过程系统建模与仿真PDF电子书下载

1 概论 1

1.1 过程系统 1

1.1.1 系统 1

1.1.2 过程与过程系统 1

1.2 系统模型与系统仿真 3

1.2.1 系统模型 3

1.2.2 系统仿真 4

1.2.3 过程系统仿真 6

1.2.4 系统仿真的应用 7

习题 8

2.1 数学模型目标上的二元性 9

2 数学模型与建模原理 9

2.2 数学建模方法学 10

2.2.1 系统方法学概述 10

2.2.2 建模过程的信息源 11

2.2.3 建模途径 12

2.2.4 模型可信度 12

2.2.5 建模过程 13

2.3 数学模型的表述形式 14

2.3.1 差分方程和微分方程的模型形式 14

2.3.2 偏微分方程的模型形式 16

习题 16

3 过程单元动态数学模型的建立 17

3.1.2 系统辨识和参数估计 18

3.1 建立动态数学模型的途径 18

3.1.1 机理模型的建立 18

3.1.3 开环与闭环辨识 19

3.1.4 在线优化模型参数 20

3.2 机理建模 20

3.2.1 有自衡能力对象的数学模型 21

3.2.2 无自衡能力对象的数学模型 25

3.2.3 多容对象的数学模型 26

3.3 求取对象数学模型的实验方法 28

3.3.1 响应曲线法 28

3.3.2 在线闭环试验法 33

3.3.3 最小二乘参数估计法 34

3.3.4 相关系数法 37

习题 39

4 过程系统的模型化 41

4.1 过程系统的结构分析 41

4.1.1 有向图描述系统结构 41

4.1.2 有向图的矩阵表示——结构矩阵 43

4.1.3 过程系统结构的表格表示——结构表 45

4.1.4 系统结构的代数表示——联结方程 46

4.2 过程系统的自由度分析 48

4.2.1 自由度概念 48

4.2.2 物流的自由度 49

4.2.3 过程单元的自由度 51

4.2.4 过程系统的自由度 58

4.2.5 决策变量的确定 61

4.3 过程单元的模型化 68

4.3.1 闪蒸单元的建模 69

4.3.2 分层器单元的建模 71

4.3.3 精馏塔的建模 73

4.4 物性数据与估算方法 75

4.4.1 基础物性 75

4.4.2 物性数据系统 77

习题 79

5.1.1 连续系统的数学模型 82

5.1 连续系统数字仿真的基本概念 82

5 连续系统的数字仿真 82

5.1.2 数值积分法与离散相似法 87

5.1.3 连续系统数字仿真的特点 88

5.2 数值积分法 88

5.2.1 欧拉法 88

5.2.2 梯形法 89

5.2.3 龙格-库塔方法 90

5.2.4 稳定性分析 92

5.2.5 积分步长的选择与控制 93

5.2.6 数值积分方法的选择 95

5.2.7 面向微分方程的系统仿真 96

5.2.8 面向结构图的系统仿真 98

5.3 连续系统离散相似法数字仿真 102

5.3.1 连续系统状态方程的离散模型 103

5.3.2 典型环节的离散化模型 105

5.3.3 采用离散化模型的系统仿真 108

5.3.4 含有非线性环节的系统仿真 111

5.3.5 离散相似模型的校正 113

5.4 连续系统的快速仿真与实时仿真 119

5.4.1 连续系统的快速数字仿真 120

5.4.2 连续系统的实时仿真算法 133

5.5 采样控制系统的数字仿真 134

5.5.1 采样周期与计算步距 135

5.5.2 改变数字控制器的采样间隔 136

5.5.3 具有纯滞后环节的采样控制系统的仿真研究 137

5.5.4 前馈控制 140

5.6 函数发生的隐含方法 143

5.6.1 建立在反馈基础上的隐含方法 143

5.6.2 隐含方法的数学说明 145

5.6.3 非线性联立方程的数值解 148

5.6.4 联立关系的隐含解 149

习题 150

6 随机噪声的数字仿真 154

6.1 随机变量与随机过程 154

6.1.1 确定系统与随机过程 154

6.1.2 随机事件与随机变量 155

6.1.3 常用的几种概率分布 157

6.1.4 随机过程 160

6.2 随机过程的基本特性 162

6.3 随机噪声的传递特性 166

6.3.1 互功率谱密度与频率特性 166

6.3.2 自功率谱密度与频率特性 166

6.4 随机噪声基本特性的数字量测 167

6.4.1 均值与方差的计算 167

6.4.2 概率密度函数的数值计算 168

6.4.3 自相关函数的数值计算 168

6.4.4 功率谱密度的数值计算 171

6.5.1 随机数的产生 173

6.5 随机噪声的数字仿真 173

6.5.2 对随机噪声按概率分布要求进行整形 176

6.5.3 对随机噪声按功率谱密度要求进行整形 177

习题 178

7 连续系统仿真与控制器参数优化 180

7.1 系统仿真与参数优化 180

7.1.1 间接寻优法 180

7.1.2 直接寻优法 181

7.2 单变量寻优技术 183

7.2.1 fibonacci法 184

7.2.2 等间隔分割法 187

7.2.4 二次插值法 188

7.2.3 黄金分割法 188

7.3.1 最速下降法 190

7.3 多变量寻优技术 190

7.3.2 共轭梯度法 192

7.3.3 松弛与单纯形法（模式法） 195

7.3.4 在寻优过程中对限制条件的处理 198

7.4 控制系统调节器的参数优化 199

7.4.1 控制系统的品质指标 199

7.4.2 PID调节器的参数优化 201

习题 203

8 过程系统的仿真（模拟）方法 206

8.1.1 序贯模块法原理 207

8.1 序贯模块法 207

8.1.2 再循环流的断裂（切断） 209

8.1.3 断裂流股变量的收敛 218

8.1.4 序贯模块法应用 221

8.2 面向方程法 223

8.2.1 面向方程法原理 223

8.2.2 大型稀疏非线性方程组的降维解法 224

8.2.3 联立拟线性方程组法解大型稀疏非线性方程组 231

8.3 联立模块法 236

8.3.1 联立模块法的原理 236

8.3.2 建立简化模型的两种切断方式 237

8.3.3 单元简化模型 240

8.4 典型过程流程仿真系统介绍 247

8.4.1 流程仿真系统的构成 247

8.4.2 PROCESS系统简介 247

8.4.3 专用流程仿真系统 248

习题 249

9 基于仿真的过程系统优化方法 252

9.1 最优化基本概念 252

9.1.1 最优化问题的数学定义 252

9.1.2 最优化方法的分类 255

9.1.3 过程系统参数优化的类型及特点 256

9.2.1 稳态模拟优化法原理 259

9.2 稳态模拟优化法 259

9.2.2 可行路径过程系统参数优化法 261

9.2.3 序列二次规划法 264

9.2.4 不可行路径面向方程法 273

9.2.5 不可行路径联立模块法 277

9.2.6 不可行路径序贯模块法 279

9.3 动态系统参数的变分优化法 281

9.3.1 无约束连续系统的最优化 282

9.3.2 有微分形式约束方程的连续系统优化 284

9.3.3 有不等式约束的连续系统优化 296

9.4 过程系统操作优化举例 297

9.4.1 流程分析与数据处理 297

9.4.2 模型建立 299

9.4.3 参数优化 300

习题 301

10 过程计算机操作训练仿真 303

10.1 过程计算机操作训练仿真的特点 303

10.2 过程计算机操作训练仿真的数学模型 304

10.2.1 过程操作训练仿真用数学模型的特点 304

10.2.2 过程训练仿真用数学模型建立的方法与步骤 304

10.2.3 建模举例 308

10.2.4 数学模型的处理策略 319

10.3 过程仿真培训系统的研制过程和发展趋势 321

10.3.1 过程仿真培训系统的研制步骤及相关的专业知识 322

10.3.3 过程仿真培训系统的现状及发展趋势 323

10.3.2 过程仿真培训系统的评价 323

附录1 数学基础：拉普拉斯变换、采样过程及Z变换 331

A 拉普拉斯变换 331

B 采样过程 334

C Z变换 337

D 脉冲传递函数 341

附录2 仿真实验 344

实验1 面向方程的数值积分方法仿真 344

实验2 面向结构图的线性系统仿真 353

实验3 离散相似法非线性系统仿真 355

参考文献 358