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1 概论1

1.1 过程系统1

1.1.1 系统1

1.1.2 过程与过程系统1

1.2 系统模型与系统仿真3

1.2.1 系统模型3

1.2.2 系统仿真4

1.2.3 过程系统仿真6

1.2.4 系统仿真的应用7

习题8

2.1 数学模型目标上的二元性9

2 数学模型与建模原理9

2.2 数学建模方法学10

2.2.1 系统方法学概述10

2.2.2 建模过程的信息源11

2.2.3 建模途径12

2.2.4 模型可信度12

2.2.5 建模过程13

2.3 数学模型的表述形式14

2.3.1 差分方程和微分方程的模型形式14

2.3.2 偏微分方程的模型形式16

习题16

3 过程单元动态数学模型的建立17

3.1.2 系统辨识和参数估计18

3.1 建立动态数学模型的途径18

3.1.1 机理模型的建立18

3.1.3 开环与闭环辨识19

3.1.4 在线优化模型参数20

3.2 机理建模20

3.2.1 有自衡能力对象的数学模型21

3.2.2 无自衡能力对象的数学模型25

3.2.3 多容对象的数学模型26

3.3 求取对象数学模型的实验方法28

3.3.1 响应曲线法28

3.3.2 在线闭环试验法33

3.3.3 最小二乘参数估计法34

3.3.4 相关系数法37

习题39

4 过程系统的模型化41

4.1 过程系统的结构分析41

4.1.1 有向图描述系统结构41

4.1.2 有向图的矩阵表示——结构矩阵43

4.1.3 过程系统结构的表格表示——结构表45

4.1.4 系统结构的代数表示——联结方程46

4.2 过程系统的自由度分析48

4.2.1 自由度概念48

4.2.2 物流的自由度49

4.2.3 过程单元的自由度51

4.2.4 过程系统的自由度58

4.2.5 决策变量的确定61

4.3 过程单元的模型化68

4.3.1 闪蒸单元的建模69

4.3.2 分层器单元的建模71

4.3.3 精馏塔的建模73

4.4 物性数据与估算方法75

4.4.1 基础物性75

4.4.2 物性数据系统77

习题79

5.1.1 连续系统的数学模型82

5.1 连续系统数字仿真的基本概念82

5 连续系统的数字仿真82

5.1.2 数值积分法与离散相似法87

5.1.3 连续系统数字仿真的特点88

5.2 数值积分法88

5.2.1 欧拉法88

5.2.2 梯形法89

5.2.3 龙格-库塔方法90

5.2.4 稳定性分析92

5.2.5 积分步长的选择与控制93

5.2.6 数值积分方法的选择95

5.2.7 面向微分方程的系统仿真96

5.2.8 面向结构图的系统仿真98

5.3 连续系统离散相似法数字仿真102

5.3.1 连续系统状态方程的离散模型103

5.3.2 典型环节的离散化模型105

5.3.3 采用离散化模型的系统仿真108

5.3.4 含有非线性环节的系统仿真111

5.3.5 离散相似模型的校正113

5.4 连续系统的快速仿真与实时仿真119

5.4.1 连续系统的快速数字仿真120

5.4.2 连续系统的实时仿真算法133

5.5 采样控制系统的数字仿真134

5.5.1 采样周期与计算步距135

5.5.2 改变数字控制器的采样间隔136

5.5.3 具有纯滞后环节的采样控制系统的仿真研究137

5.5.4 前馈控制140

5.6 函数发生的隐含方法143

5.6.1 建立在反馈基础上的隐含方法143

5.6.2 隐含方法的数学说明145

5.6.3 非线性联立方程的数值解148

5.6.4 联立关系的隐含解149

习题150

6 随机噪声的数字仿真154

6.1 随机变量与随机过程154

6.1.1 确定系统与随机过程154

6.1.2 随机事件与随机变量155

6.1.3 常用的几种概率分布157

6.1.4 随机过程160

6.2 随机过程的基本特性162

6.3 随机噪声的传递特性166

6.3.1 互功率谱密度与频率特性166

6.3.2 自功率谱密度与频率特性166

6.4 随机噪声基本特性的数字量测167

6.4.1 均值与方差的计算167

6.4.2 概率密度函数的数值计算168

6.4.3 自相关函数的数值计算168

6.4.4 功率谱密度的数值计算171

6.5.1 随机数的产生173

6.5 随机噪声的数字仿真173

6.5.2 对随机噪声按概率分布要求进行整形176

6.5.3 对随机噪声按功率谱密度要求进行整形177

习题178

7 连续系统仿真与控制器参数优化180

7.1 系统仿真与参数优化180

7.1.1 间接寻优法180

7.1.2 直接寻优法181

7.2 单变量寻优技术183

7.2.1 fibonacci法184

7.2.2 等间隔分割法187

7.2.4 二次插值法188

7.2.3 黄金分割法188

7.3.1 最速下降法190

7.3 多变量寻优技术190

7.3.2 共轭梯度法192

7.3.3 松弛与单纯形法（模式法）195

7.3.4 在寻优过程中对限制条件的处理198

7.4 控制系统调节器的参数优化199

7.4.1 控制系统的品质指标199

7.4.2 PID调节器的参数优化201

习题203

8 过程系统的仿真（模拟）方法206

8.1.1 序贯模块法原理207

8.1 序贯模块法207

8.1.2 再循环流的断裂（切断）209

8.1.3 断裂流股变量的收敛218

8.1.4 序贯模块法应用221

8.2 面向方程法223

8.2.1 面向方程法原理223

8.2.2 大型稀疏非线性方程组的降维解法224

8.2.3 联立拟线性方程组法解大型稀疏非线性方程组231

8.3 联立模块法236

8.3.1 联立模块法的原理236

8.3.2 建立简化模型的两种切断方式237

8.3.3 单元简化模型240

8.4 典型过程流程仿真系统介绍247

8.4.1 流程仿真系统的构成247

8.4.2 PROCESS系统简介247

8.4.3 专用流程仿真系统248

习题249

9 基于仿真的过程系统优化方法252

9.1 最优化基本概念252

9.1.1 最优化问题的数学定义252

9.1.2 最优化方法的分类255

9.1.3 过程系统参数优化的类型及特点256

9.2.1 稳态模拟优化法原理259

9.2 稳态模拟优化法259

9.2.2 可行路径过程系统参数优化法261

9.2.3 序列二次规划法264

9.2.4 不可行路径面向方程法273

9.2.5 不可行路径联立模块法277

9.2.6 不可行路径序贯模块法279

9.3 动态系统参数的变分优化法281

9.3.1 无约束连续系统的最优化282

9.3.2 有微分形式约束方程的连续系统优化284

9.3.3 有不等式约束的连续系统优化296

9.4 过程系统操作优化举例297

9.4.1 流程分析与数据处理297

9.4.2 模型建立299

9.4.3 参数优化300

习题301

10 过程计算机操作训练仿真303

10.1 过程计算机操作训练仿真的特点303

10.2 过程计算机操作训练仿真的数学模型304

10.2.1 过程操作训练仿真用数学模型的特点304

10.2.2 过程训练仿真用数学模型建立的方法与步骤304

10.2.3 建模举例308

10.2.4 数学模型的处理策略319

10.3 过程仿真培训系统的研制过程和发展趋势321

10.3.1 过程仿真培训系统的研制步骤及相关的专业知识322

10.3.3 过程仿真培训系统的现状及发展趋势323

10.3.2 过程仿真培训系统的评价323

附录1 数学基础：拉普拉斯变换、采样过程及Z变换331

A 拉普拉斯变换331

B 采样过程334

C Z变换337

D 脉冲传递函数341

附录2 仿真实验344

实验1 面向方程的数值积分方法仿真344

实验2 面向结构图的线性系统仿真353

实验3 离散相似法非线性系统仿真355

参考文献358