Введение к работе
Актуальность проблеми. При разработке автоматизированных зистем управления возникает проблема разработки математических моделей и синтеза законов управления.
В настоящее время решению втой проблемы посвящено большое количество научных исследований и постоянно растет количество пу-5ликаций. Исторически сложилось так, что постановка и метода ре-вения задач автоматического управления сформировались применительно к задачам управления движения, математические модели кото-зыхоснованы на законах движения механики.
При решении задач автоматизации химических процессов необходимо разрабатывать математические модели процессов, дина-шка которых описывается уравнениями, вытекающими из описания леханизма явлений, обуславливающих протекание исследуемого процесса.
В объектах химической технологии физико-химические процессы, гротэкогсгаз при "лл.ттггеских превращениях носят, в оснсвнсм, дгссси-мтивн^х характер ;і управляются законами неравновесной термодина-шки. Эти законы являются феноменологическими, содержат параметры, которые определяются экспериментально, в связи с чем эти параметры неявно отражают и характеристики объекта, в котором прорекают исследуемые процессы. Ряд параметров могут изменяться во фемени и, в связи о этим, требуется их подстройка. Наличие дей-:твущих возмущений приводит к необходимости отслеживать динамику процесса по оценкам переменных состояния. Действие сил разной грирода обуславливает многомерность вектора состояния, а в общем голевом случае приводит к необходимости описывать динамику провеса в функциональном пространстве.
Анализ тенденции развития химико-технологических процессов [оказывает, что возрастающие требования к качеству продукции, ювоение новых прогрессивных технологий, новых поколений технических средств и эффективных приемов управления требуют дальней-іего совершенствования и развития методов математического модели-ювания и управления. Сложность решения данной проблемы определяйся особенностью моделирования и управления процессами в реаги->ующих средах. Научно-техническая разработка методологических
основ моделирования и управления неравновесными процессами в реагирующих средах выделяется в самостоятельное научное направление, основанное на системном объединении полевой концепции неравновесной термодинамики, как основы синтеза модульных структур моделей физико-химических явлений; методов функционального анализа, как основы функционально-аналитического обобщенного представления полученного класса моделей и синтеза обобщенного решения'задач оптимизации в энергетическом и энтропийном представлениях, включая энтропийную устойчивость синтезируемых алгоритмов управления, оценки переменных состояния и параметров математических моделей..
Анализ основных научно-технических направлений разработок пс математическому моделировании процессов, решению задач оптимизации и их промышленной реализации показывает, что они, в основном, ориентированы на анализ и оптимизацию реиимов на стадии проектирования, на решение задач управления конкретными процессами, используя накопленный опыт и на совершенствование прикладных программных средств. Недостаточные системный анализ и формализация структурно-параметрического синтеза, отсутствие в большинстве из них обобщений и выводов о возможности расширения использования полученных решений на другие процессы являются сдерживающим фактором в разработке новых систем управления, сокращения сроков и затрат на проектирование и внедрение.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы заключается в разработке научных методологических основ создания математических моделей для процессов, протекающих в реагирующих средах, решении задач оптимизации, направленных на повышение эффективности и качества разработки автоматизированных систем управления и в развитии теории автоматизации технологических процессов.
В диссертационной работе обобщены результаты научно-исследовательских работ, выполненных автором для различных технологических процессов в производстве синтетического каучука с 1965 г., а также опыт по освоению автоматизированных систем з призЕодстве.
Исследования по теме диссертации проводились в соответствии с ежегодными планами работ по научно-техническим программам министерства нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, планами и программами по техническому перевооружению и внед-
эению новой техники в промышленность синтетического каучука (приказ МНХП СССР 256), программой международного сотрудничества по грограмме СЭВ "Применение роботов, манипуляторов," микропроцессор-юй вычислительной техники в производстве синтетического каучука".
Цель работы и задачи исследования. На основе изучения и теоретического обобщения особенностей физико-химических явлений в эеагирувдих средах технологических процессов, как объектах управ-тения, распространения методов полевей теории неравновесной термодинамики и функционального анализа на управляемые динамические процессы, разработать основы системной методологии создания математических моделей и получения термодинамических условий оптимальности для совершенствования методов решения задач управления, говышения качественного уровня и вффективности разрабатываемых эвтоматизированных систем и сокращения сроков разработки.
Поставленная цель определила следующие задачи исследования:
-
Анализ технологических процессов как объектов управления і физико-химических явлений переноса, определяющих структуру обобщенного эволюционного оператора с позиций структурно-парамет-эического моделирования.
-
Получение в общем виде уравнений динамики, выделение мо-гульных структур: стехиометрических, кинетических, гидродинзмпче-зких, эя&ргэтическях, реологических; введение обобщенных термеди-іамических потоков и сил, теоретическое обобщение функционально-шалитического способа представления математігческой модели отдельного модуля.
-
Анализ вероятностного и траєкторного представления описа-шя действующих возмущений, динамического описания возмущений зелнообразной формы и их формализация в виде унифицированных ;труктур динамических звеньев, вписывающихся в обобщенную отрук-?уру модульного описания процессов.
-
Получение и обоснование структуры обобщенных динамических сравнений в форме операторных дифференциальных уравнений, >бобщенное описание диссипативных процессов, анализ их особенностей.
-
Разработка термодинамических методов получения условий штимальности, доказательство основных теорем.
-
Формализация метода анализа онтропийной устойчивости, іазработка метедов синтеза энтропийно-устойчивых управлений.
-
Разработка основ методологии получения оптимальных управлений в энергетическом и энтропийном представлениях.
-
Системная формализация методов получения оценок переменных, состояния, параметров моделей, адаптивных процедур подстроим переменных параметров. Разработка метода и алгоритма идентификации на основе функций чувствительности.
9- Разработка математических моделей процессов дегидрирования и полиметизации в производстве синтетического каучука, синте: оптимальных управлений, промышленная реализация.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работі научные исследования базировались на теориях неравновесной термодинамики, химической кинетики,статистической динамики случайны: процессов; методах математической и статистической физики, функционального анализа эволюционных процессов; теории автоматического управления, вариационных методах оптимизации, статистически устойчивости и численных методах.
Научная новизна. В работе предложены и теоретически обоснованы новые подхода к разработке математических моделей и решениі задач управления прцессами, протекающими в реагирующих средах которые являются основой химической технологии. Отличительно] особенностью этих подходов является развитие и обобщение методо: неравновесной термодинамики на управляемые динамические процесс: переноса и на базе теории систем и функционального анализа теоре тическое обоснование методологических основ, позволяющих формали зовать реализацию основных этапов при разработке математически моделей и решении задач управления.
На защиту выносятся следующие новые научные положения:
1. Системная декомпозиция для получения модульных етрукту
математических моделей управляемых процессов, отличающихся вез
мощностью выявить структурные модули на основе физико - химичес
ких законов, обобщенного представления скорости протекания дисси
пативных процессов функционалом внутреннего производства внтропи
и функционально-аналитическим представлением источников диссипа
ции.
2. Термодинамический принцип оптимальности неравновесны
процессов, отличающийся использованием критериев эволюции, выра
асенных через диссипативные функционалы.
3. Обобщенные условия оптимальности в функциональном энерге
рению новой техники в промышленность синтетического каучука (при*-каз МНХП СССР 256), программой международного сотрудничества п<Р программе СЭВ "Применение роботов, манипуляторов," микропроцессор'-ной вычислительной техники в производстве синтетического каучука".
Цель работы и задача исследования. На основе изучения и те-~ оретического обобщения особенностей физико-химических 'явлений 19 реагирующих средах технологических процессов, как объектах управ--" ления, распространения методов полевой теории неравновесной тер-" модинамики и функционального анализа на управляемые динамические^ процессы, разработать основы системной методологии создания мате-— магических моделей и получения термодинамических условий опти-— мальности для совершенствования методов решения задач управления,,» повышения качественного уровня и вффективности разрабатываемы?-* автоматизированных систем и сокращения сроков разработки.
. Поставленная цель определила следующие задачи исследования:
-
Анализ технологических процессов как объектов управления V ж физико-химических явлений переноса, определяющих структуру Т обобщенного эволюционного оператора о позиций структурно-парамет- -рического моделирования.
-
Получение в общем виде уравнений динамики, выделение мо-'> дульных структур: стехиометрических, кинетических, гидродинамичв---ских, энергетаческях, реологических; введение обобщенных термодинамических потоков и сил, теоретическое обобщение функционально*:-аналитического способа представления математической модели от- -дельного модуля.
-
Анализ вероятностного и траєкторного представления опиеа-??-' ния действующих возмущений, динамического описания возмущений?-волнообразной формы и их формализация в виде унифицираванннхй-структур динамических звеньев, вписывающихся в обобщенную струк-"-* туру модульного описания процессов.
-
Получение и обоснование структуры обобщенных динамическда;^4 уравнений в форме операторных дифференциальных уравнений,V обобщенное описание дассялатЕвных процессов, анализ их особенное- -тей.
-
Разработка термодинамических методов получения условий 'її оптимальности, доказательство основных теорем.
-
формализация метода анализа энтропийной устойчивости:, « разработка метедов синтеза энтропийно-устойчивых управлений.
7. Разработка основ методологии получения оптимальных управлений в энергетическом и энтропийном представлениях.
а. Системная формализация методов получения оценок переменных состояния, параметров моделей, адаптивных процедур подстройки переменных параметров. Разработка метода и алгоритма идентификации на основе функций чувствительности.
9. Разработка математических моделей процессов дегидрирования и талиметизащш в производстве синтетического каучука, синтез оптимальных управлений, промышленная реализация.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы научные исследования базировались на теориях неравновесной термодинамики, химической кинетики,статистической динамики случайных процессов; методах математической и статистической физики, функционального анализа эволюционных процессов; теории автоматического управления, вариационных методах оптимизации, статистической устойчивости и численных методах.
Научная новизна. В работе предложены и теоретически обоснованы новые подхода к разработке математических моделей и решению задач управления прцессами, протекающими в реагирующих средах, которые являются основой химической технологии. Отличительной особенностью этих подходов является развитие и обобщение методов неравновесной термодинамики на управляемые динамические процессы переноса и на базе теории систем и функционального анализа теоретическое обоснование методологических основ, позволяющих формализовать реализацию основных этапов при разработке математических моделей и решении задач управления.
На защиту выносятся следующие новые научные положения:
1. Системная декомпозиция для получения модульных структур
математических моделей управляемых процессов, отличающихся воз
можностью выявить структурные модули на основе физико - химичес
ких законов, обобщенного представления скорости протекания дисси-
пативных процессов функционалом внутреннего производства энтропии
и функционально-аналитическим представлением источников диссипа
ции.
2. Термодинамический принцип оптимальности неравновесных
процессов, отличающийся использованием критериев эволюции, выра
женных через диссипативные функционалы.
3. Обобщенные условия оптимальности в функциональном энерге-
ическом представлении, открывающие возможность получения етрук-'Уры управляющего функционала в общем виде.
-
Условия энтропийной- устойчивости и дисшшативные функцио-:алы Ляпунова, позволякщие синтезировать энтропийно-устойчивые аконы управления.
-
Метода оценки переменных состояния процесса и параметров иделей на основе решения задач минимизации критериев, содержащих исеипативные функции в качестве меры производства энтропии.
-
Метод идентификации параметров кинетических моделей на 'снове функций чувствительности, отличающиеся возможностью полу-:ения оценки параметров процессов в реакторах вытеснения исполь-уя информацию на выходе из реактора.
-
Методология моделирования кинетики процессов дегидрирова-ия и полимеризации, анализ и исследование моделей.
-
Решение задач управления процессами дегидрирования и по-имеризации, отличающееся наличием подсистем оценки чувствитель-ости, адаптивной подстройки параметров и динамического согласо-ания потоков информации на уровнях формирования управляющих воз-.ействий.
-
Результаты практической реализации разработанных решений о управлению процессами в промышленности.
Практпчзспая ценность работа. Представленная работа является
зультатом научного обобщения ряда научно- исследовательских ра-
т и научных публикаций, имеющих научное и прикладное значение,
которым автор диссертации был научным руководителем и непосред-
венным участником разработок.
По результатам научных исследований были разработаны новые пособы управления, которые защищены авторскими свидетельствами, еречень которых приведен в приложении К 1 .
Результаты работы внедрены в составе АСУТП, разработанных ри непосредственном участии автора на ряде предприятий синтети-еского каучука, экономическая эффективность только за 1985-986 тт. составила 1,075 млн. руб.
Отдельные результаты работы включены в регламенты на проек-ирование технологических проектов и использованы 'в разделах про-ктов по автоматизации проектным институтом Рипрокаучук, Новокуй-ышевским филиалом Гипрокаучук, Воронежским АООТ "Синтезкаучук-
проект" и НПО "Химавтоматика" ОКБА г. Воронеж. По справке Гипро-каучука ежегодный экономический эффект составляет более 1,0 млн руб. По справке Воронежского ОКБА НПО "Химавтоматика" экономический эффект составил 2,594 млн руб. Приведенные дашок подтверждены справками, приведенными в Приложении N 4.
Разработанные методологические основы моделирования и управления процессами могут быть использованы на стадиях моделированш и синтеза алгоритмов управления и проектирования автоматизированных систем в химической и нефтехимической промышленности.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на Всесоюзных конференциях: Планирование эксперимента (г.Москва, 1964г.); Автоматизированные системы управления непрерывными технологическими процессами в химии, металлургии и энергетике (г.Москвг 1974г.); Автоматизация технологических процессов в хшическоі промышленности (г.Северодонецк 1974г.); Динамика процессов і аппаратов в химической технологии (г.Воронеж 1982г,1985г.); Моделирование и оптимизация химико-технологических процессов (г.Новосибирск 1983г.); Автоматизация и роботизация в химической промышленности (г.Тамбов 1986г.); Методы кибернетики химико- технологических процессов (г.Баку 1987г.); Микроэвм в управляющих и информационных системах в промышленности синтетического каучука (г.Во-рс:-;эз 1785г, V;'S?r.); Кауч'^-'Э0- ДрсСлегтЕ раггзіггля Hsn-cc н ~слз-водства (г.Воронеж 1989г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 печатныз работ, получено 40 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем 346 с, в том числе 261 - основного текста, 31 - рисунков я графиков, 18 литературы (192 наименования), 36 приложений.
