Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Существенно возросшие в новых экономических условиях требования экономической эффективности производства, экологической чистоты и расширения потребительских свойств синтетических каучукоп, применяемых в шинной и резино-технической промышленности, вызвали необходимость исследования и промышленного применения новых каучуков со сложной структурой полимера. Статистический дивинил-стирольный каучук (ДССК), синтезируемый в процессе растворной сополимеризации, пользуется устойчивым спросом на мировом рынке. Однако, возрастающая конкуренция среди производителей этих марок синтетического каучука, предопределила выдвижение на первый план задачи управления качеством получаемых полимеров.
Традиционно применяемые при моделировании и управлении формальные математические модели не позволяют обеспечить эффективное управление качественными показателями. В связи с этим, целесообразно использовать математические модели, наиболее полно отражающие основные закономерности химизма процесса и специфические особенности объекта. Сложность и недостаточная изученность процесса сополимернзацнн требуют тщательного анализа методами моделирования динамических особенностей объекта и дальнейшего использования его результатов для целен управления.
Кроме того, зависимость показателей качества от вариабельности входных параметров, в том числе неизмеряемых, приводит к использованию механизма адаптации модели в реальном времени, позволяющего системе искусственно приспосабливаться к изменяющимся условиям за счет получения, обработки и анализа недостающей информации о процессе одновременно с его управлением.
Таким образом, актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью обеспечения заданного качества полимеров со сложной структурой, задачами оптимального управления технологическими процессами растворной сополнмернзации сшггетического каучука на базе использования адекватного математического описания в АСУТП.
Диссертация выполнена в рамках межвузовской научной программы "Теоретические основы химической технологии и новые принципы управления химическими процессами" (проект 04.11) и соответствует целевому научному направлению ВГТУ "САПР и системы автоматизации производства".
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка математического описания и ^ алгоритмического обеспечения адаптивной системы управления показателями качества синтетического каучука применительно к классу процессов растворной сополимеризации полимеров со сложной структурой.
С этой целью в работе решались следующие основные задачи:
разработка динамической модели технологического процесса растворной сополимеризации бутадиена и стирола с учетом кинетики, гидродинамики, теплопередачи и контроля качества; доказательство адекватности построенной математической модели и осуществление ее параметрической идентификации;
аналитическое исследование математической модели в условиях вынужденных периодических колебаний входных параметров;
разработка управляющих процедур АСУТП процесса на базе адаптивной математической модели;
реализация на ЭВМ и внедрение модифицированного математического обеспечения системы управления и моделирования в составе промышленной АСУТП.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ основаны на использовании теории химической кинетики, адаптивных систем, методов математического моделирования, математической статистики, вычислительной математики и компьютерных технологий управления.
Разработана математическая модель динамики процесса растворной сополимеризации бутадиена и стирола на уровне молекулярно-массового распределения, отличающаяся учетом сложной структуры конечного продукта, состоящего из блоков полистирола и статистического сополимера бутадиена и стирола.
Выполнено аналитическое исследование модели, сформулированы и доказаны теоремы существования, положительности и асимптотической устойчивости решения для режима вынужденных периодических колебаний управляющих параметров.
Создана редуцированная математическая модель контроля качества каучука ДССК, обеспечивающая моделирование в реальном масштабе времени и применимая в замкнутом контуре регулирования.
Синтезирован алгоритм многомерного оптимального управления динамическими режимами процесса растворной сополимеризации с квадратичным критерием качества.
Предложен способ управления процессом растворной полимеризации, отличающийся использованием режима вынужденных колебаний рас-
хода катализатора для регулирования качественных показателей синтетического каучука.
Разработаны методы и численные алгоритмы регулирования и стабилизации технологических и качественных показателен процесса растворной сополимеризации каучука ДССК в цепочке реакторов.
Предложена методика контроля характеристической вязкости полимера на выходе батареи реакторов с применением адаптивной схемы оценки параметров математической модели в реальном масштабе времени по мере получения лабораторного анализа.
На базе математических моделей разработано программно- алгоритмическое обеспечение подсистем моделирования и адаптивного управления, предложена модифицированная функциональная структура АСУТП растворной сополимеризации.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработанные математические модели, методы и алгоритмы адаптивного управления технологическими н качественными показателями прошли экспериментальную проверку и переданы в опытную эксплуатацию в составе усовершенствованной подсистемы управления в составе промышленной АСУТП производства ДССК-65/40 на Воронежском заводе "Сннтсзкаучук". Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения системы составляет 122 млн. руб.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научной конференции " Интенсификация тепло- и массообмешшх процессов в химической технологии" (Казань, 1984), II Всесоюзной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Воронеж, 1985), III Всесоюзной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Воронеж, 1990), VIII Всероссийской научно-технической конференции "Математические методы в химии" (Тула, 1993), IV Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Ярославль, 1994), Республиканской научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1996).
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе авторское свидетельство на изобретение.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на 129 страницах, включает 5 таблиц и 32 рисунка; состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.