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上海交通大学 硕士学位论文工业过程动态仿真系统生成器SIMPRO的开发 级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：邵惠鹤 20040101 THE DEVELOPMENT OF SIMULATION SYSTEM OF INDUSTRY PROCESS DYNAMICS ABSTRACT SIMPRO is a program generator it can be used to generate the simulationprogram of various linear or nonlinear differential systems and widely applied intosuch teaching and research discipline as: chemical industry process biochemistryprocess and machine electron and systems engineering. This paper is under the basis of deeply studying the structure of generalsimulation configuration software combining the specific characteristics of industryprocess systematically discusses how to develop SIMPRO using VB combined withMATLAB and Lab windows/CVI. This paper mainly includes following aspects: l Brief introduction of the characteristics and develop trend of computer simulation technology and the industry automation configuration software. l Analysis and introduction of SIMPRO develop environment and related control theory. l The realization of program and the difficulties is how to identify differential equationstranslate and edit.After translating and editing differential equations can be solved by method of Runge-Kutta. l The operation of SIMPRO and concrete instance.KEY WORDS: SIMPRO computer simulation program generator configuration software 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 谢秋风 日期2004 年 2 月 20日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名谢秋风 指导教师签名邵惠鹤 日期2004年2月20日 日期2004年2月20日上海交通大学SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY硕士学位论文 第一章 绪论１．１ 计算机仿真１．１．１ 计算机仿真技术及其发展 ２０世纪４０年代随着第一台电子计算机的诞生出现了一种新的科学研究方法计算机仿真ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ方法即计算机模拟方法它是指在电子计算机上建立某一现存或虚拟系统的模型对该系统的结构和行为进行动态仿真从中得到研究者所需要的信息并为决策过程提供依据的一种研究方法计算机仿真方法是仿真方法的一种仿真方法包括数学仿真物理仿真和计算机仿真等经过几十年的发展现在计算机仿真技术已经成为科学研究和技术开发过程中不可缺少的重要技术手段和工具 对于仿真比较流行的定义是通过对系统模型的试验去研究一个存在的或设计中的系统这里指的系统是广义的是指相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体其概括了所有工程的技术的或非工程的非技术的系统 现代仿真技术的发展是与控制工程系统工程及计算技术的发展密切相联系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的出现以及计算机技术的飞速发展则为仿真技术提供了坚实的物质基础建立系统的数学模型并使其能在计算机上进行运转和试验既经济又方便因此计算机仿真在仿真系统占有举足轻重的地位当然仿真技术得以发展的最主要的原因是它带来了重要的社会和经济效益仿真技术可以降低系统的研制成本对那些费用昂贵有时甚至无法做到的实验可以通过计算机来模拟完成如药理实验手术实验等是无法直接在人身上进行的化工过程新工艺的开发与放大装置的改造等等的实验则会耗费较大的财力物力对于类似航天航空反应堆和潜艇连续运行易燃易爆的石油化工过程等系统仿真技术则可以提高系统实验调试和训练过程中的安全性对于社会和经济等非工程领域仿真技术作为研究系统的必要手段尽可能避免直接实验 建立模型是仿真的第一步也是关键对真实系统建立模型是为了更好地更深入地研究系统对计算机仿真而言也就是建立了计算机能够进行处理的模型形式称为仿真数学模型建立计算机数学模型很重要的一点是具有实验的性3上海交通大学SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY硕士学位论文质即模型与对象的功能和参数之间应具有相似性和对应性这种相似关系和对应关系不应被数学演算过程所掩盖否则就仅仅是一次数值求解而已此外通过仿真实验要了解包含于系统变量之间的关系观察系统模型变化的全过程为了对仿真模型进行更深入研究和结果优化还必须进行多次运行参数优化等工作因此仿真模型的建立是一个循环反复的过程仿真的应用已有了相当长的历史了大致经历了以下四个发展阶段 １） ５０年代以前主要是物理仿真在物理模型上进行实验称为物理仿真动 态物理模型如飞行器姿态运动模拟实验它利用许多小容量的同步机 感应电动机与直流电动机组成了一个系统成为电力网的模型研究电力 系统的稳定性但是物理仿真有很大的局限性主要表现在以下几个 方面 第一 有些实际系统太贵重即使用物理仿真方法也不合算如飞机训 练等 第二 有些实际系统危害大危险性大无法用物理方法进行良好仿真 如战争核爆炸等 第三 在非工程仿真领域如经济社会等系统物理仿真实验不可能 实现 第四 物理仿真方法仍然不能实现系统在完全相同条件下的重复实验 ２） 现代仿真技术与计算机的发展密切相关４０年代末第一台模拟计算机被 用于三自由度飞机系统的仿真５０年代主要是模拟计算机仿真数字机 仿真则刚开始发展 ３） ６０￣７０年代这十几年时间中数字仿真与混合仿真都得到了迅速发展出 现了大量数字仿真语言如ＤＳＬＣＳＳＭＩＭＩＣＣＳＳＬＤＡＲＥ－ＰＬＡＲＥ －Ｐ 以及近年发表的ＡＣＳＬ等大大普及了数字仿真的应用混合仿真系统 有两种基本结构一种在模拟机基础上增加一些数字逻辑功能称为混 合模拟机另一种是由模拟机数字机及其接口组成称为数字模拟混 合计算机模拟机运行速度快（并行计算）但计算精度较低一般为千 分之几而数字机计算精度高一般小型机也可达到６７位有效数字 但运算速度较慢串行计算混合仿真兼顾了两者的优点最早用于 导弹制导系统的仿真4上海交通大学SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY硕士学位论文 ４） ８０年代以后由于微机技术的迅速发展采用微机阵列基于并行处理原 理的全数字仿真系统取代混合计算机仿真乃大势所趋１．１．２ 当代计算机仿真系统的特点与动向 近年来随着仿真系统的进一步完善仿真技术已发展到可以参与系统的运行因此系统仿真已成为系统整个生命周期各个阶段中的重要技术手段和工具它的地位也日益提高早在１９９２年美国提出的２２项国家关键技术中计算机仿真技术就名列其中国外更有学者如圣塔菲研究所的Ｊｏｈｎ Ｌ．Ｃａｓｔｉ等人将计算机仿真方法誉为自近代以来的科学方法论的又一场革命总结现代系统仿真技术有如下的特点与发展动向1l 专家仿真系统 所谓专家系统是在某一领域模拟专家求解问题能力的程序系统从功能上可把它定义为一个在某领域具有专家水平解题能力的程序系统它能象领域专家一样工作能运用专家们多年来积累的工作经验与专门知识在很短时间内对问题作出高水平的解答 专家系统根据其所解决问题的类型一般可分为诊断专家系统预测专家系统解释专家系统设计与规划专家系统咨询与决策专家系统教学专家系统 专家系统是通过建立认知模型来进行系统仿真的而认知模型是以系统的领域知识及专家经验为基础运用知识表示方法来建立的不同于传统的系统仿真技术是在数学模型基础上通过计算来求解问题专家系统是运用符号来表示认知模型并通过符号处理进行推理或学习来求解问题l 人工神经网和模糊关系在系统仿真中的运用2 当前人工神经网研究方兴未艾人工神经网是建立在生物神经元基础上的智能模型模拟人的神经元体系对外界环境的感知因此人工神经网可看作系统仿真技术的结晶 人工神经网是由大量处理单元组成的非线性大规模自适应动力系统具有学习记忆计算以及智能处理等功能可以在不同层次和程度上模拟大脑神经系统神经网的基本单元是神经元在一些情况下神经元可认为是门限元件当5上海交通大学SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY硕士学位论文总输入超过一定水平后则被激活神经元通常分层来组织相邻层中神经元允许相互联结每一联结强度由一数值来表示称为权值权值可被修改人工神经网通常由输入节点层输出节点层和隐节点层组成通过样本的训练学习来计算出节点间的权值从而建立认知模型在系统仿真中应用人工神经网和模糊系统技术可以使仿真系统具有自学习自适应以及智能处理等功能从而提高仿真系统的精度及可靠性l 应用动画技术进行仿真3 随着计算机软硬件技术的发展动画技术日趋成熟越来越多地被应用到各个领域诸如生物化工生产过程的动态仿真实验人体各部分运动的研究军事飞行器的模拟等等在工程上利用动画技术进行实验仿真给研究和设计人员带来了极大的方便并节省了大量开支在计算机辅助教学方面通过实验仿真大大增加了学生的学习兴趣缩短了教学周期对于费用昂贵或较危险的实验采用计算机动画仿真更是理想的工具l 视算技术的应用45 传统系统仿真往往输出大量数据有些系统的仿真量达几万步每次仿真输出十几个变量而仿真结论往往需要对所有数据分析以后才能得到如此大的分析量人工几乎无法胜任而采用视算技术可以很好地解决这一问题仿真视算技术就是研究如何用人们可视的方法来表达仿真计算结果研究如何用三维动态技术将仿真结果表示出来并且针对三维动态图形输出对仿真过程进行人工干预在仿真中应用视算技术能够表达许多用语言难以表达的信息便于交流并且降低了对用户操作水平的要求所以在冶金化工生物电力等仿真系统中都可应用视算技术尤其是训练仿真器如飞行训练系统火电站仿真培训系统核电站仿真培训系统等离开了视算技术训练仿真器就不能达到其训练的目的l 多媒体仿真的兴起6 多媒体仿真的涌现和发展使计算机具备了集成处理多媒体信息的能力给计算机仿真在可视仿真基础上的进一步的发展带来了契机近年来出现了计算机6上海交通大学SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY硕士学位论文仿真基础与多媒体技术相结合的趋势多媒体仿真是使人的感觉和思维进入仿真回路的一种手段它采用不同媒体形态描述不同性质的模型信息建立反映系统内在运动规律和外在表现形式的多媒体仿真模型并在多媒体计算机上运行产生定性定量相结合的系统动态演变过程从而获得关于系统的感性和认识与可视仿真相比多媒体仿真技术充分地利用了视觉和听觉的媒体处理和合成技术更强调头脑视觉和听觉的体验仿真真人与计算机的交互手段音质而更加丰富l 分布交互仿真技术78910 随着复杂系统仿真应用需求的增加现代仿真系统结构的研究倍受重视它的发展受到计算机体系结构演变的深刻影响它已从集中式封闭式发展到９０年代的分布式开放式交互式的仿真系统构架分布式交互仿真ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ是一种新兴的仿真技术它是基于计算机技术图形图象技术仿真技术系统技术的发展和应用它通过联网技术就分散在各地的人在回路中的仿真器Ｍａｎ－ｉｎ－ｔｈｅ－ｌｏｏｐ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ计算机生成的兵力 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ＦＯＲＣＥＳ以及其他设备联接为一个整体形 成一个在时间和空间上相互耦合的虚拟战争合成环境参与者可以自由地交互作用以完成军事人员和团组的训练完成对武器系统的性能方案的验证和评估分布式交互仿真通常采用联网技术多台仿真器同过局部网互联近年来它的应用已从军事向民间方面扩展其主要研究内容包括系统总体技术分布系统集成框架技术实时分布网络与数据库技术基于面向对象的分布系统建模与验模技术分布并行仿真算法与软件等l 灵境与仿真111213 建立起使人感到身临其境的交互式拟实世界一直是仿真技术发展的一个重要目标灵境Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ是采用计算机技术生成一个逼真的具有视听触嗅味等多种感知的虚拟环境置身于该环境中的人可以通过各种传感交互设备与这一虚拟的现实进行相互作用达到彼此交替更迭融为一体的程度 灵境系统具有四大特点7上海交通大学SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY硕士学位论文１） 多感知性Ｍｕｌｔｉ ＳｅｎｓｏｒｙＶＲ系统具有感知视听触嗅味等多种信 息的能力２） 沉浸感Ｐｒｅｓｅｎｃｅ使用户暂时与外部环境脱离而融合到这种虚拟世 界中去３） 交互性Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ用户可以通过三维交互设备从内到外或从外到内与 ＶＲ系统实时对话４） 自主性ＡｕｔｏｎｏｍｙＶＲ系统中的对象体可以按照各种模型和规则自主运动 计算机仿真Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ是一门利用计算机软件模拟真实 环境进行科学实验的技术从模拟真实环境这一点来看ＣＳ技术与ＶＲ技术有一定的相似性但是在多感知性方面当前的ＣＳ技术原则上以视觉和听觉为主在存在感方面ＣＳ基本上将用户视为旁观者其可视场景不随用户视点的变化而变化用户没有身临其境的感觉在交互性方面ＣＳ一般不强调交互的实时性 灵境是一种由计算机综合的虚拟环境它能让参与者体验或控制某些虚拟的事件并可同其他参与者发生交互作用 灵境技术也是一门系统技术它将系统的所有组成部分作为一个整体来考虑并对系统整体性能进行全局优化因此ＶＲ技术最适合于系统仿真是仿真技术的发展方向它是计算机技术传感器技术人机接口技术和人工智能技术等多种高新技术的结晶它的逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供了有力支持１．２ 工业自动化组态软件 在现代工业自动控制系统中计算机正发挥着越来越重要的作用尤其在仿真领域中计算机仿真基本上取代了物理仿真由于人们对工业自动化的要求越来越高种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用使得传统的工业控制 仿真软件很难满足用户的各种需求在开发传统的工业控制仿真软件时当工业被控对象一旦有变动就必须修改其控制系统的源程序倘若原来的编程人员因工作变动而离去时这种修改往往变得十分困难通用工业自动化组态软件正是为解决这一实际问题而出现的它使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态来完成最终的自动化控制由于这种组态软件具有延续性可扩充8上海交通大学SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY硕士学位论文性封装性以及通用性等特点所以当现场包括硬件设备或系统结构或用户需求发生改变时不需作很多修改即可方便地完成软件的更新和升级同时对于用户不需掌握太多的编程语言技术甚至不需要编程技术就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能但是目前国内对于工业自动化组态软件还缺乏权威的定义但可以做一个描述性的定义工业自动化组态软件是使用灵活的组态方式为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的通用层次的软件工具组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通讯协议并且通常应提供分布式数据管理和网络功能对应于原有的人机接口软件ＨＭＩ（ｈｕｍａｎ ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ）的概念组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的ＨＭＩ的软件工具或开发环境 自从６０年代以来各国陆续开发并见报道的通用工业自动化组态软件已有不下数十种这里仅选出比较有代表性在国际上也比较知名有影响又各有其不同特点的几种加以简介 １） Ｆｉｘ是一个真正模块化的工控组态软件它提供了１０多个基本功能模块和 扩展功能模块支持多种软件平台如Ｗｉｎ３１Ｗｉｎ９５ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ，Ｏｐｅ ｎ ＶＭＳ 及ＯＳ／２等其人机界面功能特别强大除具有的二次开发接口开发完备 还提供了一个专门用于Ｉ／Ｏ驱动开发的软件包ＩＴＫ ２） Ｇｅｎｅｓｉｓ软件包以ｐｃ机为平台可在ＤＯＳ下运行也有Ｗｉｎｄｏｗｓ版本 后 者功能更完善这里以Ｇｅｎｅｓｉｓ ｆｏｒ ＤＯＳ为例来说明它主要包括３大部 分策略构成图形生成实时运行系统其中策略构成部分是系统的 关键它完成设置各点扫描计算数据登陆和监控任务图形生成部分 可制作人机界面运行管理系统主要实现系统运行时各任务的调配另外 还有一个程序开发环境可提供ｃ语言和其他编程语言以便开发新的功能 ３） Ｉｎｔｏｕｃｈ作为一个实时的人机界面程序的程序生成器可以生成管理级别 上的监控和数据采集程序依靠菜单驱动在Ｗｉｎｄｏｗｓ３．２和Ｗｉｎ９５环境下运 行它主要由两大部分组成ａＷｉｎｄｏｗｓ Ｍａｋｅｒ（应用开发环境）用以建 立窗口的图形显示并定义与工业控制器Ｉ／Ｏ系统和其他窗口应用程序 的连接ｂＷｉｎｄｏｗｓ Ｖｉｅｗｅｒ（实时运行环境）用以显示由Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｍａｋｅｒ 建立的图形窗口9上海交通大学SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY硕士学位论文 ４） ＣｅｎｔｕｒｙＳｔａｒ是世纪星监控组态软件，它是在ＰＣ机上开发的智能型人机 接 口软件系统，它以Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／ＮＴ中文平台作为其操 作系统，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它比以 往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，并且可以利用ｐｃ机丰富的 软件资源进行二次开发１．３ 本文研究内容及章节安排1.3.1 本软件的开发背景 自从本世纪五十年代中叶Ｗａｔｓｏｎ和Ｃｒｉｃｋ 提出ＤＮＡ双螺旋模型以来生物科学发生了巨大的变化短短三十多年间生物技术学科从生物化学的一个分支发展演变成为与计算机科学电子工程科学并驾齐驱的世界三大发展最快的现代科学之一许多科学家甚至预言二十一世纪将是生物技术科学的世纪联合国开发总署ＵＮＩＤＯ在８０年代后期建立的国际遗传工程及生物技术中心 ＩＣＧＥＢ经过短短几年的运转其重要性及必要性很快便得到了各成员国的公认不久将成为一独立的联合国机构而民间以开发现代生物工程技术为主体的公司和研究所更如雨后春笋般遍及欧美日这种科学研究与生产开发相结合的形式进一步促进了生物技术科学的发展根据美国政府的预计到本世纪末下世纪初美国生物工程产品年产值将超过１０００－２０００亿美元 生物技术科学是一个前景广阔发展迅速而又竞争激烈的领域也是一个巨大的潜在市场谁先在这个领域站稳脚跟谁就能率先获得在新世纪中发展的优先权生物技术主要是研究基因工程遗传工程蛋白质工程酶工程细胞工程和发酵工程的理论及其在工医农环境保护等部门中的开发和应用根据国际植物基因工程发展的新趋势利用转基因植物生产各种蛋白类药物的研究竞争也很激烈生物高技术已成为我国 八六三项目的重要内容它以培育抗病毒抗虫害优质高产农作物新品种发展畜牧业渔业以及研制基因工程新药物新疫苗开发与人民生活健康相关的生物制品为主要服务对象 而本课题主要是针对生物技术中的发酵工程为了提高效益创建一个能够直接调用生物发酵过程的各项参数从而进行虚拟仿真的软件的设计和编程同时也可应用于其它各类生产过程10上海交通大学SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY硕士学位论文1.3.2 本文主要内容及章节安排第一章 绪论 先介绍了计算机仿真技术的定义意义发展历程以及当代计算机仿真的特点及应用情况然后阐述了工业自动化组态软件在计算机仿真技术领域应用以及几种典型的仿真组态软件最后说明了本软件开发的背景及各章节的安排第二章 SIMPRO的开发环境 由于ＳＩＭＰＲＯ主要是采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ６．０开发完成其中曲线显示 部分由Ｌａｂ Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ相关模块完成其中部分算法通过借鉴ＭＡＴＬＡＢ的子函数而实现所以在这一章里分别介绍了美国微软公司的Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ６．０美国NINational Instruments.