锅炉汽水系统Modelica建模与模型标定

为了分析锅炉汽水系统非线性特性，基于面向对象无因果建模语言Modelica建立了锅炉汽水系统二阶和四阶Modelica模型，并在Dymola平台上进行了仿真。在计算水和水蒸汽热力性质时充分利用了Modelica标准函数库。由于模型中存在无法直接测量的参数，以50%负荷下热量增加10 MW时压力和水位阶跃响应特性曲线为依据，通过计算测量变量与对应变量仿真结果在各个测量时间点上的残差平方和，并以该值的最小化为目标对参数进行标定，通过标定提高了模型的可信度。

系统建模与仿真是研究复杂系统的一种重要方法与手段[1]。锅炉在工业领域中是一种重要的能量转换装置。它的工作特性直接关系到整个机组的运行状态。同时它又是一类复杂多变量非线性系统[2]，因此建立一个结构简单同时又具有较高精度的模型是研究锅炉特性的一项重要任务。许多学者基于不同研究目的建立了大量的模型[3]-[7]。

这些模型可以归结为以下几类：静稳态模型、黑箱模型、机理分析模型。

静稳态模型一般用于系统稳态设计，但不能模拟系统动态特性；采用系统辨识方法获得的黑箱模型在某些特定的工况下具有较高的精度，然而在其他工况下误差较大，不适合过程控制与优化；机理模型精度较高并且适用范围广，但模型结构往往比较复杂，通常由大量的代数方程和微分方程组成，为了求解这样的代数微分方程组，需要进行大量的简化和变形，这个过程不仅繁琐而且容易出错。此外模型往往包含一些不能通过直接测量而得到参数需要进行标定。本文将多领域统一建模语言Modelica 应用到锅炉汽水系统建模中，方程的简化与变形由软件自动完成，减少了出错概率，同时采用Modelica 模型标定工具对模型中难于测量的参数进行标定，提高了模型可信度。

2. 多领域统一建模语言——Modelica Modelica 是一种为了解决复杂物理系统多领域统一建模与仿真而产生的一种面相对象、基于组件的非因果关系建模语言。

多领域统一建模思想最早由H Elmqvist 于1978 年提出， 随后出现ASCECD、Gproms、NMF、U.L.M.等多种建模语言，为了结束多种物理建模语言并存的混乱局面，1996 年9 月，国际仿真界开始致力于多领域物理系统混合建模统一语言的研究，这种统一的物理建模语言被称为Modelica[8]。

Modelica 采用面向对象思想进行建模，通过封装和继承机制提高代码的可重用性，同时结合模块化建模可以一个将复杂系统分解为简单的子系统，分别对子系统进行建模，然后采用分层机制、组件连接机制构建系统模型，从而降低了复杂系统建模难度。由于采用非因果的建模思想，用更加自然的语法和语义来表述模型，适合于物理系统的建模，正在向复杂物理系统建模与仿真的标准语言发展[9]。

3. 锅炉汽水系统模型 3.1. 对象描述 典型的自然循环锅炉结构简图如图1 所示。给水在上升管处受热蒸发，导致下降管和上升管存在密度差，形成一定自然循环压头，迫使给水按照下降管–上升管–下降管方式循环流动。上升管出口为汽