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在仿真中使用数学方法创建虚拟过程

作者:Peter Welander2013.11.16阅读 1709

        想象下列情况:
        ■ 设计师在计算机上建立了一个汽车外壳的模型。计算机为加工中心生成代码,在不需要其他编程的情况下生产产品。
        ■ 工程师为一家希望基于现有物料制造新产品的工厂开发一个新的化学加工单元。在新单元完成之后,它的性能达到预期。
        ■ 为了分析一个管道中的缺陷,工程师使用有限元分析(FEA)和计算流体力学(CFD)的组合,寻找由于存在薄弱焊点的流体材料导致的应力。
        因为有使用复杂数学公式的仿真程序,对实际的对象或者过程进行了虚拟化CONTROL ENGINEERING China版权所有,上述这些设想都已经成为了现实。真实的世界被抽象为含有多种方程的数学模型。现在因为应用和需求众多,市场上已经有很多种仿真工具。一般这些软件都适用一种数学方程,以适应特定的分析需要。
        Tony Lennon是MathWorks公司的工业自动化行业营销经理,他将Simulink描述成一个针对多种系统的应用广泛的平台。“我们可以对任何一种动态系统、任何一个能够用微分方程描述的事物进行建模。”他说:“Simulink使用的数学工具可以处理微分方程。这种程序可以用数学描述多种类型的系统,因此也就提供了诸多可能。您可以分析热力系统机械系统液压系统电力系统,您也可以处理与多个领域相关的问题。今天,我们面对的通常都不是单一的一种系统。”
        其他的平台可能更加适用于某一类应用www.cechina.cn,比如化工流程。绝大多数提供大型DCS系统的公司,也提供与控制系统搭配的仿真平台。比如说控制工程网版权所有,霍尼韦尔过程解决方案就拥有UniSim设计组件,可以帮助用户在搭建过程之前对其进行设计和优化。“工程师可以快速地评价最具性价比、最可靠、最安全的设计方案,”霍尼韦尔过程管理工程绩效全球商业经理Rafael Coronel说道:“根据估计,在试车期间进行的现场设计变更,会占据项目资本成本的7%。仿真让公司可以在项目的早期评价自身设计决策的影响。”
        直到工厂建成之前,一直都需要进行仿真。“我们将其称为工厂生命周期仿真,”英维思运营管理SimSci-Esscor仿真软件产品营销经理Joseph McMullen说:“首先是在设计阶段的概念工程。在运营阶段,我们要观察启动和停机以及DCS逻辑等等。接下来,我们会进行优化,但是因为流程的变更,你总会回到原点。”
        其他的数学方法
        到目前为止本文讨论的系统都是基于常微分方程,而FEA和CFD则是使用偏微分方程对结构化部件中更加复杂的流动性和压力进行计算的。
        然而,这种性能并不是毫无代价就能够获得的。计算越复杂,需要的计算能力就越强大,数字运算的时间也越多。对于模型的精确度来说也是如此。一个流程的建模能力可能要取决于在不同的条件下确定有多少产品会流经某一个值。也许知道在特定压力下的流量就足够了控制工程网版权所有,或许你还需要了解湍流的情况以及液体流向管道的下一个区域的跨区状况。这些情况需要考虑更多的问题控制工程网版权所有,也就需要不同的方法。
        最终,仿真的目标是在没有真正制造某种事物的情况下,就对其进行设计或者测试。正如Lennon所总结的那样:“如果我能够在仿真当中做所有的事情,是最理想不过了。我们可以做一个仿真模型测试原型,如果和设计的一样,那么就大功告成了。”
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