模拟器使用数学来创建虚拟过程

想象一下这些情景:

• 设计师在计算机上创建汽车外壳部件的模型。作为这一过程的一部分，计算机生成指令，这些指令可以上传到加工中心，无需任何额外的编程就可以制作物品。
• 一位工程师为一家大型工厂创建了一个新的化学处理装置，该装置将从现有的原料中制造出新产品。在实际构建新单元时，它的性能完全符合预期。
• 为了分析管道故障，工程师使用有限元分析(FEA)和计算流体动力学(CFD)相结合的方法来识别材料应力和流动材料造成的焊接接头弱化的影响。

所有这些都是可能的，因为模拟程序使用复杂的数学过程来创建实际对象或过程的虚拟表示。在模拟器中，现实生活被简化为可以用不同类型的方程表示的数学关系。

仿真平台有几十种不同的类型，因为有很多不同的应用程序和需求。一些是高度专业化的，具有高度的保真度，而另一些则更一般。通常，它们被设计为使用一种特定类型的数学函数，这使得给定的平台适合于特定类型的分析。

MathWorks的工业自动化行业营销经理Tony Lennon将Simulink描述为许多类型系统的广泛应用平台。“我们可以模拟任何类型的动力系统，任何用微分方程描述的东西，”他说。Simulink的数学基础是微分方程。这创建了一个模拟环境，在这里您可以用数学方法表达不同类型的系统，因此它提供了许多可能性。你可以研究热力学系统，机械系统，液压系统，电气系统，你可以从多领域的角度来处理一个问题。今天很少只有一种系统。”

其他平台更适合于特定的应用，如化学处理。大多数提供大型dcs的公司还提供与控制系统一起工作的仿真平台。例如，霍尼韦尔过程解决方案公司有其UniSim设计套件，旨在帮助用户在建造过程单元之前设计和优化它们。霍尼韦尔过程管理全球业务经理Rafael Coronel表示:“工程师可以快速评估最有利可图、最可靠、最安全的设计。”“据估计，在调试期间进行的现场设计更改占项目资本成本的7%。模拟使公司能够在项目早期评估其设计决策的影响。”

在工厂建成后，模拟器的使用并没有停止。用户可能不得不转移到另一种类型的平台来做不同的事情，但设计和操作的所有方面都可以进入。英维思运营管理公司SimSci-Esscor仿真软件产品营销经理Joseph McMullen表示:“一旦你用一个平台设计了工艺单元，你就可以用另一个平台启动和操作它，用第三个平台优化它。”“我们将其描述为植物生命周期模拟。它从概念工程的设计阶段开始。在运行阶段，我们研究启动和关闭、DCS逻辑等。然后我们进行优化，但由于事情在一个过程中发生了变化，你最终又会回到起点。”

其他类型的数学

目前讨论的系统依赖于常微分方程，而FEA和CFD平台则建立在偏微分方程上。其结果是能够对管道中的流体行为或结构构件中出现应力的地方进行不同的、通常更复杂的计算。

然而，这种能力是有代价的。计算越复杂，支持系统所需的计算能力和数字处理时间就越多。这同样适用于模型保真度。您对过程建模的能力可能取决于确定在各种条件下有多少产品将流经特定的阀门。也许对你的目的来说，只要知道给定压力下的流量就足够了。这应该是一个相对简单的问题。另一方面，当液体进入下一段管道时，你可能需要知道湍流的详细图像和横截面流动轮廓。这些是非常不同的图片，将需要不同的方法来生成每一个。

最终，模拟平台都有一个共同的目标，即设计或测试某些东西，但不实际构建它。正如列侬总结的那样，“理想的情况是我在模拟过程中做所有事情，所有步骤。然后我制作了一个测试原型，它第一次工作，完全符合我们的设计。这就是我的全部想法。”

彼得·韦兰德是一名内容经理控制工程。pwelander@cfemedia.com

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