过程系统模拟的基本方法

化工系统工程__化工过程系统稳态模拟与分析2 化工过程系统稳态模拟与分析概述通过对化工工艺流程系统进行稳态模拟与分析也就是对过程系统建立模型并对模型进行求解可以解决下述三方面的问题①过程系统的分析与模拟②过程系统设计③过程系统参数优化①过程系统的分析模拟对某个给定的过程系统模型进行模拟求解可得出该系统的全部状态变量从而可以对该过程系统进行工况分析如图21所示②过程系统设计当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求如图22所示③过程系统参数优化过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量优化变量从而实施最佳工况如图所示 2 化工过程系统稳态模拟与分析相关的基本概念 1 系统为了某种目标由共同的物料流或信息流联系在一起的单元组合而形成的整体称为系统 2 子系统组成系统的系统下一层次的事物简单系统子系统就是某个单元复杂系统它的子系统又可能包含有子系统基本概念 3 系统的特性由两方面构成 1系统内各个单元的特性复杂系统则是各子系统的特性 2系统流程的结构特性树结构和再循环结构的概念 4 过程拓扑将过程流程图转换为信息流程图再把信息流程图转变为过程矩阵的过程称为过程拓扑过程流程→信息流程用有向线段表示信息流用方框表示设备或节点信息流程→过程矩阵将信息流程数字化使计算机可以识别根据信息流图可以得出过程矩阵 2．1 过程系统模拟的基本方法过程系统模拟计算量大且复杂手工计算难以完成计算机和计算技术的发展为过程系统的整体研究提供了技术手段各种类型的过程系统模拟软件不断出现但就其模拟计算求解方法而言可以归纳为三类序贯模块法 Sequentia1 Modular Method 面向方程法 Equation Oriented Method 联立方程法联立模块法 Stmultaneously Modular Method 2 11过程系统模拟的序贯模块法序贯模块法按照由各种单元模块组成的过程系统的结构序贯的对各单元模块进行计算从而完成该过程系统的模拟计算的方法序贯模块法对过程系统的模拟以单元模块的模拟计算为基础依据单元模块入口的物流信息以及足够的定义单元特性的信息计算出单元出口物流的信息序贯模块法的优点与实际过程的直观联系强模拟系统软件的建立维护和扩充都很方便易于通用化计算出错时易于诊断出错位置序贯模块法的主要缺点计算效率较低尤其是解决设计和优化问题时计算效率更低序贯模块法计算效率低的原因只能根据模块的输入物流信息计算输出物流信息在进行系统模拟的过程中对有再循环物流单元模块的计算需要考虑断裂物流收敛计算使问题复杂 2 12 过程系统模拟的面向方程法面向方程法将描述整个过程系统的数学方程式联立求解从而得出模拟计算结果的方法面向方程法又称联立方程法面向方程法的优点可以根据问题的要求灵活地确定输入输出变量而不受实际物流和流程结构的影响模型中所有的方程可同时计算和同步收敛面向方程法的问题形成通用软件比较困难不能利用现有大量丰富的单元模块缺乏与实际流程的直观联系计算失败之后难于诊断错误所在对初值的要求比较苛刻计算技术难度较大等 2 13 过程系统模拟的联立模块法联立模块法将过程系统的简化模型方程与单元模块严格模型交替求解又被称作双层法 2．2 过程系统模拟的序贯模块法 2．2．1序贯模块法的基本原理单元模块依据相应过程单元的数学模型和求解算法编制而成的子程序如图28 a 中的闪蒸单元可依据闪蒸单元模型和算法编制成闪蒸单元模块单元模块的单向性结定单元模块的输入物流变量及参数可计算出相应的输出物流变量但不能由检出变量计算输入变量也不能由输入输出变量计算模块参数序贯模块法的基本思想从系统入口物流开始经过对该物流变量进入的单元模块的计算得到输出物流变量这个输出物流变量就是下一个相邻单元的输入物流变量依次逐个的计算过程系统中的各个单元最终计算出系统的输出物流计算得出过程系统中所有的物流变量值即状态变量值 2．2．2 再循环物流的断裂当涉及的系统为无再循环流的树形结构时序贯模块法的模拟计算顺序可以按过程单元的排列顺序一一顺利完成用序贯模块法处理具有再循环物流系统的模拟计算时需要用到系统分解断裂 Tearing 和收敛 Convergence 等多项技术 Step1 假定断裂物流S4的变量值然后依次计算单元模块ABC得到物流S4的变量值 Step2利用收敛单元比较S4与S4的相应变量值若不等则改变S4为新的变量值重复Step1过程直到S4与S4两个变量值相等为止问题收敛单元设置在哪个物流处既如何选择断裂物流本问题中不仅可以是物流S4处也可以设置在物流S2或S3处对于复杂系统收敛单元设置的位置不同其效果也将不同究竟设置在何处为好这要通过断裂技术去解决如何得到新的S4变量值如何保证计算收敛如何加快收敛取决于收敛算法还与断裂物流变量的特性有关 2．2．2 再循环物流的断裂 1 断裂的基本概念首先考察方程组的断裂假设有一个由四个方程四个未知变量组成的方程组也可以由另外的方式进行求解例如假设x2的猜值则 f1解出x3 f2解出x4 f3解出x1 最后利用f4来检验最初没定的猜值x2 是否正确如果f4为零则可认为得到了方程组的解若此处的f4 不为零则需修正x2的值再重新进行迭代计算这样可将四维求解问题降阶成了四个一维问题通过迭代计算把高级方程组降阶为低级方程组的办法称为断裂考察过程系统中的不可分隔子系统如图211断裂物流可以选为S10当然也可以选为S11选择不同的断裂物流则其相应的迭代序列也不一样从表面上看上列的两种计算序列似乎没有什么很大的区别但由于系统中各物流及其变量特性的不同在收敛计算上常是有很大差异的如变量个数的多少方程求解的难易程度等如何选择断裂物流确定迭代序列是实施序贯模块法进行过程系统模拟计算过程中必须要解决的问题 2 断裂方法的研究早在20世纪60年代初就有人提出了断裂的思想此后随着流程模拟技术的不断发展有关研究断裂的文章不断出现他们提出判断最佳断裂的准则分为四类 1 断裂的物流数最少 2 断裂物流的变量数最少 3 断裂物流的权重因子之和最少 4 断裂回路的总次数最少另一种归纳 1断裂的流股数目最少 2断裂流股包含的变量数目最少 3对每一流股选定一个权因子该权因子数值反映了断裂该流股时迭代计算的困难程度应当使所有的断裂流股权因子数值总和最小4选择一组断裂流股使直接代入法具有最好的收敛特性四条准则是一般性的原则 3 回路矩阵过程系统中的简单回路可以用回路矩阵 1oop／stream Matrix 表示矩阵中的行代表回路列代表物流若某回路i中包括有物流J则相应的矩阵元素aij＝1否则为空白或零不独立的列 f 1 与 f 值较大的列相比较若某列中的非零元素与 f 值较大列的非零元素同行则该列相对于 f 值大的列不独立如S2的f 值较大与其余小于它的列相比较会发现S2的非零元素为C行和A行而S1列C行非零 S3A行非零其余列中无与S2同行的非零的元素则判别出 S1 S3相对于S2不独立表示为 S1 S3 S2 S5 S6 S4 流股断裂方法一L - R 分解法 L – R分解法遵循的原则断裂流股数目最少且将所有循环路打开例现有一个为最大循环网的不可分割子系统其信息流图如下1 42 53 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8 4流股断裂方法分析在这个信息流程图中有 8个流股S1S2 S8 五个节点12345构成了ABCD四个环路 1 4 2 5 3 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8 A D C B在Lee – Rudd 法中首先分析信息流图再用环路矩阵表示出来 A B C D 环路S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 01 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 1 1 1 01 0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 0 流股 f R 1 42 53 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8A C DB 矩阵做法Si 流股若在 A 环中出现则标 1若不出现则标 0例如 A 环由S2S3 两流股构成其余为零矩阵中还有加和行用f 表示它由每一列中的非零元素加和构成加和列R它将每一行非零元素加和构成 f 称为环路频率代表某流股出现在所有环路中的次数R 称为环路的秩代表某环路中包含的流股总数经运算可得出加和 f 和R值环路矩阵成为下面样子 A B C D S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 0 1 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 10 R 2 2 3 4 f 1 2 1 2 1 1 2 1 不独立的列 A B C D S1 S2 S3 S4 S5S6 S7 S8 0 1 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 1 1 0 R 2 2 34 f 1 2 1 2 1 1 2 1 不独立的列基本概念工艺流程图过程流程过程拓扑举例信息流图-13 序贯模块法的基础是单元模块子程序通常单元模块与过程单元是一一对应的过程单元的输入物流变量即为单元模块的输入单元模块的输出即为过程单元的输出物流变量如 A B H G F E C D 系统分解对复杂系统将所有模型方程全部联立求解很困难直接用序贯法又存在相互影响这时可将该系统分成几个相对独立的部分各自联解再序贯求解将大的复杂系统分解为若干个小的子系统的过程称为大系统的分解目的是识别出不可分割子系统 AB H G F ECD 不可分割子系统不相关子系统 A B H G FE C D A B C A B CG F E D 流股断裂 Tearing 一般对于大系统分解得到的子系统已是不可分隔的如ABC构成的当这样的子系统仍很复杂时联立求解仍困难若断开某一个流股则可采用序贯法求解而断开的流股变量则作为迭代变量选择断裂流股是该技术的关键 A B H G F E C D 断裂物流迭代计算步骤如下该方程组可以通过联立求解得到它的解图210 描述了断裂的过程其中流股x2称为断裂流股该流股只有一个变量x2 称为迭代变量流股的收敛性指的就是其中变量x2 的收敛性能问题如果不选择流股x2是否可达到简化的目的。

工艺流程的仿真与模拟分析工艺流程的仿真与模拟分析在现代制造业中起着重要的作用。

通过对工艺流程进行模拟分析，可以有效地评估和改进生产系统的性能，并提供决策支持。

本文将介绍工艺流程的仿真与模拟分析的概念、方法和应用领域。

一、概念工艺流程的仿真与模拟分析是指利用计算机技术对生产系统的工艺流程进行虚拟建模和仿真，并通过模拟实验来评估和优化生产系统的性能。

它通过对工艺流程中的各个环节进行建模和仿真，可以研究不同参数和变量对系统性能的影响，预测系统的运行情况，并提供改进方案。

二、方法1. 数据采集工艺流程的仿真与模拟分析需要大量的数据支持。

首先需要对所研究的生产系统进行全面的数据采集，包括生产线的结构和布局、设备的性能参数、工艺参数以及员工的工作情况等。

2. 建模与仿真在数据采集的基础上，利用专业的仿真软件对工艺流程进行建模。

根据生产系统的实际情况，将各个环节、设备和人员进行虚拟建模，并确定模型中各个元素的工艺参数和性能指标。

3. 参数设置根据实际需求，设定不同的参数和变量，模拟系统的不同工作状态。

通过对不同参数和变量的设置，可以评估系统在不同条件下的性能，如生产效率、质量控制等。

4. 仿真实验利用建模的生产系统进行仿真实验，模拟系统的运行过程。

通过对不同参数和变量的调整，观察系统的运行情况和性能指标的变化，并对比分析不同方案的效果。

5. 优化改进根据仿真实验的结果，对系统进行性能评估和优化改进。

根据性能指标的变化和要求，提出相应的优化策略，如设备调整、工艺改进等。

三、应用领域工艺流程的仿真与模拟分析在许多领域都有广泛的应用，以下是几个常见的应用领域：1. 生产线优化通过对生产线的工艺流程进行仿真模拟，可以评估生产线的性能并进行优化改进，提高生产效率和质量控制水平。

2. 物流系统设计对物流系统进行仿真模拟可以评估物流过程中的瓶颈和问题，并提出相应的解决方案，优化物流流程和配送策略。

3. 设备选型与布局通过仿真分析不同设备的工作状态和协同效果，可以进行设备选型和布局规划，提高设备利用率和生产效率。

生产排程和生产计划的模拟仿真方法1. 模拟仿真方法在当今工业生产中扮演着非常重要的角色，特别是对于生产排程和生产计划的优化方面。

通过仿真模拟，可以更好地理解生产系统的运作机理，找出存在的问题并提出改进方案。

2. 生产排程是指确定生产活动的开始和结束时间，以满足客户需求并最大程度地提高生产效率。

而生产计划则是在考虑资源约束和其他限制条件下，确定生产数量和时间安排的过程。

3. 通过模拟仿真方法，可以对生产系统进行全面的建模和分析。

仿真模型可以包括从原材料采购到成品交付的整个生产过程，以及相关的资源利用、运输调度等方面。

4. 生产排程和生产计划的优化是企业提高竞争力的重要手段之一。

通过模拟仿真方法，可以有效地评估不同排程策略和计划方案的效果，为决策提供科学依据。

5. 仿真模拟方法有多种形式，包括离散事件仿真、连续仿真、Agent-Based模拟等。

每种方法都有其适用的场景和优势，企业可以根据自身需求选择合适的仿真模拟方法。

6. 离散事件仿真是一种常见的模拟方法，通过建立事件的时间序列来模拟生产系统中的各种活动和事件。

离散事件仿真能够精确地模拟生产系统的动态运行过程，对排程和计划的优化提供有力支持。

7. 连续仿真是另一种常用的模拟方法，通过对生产系统中各种过程的连续化建模，模拟系统的持续运行状态。

连续仿真主要用于对连续流程的建模和分析，如装配线生产等。

8. Agent-Based模拟是一种基于智能体的模拟方法，模拟系统中不同个体之间的交互和影响。

Agent-Based模拟适用于研究复杂系统中各种主体之间的协作与竞争关系，对生产系统的整体优化具有独特的优势。

9. 在进行生产排程和生产计划的仿真模拟时，需要考虑系统的复杂性和不确定性。

生产系统受多种因素影响，如订单变化、机器故障、人员调度等，这些因素对排程和计划都有重要影响。

10. 为了有效地进行生产排程和生产计划的优化，企业可以借助仿真模拟工具对不同方案进行比较和评估。

计算机仿真与建模方法计算机仿真与建模是一种利用计算机技术来模拟和重现现实系统或过程的方法。

它被广泛应用于各个领域，包括工程、科学、医学、社会科学等。

本文将介绍计算机仿真与建模的基本原理和常见方法，并探讨其在不同领域中的应用。

一、计算机仿真与建模的基本原理计算机仿真与建模的基本原理是通过数学模型来描述现实系统或过程，并运用计算机技术进行模拟和分析。

其基本步骤包括：系统建模、模型验证、仿真实验和结果评估。

1. 系统建模系统建模是计算机仿真与建模的第一步。

它涉及到对待模拟系统的深入了解，包括系统的结构、特性和行为规律等。

建模可以采用不同的方法，如数学建模、物理建模或逻辑建模等，具体选择取决于模拟对象的特点和研究目的。

2. 模型验证模型验证是保证仿真结果准确性的关键环节。

它包括对模型的数学基础、逻辑关系和参数设定进行检验和验证。

验证方法包括对比实测数据、与已有模型对比和理论推导等。

3. 仿真实验仿真实验是计算机仿真与建模的核心环节。

在仿真实验阶段，利用计算机技术对建立的数学模型进行模拟和分析，得到仿真结果。

实验中会根据需要对系统参数进行调整，以观察不同条件下系统的行为变化。

4. 结果评估结果评估是对仿真实验结果进行分析和评价的过程。

评估结果可以与实际系统进行对比，评估仿真模型的可靠性和准确性。

评估结果还可以为实际系统的改进提供参考和指导意见。

二、常见的计算机仿真与建模方法计算机仿真与建模方法有多种，具体的选择取决于模拟对象的特点和研究目的。

以下列举了几种常见的方法：1. 数值模拟方法数值模拟方法是计算机仿真与建模中常用的一种方法。

它通过将实际问题离散化为一系列数学方程，然后利用数值计算方法求解这些方程，得到仿真结果。

数值方法包括有限元法、差分法、有限差分法等，适用于各种工程、物理和科学领域的仿真建模。

2. 离散事件模拟方法离散事件模拟方法是一种基于事件驱动的仿真方法。

它将系统建模为一系列离散的事件，并模拟这些事件的发生时间和处理过程，得到仿真结果。

系统仿真方法及其在运筹学中的应用效果运筹学（Operations Research）是一门研究如何通过数学模型、计算机技术和优化方法来优化决策和解决复杂管理问题的学科。

在运筹学领域中，系统仿真方法是一种重要的工具，它可以通过构建模型和模拟实验来帮助决策者制定最佳策略。

本文将介绍系统仿真方法的基本原理和技术，以及其在运筹学中的应用效果。

一、系统仿真方法的基本原理系统仿真是一种通过构建模型和模拟实验来研究复杂系统行为和性能的方法。

它的基本原理是将真实系统抽象为数学或统计模型，并根据模型进行计算机模拟，以获取对系统行为的认识。

系统仿真方法的基本步骤包括：问题定义、模型构建、参数设定、实验设计、模拟运行和结果分析等。

系统仿真方法的核心是建立合适的模型。

模型可以是连续的、离散的、确定的或随机的，具体形式取决于研究对象的特性和问题的需求。

常用的模型包括系统动力学模型、离散事件模型、代理模型等。

根据模型的形式，可以选择合适的仿真工具和软件来支持模拟实验的进行。

二、系统仿真在运筹学中的应用在运筹学领域中，系统仿真方法被广泛应用于决策支持和问题求解。

以下是系统仿真在运筹学中的几个典型应用。

1. 生产调度优化生产调度是指根据产品需求和资源约束，合理安排生产计划和生产资源的分配。

通过系统仿真方法可以构建生产调度模型，模拟生产过程中的各种资源利用情况，从而实现优化调度。

仿真模型可以考虑各类因素，如设备故障、人员变动、原材料短缺等，以及不同的生产策略和调度规则，帮助决策者找到最佳的生产调度方案。

2. 物流网络设计物流网络设计是指如何合理规划和配置物流网络中的各个节点和路径，以满足给定的运输需求和成本约束。

通过系统仿真方法可以模拟物流网络中的运输过程、库存水平、配送路径等，并根据不同的布局方案和策略评估其性能，找到最佳的物流网络设计。

仿真模型可以考虑不同的场景和变量，如产品种类、需求波动、货车容量等，为决策者提供决策支持。