1、專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)的主要內(nèi)容,主要是講述計(jì)算機(jī)在專(zhuān)業(yè)中的運(yùn)用，主要是對(duì)專(zhuān)業(yè)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，這個(gè)過(guò)程主要是通過(guò)系統(tǒng)的模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在模擬過(guò)程中，主要是用數(shù)學(xué)形式表達(dá)實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后用計(jì)算機(jī)來(lái)解這些方程,概論,1-1 仿真的概念與步驟 1-2 仿真與常規(guī)設(shè)計(jì)的比較 1-3 優(yōu)化的含義 1-4 制冷裝置計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)入門(mén) 1-5 制冷裝置仿真的基本現(xiàn)狀 1-6 系統(tǒng)的分析與分解 1-7 模型、算法的選擇策略 1-8 制冷系統(tǒng)仿真,仿真的由來(lái),在進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)的過(guò)程中人們除了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論上的分析計(jì)算以外，常常需要對(duì)系統(tǒng)的特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 實(shí)驗(yàn)種類(lèi)：1)在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行，2) 在模型上進(jìn)行。

2、 用真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)在許多情況下做不到, 原因: 1)不經(jīng)濟(jì); 2)不安全; 3)做不到, 比如外層空間宇航。,1-1 仿真的概念與步驟,仿真定義,用模型代替真實(shí)系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)的方法。 主要有：1)物理仿真; 2)計(jì)算機(jī)仿真,物理仿真,物理仿真: 物理模型來(lái)仿真實(shí)際系統(tǒng)。 物理仿真例子: 1) 現(xiàn)在研究船舶航行情況時(shí)，通常用一縮小的船舶模型在船池中做實(shí)驗(yàn); 2) 研究飛機(jī)的飛行性能時(shí)，也要經(jīng)過(guò)飛機(jī)模型在風(fēng)洞中的實(shí)驗(yàn)。,物理仿真局限性,對(duì)于一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，影響因素很多，很難用一個(gè)物理模型來(lái)進(jìn)行仿真，這是因?yàn)? 1)對(duì)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造一個(gè)模型常常要花費(fèi)巨大的代價(jià)， 2)周期也相當(dāng)長(zhǎng)， 3)

3、同時(shí)進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作也十分可觀。,計(jì)算機(jī)仿真,用數(shù)學(xué)形式描述實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，(它們是通常是一組微分方程或差分方程)，然后用計(jì)算機(jī)來(lái)解這些這些方程。在這里，描述實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)形式稱(chēng)為數(shù)學(xué)模型。,計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)勢(shì),用一套仿真設(shè)備可以對(duì)物理性質(zhì)截然不同的許多控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，相對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的物理模型的制作、調(diào)整、測(cè)試等工作，為了進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真而準(zhǔn)備模擬計(jì)算機(jī)的排題板或數(shù)字計(jì)算機(jī)的程序的工作量要小得多，周期也要短得多，所花的費(fèi)用也要少得多。,仿真發(fā)展趨勢(shì),隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真越來(lái)越多地代替了純物理的仿真，因此現(xiàn)在通常所說(shuō)的仿真，指的都是計(jì)算機(jī)仿真。,仿真步驟,1）寫(xiě)出實(shí)

4、際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于不同的要求可以采用不同的模型，對(duì)于熱力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真，較多采用偏微分方程。 2）將它轉(zhuǎn)變成能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)模型。比如要在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，應(yīng)當(dāng)將描述實(shí)際連續(xù)過(guò)程的方程，變成一組離散方程。 3）編出仿真程序。 4）對(duì)仿真模型進(jìn)行修改、校驗(yàn)。,仿真模型建立過(guò)程,仿真涉及對(duì)象與模型化過(guò)程,涉及到三個(gè)具體的部分: 1)實(shí)際系統(tǒng); 2)數(shù)學(xué)模型; 3)計(jì)算機(jī) 兩次模型化: 1)將實(shí)際系統(tǒng)變成數(shù)學(xué)模型; 2)將數(shù)學(xué)模型變成仿真模型,1-2 仿真與常規(guī)設(shè)計(jì)的比較,工程技術(shù)界的仿真研究，主要是為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)服務(wù)。在仿真技術(shù)沒(méi)有應(yīng)用之前，技術(shù)人員已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)了許多產(chǎn)品，那么仿真

5、與常規(guī)設(shè)計(jì)方法的關(guān)系又如何呢?,常規(guī)設(shè)計(jì)方法與仿真在步驟上的比較,常規(guī)的設(shè)計(jì): 定下產(chǎn)品的性能目標(biāo)推斷其工作狀況最后確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。 仿真: 定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)看其具體的工作過(guò)程是如何的在算出其工作過(guò)程的基礎(chǔ)上，得到最后的性能。,常規(guī)設(shè)計(jì)方法舉例,以常規(guī)冰箱設(shè)計(jì)方法為例， 先定下產(chǎn)品的性能要求，如耗電量、儲(chǔ)藏溫度， 再推斷運(yùn)行參數(shù)，如制冷劑的蒸發(fā)壓力、冷凝壓力等， 最后得到作為設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如壓縮機(jī)容量、蒸發(fā)器面積、毛細(xì)管長(zhǎng)度與直徑等。,常規(guī)的設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn): 常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，目標(biāo)很明確，更有可操作性，所以容易被廣大工程技術(shù)人員理解。 缺點(diǎn): 常規(guī)的設(shè)計(jì)方法中沒(méi)有一套完整描述整個(gè)系統(tǒng)特性

6、的模型，它所包含的僅是部分經(jīng)過(guò)高度簡(jiǎn)化，能反映系統(tǒng)部分特性的模型。由于其先天的不足，使得它的發(fā)展受到較大的限制。,上述設(shè)計(jì)過(guò)程的問(wèn)題,如果僅僅按照這樣一套設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行工作的話，即便設(shè)計(jì)方法絕對(duì)準(zhǔn)確，仍然有許多不盡人意的地方。例如： 1)按某一環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，至多能保證在這一條件下的產(chǎn)品性能達(dá)到要求; 2)如果需要同時(shí)滿足幾個(gè)環(huán)境參數(shù)下的要求，而分別按照不同的環(huán)境條件去設(shè)計(jì)，會(huì)得到不同的設(shè)計(jì)結(jié)果，最后只能在其中進(jìn)行折中。但是最后的性能會(huì)怎樣呢, 卻不能直接得出。,校核過(guò)程,從這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的例子可以看出，僅有從性能定結(jié)構(gòu)這樣一個(gè)步驟是不夠的。在實(shí)踐中，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，都有一

7、個(gè)校核過(guò)程，即在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定了以后，再計(jì)算一下各種性能，這個(gè)過(guò)程其實(shí)已經(jīng)是仿真的過(guò)程了。也就是說(shuō)，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到常規(guī)設(shè)計(jì)方法的不足之處，體會(huì)到仿真的重要性了。,制冷裝置的計(jì)算機(jī)仿真中的困難,要真正對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行正確仿真，需要建立準(zhǔn)確的模型，而現(xiàn)在所常用的簡(jiǎn)單模型難以反映復(fù)雜的實(shí)際過(guò)程，因此這方面的研究仍然是相當(dāng)欠缺的。由于計(jì)算機(jī)仿真的落后，所以現(xiàn)在制冷產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，往往要制作大量的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即通過(guò)在這種最接近批量生產(chǎn)的實(shí)際產(chǎn)品的模型上進(jìn)行物理仿真，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)的不足。,1-3 優(yōu)化的含義,優(yōu)化就是根據(jù)人們期望的目標(biāo)，使裝置的性能達(dá)到最佳。制冷空調(diào)裝置的優(yōu)化首先要使裝置設(shè)計(jì)最佳，其次要保證系統(tǒng)能夠工作在

8、最優(yōu)的工作狀態(tài)下。,制冷裝置優(yōu)化設(shè)計(jì),首先要建立研究對(duì)象的目標(biāo)函數(shù)f(x), 使它在一組設(shè)計(jì)變量(x1、 x2、xn) 時(shí)達(dá)到最大值max f(x), 比如制冷裝置的效率; 或最小值min f(x), 比如制冷裝置的能耗。由于對(duì)于函數(shù)最大值的求解可以轉(zhuǎn)化為對(duì)于函數(shù)最小值的求解，如max f(x)即相當(dāng)于min f(x)，因此優(yōu)化中一般統(tǒng)一歸結(jié)為函數(shù)最小值的求取。,數(shù)學(xué)描述,上面討論的數(shù)學(xué)總是可以采用如下的數(shù)學(xué)形式來(lái)描述 目標(biāo)函數(shù) min f(x) 約束條件 hi(x)=0 i = 1, 2, , m gj(x) 0 j = 1, 2, n,優(yōu)化式子說(shuō)明,目標(biāo)函數(shù)f(x)中的設(shè)計(jì)變量(x1、x2

9、、xn)是不能任意選取的，它們必須滿足一定的關(guān)系和要求，描述這些關(guān)系和要求的方程稱(chēng)為約束方程。這些方程可以為等式，也可以為不等式。,1-4 制冷裝置計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)入門(mén),計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基本概念 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成及基本功能,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基本概念,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design)CAD技術(shù)是近年來(lái)得到迅速發(fā)展的科技新領(lǐng)域。從廣義講，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念包含了計(jì)算機(jī)在工程設(shè)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)等所有領(lǐng)域中的應(yīng)用。設(shè)計(jì)包含有分析、計(jì)算、繪圖等。實(shí)際上計(jì)算機(jī)問(wèn)世不久即在設(shè)計(jì)中用于計(jì)算和分析。而計(jì)算機(jī)繪圖則經(jīng)歷了一段較長(zhǎng)的探索過(guò)程，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD的概念是伴隨計(jì)算機(jī)繪圖

10、技術(shù)的發(fā)展才產(chǎn)生，并為廣泛熟悉。,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的內(nèi)容,一個(gè)CAD系統(tǒng)一般應(yīng)該包括有專(zhuān)業(yè)計(jì)算、分析、優(yōu)化程序，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以及自動(dòng)化繪圖系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助繪圖（Computer Aided Drawing）是CAD系統(tǒng)的一個(gè)很重要的組成部分，也是影響最大的部分，它可以是一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用系統(tǒng)，直接為工程設(shè)計(jì)服務(wù)，而且也常常被稱(chēng)為CAD系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一部分。,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成,(1)硬件環(huán)境。應(yīng)該有帶有高分辨率顯示器的計(jì)算機(jī)主機(jī)、寬行打印機(jī)、數(shù)字化儀或圖形掃描儀、繪圖儀等。 (2)軟件環(huán)境。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng), 不僅需要有完善的硬件設(shè)備, 還要選配與硬件設(shè)備相適應(yīng)

11、的軟件環(huán)境，主要包括:所選機(jī)型的系統(tǒng)軟件, 如操作系統(tǒng), 各種高級(jí)語(yǔ)言的編譯程序以及其它有關(guān)系統(tǒng)軟件; 圖形支撐軟件, 這實(shí)際上是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中所需要的繪圖系統(tǒng)。目前在國(guó)內(nèi)最常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件為AutoCAD。,1-5 制冷裝置仿真的基本現(xiàn)狀,時(shí)間: 過(guò)去的二十年左右 背景:工業(yè)界重視程度的提高和計(jì)算機(jī)及其相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展,仿真發(fā)展歷程,制冷裝置的仿真與優(yōu)化研究從產(chǎn)生到發(fā)展，經(jīng)歷了從1)單純的部件模型研究到適合系統(tǒng)仿真要求的部件模型和系統(tǒng)模型研究，2)從穩(wěn)態(tài)、集中參數(shù)到動(dòng)態(tài)、分布參數(shù)，3)從瞬態(tài)特性研究到長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程的仿真，并與優(yōu)化與控制結(jié)合這樣一條發(fā)展途徑。,仿真發(fā)展水平,盡管許多

12、研究者力圖通過(guò)對(duì)某一具體對(duì)象的深入研究而創(chuàng)立一套普遍適用的理論。然而迄今為止作為這一領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)和重點(diǎn)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)還有待進(jìn)一步深入和擴(kuò)展。,穩(wěn)態(tài)仿真,從公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，雖然從七十年代末開(kāi)始就已有人開(kāi)展制冷系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究工作，但到目前為止研究得最多、應(yīng)用得最廣的仍屬穩(wěn)態(tài)仿真。穩(wěn)態(tài)仿真技術(shù)的逐步成熟及其所暴露的一些明顯不足，刺激并推動(dòng)了動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的發(fā)展。,1-6 系統(tǒng)的分析與分解,把實(shí)際的復(fù)雜系統(tǒng)分解成各自獨(dú)立的多個(gè)子系統(tǒng)， 而原系統(tǒng)可視為這些子系統(tǒng)的相互關(guān)系中產(chǎn)生的整體。對(duì)于每一個(gè)子系統(tǒng), 又可以繼續(xù)分解, 直到最后所得到的子系統(tǒng)足夠簡(jiǎn)單為止。這是制冷裝置動(dòng)態(tài)仿真與優(yōu)化軟件開(kāi)發(fā)

13、步驟中, 首先要做的工作。,建模階段分解系統(tǒng)的方法,主要是了解系統(tǒng)的工作機(jī)理, 所以需要按照系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)關(guān)系, 將實(shí)際裝置分成若于個(gè)大的部件, 了解這些部件各參數(shù)之間的相互耦合關(guān)系, 并繼續(xù)對(duì)這些部件進(jìn)行分解, 直到能比較方便地建立合乎要求的模型為止。,1-7 模型、算法的選擇策略,1)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真所用的部件模型不同于單獨(dú)研究部件所用的模型，在保證相當(dāng)精度的前提下，前者更需要簡(jiǎn)單。 2)算法與模型之間的相互制約作用，將從根本上決定今后模型的發(fā)展方向。,主要模型類(lèi)型,1) 集中參數(shù)模型（又稱(chēng)單結(jié)點(diǎn)模型）目前仍為大多數(shù)研究者所采用的主要原因是簡(jiǎn)單。 2) 分布參數(shù)模型可提高精度，相當(dāng)復(fù)雜的由此帶

14、來(lái)的直接后果是計(jì)算所需的CPU時(shí)間驟增，故目前所能達(dá)到的只是粗網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)。 3) 分塊集中模型：由于分布參數(shù)模型的實(shí)現(xiàn)條件還不成熟，單結(jié)點(diǎn)模型又過(guò)于簡(jiǎn)單化，因此目前更多的研究者傾向于采用改進(jìn)的分塊集中模型。,模型、算法與計(jì)算機(jī)性能的平衡關(guān)系,仿真涉及三要素：數(shù)學(xué)模型,算法和數(shù)字計(jì)算機(jī)，它不但涉及這三個(gè)要素本身，而且還要處理它們之間的關(guān)系。仿真模型的正確建立，應(yīng)在計(jì)算機(jī)水平允許的條件下，根據(jù)研究對(duì)象的要求來(lái)進(jìn)行，在易理解、保證精度與簡(jiǎn)便之間達(dá)到一種平衡。,模型、算法與計(jì)算機(jī)性能的平衡關(guān)系,當(dāng)計(jì)算機(jī)性能提高時(shí)，對(duì)模型和算法的限制要求就有所放寬； 模型簡(jiǎn)化，則對(duì)算法的要求下降； 算法研究有進(jìn)展，則模型

15、的限制條件可放寬，通用性更強(qiáng)。 因此，我們面臨兩大課題：一是在現(xiàn)有（已知）算法的基礎(chǔ)上，獲取最佳模型；二是順應(yīng)模型改進(jìn)的需要，研究新的算法。,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的要求-整體要求,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的整體要求可歸納為八個(gè)字：“穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速、通用”（stable, accurate, fast, flexible）。數(shù)值穩(wěn)定是系統(tǒng)仿真的首要前提；仿真結(jié)果準(zhǔn)確與否是用戶最為關(guān)心的問(wèn)題；快速是優(yōu)化可行性和軟件實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)之一；通用性包括理論建模與軟件開(kāi)發(fā)規(guī)范化兩個(gè)方面，提高通用性是每個(gè)研究者的目標(biāo)。對(duì)于不同的對(duì)象（如研究者、同行、用戶等），由于目的的差異，整體要求的重點(diǎn)可能有所變化，但內(nèi)容大抵如此。,1-

16、8 制冷系統(tǒng)仿真,制冷系統(tǒng)仿真，通俗的講，就是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真的方法運(yùn)用于引入到制冷空調(diào)裝置的系統(tǒng)建模和特性研究中來(lái)。,部件模型,壓縮機(jī)模型 節(jié)流部件模型 換熱器（冷凝器或蒸發(fā)器）模型 制冷劑的充灌量模型 制冷劑的熱物性模型 系統(tǒng)模型及算法,研究成果,上海交通大學(xué)在房間空調(diào)器的仿真上取得了驕人的成績(jī)，他們開(kāi)發(fā)出了一系列相關(guān)軟件，并且在國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)得到了應(yīng)用，取得了良好的實(shí)際效果 清華大學(xué)開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)第一套用于人工環(huán)境系統(tǒng)控制的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，目前已發(fā)展成為國(guó)內(nèi)此領(lǐng)域唯一的國(guó)產(chǎn)系列化產(chǎn)品。 西安交大對(duì)于在壓縮機(jī)性能分析和技術(shù)改進(jìn)有雄厚的基礎(chǔ)，憑借其熱工基礎(chǔ)研究的積累，對(duì)于各種類(lèi)型的換熱器的換熱機(jī)理也有深入的