空分装备放大设计的半实物仿真方法

摘要

本发明公开了一种装备放大设计的半实物仿真方法。根据空分装备放大设计要求，建立系统物理-数学混合的关联仿真模型；数字模型描述系统内部变量之间的关系，建立装备子系统模型；物理模型根据相似的物理效应，搭建物理仿真试验平台；其中，装备中静态的物理模型通过比例放大获取物理效应，动态的物理模型通过数据采集获取物理效应；对数字模型与物理模型进行层次递归，通过调整系统参数获得满足装备放大设计的半实物仿真方法。本发明针对装备放大设计中难以实现数字设计与物理实验相互融合的问题，提出了数字仿真、物理仿真相结合的半实物仿真方法，具有经济、灵活和逼真度高的特点。

权利要求

1.一种空分装备放大设计的半实物仿真方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

1.1）根据空分装备放大设计要求，建立系统物理-数学混合的关联仿真模型，物理-数学混合的仿真接口是将不同格式的数字信息进行转换，物理-数学仿真软件在回路中要求实时运行；

1.2）数字模型描述系统内部变量之间的关系，建立装备子系统模型，包括概念模型和正规模型；其中，概念模型通过流程进行描述，正规模型通过符号和数学方程式进行描述；

1.3）物理模型根据相似的物理效应，搭建物理仿真试验平台；其中，装备中静态的物理模型通过比例放大获取物理效应，动态的物理模型通过数据采集获取物理效应；

1.4）对数字模型与物理模型进行层次递归，通过调整系统参数获得满足装备放大设计的半实物仿真方法；

所述的建立系统物理-数学混合的关联仿真模型过程中，由于非线性因素和随机因素的影响，若干子系统或部件很难建立准确的数学模型，而且纯数学仿真难以取得理想效果；

因此，在半实物仿真中，将不易建模的部分以物理模型代之参与仿真试验，从而避免建模的困难。

2.根据权利要求1所述的一种空分装备放大设计的半实物仿真方法，其特征在于：所述的半实物仿真方法，是通过物理实验的测试，检验系统数学模型的正确性和数学仿真结果的准确性；利用半实物仿真检验系统的物理模型的性能指标及可靠性，调整系统参数。

3.根据权利要求1所述的一种空分装备放大设计的半实物仿真方法，其特征在于，所述的物理模型根据相似的物理效应，搭建物理仿真试验平台的方法：

3.1）对大型空分装备按照功能相似规则进行分类，获得多个子系统，得到每一个子系统的性能参数集；

3.2）对各子系统建立组合相似模块，并进行综合补偿处理，形成组合相似方法，以适应不同模态和不同情况的要求；

3.3）对动态物理模型采用坐标变换方法，用于描述系统状态的数学模型中，解算出空气压缩机和透平膨胀机的转动的旋转方程，随着结构形式、测量器件的安装方式、工作原理不同，驱动装备动态模型的角度需作相应的坐标变换；

3.4）静态物理模型受力环境复杂，包括运动体的空气动力学环境和力学环境敏感器件，因此，通过加载器来实现。

4.根据权利要求1所述的一种空分装备放大设计的半实物仿真方法，其特征在于，所述的半实物仿真方法具有实时性：

4.1）超大型空分装备系统级仿真由物理仿真模型A和数字仿真模型B两部分组成，在物理仿真模型仿真过程中，物理仿真模型A通过试验验证，反求出数学模型，用计算机的数字处理过程来代替；

4.2）计算机处理物理仿真模型A，输入是z，输出是y，经过采样系统和A/D转换，对于任意一组输入值zn，通过计算机数字处理物理仿真模型A的计算得到相应的输出值yn；

4.3）数字仿真模型B接受物理仿真模型A的输出y，并输出z ；

4.4）计算机数字处理物理仿真模型A必须在数字仿真模型B同步的条件下获取动态输出信号，并实时地产生动态输出响应；

4.5）经过4.1）~4.4）步骤的处理，仿真模型的输入和输出具有固定采用周期的数值序列；

4.6）在数字处理物理仿真模型A满足系统各项功能要求的情况下，对于任意特定的输入z，响应时间都满足系统所要求的时间限制，获得实时数字仿真过程。

说明书

空分装备放大设计的半实物仿真方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种空分装备设计与仿真方法，尤其是涉及一种空分装备放大设计的半实物仿真方法。

背景技术

[0002] 空分装备放大设计作为一种产品设计方法，在保证装备整体性能的条件下，根据系统环境相似原则，对零部件进行综合参量比例放大，形成满足功能需求的装备设计。在装备放大设计中，以物理模型的试验数据作为输入，对相似模型进行比例放大，输出数学模型。对空分企业而言，放大设计可以为大型、超大型空分装备的设计提供依据，缩短装备研发时间，降低装备开发设计成本，产品放大设计理念在化学工程领域得到了广泛采纳，并将在未来的计算机软硬件、电子产业、机械设计等领域得到了重要的应用。

[0003] 目前，国内工业气体市场需求迅速扩大使我国的大中型空分设备及配套装备得到了迅速的发展和广泛的应用。空分装置向大型化、低能耗、高自动化、模块化发展是未来发展的趋势，而且单体空分装置规模会越来越大。但超大型空分装备的设计是建立在原有小、中型空分装备的基础上，如何对空分装备进行放大设计，是需要系统仿真技术的支持的。系统仿真分为物理仿真、数学仿真和半实物仿真，其中，半实物仿真将不易建模的部分通过相似的物理效应参与仿真试验，从而避免数学仿真中建模的困难，同时具有经济性和灵活性。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种空分装备放大设计的半实物仿真方法，通过对装备进行分层相结合的数学仿真和物理仿真，对零部件进行综合参量比例放大，形成满足功能需求的装备设计。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用技术方案是：

[0006] 1、一种空分装备放大设计的半实物仿真方法，该方法的步骤如下：

[0007] 1.1）根据空分装备放大设计要求，建立系统物理-数学混合的关联仿真模型，物理-数学混合的仿真接口是将不同格式的数字信息进行转换，物理-数学仿真软件在回路中要求实时运行；

[0008] 1.2）数字模型描述系统内部变量之间的关系，建立装备子系统模型，包括概念模型和正规模型；其中，概念模型通过流程进行描述，正规模型通过符号和数学方程式进行描述；

[0009] 1.3）物理模型根据相似的物理效应，搭建物理仿真试验平台；其中，装备中静态的物理模型通过比例放大获取物理效应，动态的物理模型通过数据采集获取物理效应；

[0010] 1.4）对数字模型与物理模型进行层次递归，通过调整系统参数获得满足装备放大设计的半实物仿真方法。

[0011] 2、所述的建立系统物理-数学混合的关联仿真模型过程中，由于非线性因素和随机因素的影响，若干子系统或部件很难建立准确的数学模型，而且纯数学仿真难以取得理想效果；因此，在半实物仿真中，将不易建模的部分以物理模型代之参与仿真试验，从而避免建模的困难。

[0012] 3、所述的半实物仿真方法，是通过物理实验的测试，检验系统数学模型的正确性和数学仿真结果的准确性；利用半实物仿真检验系统的物理模型的性能指标及可靠性，调整系统参数。

[0013] 4、所述的物理模型根据相似的物理效应，搭建物理仿真试验平台的方法：

[0014] 4.1）对大型空分装备按照功能相似规则进行分类，获得多个子系统，得到每一个子系统的性能参数集；

[0015] 4.2）对各子系统建立组合相似模块，并进行综合补偿处理，形成组合相似方法，以适应不同模态和不同情况的要求；

[0016] 4.3）对动态物理模型采用坐标变换方法，用于描述系统状态的数学模型中，解算出空气压缩机和透平膨胀机的转动的旋转方程，随着结构形式、测量器件的安装方式、工作原理不同，驱动装备动态模型的角度需作相应的坐标变换；

[0017] 4.4）静态物理模型受力环境复杂，包括运动体的空气动力学环境和力学环境敏感器件，因此，通过加载器来实现。

[0018] 5、所述的半实物仿真方法具有实时性：

[0019] 5.1）超大型空分装备系统级仿真由物理仿真模型A和数字仿真模型B两部分组成，在物理仿真模型仿真过程中，物理仿真模型A通过试验验证，反求出数学模型，用计算机的数字处理过程来代替；

[0020] 5.2）计算机处理物理仿真模型A，输入是z，输出是y，经过采样系统和A/D转换，对于任意一组输入值zn，通过计算机数字处理物理仿真模型A的计算得到相应的输出值yn；

[0021] 5.3）数字仿真模型B接受物理仿真模型A的输出y，并输出z ；

[0022] 5.4）计算机数字处理物理仿真模型A必须在数字仿真模型B同步的条件下获取动态输出信号，并实时地产生动态输出响应；

[0023] 5.5）经过5.1）~5.4）步骤的处理，仿真模型的输入和输出具有固定采用周期的数值序列；

[0024] 5.6）在数字处理物理仿真模型A满足系统各项功能要求的情况下，对于任意特定的输入z，响应时间都满足系统所要求的时间限制，获得实时数字仿真过程。

[0025] 本发明具有的有益效果是：

[0026] 1．采用本发明可实现超大型空分装备的放大设计，通过对零部件进行综合参量比例放大，形成满足功能需求的装备放大设计，解决现有装备设计只适应局部结构更改的问题。

[0027] 2．本发明提出的半实物仿真方法，可以验证构成真实系统的实物部件以及整个系统的性能指标和可靠性，准确调整系统参数和控制规律，使系统仿真同时建立在物理模型和数学模型的基础上，解决了物理试验花费较大和数学仿真存在偏差的问题。

[0028] 3．本发明提出的实时数字仿真，将精馏过程物性计算过程嵌入到精馏塔实物模型的实际系统的运行过程中，解决了半实物仿真中数学模型和物理模型难以实时融合的问题。

附图说明

[0029] 图1是本发明的空分装备放大设计的半实物系统程序流程总图。

[0030] 图2是本发明的透平膨胀机转子半实物仿真的数学框架图。

[0031] 图3是本发明的透平膨胀机转子半实物仿真的试验框架图。

[0032] 图4是本发明的超大型空分装备精馏系统半实物仿真框图。

[0033] 图5是本发明的超大型空分装备精馏系统半实物仿真的实时过程框图。

具体实施方式

[0034] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

[0035] 图1是本发明相应的空分装备放大设计的半实物系统程序流程总图。

[0036] 空分装备放大设计的半实物系统利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件，可以完成各种测试、测量和自动化应用。半实物系统平台包括综合参变量提取模块、精馏塔工艺计算模块、填料塔结构设计模块、填料性能测试模块、数据融合模块。半实物系统中，将不易建模的部分通过相似的物理效应参与仿真试验，从而避免建模的困难；进而获得半实物仿真方案。该方法将装备系统的第一层以数学模型描述，第二层以相似的物理效应引入仿真回路，解决了现有仿真方法只能进行物理仿真或数学仿真，难以实现整体系统级仿真。

[0037] 空分装备放大设计的半实物系统采用B/S架构，提供Windows风格的用户操作界面。运用本系统对空分装备的放大设计和半实物仿真主要步骤有：

[0038] 1.1）根据空分装备放大设计要求，建立系统物理-数学混合的关联仿真模型，物理-数学混合的仿真接口是将不同格式的数字信息进行转换，物理-数学仿真软件在回路中要求实时运行；

[0039] 1.2）数字模型描述系统内部变量之间的关系，建立装备子系统模型，包括概念模型和正规模型；其中，概念模型通过流程进行描述，正规模型通过符号和数学方程式进行描述；

[0040] 1.3）物理模型根据相似的物理效应，搭建物理仿真试验平台；其中，装备中静态的物理模型通过比例放大获取物理效应，动态的物理模型通过数据采集获取物理效应；

[0041] 1.4）对数字模型与物理模型进行层次递归，通过调整系统参数获得满足装备放大设计的半实物仿真方法。

[0042] 图2是本发明相应的透平膨胀机转子半实物仿真的数学框架图。

[0043] 以超大型空分装备透平膨胀机转子为例，说明半实物仿真系统数学模型的主要步骤：

[0044] 第一步，大型转子半实物仿真系统是由数字模型和光学图像跟踪回路构成，包括透平膨胀机转子偏差角度计算。

[0045] 第二步，根据实际工作环境与实验室模拟的物理环境的相似性，透平膨胀机转子偏差角度计算结果通过执行机构的负载力、负载力矩和反作用力，综合校正与放大为大型转子的偏差角度。

[0046] 第三步，透平膨胀机转子半实物仿真的数学模型中，输入分别为视线高低角和方位角，可以根据大型转子的相对位置来计算，测量轴的高低角和方位角，可以根据转子姿态角和平台框架角来计算。

[0047] 图3是本发明相应的透平膨胀机转子半实物仿真的试验框架图。

[0048] 以超大型空分装备透平膨胀机转子为例，说明半实物仿真系统的试验方案的主要步骤：

[0049] 第一步，透平膨胀机模型通过数据采集获得正弦信号，该正弦信号由开关量调节，从而获得半实物仿真的系统状态、试验条件和初始条件；

[0050] 第二步，由开关量调节的正弦信号，经过三角波信号发生器调节，进入执行机构，转子模拟试验台上存在各种干扰源，通过控制力修正干扰量，从而实现对大型转子进行工作状态检验和性能测试；

[0051] 第三步，将转子模拟试验台的硬件联入系统，采用标准信号作为系统输入，检验试验回路的正确性，由开关量调节的透平膨胀机模型信号，通过模型控制力反馈到透平膨胀机实验台；

[0052] 第四步，透平膨胀机转子半实物仿真的试验框架，中确定转子实物部分和系统模拟部分。对转子模拟试验台进行局部子系统试验和整体全系统的半实物仿真试验。

[0053] 图4所示是本发明相应的精馏系统半实物仿真过程框图。

[0054] 空分装备精馏系统的半实物仿真以系统级为对象，将深低温精馏过程以第一层数学模型描述，第二层的填料性能测试以相似的物理效应引入仿真回路，从而实现装备放大设计的半实物仿真。精馏系统半实物仿真过程的主要步骤有：

[0055] 第一步，根据精馏系统放大设计要求，建立系统仿真中子系统物理-数学混合仿真的层次模型，描述系统内部物理变量之间的关系，建立装备子系统模型，包括精馏系统数学模型和填料塔物理模型。

[0056] 第二步，在精馏系统数学模型的基础上进行求解与优化，通过驱动放大器和执行机构反馈到系统模型中；填料物理模型，在确定目标环境的基础上，搭建冷膜试验台，对填料性能进行测试，测试结果通过执行机构反馈到系统模型中。

[0057] 第三步，填料冷膜试验台的测试过程中，静态的物理模型可通过比例放大获取物理效应，动态的物理模型可通过数据采集获取物理效应。对数学仿真与物理仿真进行层次递归，通过准确调整系统参数获得满足装备放大设计的半实物仿真方案。

[0058] 图5所示是本发明相应的精馏系统半实物仿真的实时过程框图。

[0059] 空分装备精馏系统的半实物仿真中数学模型和实体模型的仿真接口的作用是将不同格式的数字信息进行转换，在回路中实现实时运行。空分装备精馏系统半实物仿真具有实时性，实时仿真，将精馏过程物性计算过程嵌入到精馏塔实物模型的实际系统的运行过程中，解决了半实物仿真中数学模型和物理模型难以实时融合的问题。

[0060] 超大型空分装备系统级仿真由精馏系统数学仿真A和填料冷膜试验中的物理仿真B两部分组成。实时仿真步骤如下：

[0061] 第一步，在实时仿真过程中，低温精馏系统数学仿真A，可转化成仿真计算模型，用计算机的数字处理过程来代替。

[0062] 第二步，计算机处理过程A，输入z，输出y，经过采样系统和A/D转换，对于任意一组输入值zn，通过计算机数字处理过程A的计算得到相应的输出值yn；

[0063] 第三步，冷膜试验物理仿真B接受过程A的输出量y，并输出z ；

[0064] 第四步，计算机数字处理过程A必须在实物系统同步的条件下获取动态输出信号，并实时地产生动态输出响应；

[0065] 第五步，经过1~4步骤的处理，仿真模型的输入和输出具有固定采用周期的数值序列。

[0066] 第六步，在数学仿真过程A满足系统各项功能要求的情况下，对于任意特定的输入z，响应时间都满足系统所要求的时间限制，获得实时数字仿真过程。