Введение к работе
Актуальность проблемы. Основной целью управления большинством технологических процессов является достижение заданного к а-чества производимой продукции. В то же время во многих случаях технические средства измерения показателей качества либо отсутствуют, либо не удовлетворяют требованиям оперативного управления качеством. В такой ситуации для получения необходимой информации можно использовать методы математического моделирования технол о-гических процессов с целью получения зависимости неизмеряемых показателей качества от оперативно измеряемых характеристик данных процессов. Но даже при условии решения задачи определения п о-казателей качества в процессе производства возникает еще одна пр о-блема - разработка методов управления качеством производимого продукта, отличающихся от традиционно используемых методов управления технологическими процессами.
Типичными примерами технологических процессов являются процессы получения синтетических каучуков и термоэластоп ластов методами растворной полимеризации. Наиболее важными показателями качества синтетических каучуков, соответствующими требованиям Гос у-дарственного стандарта (ГОС), являются пласто-эластические характеристики каучуков: вязкость по Муни (МИ) и пластичность по Карреру (РЇ). Оперативный контроль показателей качества производимых каучуков отсутствует, а управление технологическими процессами осуществляется методами регулирования режимных технологических параметров, что обуславливает запаздывание по корректировке качества производимых каучуков. Это приводит к негативным последствиям в условиях крупно-тоннажности технологических процессов и существенного влияния неконтролируемых возмущений на различных стадиях производства . Поэтому поставленная для решения в диссертации проблема разработки м е-тодов управления качеством продукции для технологических процессов растворной полимеризации в производстве эластомеров является актуальной, а ее решение имеет научное и народно-хозяйственное значение.
Данная работа является продолжением исследований по моделированию и управлению процессами растворной полимеризации, кот о-рые в течение длительного времени проводились в РХТУ им. Д.И. Менделеева под руководством академика В.В. Кафарова, в ВГТУ под руководством профессора С.А. Подвального и в отраслевых НИИ (НИИСК (г. Санкт-Петербург), НИИСК (г. Воронеж), ОКБА (г. Мое к-ва)).
111ШЫШШ1ШДШ~ ^-,,,,,,-
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы яв-ляется разработка методологии построения систем управления и методов формирования математических моделей молекулярно-структурных характеристик полимеров в режиме реального времени на основе о б-работки получаемой информации для периодических и непрерывных технологических процессов в производстве эластомеров , обеспечивающих достижение заданного качества производимой продукции.
Реализация поставленной цели осуществляется посредством р е-шения следующих задач:
-
Системный анализ процессов, методов косвенных и прямых измерений характеристик качества полимеров, систем контроля и управления для типовых периодических и непрерывных технологических процессов растворной полимеризации.
-
Обоснование методологии конструирования и разработка математических моделей периодических и непрерывных процессов ра с-творной полимеризации с учетом связи показателей качества и стру к-турно-молекулярных свойств полимеров с контролируемыми и упра в-ляющими переменными, определяющими протекание технологич еских процессов на всех стадиях производства.
3.Получение и обоснование связей реологических характеристик растворов полимеров с пласто-эластическими свойствами, определяющими их показатели качества.
-
Разработка методов контроля, позволяющих в режиме реальн о-го времени по доступной информации о состоянии технологическ ого процесса оценивать показатели качества производимых полимеров: вязкости по Муни и пластичности по Карреру.
-
Постановка и решение задачи оптимального управления путем введения показателей качества технологических процессов раство рной полимеризации в пространство управляемых переменных с использ о-ванием динамических моделей и аппарата нечеткой логики.
-
Разработка и апробация в условиях реального производства алгоритмического и программного обеспечения для реализации методов моделирования и расчетов управляющих воздействий в замкнутой си с-теме оптимального регулирования показателей качеств а производимых полимеров с применением ЭВМ.
Методы исследования. В работе используются общая методол о-гия системного анализа и моделирования сложных систем, методы физической химии, термодинамики и теплофизики, гидростатики и гидродинамики, математической статистики, математического моделирования и дифференциального исчисления, методы идентификации, те о-
111ШЫШШ1ШДШ~ ^-,,,,,,-
рия оптимального управления динамическими системами и эксперимент.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разрабо т-ке комплексного системного подхода, методологии и решения многофакторной задачи управления качеством производимых в растворе полим е-ров и характеризуется следующими результат ами:
-
Математические модели периодических и непрерывных те х-нологических процессов растворной полимеризации, дополненные уравнениями, позволяющими рассчитывать эволюцию структурно -молекулярных свойств и связанных с ними показателей качества п о-лимеров на ключевых стадиях указанных процессов.
-
На основе экспериментальных исследований получены и обо с-нованы зависимости реологических характеристик растворов полимеров от их пласто-эластических и структурно-молекулярных свойств: средней молекулярной массы, коэффициента полидисперсности и п а-раметра разветвленности в широком диапазоне их изменения. Получено решение обратной задачи определения структурно-молекулярных свойств полимеров по значениям эффективной вязкости растворов п о-лимеров при различных скоростях сдвигов, что позволяет получать информацию о формировании производимой продукции с различным композиционным составом.
-
Разработан метод определения эффективной вязкости раств о-ров полимеров при различных скоростях сдвигов, основанный на и з-мерении физических характеристик технологического процесса: пер е-паде давлений и потребляемой электрической мощности на перемеш и-вание реакционной среды, непосредственно связанных с указанной эффективной вязкостью. Предложен гидростатический и тепловой м е-тод определения концентрации полимера и конверсии мономера. На основе этих методов создана система контроля показателей качества полимеров в режиме реального времени в условиях неоднородности фракционного состава полимеров.
-
Решена задача управления качеством производимой проду к-ции для непрерывных и периодических технологических процессов растворной полимеризации с использовани ем динамических моделей и аппарата нечеткой логики.
На защиту выносятся:
1. Комплекс математических моделей периодических и непреры в-ных процессов растворной полимеризации с учетом эволюции показателей качества и структурно-молекулярных свойств полимеров.
111ШЫШШ1ШДШ~ ^-,,,,,,-
-
Уравнения связи структурно-молекулярных (средняя молекулярная масса, коэффициент полидисперсности, параметр разветвле н-ности) и качественных (вязкость по Муни, пластичность по Карреру) свойств полимеров с экспериментально измеряемыми вязкостными характеристиками растворов полимеров.
-
Методы контроля, обеспечивающие на ключевых стадиях синтеза полимеров в режиме реального времени получение оценок показ а-телей качества полимеров с помощью прямого измерения рекоменду е-мых физических характеристик технологического процесса.
-
Решение задачи оптимизации управления динамической системой, удовлетворяющей условиям управляемости и наблюдаемости, посредством введения оценок ненаблюдаемых переменных состояния системы на основе предложенных методов косвенных из мерений.
-
Постановка и решение задачи управления качеством период и-ческих и непрерывных технологических процессов растворной пол и-меризации путем введения показателей качества производимых полимеров в пространство управляемых переменных системы с использ о-ванием динамических моделей и аппарата нечеткой логики.
Практическая значимость работы состоит во внедрении разраб о-танных методов контроля и управления, алгоритмического и пр о-граммного обеспечения в реально действующие производства полим е-ров в растворах.
Основные теоретические и практические результаты диссерт а-ции апробированные в производстве, можно рекомендовать для вн е-дрения на предприятиях СК и применения проектным организациям при проектировании и модернизации технологических процессов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции «Автоматизация и робот и-зация в химической промышленности», Тамбов, 1988; Всесоюзной конференции «Математическое моделирование сложных химико -технологических систем», Казань, 1988; Всесоюзной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов», Москва, 1989; Международной конференции, Intensivierang der Kautschukher-stellimg, DDR, 1990; Научно-исследовательской конференции МХТИ, Москва, 1991; Всесоюзной конференции по математическому и машинному моделированию, Воронеж, 1991; Республиканской электронной научной конференции, Воронеж, 1997; Всероссийской конфере н-ции «Синтез и полимеризационные превращения», «Каучук -99», Москва, 1999; IV Международной электронной научной конференции, Воронеж, 1999; Международной отраслевой конференции по метрол о-
111ШЫШШ1ШДШ~ ^-,,,,,,-
гии и автоматизации в нефтехимической и пищевой промышленн о-сти», Воронеж, 2002; Международной конференции «Кибернетика и технологии 21 века», Воронеж, 2003; Международной конференции «Математическое моделирование информационных и технологич еских систем», Воронеж, 2005; XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Вор онеж, 2006; научно-практической конференции «Качество науки - качество жизни», Тамбов, 2006.
Результаты работ прошли апробацию на ОАО «Ефремовский з а-вод синтетического каучука» и «Воронежсинтезкаучук», где под рук о-водством и непосредственным участием автора были разработаны и внедрены системы контроля и управления технологическими процессами. Подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов исследований составил более 2 миллионов рублей в ценах 2000г.
Публикации. По результатам произведенных исследований и практических разработок опубликованы 54 научных работы, включая 10 работ в научных изданиях и журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для публикации результатов докторской диссертации, получено 6 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в постановке задач и их решении. Автором разработаны математические модели [1, 2, 3, 7, 13, 26, 27, 39], методы расчетов для проведения их параметрической идентификации [9-11, 20, 25, 29, 42, 45, 48-51, 53, 54], предложены алгоритмы и написаны программы, реализующие функции моделирования [8, 18, 30, 32-34, 41, 46], расчета управляющих воздействий для замкнутой системы оптимального регулирования [5, 12, 14, 15-17, 19-24, 28, 31, 35-38, 43, 44, 47, 52]. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, являются итогом исследований, проведенных автором совместно с сотрудниками РХТУ им. Менделе е-ва (Москва) и ВГТА (Воронеж). Участие ведущих соавторов публикаций заключалось в следующем: академик В.В. Кафаров, д.т.н. профе с-сор В.Н. Ветохин, д.т.н. профессор В. К. Битюков и д.т.н. профессор В.Ф. Лебедев участвовали в постановке задач, обсуждении и интерпр е-тации результатов, опубликованных в совмес тных работах.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 270 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, 57 рисунков, 22 таблиц, заключения, списка литературы из 278 наименований и приложения.
111ШЫШШ1ШДШ~ ^-,,,,,,-
Похожие диссертации на Системный анализ и моделирование в задачах управления качеством в процессах растворной полимеризации
