；制作图形画面, 在用户窗口实现。主要用于设置工程中人机交互的界面, 诸如: 生成水位变化的动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等；主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口, 负责调度和管理这些窗口；定义动画链接。（2）组态完成后，点击检查按钮，如无误差，进入运行界面。如图4-2，用MCGS组态软件来开发的液位控制实验，很好得模拟了化工生产过程中的
13、模型。它充分利用了Windows 图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业过程控制系统具有通用性，在自动化领域有着广泛的应用。MCGS采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，以窗口为单位，构造用户系统的图形界面，使得MCGS组态工作既简单直观又灵活多变。该软件是真正的32位应用系统，充分利用32位Windows操作平台的任务、按优先级分时操作的功能，具有实时性强、良好的并行处理能力。MCGS以图像、图符、报表、曲线等多种形式，图形大小的变化，颜色的改变，明暗的闪烁，图形的移动翻转等多种手段增强显示画面的动态效果。MCGS还具有开放式结构
14、，广泛的数据获取和强大的数据处理功能、完善的安全机制、强大的网络功能 、多样化的报警功能，实时数据库为用户分布组态提供极大的方便。用户使用MCGS软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，配置出高性能、高可靠性和高度专业化地工业控制监控系统。该软件的种种特点和功能决定了，它在自动化控制领域里面有广泛的应用。参考文献1 孙红先.赵听友.蔡冠 化工模拟软件的开发 期刊论文 -计算机与应用化学2007(9) 2吴志民.冯权莉.顾丽莉 化学公模拟及应用评述期刊论文 -云南化工2006(4) 3 李玉刚;胡仰栋;韩方煜 基于类库的化工过程模拟软件的系统设计 期刊论文 -计算机与应用化学2000(05) 4 刘振宇.基于MCGS组态软件开发水位控制系统的研究J.山西农业大学学报，2005（3）：85-875 胡仰栋;郑世清;李玉刚 数据驱动的集成化工过程系统 1996(03)
