Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 19
1.1 Актуальность разработки проблемно - ориентированных
автоматизированных систем обработки информации 19
1.1.1 Цели создания проблемно – ориентированных автоматизированных систем обработки информации, выполняемые функции 19
1.1.2 Обобщенная структура АСНИ 21
1.2 Применение системного анализа в методологии и методике создания проблемно - ориентированных автоматизированных систем обработки информации 23
1.2.1 Факторы, влияющие на развитие и эволюцию АСНИ и предъявляемые к АСНИ требования 25
1.2.2 Анализ проблем в области создания АСНИ и автоматизированных систем комплексных испытаний и предъявляемые требования к их организации 26
1.3 Структура автоматизированных систем химических и химико -технологических исследований и примеры использования 30
1.4 Примеры применения АСНИ в химии полимеров 33
1.5 Технологии синтеза термоэластопластов и низкомолекулярных полимеров
1.5.1 Синтез бутадиен - стирольных термоэластопластов 35
1.5.2 Способы получения низкомолекулярных полимеров 38
1.5.3 Описание термоокислительной деструкции полимеров как химического процесса 39
1.5.4 Описание промышленного технологического процесса термоокислительной деструкции полимеров в растворе
1.6 Методы идентификации типов полимеров 41
1.7 Определение физикомеханических свойств полимерных материалов 44
1.8 Методы оценки средней молекулярной массы полимеров 46
1.9 Основные лабораторные методы определения молекулярномассового
распределения полимеров 51
1.10 Применение математического моделирования при оценке ММР полимеров, получаемых на основе процессов полимеризации и деструкции 52
1.10.1 Статистический подход 53
1.10.2 Кинетический подход 56
1.10.3 Обзор примеров моделирования функции ММР полимеров, подвергающихся деструкции 1.11 Моделирование кинетики процессов растворной полимеризации (в области получения термоэластопластов) 68
1.12 Обзор кинетических моделей процессов деструкции полимеров 73
1.13 Управление технологическими процессами растворной полимеризации и деструкции 80
1.13.1 Системный анализ процецессов растворной полимеризации как
объектов управления 80
1.13.2 Особенности управления периодическими процессами синтеза
полимеров по периодической технологии 82
1.14 Постановка задач диссертационного исследования 86
ГЛАВА 2. Разработка системной и информационных моделей автоматизированных систем анализа и управления показателями качества в периодических процессах синтеза полимеров 88
2.1 Цели и задачи системного анализа при проектировании АСАУ 89
2.1.1 Макропроектирование системной модели АСАУ 90
2.1.2 Разработка структурной модели проблемно - ориентированных авто матизированных систем 90
2.2 Проектирование функциональной структуры АСАУ на основе IDEF3
моделей 97
2.3 Теоретико - множественное описание системной модели АСАУ 102
2.3.1 Структурно – параметрическая идентификация системной модели на примере АСАУ параметров качества полимеров в растворе (нулевой уровень декомпозиции) 103
2.3.2 Структурно – параметрическая идентификация системной модели на примере АСАУ параметров качества полимеров в растворе (1 – й уровень декомпозиции) 1 2.4 Информационная структура АСАУ 111
2.5 Выводы 121
ГЛАВА 3. Моделирование синтеза полимеров периодическим способом на примере процессов полимеризации и деструкции 123
3.1 Моделирование процессов полимеризации на примере
получения дивинил – стирольных термоэластопластов 123
3.1.1 Математическое моделирование кинетики фракционного состава
полистироллития и двухблочного сополимера 125
3.1.1.1 Моделирование кинетики фракционного состава полистироллития 125
3.1.1.2 Моделирование кинетики фракционного состава при получении двухблочного полимера 131
3.1.2 Моделирование кинетики и термодинамики процесса полимеризации мономера (КТППМ) 134
3.1.2.1 Структура математической модели КТППМ 134
3.1.2.2 Кинетический блок математической модели КТППМ 135
3.1.2.3 Энергетический блок математической модели КТППМ 137
3.1.2.4 Математическая модель ТППМ
3.1.3 Комплексная математическое описание процесса синтеза ТЭП 141
3.1.4 Параметрическая идентификация математических моделей синтеза первого и второго блоков при получении ТЭП 147
3.1.5 Оценка погрешностей и уcтановление адекватности комплексной модели 150
3.1.6 Математическое моделирование молекулярномассового распределения сшитого полимера 154
3.1.6.1 Статистическое моделирование ММР в процессе сшивки полимеров 154
3.1.6.2 Оценка воспроизводимости расчёта ММР полимера на стадии сшивки 157
3.2 Получение математической модели процесса деструкции полимеров в
растворе 159
3.2.1 Разработка модели КФСП в процессе деструкции 159
3.2.1.1 Кинетическая схема процесса деструкции и структура математической модели КФСП 159
3.2.1.2 Моделирование ТД и оценка погрешности математической модели 1 3.2.2 Математическая модель кинетики ТД 179
3.2.3 Оценка кинетических параметров химических реакций в процессе ТД 183
3.3 Выводы 187
ГЛАВА 4. Методы математической обработки данных для оценки молекулярных параметров полимеров 189
4.1 Метод расчета е фракционного состава полимера на основе обработки данных гель - проникающей хроматографии полимеров 190
4. 2 Метод оценки динамики статистических моментов ММР и показате лей качества полимеров в ТД 200
4.3 Экспресс метод измерения средней молекулярной массы полимеров в растворе и распознавание типа растворенного полимера 214
4.3.1 Модификация теплофизического метода оценки средней молекулярной массы полимеров в растворе 214
4.3.1.1 Описание пилотной установка для измерения средней молекулярной массы растворенных полимеров 215
4.3.1.2 Входная обработка данных 217
4.3.1.3 Выявление структуры и идентификация параметров математической модели оценки средней моллекулярной массы полимеров в растворе 223
4.3.1.3.1 Планирование экспериментальных работ и оценка тесноты связи между параметрами эксперимента 224
4.3.1.3.2 Оценка погрешности метода измерения средней молекулярной массы полимеров в растворе 230
4.3.2 Распознавание типа аморфного полимера в растворе 232
4.4 Выводы 236
ГЛАВА 5. Управление периодическими процессами синтеза полимеров в растворе 238
5.1 Управление синтезом термоэластопластов 239
5.1.1 Разработка методики оперативной оценки КАЦП 241
5.1.2 Рассчет управляющих воздействий 245
5.1.3 Методика расчета начальной температуры полимеризации 247
5.1.4 Исследование влияния дробной подачи реагентов на качество полимеров 251
5.1.5 Реализация способа управления на основе дробной загрузки компонентов реакции 262
5.2 Разработка алгоритма управления качеством полимеров в процессе их ТД 264
5.2.1 Описание процесса ТД полимеров в растворе как объекта управления 264
5.2.2 Управление процессом ТД стабилизацией концентрации инициирующего агента 268
5.3 Выводы 280
Основные выводы и результаты работы 282
Список литературы
- Цели создания проблемно – ориентированных автоматизированных систем обработки информации, выполняемые функции
- Разработка структурной модели проблемно - ориентированных авто матизированных систем
- Моделирование кинетики и термодинамики процесса полимеризации мономера (КТППМ)
- Метод оценки динамики статистических моментов ММР и показате лей качества полимеров в ТД
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. При решении задач инновационного развития современных производств широкого спектра полимеров (в том числе термоэластопластов (ТЭП) и низкомолекулярных полимеров с активными функциональными группами) важное значение приобретают приемы, способы и методология изучения системных связей и закономерностей функционирования и развития периодических (нестационарных) процессов синтеза полимеров с заданными характеристиками, разработка проблемно-ориентированных автоматизированных систем анализа и управления (АСАУ) качеством полимеров, методов и алгоритмов решения задач управления качеством полимеров в периодических производствах (в динамике).
Проблема управления качеством синтезируемых полимеров, как и разработка методологии создания проблемно-ориентированных АСАУ в этой области ставилась и фрагментарно решалась на протяжении многих десятилетий в работах: Флори П. Дж., Кафарова В.В., Френкеля С.Я., Арриса Р., Вольфсона С.А, Берлина А.А., Подвального С.Л., Битюкова В.К., Брык М.Т., Тихомирова С.Г., Ziff R.M., McCoy J.B., Simha R, Kehlen H., To-bolsky A. и др. Однако, до настоящего времени нет единого подхода к проектированию таких систем и сравнительно простых (инженерных) вычислительных алгоритмов решения этой сложной и многокритериальной проблемы.
Несмотря на то, что программные пакеты, обеспечивающие математическое и имитационное моделирование процессов, а также их технологические расчеты (такие как PolyPROMS, POLYSIM, CHEMCAD, Polythink, Комфорт и др.) на сегодняшний день широко используются, они не позволяют детализировать разработку проблемно-ориентированных АСАУ в конкретных предметных областях, а общепринятый подход к разработке систем на основе применения IDF0 моделей требует достаточно длительного анализа для выявления и раскрытия функциональных связей составляющих подсистем.
Качественное повышение эффективности исследования и управления нестационарными процессами синтеза полимеров в периодических производствах требует создания проблемно-ори-
ентированных систем, специального математического и алгоритмического обеспечения анализа и управления качеством полимеров в динамике, позволяющих заметно сократить долю трудоемких работ при экспериментальном исследовании за счет использования результатов численного и имитационного моделирования и применения современных методов обработки данных и интерактивных интерфейсов «человек — машина».
В этой связи теоретические и прикладные исследования системных связей и закономерностей функционирования и развития управляемых периодических производств, создание эффективных автоматизированных систем научного исследования и управления качеством полимеров является актуальной проблемой в научном и практическом плане.
Диссертация выполнена на кафедре информационных и управляющих систем ВГУИТ и осуществлялась в рамках государственного задания № 2014/22 (номер НИР 3041) по теме «Синтез многофункциональных систем контроля качества для пищевой и химической промышленности» и госбюджетной НИР № 01.9.60 007315 по теме: «Разработка и совершенствование математических моделей, алгоритмов регулирования, средств и систем автоматического управления технологическими процессами». Диссертационное исследование проводилось в рамках хоздоговорных работ по темам: «Разработка методов экспресс-анализа физико-химических свойств полимеров»; «Моделирование и идентификация процессов деструкции полимеров в растворе»; «Исследование и разработка новых методов структурно-параметрической идентификации химико-технологических процессов»; «Математическое моделирование процессов переработки отходов полимеров при производстве продукта “Поликрош”».
Цель работы: Обобщение научных достижений и разработка
на их базе теоретических основ создания проблемно-ориенти-
рованных систем анализа и управления для повышения качества продукции и эффективности периодических производств полимеров.
Основные задачи исследования. Формализация и постановка задач системного анализа и управления качеством полимеров в периодических производствах (в динамике) с использованием современных методов обработки информации.
Развитие подходов к построению структурной модели и теоретико-множественному описанию информационных потоков проблемно-ориентированных АСАУ качеством синтеза полимеров.
На основе современных методов системного анализа, математического и имитационного моделирования выполнение теоретических и прикладных исследований кинетики полимеризации, деструкции, процесса сшивки, показателей качества исследуемых полимеров, выявление системных связей и закономерностей функционирования и развития периодических процессов синтеза полимеров, разработка методов и алгоритмов оптимального управления процессами полимеризации и деструкции.
На основе методов функционального моделирования и интегрированного проектирования систем создание инвариантных структурных моделей информационных потоков, выявление последовательности и логики их преобразования в конкретных областях применения АСАУ.
Постановка задач интегрированного проектирования проблемно-ориентированных АСАУ качеством полимеров в периодических производствах, разработка методов и алгоритмов их решения.
Разработка специальных методов и алгоритмов обработки информации для получения дополнительных знаний о расширенном пространстве состояний объекта управления.
Разработка оригинальных способов управления периодическими процессами синтеза полимеров на основе предложенных информационных технологий, обеспечивающих в условиях неопределенности исходной информации синтез полимеров заданного качества в периодических производствах.
Методология и методы исследования. В диссертационной работе использованы методология системного анализа, методы теории автоматического управления, оптимизации, математического и имитационного моделирования, вычислительной математики, математической статистики, теории вероятностей, кластерного анализа, теории множеств, химической кинетики.
Объектами исследования являются периодические процессы синтеза полимеров и информационные потоки в системах оценки и управления качеством в этих процессах.
Предметом диссертационного исследования являются про-
блемно-ориентированные АСАУ качеством полимеров в периодических производствах, современные методы обработки информации, математические модели процессов синтеза полимеров, алгоритмы и методы управления качеством в периодических процессах синтеза полимеров.
Научная концепция диссертационной работы заключается в решении проблемы проектирования и создания специального программно-технического обеспечения и проблемно-ориентированных АСАУ качеством полимеров в периодических производствах.
Научная новизна характеризуется следующими результатами:
по специальности 05.13.01:
1. Формализация подхода к интегрированному проектированию
проблемно-ориентированных АСАУ качеством полимеров на
основе структурной модели, отличающегося наличием возможности
ее декомпозиции по классам функциональных особенностей. (п. 2, 9
паспорта специальности).
-
Структурная и информационные модели АСАУ качеством полимеров, отличающиеся дополнением их структурно-параметрическим и функциональным описаниями, предназначенные для оценки параметров качества, изменения фракционного состава полимеров в растворе; кинетики полимеризации, деструкции, процесса сшивки и управления этими процессами. (п. 8 паспорта специальности).
-
Комплекс методов и алгоритмов обработки данных, в том числе: алгоритм, позволяющий по результатам гель-проникающей хроматографии оценивать фракционный состав полимера в дискретной форме с любым интервалом дискретизации, отличающийся экстраполяцией хвостов молекулярно-массового распределения (ММР); метод, позволяющий по данным теплофизических испытаний растворов полимеров оценивать параметры качества и распознавать тип исследуемого полимера, отличающийся введением зависимости от концентрации полимера; новый метод, позволяющий в зависимости от глубины деструкции и начальных значений осуществлять прогноз параметров качества полимеров. (п. 4, 5, 11 паспорта специальности).
по специальности 05.13.06:
4. Математические модели процессов деструкции и полимериза-
ции и сшивки, отличительной особенностью которых является формализация связи параметров технологических процессов производства рассматриваемых полимеров с их фракционным составом и параметрами качества. (п. 4 паспорта специальности).
-
Метод и оригинальные алгоритмы управления периодическими процессами синтеза полимеров на основе дробной загрузки компонентов реакции для получения полимеров заданного качества. (п. 11 паспорта специальности).
-
Эффективные проблемно-ориентированные комплексы АСАУ, реализующие элементы автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) для анализа и управления качеством полимеров в периодических производствах (свидетельства о регистрации программных продуктов № 502006700565, № 10982, № 50201151558, № 50201251261, № 2014618726, 2014.). (п. 20 паспорта специальности).
Теоретическая значимость.
Разработана методология интегрированного проектирования проблемно-ориентированных АСАУ, заключающаяся в получении: 1) информационных моделей проектируемой системы и дополнении ее структурно-параметрическим и функциональным описаниями, раскрывающими сущность системных связей между отдельными элементами системы; 2) целей и задач функционирования отдельных подсистем и описания логики и последовательности их взаимодействия.
Сформулированы задачи системного анализа и управления качеством полимеров на основе математического и имитационного моделирования периодических процессов синтеза полимеров и новых информационных технологий.
Выполнены теоретические и прикладные исследования системных связей и закономерностей функционирования и развития АСАУ качеством в периодических процессах полимеризации, деструкции и сшивки полимеров.
Разработаны оригинальные алгоритмы обработки информации, позволяющие оценивать параметры качества полимеров и фракционного состава на основе априорной информации.
Разработаны математические и имитационные модели для описания процессов химической деструкции, полимеризации, сшивки полимеров в растворе.
Предложены алгоритмы и методы управления в периодических технологиях синтеза полимеров, позволяющие в условиях нестационарности и использования ретроспективной информации обеспечивать получение продукции заданного качества.
Практическая значимость.
Определяется решением важной народно-хозяйственной проблемы реконструкции и создания новых гибких периодических производств широкого спектра полимеров (в том числе термоэласто-пластов (ТЭП) и низкомолекулярных полимеров с активными функциональными группами).
Разработаны перспективные проблемно-ориентированные АСАУ, позволяющие проводить исследование кинетики химических реакций полимеризации, деструкции, сшивки без проведения натурных экспериментов, получать рекомендации по управлению конкретными технологическими процессами синтеза полимеров и прогнозировать их качество, интенсифицировать процесс получения данных о качестве полимеров на этапе входного контроля, проводить анализ растворов полимеров на предмет распознавания их типа и свойств. Это дает возможность использовать результаты диссертационного исследования в научно-исследовательских лабораториях предприятий химической и перерабатывающей отраслей, НИИ СК для разработки новых технологий получения полимеров, управления технологическими процессами, переработки отходов производства СК, а также в проектных организациях для создания АСАУ в области химической промышленности или других областях.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Концепция построения проблемно-ориентированных АСАУ ка
чеством в периодических процессах синтеза полимеров.
2. Структурная и информационные модели АСАУ для решения
задач моделирования процессов полимеризации, деструкции и
сшивки полимеров; моделирования изменения фракционного
состава; расчета показателей качества и выработки управляющих
воздействий при управлении процессами полимеризации и де
струкции полимеров в растворе периодическим способом.
3. Комплекс математических моделей, описывающих процессы
полимеризации, сшивки и деструкции при производстве
термоэластопластов и низкомолекулярных полимеров с активными
функциональными группами.
-
Методы и алгоритмы обработки данных, позволяющие преобразовывать первичную информацию о свойствах полимеров и результатах кинетических расчетов в информацию об их структурно-молекулярном составе и показателях качества.
-
Методы и оригинальные алгоритмы управления загрузкой компонентов реакции для получения полимеров заданного качества.
Программно-техническое обеспечение, проблемно-ориентированные АСАУ качеством в периодических процессах синтеза полимеров используются в ВФ ФГУП «НИИСК», ООО «Совтех», ООО «РПИ Курскпром», ОАО «Воронежсинтезкаучук». Общий экономических эффект от внедрения результатов исследования составляет более 8 млн. руб. в год.
Степень достоверности и апробация работы.
Достоверность результатов проведённых исследований базируется на строгих доказательствах и использовании апробированных математических методов. Ряд выявленных автором теоретических положений непосредственно согласуются с общепризнанными результатами, полученными в смежных областях науки и техники. Научные положения, выводы и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, обоснованы и подтверждены экспериментальными исследованиями и материалами. Основные положения, выводы и рекомендации одобрены при выступлениях диссертанта на научно-технических конференциях.
Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на научных конференциях: отчетных
научных конференциях ВГУИТ (ВГТА) (Воронеж, 1997 - 2015гг.);
международных научных конференциях «Математические методы в
технике и технологиях» (Воронеж, 2007 г.; Ярославль, Ростов-на-
Дону 2007 г.; Саратов, 2008 г., 2010 г.; Псков, 2009 г.; Пенза, 2011г.;
Нижний Новгород, 2013г.; Тамбов, 2014 г.); научной конференции
«Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 1997-1999
гг.); международной научно-технической конференции
«Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой
промышленности» (Воронеж, 1997 г.); школы «Современные методы теории и функций и смежные проблемы» (Воронеж, 1997 г.); всероссийской конференции по каучуку и резине (Москва, 2002
г.); отраслевой конференции по метрологии и автоматизации в нефтехимической и пищевой промышленности (Воронеж, 2002 г.); международной научно-технической конференции «Кибернетика и технологии XXI века» (Воронеж, 2003 г.); II международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (Воронеж, 2007 г.); международной научно – практической конференции «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009 г.); всероссийских научных конференциях студентов, аспирантов, молодых ученых (Воронеж, 1998, 2009 гг.); международной научно-практической конференции «Резиновая промышленность. Сырье. Материалы. Технологии» (Москва, 2002г.); международных научно-практических конференциях: «Моделирование энергоинформационных процессов» (Воронеж, 2012, 2014 гг.); научно-практической конференции «Проблемы и инновационные решения в химической технологии» (Воронеж, 2010, 2013 гг.); шестой всероссийской Каргинской Конференции «Полимеры-2014» (Москва, 2014 г.); II-й Международной Казахстанско-Российской конференции по химии и химической технологии (Казахстан, Караганда, 2012); third scientific and practical conference with international participation «Bulgarian Rubber Industry Association» (Болгария, София, 2012 г.); IX научно-практической конференции «VDA A VZNIK – 2012-2013, Tech-nicke vdy» (Чехия, Прага, 2013 г.); IX научно-практической конференции «Strategiczne pytania wiatowej nauki - 2013» (Польша, Пржемышль, 2013 г.); International Congress “Industrial-Academic Networks in Cooperation Activities for Pharmaceutical, Chemical and Food Fields”(L’Aquila, Italy, 2014 г.); 78-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов БГТУ с международным участием (Республика Беларусь, Минск, 2014 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 95 работах, 17 из которых - статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 работы в научных изданиях, индексируемых библиографической и реферативной базой SCOPUS, 3 монографии, зарегистрировано 5 программных продуктов в государственном фонде алгоритмов и программ.
Автор внес свой личный вклад в работы, опубликованные в соавторстве, который заключается в постановке и решении задач проектирования проблемно-ориентированных АСАУ качеством полимеров в периодических производствах, в разработке специальных методов и алгоритмов обработки информации, способов управления периодическими процессами синтеза полимеров, разработке структур математических моделей, описывающих кинетику химических реакций в производствах термоэла-стопластов и низкомолекулярных полимеров.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов после каждой из глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Материал изложен на 322 страницах основного текста, содержит 87 рисунков и 36 таблиц. Список литературы состоит из 352 источников.
Цели создания проблемно – ориентированных автоматизированных систем обработки информации, выполняемые функции
Автоматизированная система научных исследований представляет собой программно - аппаратный комплекс, реализованный на базе вычислительной техники, состоящий из средств программного, технического, методического, информационного и организационно - правового обеспечения. Взаимодействие исследуемого процесса, объекта или явления с АСНИ производится с использованием аппаратуры сопряжения, которая входит в состав комплекса. Эксплуатация АСНИ подразделениями научно - исследовательской организации или предприятия регламентируется на основе организационно - правового обеспечения.
Основными структурными звеньями АСНИ являются подсистемы, то есть выделенные по некоторым признакам части АСНИ, обеспечивающие выполнение определенных автоматизированных процедур исследований (испытаний) и получение соответствующих выходных документов. Различаются объектно- ориентированные (объектные) и обслуживающие подсистемы АСНИ [16,104,151].
Объектная подсистема выполняет функции получения и обработки экспериментальных данных с исследуемого объекта. Объектными являются подсистемы: обработки экспериментальных данных, поступающих со специализированных установок (спектрометров, ускорителей, испытательных стендов [217, 214, 245] и др.[12]; коллективного использования для серии однородных экспериментальных установок).
Обслуживающая подсистема реализует функции управления и обработки информации, которые не зависят от особенностей исследуемого объекта, явления или процесса. Обслуживающими являются подсистемы: управления функционированием АСНИ; реализации диалоговых процедур; выходного анализа данных; ввода, обработки и вывода графической информации; информационно- поисковых процедур.
Подсистема АСНИ состоит из компонентов, объединенных общими для данной подсистемы процедурами. Компонент выполняет заданную функцию в подсистеме. Структурное единство подсистемы АСНИ обеспечивается функциональными связями между компонентами, образующими подсистему. Структурное объединение подсистем в АСНИ реализуется связями между компонентами подсистем.
Средства обеспечения АСНИ состоят из компонентов: методического обеспечения; программного обеспечения; технического обеспечения; информационного обеспечения; организационно- правового обеспечения.
Компонентами методического обеспечения являются документы, в которых описаны: теоретические основы, методы и методология, математические модели, алгоритмы, способы, алгоритмические специальные языки для описания объектов, нормативы, терминология, стандарты и другая информация, обеспечивающая методологию научных исследований в подсистемах АСНИ.
Из состава методического обеспечения могут выделяться компоненты математического и лингвистического обеспечения. К компонентам программного обеспечения относятся программные текстовые коды, исполняемые программы и эксплуатационные документы, обеспечивающие функционирование подсистем АСНИ. Программное обеспечение включает общесистемное (операционные системы, стандартные управляющие программы на базе операционных систем, трансляторы с алгоритмических языков и языков управления, эмуляторы) и прикладное (программы и пакеты прикладных программ, предназначенные для осуществления функционирования АСНИ). К компонентам технического обеспечения относятся вычислительная и организационная техника, устройства и средства связи с объектом, первичные измерительные устройства, преобразователи или их сочетания, обеспечивающие функционирование подсистем. Совокупность перечисленных компонентов образует комплекс технических средств автоматизированной системы научных исследований.
Информационное обеспечение состоит из компонентов, которые представляют собой документы, содержащие описание стандартных процедур, математические модели, обеспечения составляет включающие основные законы, формулы, константы и другую информацию, а также файлы и базы данных и их описания. Совокупность компо 23 нентов информационного информационную базу автоматизированных систем научных исследований.
Компонентами организационно- правового обеспечения являются руководящие и методические материалы, инструкции, положения, штатные расписания, приказы, квалификационные требования и другие документы, обеспечивающие взаимодействие подразделений организации или предприятия при создании, эксплуатации и развитии АСНИ.
Разработка структурной модели проблемно - ориентированных авто матизированных систем
Как отмечено авторами, с уменьшением значения г сложность вычислений резко возрастает. Следует отметить, что большое количество констант скоростей реакций усложняет их оценку. В этой же работе приводится описание кинетики процесса, используя непрерывную функцию распределения в виде интегро - дифференциального уравнения: МЛЛ k(M ,M)-w(M ,t)dM --К(м,М0УАм,і) (1 23) где k(M ,M) рассматривается как непрерывная функция, получаемая интерполированием табличной зависимости к{м1,м) = ы; М0, М - нижний и верхний предел диапазона молярной массы компонентов, входящих в многокомпонентную смесь, кг/моль. Решение (1.23) получено с использованием аппроксимации функциональными рядами: w(Mj)=e-K MM 2 ±qm(M).tm , (1.24) т=0 где qm - функция, зависящая от М, а К рассматривается как функция температуры, подчиняющаяся закону Аррениуса.
В работе [351] получены явные решения для дискретных и непрерывных моделей, описывающих процесс разрушения полимеров, происходящий при таких воздействиях, как радиоактивное и ультрафиолетовое излучения, механические деформации, тепловые воздействия и др. При этом учитывается, что вероятность разрушения полимерных макромолекул зависит от совокупности факторов: размера макромолекул, положения точки разрыва по длине цепи, количества полимерных осколков. Подобный подход был раннее использован в [279, 295, 301]. В [351] за основу взята структура математического описания механизма деструкции, происходящего по закону случая, например в [65, 317] не учитываются реакции инициирования, диспропорционирования и обрыва цепи. Общие кинетические уравнения, описывающие процесс деструкции представлены: - в дискретной форме: Аг—1 = -n2lFJ -J +2 2 Л , (1.25) где « – количество макромолекул в А-й фракции, к = 1, 2, ... ; Fi} - характеризует скорость распада макромолекулы длинной (7+/J на осколки длинной / иу; - в непрерывной форме: = -n(x,t)JF(y,x-y)dy + 2Jn(y,t)F(x,y-x)dy, (1.26) О 0 0 где и(3с, - количество полимера молекулярной массы х; F(x,y) - аналог Fy, записанный в непрерывной форме. Для процесса деструкции, где цепи разрываются независимо от их длины и места положения разрыва Fy и F(x,y) являются константами.
В [351] рассмотрено математическое описание, приведены явные решения для описания кинетики разрушения и расчёта моментов распределения п-го порядка для следующих случаев:
1) Скорость разрушения макромолекулы пропорциональна кубу длины макромолекулы. Вероятность разрыва полимерной цепи зависит от места положения разрыва, то есть в середине её значение самое высокое и убывает к концу макромолекулы. Закон распределения вероятности - параболический. Экспериментальные исследования, проведённые в [279, 295, 301] выявили, что такой вид разрушения характерен при механическом удлинении, сдвиге, деформации или при воздействии облучения.
2) Скорость разрушения зависит от длины цепи и пропорциональна степени , но не зависит от позиции разрыва в макромолекулярной цепи. В [352] показывается, что это характерно для механической деструкции. При этом в некоторых частных случаях математическая модель описывает процессы с равновероятностной скоростью реакции деструкции [322], а в других описывается деструкция, во время которой происходит полный распад макромолекул практически до нулевого размера в предельном случае (фактически до мономера). 3) Модель тройного распада. Явное решение описывает кинетику разрушения в случае, когда при элементарном акте деструкции происходит разбиение макро молекул на 3 осколка разного размера.
В представленной выше части обзора приведены различные варианты описания кинетики деструкции полимеров в массе как случайного процесса. При этом авторами удалось получить описание кинетики ММР полимеров как в дискретном виде, так и в непрерывном. Следует отметить, что попытки описать такие процессы непрерывной функцией сопровождаются принятием ряда допущений и приближений. При этом авторы получают решение в явном виде, где рассмотрены различные варианты вероятности разрыва полимерной цепи, а скорость разрыва зависит от длины цепи, что отмечено в отдельных работах. Практически везде при случайном разрыве окончательное распределение полимерных молекул принимает экспоненциальный вид. Результаты этих исследований следует отнести к чисто теоретическим, поскольку нигде не приведено какое-либо сравнение с экспериментальными результатами.
Работы [304, 315-316, 320, 335-338, 340] посвящены изучению процессов деструкции полимеров в растворе, в том числе методами математического моделирования. Рассмотрено математическое описание процессов термоокислительной деструкции полистирола, растворенного в трихлорбензоле при воздействии дитрет-бутилпероксида. При этом рассматривается кинетика как самого процесса деструкции, так и исчерпывания пероксида, в том числе при его частичной дезактивации [316, 320]. Обосновывается зависимость скорости деструкции от размера макромолекул, участвующих в этом процессе, то есть значение константы скорости деструкции линейно возрастает с увеличением молекулярной массы. Показано, что продукты реакции имеют экспоненциальную форму ММР, как и исходный полимер. В [313] выявлено, что при исследовании деструкции на небольшом интервале времени, зависимостью константы скорости от молекулярной массы можно пренебречь, однако, если скорость реакции высока, то эту зависимость необходимо учитывать. То есть, если изменение ММР незначительно, либо деструкция протекает по принципу деполимеризации, для получения низкомолекулярных полимеров, то можно применить усреднённое значение константы скорости деструкции. В противном случае, ес 66 ли деструкция происходит по закону случая до глубоких степеней превращения зависимость скорости деструкции от молекулярной массы следует идентифицировать.
В [314] рассмотрено математическое описание процесса деструкции полистирола, проходящего по закону случая при постоянной температуре, при разовой загрузке пироксида. В [304] исследования были продолжены и получены теоретические, а также экспериментальные результаты в диапазоне температур 100150 С при условии подачи пироксида в зону реакции с постоянной скоростью. Обоснованы кинетические схемы химических реакций, описывающих образование радикалов во время диссоциации пироксида, деструкции полимера по радикальному механизму, описываемые интегро - дифференциальными уравнениями.
Моделирование кинетики и термодинамики процесса полимеризации мономера (КТППМ)
Организация обмена информацией между различными объектам сложной информационной системы (ИС) непосредственно сопряжена с разработкой информационной модели (ИМ) для проектируемой системы. Процесс синтеза ИМ включает разработку системной модели ИС, которая всесторонне охватывает все необходимые для качественного проектирования аспекты.
Применение системной модели для проектирования информационных объектов позволяет упростить процесс получения новых данных о них, четко определить особенности функционирования системы в заданных условиях, определить четкие алгоритмы оценки эффективности функционирования при заданных условиях эксплуатации, упростить возможность расширения и улучшения систем, получить системы, приспособленные к реальным условиям эксплуатации, упростить введение критериев и алгоритмов оценки эффективности проектируемой системы, облегчить применение разработанной системы для сложных процессов химической технологии [216].
Системная модель ИС включает анализ, описание и синтез и состоит из: 1. Структуры системной модели, которая описывает проектируемый объект; 2. Параметров системной модели, содержащих требуемую информацию для проектирования ИС. Объект проектирования (ОП) в рамках системной модели рассматривается как набор подсистем, связей и элементов с целью его синтеза, изучения или усовершенствования. При укрупненном рассмотрении системной модели, ключевые подсистемы и связи, характеризуются макроструктурой. При детальном рассмотрении внутреннего строения изучаемой системы по подуровням элементов -характеризуется микроструктурой [12]. Таким образом, при проектировании
Результаты диссертационного исследования, приведенные в данном разделе опубликованы в [7,31,32, 35 ,38-39, 43, 44, 84, 88, 89, 91, 191,192, 220, 225, 232, 253, 254, 256] сложной системы необходимо выполнить этап макропроектирования (внешнего проектирования) и этап микропроектирования (внутреннего проектирования)[216] независимо от степени разбиения системы на подсистемы.
Стадия макропроектирования включает разработку обобщенной модели АСАУ. Она позволяет оценить эффективность работы ОП при его взаимодействии с внешней средой. На этом этапе необходимо отделить внешнюю среду (множество элементов, которое существует вне системы и оказывает воздействие на систему или подвергается воздействию со стороны системы) и объект исследования, а также, определить цель системного анализа.
Целью проведения системного анализа при получении структуры АСАУ показателями качества при производстве полимеров методами полимеризации и деструкции является изучение ОП, выявление способов и средств по взаимодействию с внешней средой, а также выявление основных связей как внутри объекта проектирования и выделение подсистем и структурных элементов [149, 216 , 265].
Таким образом, первоочередными задачами при проведении системного анализа при проектировании АСАУ являются: - выявление взаимодействия ОП с внешней средой, основных связей как внутри объекта, так и с внешней средой, а также выделение подсистем и их струк турных элементов; - разработка системной модели АСАУ, соответствующей специфике ее функционального назначения; - планирование процессов проведения экспериментов в АСАУ; - параметрическая и структурная идентификация математических моделей, позволяющих предоставлять недостающую информацию. 2.1.1 Макропроектирование системной модели АСАУ
Для синтеза ИС необходимо иметь общие характеристики ОП, окружающей среды, технологических процессов, связанных с ОП [206]. Применение методов системного анализа в этой связи является одним из наиболее важных методов выявления внутрисистемных связей и свойств для изучения ОП [113, 148].
Рассмотрим этап макропроектирования системной модели АСАУ показателями качества полимеров а рассматриваемых технологических процессах их получения. Представление проектируемой системы и связь с внешними сущностями можно охарактеризовать схемой, представленной на рисунке 2.1.
Основными структурными подсистемами проблемно - ориентированных автоматизированных систем являются компоненты обеспечивающие выполнение предопределенных автоматизированных процедур в процессах исследования и получение соответствующих выходных оценок и управления [44]. Вариант структуры таких систем, модификацию которого можно использовать при описании структуры практически любой системы, представлен на рисунке 2.2 [113, 149, 175].
Блок связи с аппаратурой измерения преобразует к требуемому виду данные, поступающие от данного блока в базу данных, где они сохраняются для последующего использования. В базе данных также хранится информация, заранее введенная пользователем для обеспечения работоспособности системы. Расчетный блок выполняет программы, производит математические расчеты, необходимые для функционирования системы. Расчеты могут быть выполнены как по требованию пользователя, так и по запросу блока, выполняющего функции имитационного моделирования, где на основе математических моделей происходит расчет параметров процесса, происходящего во внешней среде. Экспертная система воспроизводит процесс рассуждения специалистов в конкретной предметной области. Используя эту систему, исследователь имеет воз 92 можность классифицировать наблюдаемые явления и диагностировать протекание исследуемых процессов [151]. Декомпозиция проблемно - ориентированных автоматизированных систем по функциональному признаку позволяет выделить объектные (или объектно -ориентированные) и обслуживающие подсистемы. Объектные подсистемы предназначены для получения и обработки данных с ОП. На рисунке 2.3 проиллюстрирован вариант декомпозиции проблемно - ориентированной автоматизированной системы. Например, объектными могут являться подсистемы: - обработки экспериментальной информации, получаемой с автоматизированных установок специального назначения; - обработки информации при оценке параметров традиционными средствами для измерения на неавтоматизированных устройствах в различных областях исследований; - коллективного использования на основе однородных экспериментальных устройств.
Метод оценки динамики статистических моментов ММР и показате лей качества полимеров в ТД
Рассмотрим отдельно, представленные в диссертационном исследовании АСАУ в рамках предложенной общей структурной модели АСАУ, представленной на рис 2.5.
Рассмотрим информационную структуру АСАУ параметров качества полимеров как информационно-измерительную систему, используя теоретико-множественное описание и структурную модель, представленную на рисунке 2.5 с применением CASE технологий.
На рисунке 2.9 предложена информационная структура АСАУ параметров качества полимеров в растворе. Априорная информация, вводимая исследователем, задается кортежем данных Tp,TsJMn,Mw,K С Pl,Mh . В зависимости от режима системы, параметры TvM ,М ,К ,Pl,Mh являются пустыми или нет. Вы гт п- W7 р ходные данные системы включены в кортеж TpJMn,Mw,Kp,Pl,Mh,S и характеризуют молекулярные свойства полимера; экспериментальные данные, получаемые с чувствительного элемента - мостовой схемы измерения - множество значений ее разбаланса D = {UvU2,...Un}. Коэффициенты математических моделей рассчитываются для исследуемого полимера определенного типа и представляются кортежем данных7= 71,72 . Yl = {yv..y5} - коэффициенты моделей для расчета Мп, 72 = {yv..y5}коэффициенты моделей для расчета Mw.
Рассматриваемая информационная модель включает четыре режима работы АСАУ: Режим 1.1 - наполнение статистических данных в БД , режим 1.2 - определение показателей качества полимеров, режим 1.3 - распознавание типа полимера, с возможностью определения его показателей качества, режим 1.4 - идентификация математических моделей.
Таким образом, в режиме 1.1 используется полный набор данных, включая тип полимера и растворителя, параметры качества полимера. В блоке 2.1. формируется последовательность экспериментов, при этом варьируется концентрация полимера, температура раствора Т, возмущающее воздействие. При этом изначально раствор подготавливается до нужной концентрации, а температура и возмущающее воздействие Up задается и устанавливается автоматически в измерительной установке. Значения разбаланса измерительной ячейки D, пройдя процедуру фильтрации, вместе с параметрами измерений заносятся в базу данных. Здесь же инициируется процедура перерасчета коэффициентов математической модели для определения показателей качества для заданного типа полимера и растворителя.
В режиме 1.2 определение показателей качества полимера включает следующие основные этапы: введение первичной информации об образце полимера, сбор экспериментальной информации и оценка параметров качества. Кроме этого пользователь вносит в систему параметры эксперимента, определяет тип и величину возмущающих воздействий. Полученные экспериментальные данные проходят процедуру фильтрации и используются для оценки характеристик полимера. Расчет их производится по регрессионной модели с параметрами, которые соответствуют типу исследуемого полимера. Полученные значения параметров качества поступают в базу данных. В дальнейшем они могут использоваться для переопределения коэффициентов регрессии.
Режим 1.3 распознавания типа исследуемого образца полимера включает процессы сбора экспериментальной информации, анализа данных (оценка принадлежности исследуемого образца к определенному типу полимера на основе кластерного анализа) и оценки параметров качества. Приступая к анализу, пользователь задает параметры эксперимента (концентрация раствора полимера Cp ,%; тип растворителя, температура раствора T , oC). После задания величины возмущающего воздействия, проводится сбор экспериментальной информации. Полученные экспериментальные данные проходят процедуру фильтрации и передаются для дальнейшей обработки. С применением набора признаков в ходе кластерного анализа производится определение типа полимера и расчет его показателей качества.
На основании полученных расчетов молекулярных масс производится оценка вязкости по Муни, пластичности по Карреру. Результаты работы АСАУ предоставляются пользователю, поступают в БД.