[發(fā)明專利]面向單機實時仿真的復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性建模方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610007357.1
• 申請日: 2016-01-06
• 公開（公告）號: CN105677969B
• 公開（公告）日: 2019-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李國相;龐麗萍;郭琪;劉棟
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京金恒聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 11324
• 代理人: 李強

本發(fā)明提供了一種面向單機實時仿真系統(tǒng)的流體網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性建模方法。其特征在于包括：建立復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)的元件動量模型；建立復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)動量模型；分析復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)動量模型的特性；根據(jù)顯式定步長歐拉法的系統(tǒng)穩(wěn)定性條件；確定自適應(yīng)魯棒算子保證復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)模型的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)實時仿真系統(tǒng)穩(wěn)定性建模的方法，屬于采用顯式歐拉法求解復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)物質(zhì)流過程的實時仿真領(lǐng)域。

背景技術(shù)

熱工流體網(wǎng)絡(luò)模型用于描述熱力設(shè)備之間的熱耦合關(guān)系，與管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，為設(shè)備模型提供壓力、流量、溫度等計算的邊界條件。流體網(wǎng)絡(luò)一般由管道、閥門、風(fēng)機、泵等基本設(shè)備組成，在工質(zhì)流動過程中完成物質(zhì)和能量的交換。流體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，包括飛行器的環(huán)境控制系統(tǒng)、電站熱力系統(tǒng)、天然氣輸送系統(tǒng)等。建立通用的、能適用于復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)的流體網(wǎng)絡(luò)建模方法具有重要實際應(yīng)用意義。

實時仿真技術(shù)是在考慮實時仿真算法、仿真系統(tǒng)時序、時間同步的基礎(chǔ)上，對實際系統(tǒng)進行的動態(tài)仿真。與單純計算機數(shù)字仿真相比，實時仿真的最大優(yōu)勢在于虛擬仿真系統(tǒng)以物理時間同步為前提，能直接作用于實際硬件，無需事先對復(fù)雜硬件進行模型建立、模型校驗等復(fù)雜過程，即可進行大系統(tǒng)仿真實驗。采用實時仿真技術(shù)可實現(xiàn)“虛實結(jié)合”的子系統(tǒng)驗證與考核，不但能夠大大地縮短系統(tǒng)研發(fā)周期，還能夠有效降低系統(tǒng)研發(fā)成本。

但實時仿真的問題在于，由于其硬件在環(huán)特性，要求實時仿真系統(tǒng)需要采用固定時間步長求解系統(tǒng)方程，加上流體網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，穩(wěn)定性較好的隱式求解算法難以在大型復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)仿真中擴展應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出采用顯式歐拉法求解復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)實時仿真的穩(wěn)定性建模方法，保證系統(tǒng)仿真的實時性和流體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化時系統(tǒng)方程求解的穩(wěn)定性。

實際復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)的建模仿真往往采用隱式求解算法作為系統(tǒng)求解器，由于隱式求解器收斂性好，在流體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整時，系統(tǒng)能保持較好的收斂性。然而，隱式求解算法通過對每個積分步進行多次迭代求解系統(tǒng)方程的過程，導(dǎo)致隱式求解器求解效率差，難以保證流體網(wǎng)絡(luò)實時仿真的實時性。針對復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)實時仿真的實時性需求，提出采用顯式歐拉法作為系統(tǒng)求解算法建立復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。然而，當(dāng)流體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化時，系統(tǒng)模型容易產(chǎn)生剛性并導(dǎo)致求解難以收斂，針對系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，本發(fā)明提出了自適應(yīng)魯棒算子，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)任意變化時，均能在保證系統(tǒng)求解實時性的同時保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而提出面向?qū)崟r仿真的復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性建模方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種面向單機實時仿真的復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性建模方法，其特征在于包括：

建立復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)的元件動量模型；

建立復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)動量模型；

分析復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)動量模型的特性；

提出顯式定步長歐拉法的系統(tǒng)穩(wěn)定性條件；

建立復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性自適應(yīng)魯棒算子，保障復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化時系統(tǒng)仿真的穩(wěn)定性。

說明書附圖

圖1是適用于本發(fā)明的溫濕度控制系統(tǒng)通風(fēng)流體網(wǎng)絡(luò)模型原理圖。

圖2顯示了顯式歐拉法收斂域。

圖3顯示了閥門開度調(diào)整時系統(tǒng)特征值的變化。

圖4顯示了閥門開度調(diào)整時系統(tǒng)條件數(shù)的變化。

圖5顯示了閥門開度調(diào)整為8％時的系統(tǒng)流量響應(yīng)曲線。

圖6顯示了閥門開度調(diào)整時改進后的系統(tǒng)特征值變化。

圖7顯示了閥門開度調(diào)整為8％時改進后的系統(tǒng)流量響應(yīng)曲線。

圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)實時仿真穩(wěn)定性建模方法的流程圖。