авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Анализ и синтез комплекса жидкофазный химический реактор – управляющая система с использованием методов синергетики

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

НЕВИНИЦЫН Владимир Юрьевич

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ КОМПЛЕКСА «ЖИДКОФАЗНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА» С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

МЕТОДОВ СИНЕРГЕТИКИ

05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации

(в химических технологиях, нефтехимии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» на кафедре «Техническая кибернетика и автоматика».

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор Лабутин Александр Николаевич
Официальные оппоненты: - Кольцова Элеонора Моисеевна доктор технических наук, профессор, Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, заведующий кафедрой информационных компьютерных технологий - Бытев Донат Олегович доктор технических наук, профессор, Ярославский государственный технический университет, заведующий кафедрой прикладной математики и вычислительной техники
Ведущая организация: - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбов

Защита состоится «18» февраля 2013 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205. Тел.: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «16» января 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.063.05, д.ф-м.н. Зуева Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основополагающей концепцией разработки современных производственных процессов является концепция создания кибернетически организованных химико-технологических процессов (ХТП) и систем, обоснованная академиком В.В. Кафаровым. Реализацией данной концепции является методология интегрированного проектирования гибких ХТП и систем, предполагающая совместное решение задач оптимального синтеза ХТП (реакторного узла) и синтеза системы управления объектом.

Вопросам анализа, проектирования и оптимизации реакторов и реакторных систем посвящено значительное число исследований отечественных и зарубежных ученых. Существенные научные и практически важные результаты получены в работах профессоров Г.М. Островского, Л.С. Гордеева, В.С. Бескова, В.Н. Писаренко, А.Ф. Егорова, С.И. Дворецкого и др. Существенно скромнее обстоит дело с решением задачи синтеза систем управления реакторами на стадии проектирования, цель функционирования которых заключается в стабилизации оптимального режима работы объекта или в управлении процессом его перехода с одной производительности на другую производительность. Это обусловлено чрезвычайной сложностью данной задачи в виду того, что химический реактор является нелинейным, многомерным, многосвязным объектом. Большинство исследователей пытаются решать эту задачу на базе теории линейных систем управления, что не приводит к существенным успехам в условиях значительного изменения режимных и технологических параметров.



По мнению академика А.А. Красовского, выходом из данной ситуации является развитие физической теории управления и в частности синергетической теории управления, основные положения которой сформулированы проф. А.А. Колесниковым.

Повышение требований к качеству работы реакторов – устойчивости, надежности, расширение их функциональных возможностей обусловливают актуальность и необходимость поиска путей совершенствования процессов управления химическими реакторами. Выше изложенное обусловливает актуальность постановки и решения задачи разработки нелинейных законов управления химическими реакторами и синтеза гибких комплексов «химический реактор – управляющая подсистема».

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по проекту №2.1.2/13804 «Теоретические основы высокоинтенсивных энерго- и ресурсосберегающих гетерогенных процессов, реакторных систем в нанотехнологиях получения новых материалов и веществ».

Объектом исследования является комплекс «жидкофазный химический реактор непрерывного действия для проведения многопродуктовых последовательно-параллельных реакций – управляющая подсистема».

Предмет исследования. Системный анализ реактора как объекта управления, методы и алгоритмы управления нелинейным многомерным объектом.

Цель работы. Решение прикладных задач синергетического синтеза нелинейных законов управления химическим реактором, обеспечивающих эффективное функционирование комплекса «реактор – управляющая подсистема» в условиях действия возмущений.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Анализ состояния проблемы оптимального синтеза реакторных систем, перспектив и направлений развития методов синтеза систем автоматического управления (САУ) химическими реакторами и анализ состояния современной прикладной теории управления.

2. Системный анализ жидкофазного химического реактора для проведения сложных многопродуктовых последовательно-параллельных реакций как объекта управления.

3. Синергетический синтез нелинейных законов управления жидкофазным химическим реактором:

  • закона стабилизации температуры;
  • закона стабилизации концентрации;
  • векторного закона стабилизации концентрации и температуры;
  • синтез системы управления процессом перевода химического реактора с одной производительности на другую (с режима на режим);
  • закона стабилизации концентрации целевого компонента в каскаде реакторов, работающих в изотермическом режиме.

4. Исследование методами вычислительного эксперимента работоспособности и эффективности функционирования комплекса «химический реактор – нелинейная система управления» в условиях действия возмущений.

Методы исследований. Методы системного анализа, оптимизации и вычислительного эксперимента, методы синергетики и теории управления.

Научная новизна.

1. Путем системного анализа жидкофазного химического реактора для различных вариантов наблюдения объекта определены варианты топологической структуры системы управления, обеспечивающие управляемость в пространстве состояний или управляемость в пространстве выходных переменных и стабилизируемость системы.

2. Впервые поставлена и решена задача аналитического синтеза нелинейных законов управления жидкофазным химическим реактором непрерывного типа (нелинейным многомерным объектом) методами теории синергетического управления, обеспечивающих стабилизацию температуры процесса или концентрации целевого вещества, а также стабилизацию и температуры и концентрации целевого компонента одновременно. Выбором структуры законов и настроечных параметров обеспечиваются свойства асимптотической устойчивости и грубости комплекса «химический реактор – подсистема управления», а также заданные показатели качества процессов управления.

3. Впервые поставлена и решена задача синергетического синтеза системы управления процессом перевода жидкофазного химического реактора непрерывного действия с одной производительности на другую (с режима на режим).

4. Синтезирован новый алгоритм стабилизации концентрации целевого компонента в каскаде реакторов, работающих в изотермическом режиме с использованием синергетической теории управления.

Практическая значимость:

1. Методами имитационного моделирования показана возможность создания эффективных работоспособных комплексов «химический реактор – нелинейная система управления».

2. Внедрение синтезированных алгоритмов управления жидкофазным химическим реактором для проведения многопродуктовых последовательно-параллельных реакций позволит реализовать гибкие ХТС.

3. Разработана методика синтеза синергетических законов управления жидкофазными химическими реакторами непрерывного типа, которая может быть использована для решения аналогичных задач для других объектов химической технологии и использоваться в учебном процессе при подготовке магистров по направлению 22.04.00 – «Управление в технических системах».

Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований и компьютерного моделирования синтезированных замкнутых систем управления.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на 24 и 25 Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ), г. Саратов, 2011 г., г. Волгоград, 2012 г.; на 65 всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и магистрантов высших учебных заведений с международным участием, г. Ярославль, 2012 г.; на XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск, 2012 г.; на X Международной научной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания промышленной аппаратуры», г. Краков, 2012 г.

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 8 научных работах, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах, утвержденных ВАК.

Личный вклад автора. Результаты работы получены Невиницы- ным В.Ю. лично под руководством д.т.н., проф. Лабутина А.Н.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы из 151 наименования, содержание изложено на 148 страницах машинописного текста, включая 59 рисунков, 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, объект и предмет исследования, сформулирована цель работы и отражена структура диссертации.

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы оптимального синтеза и управления реакторными системами. Показано, что современные подходы к синтезу и проектированию ХТС и реакторных подсистем в частности, базируются на концепции создания кибернетически организованных ХТС. Реализацией данной концепции является методология интегрированного (совместного) проектирования ХТП и систем автоматического управления объектами.

Обзор работ, посвященных рассматриваемой проблеме, показал, что до настоящего времени основным подходом к разработке систем управления реакторами является подход, основанный на использовании теории линейных систем, либо предлагаются методы синтеза систем управления с использованием нечеткой логики и нейронных сетей. Основной недостаток этих методов – существование экспериментальной выборки для обучения системы (наличие физического объекта). Многие работы посвящены стабилизации либо температуры в реакторе, либо концентрации, но не рассматриваются вопросы синтеза многомерных законов замкнутого управления. В основном рассматриваются реакторы, в которых реализуются простые реакции. Практически не ставились задачи синтеза нелинейных законов автоматического управления. Исходя из этого, отмечена необходимость разработки методики синтеза нелинейных многомерных систем автоматического управления химическими реакторами при реализации сложных реакций.





В этой связи проанализированы проблемы современной прикладной теории управления. Анализ показал, что методы современной теории управления чрезвычайно заформализованы, в них отсутствуют инженерные показатели качества и они мало пригодны к решению прикладных задач. Многие ученые (академик А.А. Красовский и др.) отмечают необходимость создания и развития физической теории управления. Одним из перспективных направлений этой теории является синергетическая теория управления (СТУ), основные положения которой сформулированы проф. А.А. Колесниковым (метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов – АКАР).

Отмечается, что методы СТУ достаточно широко используются для синтеза нелинейных законов управления техническими объектами (летательные аппараты, механические и электромеханические системы), но практически отсутствуют примеры использования этой теории для синтеза систем управления ХТП.

Изложены основные принципы и методы СТУ, позволяющей аналитически получать законы замкнутого управления нелинейными объектами.

Далее приведена характеристика исследуемого ХТП, выводы по главе и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведено описание программно-технических средств для исследования и имитационного моделирования комплекса «химический реактор – управляющая подсистема».

Проведен системный анализ жидкофазного реактора емкостного типа непрерывного действия (рис. 1) как объекта автоматизации и управления. В аппарате реализуется трехстадийная последовательно-параллельная экзотермическая реакция оксиэтилирования бутилового спирта, протекающая по схеме

(1)

где и – исходные реагенты; , , – продукты реакции; , , – константы скоростей стадий. Целевым компонентом является вещество . В общем случае при изменении спроса на продукты реакции целевым может быть и другой компонент или смесь ряда веществ.

Рис. 1. Принципиальная схема химического реактора

, – концентрации исходных реагентов; , – температуры потоков исходных реагентов; , – расходы исходных реагентов; – расход хладоагента на входе и выходе из аппарата; , – температуры хладоагента на входе и выходе из аппарата; – расход смеси на выходе из аппарата; , , , – концентрации компонентов , , , в реакторе; – температура реакционной смеси в аппарате; – объем аппарата; – объем хладоагента в рубашке.

Целью функционирования реактора является получение целевого компонента заданной концентрации . Отсюда задача системы управления реактором заключается в стабилизации на заданном уровне значения концентрации целевого компонента и температуры в условиях действия возмущений. Математическая модель реактора в предположении постоянства объема () реакционной смеси представляет собой систему нелинейных ОДУ

(2)

где , , , – скорость реакции по компонентам; , – тепловой эффект соответствующей стадии реакции; , – константы скоростей стадий; , – постоянный множитель (предэкспонента) констант скоростей стадий; , – энергия активации соответствующей стадии реакции; – универсальная газовая постоянная; , – коэффициент теплопередачи через стенку и поверхность теплообмена аппарата; , – плотность и теплоемкость реакционной смеси; , – плотность и теплоемкость хладоагента.

Для заданной производительности (, – заданные значения концентрации и расхода) решена задача оптимизации реактора

при ограничениях в форме уравнений математической модели статики и

, ,

где , , – температура.

Исследованы статические и динамические свойства жидкофазного химического реактора, показана его нелинейность и многосвязность. Характер кривых разгона свидетельствует об асимптотической устойчивости объекта.

Исследованы общесистемные свойства объекта – устойчивость свободного движения, управляемость и наблюдаемость. На основании результатов исследования общесистемных свойств определены варианты топологической структуры системы управления жидкофазным химическим реактором непрерывного действия для различных вариантов наблюдения объекта, обеспечивающие управляемость в пространстве состояний или управляемость в пространстве выходных переменных и стабилизируемость системы.

В главе 3 методом АКАР на основе нелинейной модели объекта (2) получены в аналитическом виде законы стабилизации оптимального режима работы реактора: закон стабилизации температуры реакционной смеси в аппарате; закон стабилизации концентрации целевого компонента; векторный закон управления температурой и концентрацией.

Для решения задачи синергетического синтеза закона стабилизации температурного режима модель (2) приведена к виду (3).



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.