Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий




На правах рукописи


МАНДРА Андрей Геннадьевич


СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДИФФУЗИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ Хим ТЕХНОЛОГИЙ


Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (индустрия)


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Самара 2011

Работа выполнена на кафедре "Автоматика и управление Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий в технических системах" Муниципального образовательного учреждения высшего проф образования "Самарский муниципальный технический институт".



Научный управляющий

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, доктор

^ Рапопорт Эдгар Яковлевич


Официальные оппоненты


доктор технических наук, доктор

Данилушкин Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий Александр Иванович





кандидат технических наук

^ Лежнев Максим Владимирович


Ведущая организация


ГОУ ВПО "Саратовский муниципальный технический институт", г. Саратов



Защита диссертации состоится «21» марта 2011 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д212.217.03 ГОУ ВПО Самарский муниципальный Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий технический институт (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корпус 6, аудитория 33.


С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Самарского муниципального технического института по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, 18.


Отзывы на автореферат в 2-ух экземплярах Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.03; факс (846) 278-44-00.


Автореферат разослан «18» февраля 2011 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.217.03 Губанов Н Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий.Г

^ Общая черта работы
Диссертация посвящена разработке способов моделирования, управления и оптимизации базисных процессов хим технологий.

^ Актуальность работы. Понижение загрязняющего воздействия человека на окружающую среду является нужным требованием при организации технологических процессов и производств Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий. А именно, процессы технологической чистки воды (умягчение, обессоливание) приводят к скоплению брутальных стоков, которые перед сбросом их в окружающую среду должны быть подвергнуты нейтрализации.

Технические устройства для чистки брутальных сред очень отличаются сборкой Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий, числом емкостей, насосным парком и дополнительным оборудованием. Емкости, в каких содержатся брутальные среды, добиваются объемов в несколько сотен кубических метров.

В виду трудности протекающих гидродинамических и физико-химических процессов в Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий емкостях огромных объемов употребляют механические и воздушные перемешивающие устройства (барботеры). Данный парк оборудования значительно наращивает цена проектирования и эксплуатации узла чистки брутальных сред.

Другой вероятный подход – исключение барботеров из технологической цепочки – просит использования автоматической Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий системы непрерывного контроля свойства брутальных сред в процессе их нейтрализации. Разработка и внедрение схожих систем невозможны без наличия адекватных математических моделей контролируемых технологических процессов.

Автоматизация процесса нейтрализации кислых стоков хим цеха теплоэлектроцентрали Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий позволяет обеспечить огромную точность поддержания водородного показателя (pH) сбрасываемых вод, так как отклонение pH как в одну, так и в другую сторону от номинала, наносит вред окружающей среде. Реализация системы автоматического Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий управления величиной pH в процессе нейтрализации наталкивается на непростой, нелинейный нрав поведения объекта управления. Для удачного построения системы управления должны быть разработаны математические модели, учитывающие пространственную распределённость управляемых величин объекта, также протекающие Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий в системе хим реакции.

В этой связи животрепещущими задачками являются математическое моделирование полей концентрации взаимодействующих сред в химико-технологических агрегатах различного предназначения, рассматриваемых в качестве объекта автоматического управления с распределенными параметрами Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий, разработка способов синтеза автоматических регуляторов, теоретическое и экспериментальное исследование алгоритмов и систем управления процессами хим технологии.

Диссертация выполнена при денежной поддержке грантов Русского фонда базовых исследовательских работ №09-08-00297-а, №10 08-00754-а; Федеральной мотивированной программки Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий Минобрнауки РФ «Научные и научно-педагогические кадры инноваторской Рф на 2009–2013 годы» (муниципальный договор №П832 от 17.08.2009; проекты НК 66П/11, 2010-1.3.1-230-009/8); Аналитической ведомственной мотивированной программки «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект №2.1.2/4236).

Целью работы является разработка Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий и исследование моделей, алгоритмов и систем управления объектами с распределенными параметрами в технологических процессах хим нейтрализации брутальных сред.

Для заслуги поставленной цели в работе решаются последующие задачки:

  1. Разработка математических моделей управляемых диффузионных процессов хим Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий технологии.

  2. Структурное моделирование технологических процессов хим чистки кислых стоков как объекта управления с распределенными параметрами.

  3. Анализ и синтез алгоритмов и систем автоматического управления пространственно-распределенными диффузионными процессами хим нейтрализации взаимодействующих сред Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий в промышленных химико-технологических агрегатах.

  4. Разработка метода рационального управления процессом хим нейтрализации на ТЭЦ.

  5. Численное моделирование объектов и систем автоматического управления базисными химико-технологическими процессами диффузии в критериях хим реакции меж Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий взаимодействующими компонентами.

^ Способы исследования. Для решения намеченных целей использовались способы математического анализа, аппарат преобразования Лапласа и конечных интегральных преобразований, теория диффузии, теория автоматического управления, теория рационального управления системами с распределенными параметрами, способы Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий структурной теории распределенных систем, способы компьютерного моделирования и экспериментального исследования динамических объектов и систем управления.

^ Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области пространственно-временного управления процессами диффузии, осложненными хим реакциями меж Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий взаимодействующими компонентами. Приобретенные в работе результаты позволяют на отменно более высочайшем уровне решать инженерные задачки синтеза систем автоматического управления химико-технологическими объектами с распределенными параметрами.

В диссертации получены последующие главные Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий результаты, отличающиеся научной новизной:

  1. Разработаны проблемно-ориентированные на задачки управления математические модели базисных диффузионных процессов хим технологий, отличающиеся от узнаваемых учетом воздействия застойных зон в емкостях технологических агрегатов и двумерного нрава пространственного рассредотачивания управляемых Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий величин в критериях гомогенных хим реакций меж подвижными взаимодействующими компонентами, что приводит к существенному увеличению точности моделирования исследуемых явлений.

  2. Получено не имеющее узнаваемых аналогов структурное представление базисных моделей химико Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий-технологических процессов нейтрализации вредных выбросов как объекта управления с распределенными параметрами, позволяющее получить обоснованные решения задачки синтеза систем автоматического регулирования с сосредоточенными управляющими воздействиями и управляемыми величинами.

  3. Предложена методика аналитического конструирования регуляторов Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий в системах управления технологическими процессами хим нейтрализации подвижных взаимодействующих сред, базирующаяся, в отличие от узнаваемых, на модальном описании объекта управления в бесконечномерном пространстве состояний, что обеспечивает построение постоянной процедуры структурного синтеза на Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий наименьшем уровне трудности в критериях данных требований к высококачественным показателям процессов автоматического регулирования.

  4. Предложена постановка и методика решения задачки рационального управления, содействующий решению животрепещущей препядствия увеличения точности процесса хим нейтрализации сточных вод на ТЭЦ.

^ Практическая Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий полезность диссертационных исследовательских работ определяется последующими плодами.

^ Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследовательских работ применены в виде алгоритмического, математического и программного обеспечения при разработке и внедрении автоматической Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий информационно-управляющей системы процессом хим нейтрализации в хим цехе ОАО «Волжская ТГК» ТЭЦ ВАЗа (г. Тольятти), а так же в учебном процессе ГОУ ВПО СамГТУ при подготовке инженеров по специальности 22.02.01 «Управление и информатика Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий в технических системах», бакалавров и магистров по направлению 22.02.00 «Автоматизация и управление».

Апробация работы. Главные положения и результаты работы докладывались и дискуссировались на Интернациональной конференции студентов и аспирантов по базовым наукам Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий «Ломоносов 2005». Секция «Вычислительная математика и кибернетика» (Москва, 2005), Интернациональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2005), Всероссийской научной конференции юных ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2006), Интернациональной научно-технической конференции студентов и Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006), Интернациональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007), итоговой конференции студенческих обществ (Самара, 2008), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и юных ученых Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2008).

Публикации. По теме диссертации размещено 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в повторяющихся научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

^ Структура и объем работы. Диссертация Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенными на 97 страничках машинописного текста, содержит 46 рисунков, перечень литературы из 53 наименований и 1 приложения.

^ На защиту выносятся последующие положения:
^ Короткое содержание работы
Во внедрении показана актуальность темы, сформулирована цель работы, её научная новизна и практическая полезность.

В первой главе проведен обзор Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий базисных процессов хим технологий и методов чистки производственных сточных вод. Рассмотрены методы реализации технологии хим нейтрализации кислых стоков на примере термических станций АО Мосэнерго и ТЭЦ ВАЗа, показаны недочеты имеющихся систем управления производственными агрегатами.

Выполненный Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий анализ показал, что для увеличения свойства проведения процесса хим нейтрализации требуется создать уточненные математические модели процесса хим нейтрализации, дозволяющие учитывать неравномерное рассредотачивание полей концентраций по объему бака-нейтрализатора; выстроить системы управления водородным Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий показателем (pH) сточных вод, с целью понижения расхода реагентов и увеличения точности процесса нейтрализации.

^ 2-ая глава посвящена математическому моделированию типовых диффузионных процессов в химико-технологических аппаратах различного предназначения. В качестве базисных Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий подверглись рассмотрению модели безупречного и диффузионного вытеснения.

В реальных критериях протекания диффузионных процессов в химико-технологических аппаратах нужно учитывать эффект хим реакций меж взаимодействующими компонентами. Модель безупречного вытеснения с учетом приведенной Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий к двухкомпонентному виду гомогенной необратимой хим реакции

(1)

описывается пространственно-одномерной нелинейной системой дифференциальных уравнений в личных производных первого порядка

(2)

; , (3)

с граничными и исходными критериями:

; ; (4)

; , (5)

где , , , – стехиометрические коэффициенты; ,  − значения концентраций компонент и соответственно зависимо от пространственной Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий координаты l в направлении движения взаимодействующих сред и времени t;  − скорость движения в реакторе;  − константа скорости хим реакции; и  − значения концентраций компонент и на входе в реактор; , – изначальное рассредотачивание концентраций компонент Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий и соответственно.

Модель безупречного вытеснения применима для трубчатого хим реактора с более чем стократным отношением длины к поперечнику.

Диффузионная модель вытеснения с учетом хим реакции (1) усложняется по сопоставлению с (2)-(5) за Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий счет явления диффузии и описывается последующей нелинейной системой дифференциальных уравнений второго порядка:

(6)

; , (7)

с граничными и исходными критериями:

; ; ; (8)

; , (9)

где  − скалярный коэффициент диффузии.

На базе рассмотренных базисных моделей диффузионных процессов была построена модель процесса Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий хим нейтрализации серной кислоты.

Сброс воды в баки нейтрализации (БН) ведется с различных участков технологической цепи подготовки воды, при всем этом состав сточных вод остается постоянным  и содержит раствор серной кислоты, сульфаты кальция и Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий магния. Процесс хим нейтрализации осуществляется методом подачи известковой воды на вход рециркуляционного насоса (РН, рис. 1). Смесь раствора из БН и известковой воды (ИВ) ворачивается в бак, где и происходит нейтрализация. Контроль Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий значения водородного показателя (pH) осуществляется на выходе рециркуляционного насоса, pH-метр состоит из импульсной трубки и блока измерения.

Процесс хим нейтрализации серной кислоты известковой водой можно обрисовать реакцией обмена в пренебрежении воздействием Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий других примесей:

. (10)



Набросок 1 – Схема процесса нейтрализации

В схеме процесса нейтрализации можно выделить трубопровод рециркуляции и бак с застойной зоной, наличие которой разъясняется отсутствием механической мешалки.

Поведение концентраций кислоты и щелочи в трубопроводе Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий рециркуляции описывается в первом приближении моделью безупречного вытеснения (2)-(5) с параметрами , , , .

В целях приближенного моделирования диффузионных процессов снутри бака нейтрализации в границах его объема выделяются активная и застойная зоны. Активная зона описывается Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий диффузионной моделью вытеснения (6) (9) с параметрами , , , , , , , которую нужно дополнить функцией источников

, (11)

убывающих по мере прибавления щелочи и учитывающих воздействие кислотной концентрации застойной зоны:

(12)

Тут  – начальное рассредотачивание концентрации кислоты;  − концентрация продукта реакции в баке; ,  − объем бака Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий с активной и застойной зоной соответственно.

Концентрация продукта реакции определяется из уравнения кинетики хим реакции с учетом необратимости процесса образования продукта реакции

(13)

В итоге модель процесса хим нейтрализации серной кислоты описывается сложной Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий взаимосвязной системой уравнений (2)-(5), (11)-(13).

^ В третьей главе проведено структурное моделирование рассматриваемых процессов хим технологии в критериях протекания хим реакции меж взаимодействующими компонентами в определениях структурной теории систем с распределенными параметрами.

Линеаризованная модель безупречного вытеснения Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий (2)-(5) в малых отклонениях , от стационарного состояния , , которая может быть применена для построения системы автоматического стабилизации величин , , воспринимает последующий вид

(14)

с наружными воздействиями , по граничным условиям

; , (15)

и исходными критериями

; . (16)

Соответственная структурная схема объекта управления показана на рис Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий. 2.



Набросок 2 – Структурная схема линеаризованной модели процесса
безупречного вытеснения с учетом хим реакции

Передаточные функции и распределенных блоков для сосредоточенных управляемых величин , на выходе реактора:

; ; (17)

; , (18)

где , , определяются зависимо от всеохватывающей переменной Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий преобразований Лапласа «p» и пространственных аргументов и выходной и входной величин блоков соответственно; переходные блоки в форме пространственных дельта-функций употребляются для получения сосредоточенного выходного сигнала в точке ; блок производит умножение входного Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий сигнала на числовой коэффициент k; дельта-функция обеспечивает приведение воздействий по граничным условиям к стандартизирующим входам блоков и .

С учетом сосредоточенного нрава входов и выходов модели объекта структурная схема преобразовывается к виду, показанному Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий на рисунке 3, отличающемуся наличием только звеньев с сосредоточенными параметрами, что значительно упрощает дельнейшее ее внедрение в целях построения системы автоматического управления.



Набросок 3 – Структурная схема процесса безупречного вытеснения
с сосредоточенными входами и выходами

Тут передаточные функции

; (19)

; (20)

(21)

где Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий ; ; .

На рисунке 4 представлены результаты численного моделирования процесса безупречного вытеснения (14)-(16) с сосредоточенными входами и выходами в пакете Simulink системы научных и инженерных вычислений MATLAB при  м/с,  л/(мольс),  моль/л Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий,  моль/л, м с разными значениями входных воздействий.



Набросок 4 – Иллюстрация конфигурации концентраций компонент
в процессе безупречного вытеснения с учетом хим
реакции (1 – концентрация , 2 – концентрация )

Линеаризованная модель процесса диффузионного вытеснения (6)-(9) в малых отклонениях от стационарного Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий состояния приводится, подобно (14)-(16), к последующему виду:

(22)

; , (23)

с граничными и исходными критериями:

; ; ; ; (24)

; . (25)

При всем этом структурная схема процесса как и раньше может быть представлена в форме рис. 2, для которой передаточные функции и Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий сейчас уже описываются в форме разложений в нескончаемые ряды:

; . (26)

Тут , – собственные функции модели объекта

, (27)

– положительные корешки непознаваемого уравнения

, (28)

величина определяется из соотношения

, (29)

, – собственные числа, которые определяются из выражений:

; . (30)

Составляющие стандартизирующих функций на входе объекта имеют Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий вид:

; (31)

. (32)

Передаточные функции блоков и относительно сосредоточенных управляющих воздействий и принимают на основании (26) последующий вид:

; ; i=1,2. (33)

Выражения (33) были приведены к виду

, i=1,2, (34)

обеспечивающему существенное улучшение сходимости рядов в (33) и, как следствие, возможность построения Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий более обычных численных моделей, где установившееся значение переходной функции объекта находится из уравнения стационарного состояния модели объекта:

; (35)

; i=1,2. (36)

Применительно к сосредоточенным управляющим воздействиям , и управляемым величинам , структурная схема диффузионного Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий процесса вытеснения с учетом хим реакции приведена к виду (рис. 5), содержащему только звенья с сосредоточенными параметрами, передаточные функции которых содержат нескончаемые ряды с усовершенствованной сходимостью.



Набросок 5 – Структурная схема диффузионного процесса вытеснения
с сосредоточенными входами и Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий выходами

Тут передаточные функции имеют вид:

; (37)

; (38)

; , (39)

где

; (40)

; (41)

(42)

; ; (43)

; (44)

(45)

(46)

Приведение к виду рис. 5 выполнено при помощи особых структурных преобразований схемы рис. 2, требующих решения интегральных уравнений Фредгольма с вырожденным ядром при нахождении передаточных функций Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий при встречно-параллельном соединении распределенных блоков. Ортонормированность собственных функций блоков и в схеме рис. 2 обеспечивает получение четких решений этих интегральных уравнений.

На рисунке 6 представлены результаты численного моделирования диффузионного процесса вытеснения, моделируемого Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий структурой на рис. 5 при  м/с,  м2/с,  л/(мольс),  моль/л,  моль/л, м, с разными значениями скачкообразных входных воздействий.



Набросок 6 – Результаты численного моделирования
(1 – концентрация ; 2 – концентрация )

На базе математической модели Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий (2)-(5), (11)-(13) процесса хим нейтрализации серной кислоты построена структурная схема объекта управления, учитывающая нелинейные связи меж взаимодействующими компонентами, обусловленные эффектом хим реакции (рис. 7). Линейная часть структуры объекта подобна представленной на схеме рис. 2. Входным воздействием объекта является Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий объем подаваемой щелочи , а в качестве выходной величины рассматривается значение водородного показателя pH раствора на выходе пробоотборной трубки.

Тут трубопровод рециркуляции описывается моделью (2)-(5) безупречного вытеснения с учетом хим реакции. Для нее входными воздействиями Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий являются задания концентраций кислоты и щелочи на входе в трубопровод рециркуляции. Распределенная передаточная функция определяется из выражения (17) при .

Изменение концентраций кислоты и щелочи в баке нейтрализаторе описывается диффузионной моделью вытеснения (12) с учетом Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий хим реакции, дополненной системой уравнений (11), (13), которая обрисовывает конфигурации концентрации продукта реакции и концентрации серной кислоты в застойной зоне. Распределенная передаточная функция определяется из выражения (26) при .



Набросок 7 – Структурная схема процесса хим нейтрализации

Учет нелинейного Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий эффекта хим реакции оказывается нужным в критериях протекания процесса нейтрализации со значительными переменами исходных величин концентраций реагирующих компонент.

Нелинейный элемент «НЗ» представляет собой множительное звено, учитывающее эффект хим реакции, пропорциональный произведению концентраций Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий взаимодействующих сред в уравнениях (2) и (6) моделей диффузионных процессов.

Блок «F» употребляется для вычисления концентрации щелочи в трубопроводе после прибавления известковой воды через регулятор извести:

, (47)

где – значение концентрации щелочи на Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий выходе из бака, моль/л; – объем щелочи поступающей из бака, л; – концентрация добавляемой щелочи через регулятор извести, моль/л.

Исследуемый раствор попадает в pH-метр через пробоотборную трубку, у которой отношение длины к поперечнику больше Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий 100, потому в качестве модели можно использовать модели безупречного вытеснения :

, ; , (48)

с граничными и исходными критериями:

; (49)

, (50)

где – рассредотачивание концентрации раствора по длине пробоотборной трубки;  – координата точки отбора исследуемой воды из трубопровода рециркуляции (); – скорость движения Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий воды по пробоотборной трубке.

В качестве входного воздействия выбрана разность концентраций кислоты и щелочи в точке отбора, потому что можно считать, что за время прохождения по пробоотборной трубке хим реакция завершится Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий.

Значение водородного показателя раствора связывается со значением известным выражением:

. (51)

Для исследования предлагаемой модели процесса хим нейтрализации была разработана численная модель в системе конечно-элементных расчетов COMSOL Multiphysics, в какой уравнения объекта определены Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий в виде PDE-моделей (Partial Differential Equation).

С целью задания входных воздействий случайной формы употребляется система Simulink, дополненная блоком функции, позволяющим на каждом шаге динамического расчета обращаться к PDE-моделям для вычисления полей Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий концентрации.

Сопоставление приведенных на рис. 8 результатов численного моделирования с данными опыта свидетельствуют о применимой точности численной модели.

Переходные свойства по pH были получены при открытии регулятора извести на 10% на 5 минут Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий.



Набросок 8 – Итог сопоставления численной модели процесса нейтрализации
и активного опыта (1 – выход модели; 2 – итог опыта)

^ 4-ая глава посвящена синтезу систем автоматического управления рассматриваемыми процессами хим технологии.

Применительно к задачке стабилизации установившихся режимов химико-технологических Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий установок непрерывного деяния неувязка сводится к аналитическому конструированию регуляторов для линеаризованных моделей (22)-(25) диффузионных процессов.

Применение к уравнениям объекта конечных интегральных преобразований с ядрами, равными его своим функциям, приводит к представлению модели Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий (22)-(25) нескончаемой системой линейных уравнений относительно коэффициентов (временных мод) , разложения и в нескончаемые ряды по :

(52)

; ; , (53)

где

; (54)

. (55)

Ограничиваясь учетом конечного числа N членов обозначенных рядов, получим приближенное описание объекта управления с временными модами , в роли Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий переменных состояния:

; (56)

(57)

где , , ,  векторы-столбцы переменных состояний; , , ; Т  знак транспонирования; А представляет собой матрицу:

, (58)

B – матрица-столбец

, (59)

Вектор u имеет вид

, (60)

или , а рассматривается в качестве возмущающего воздействия.

Для объекта (56)-(57) всегда можно отыскать известными Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий методами такую матрицу K неизменных коэффициентов оборотных связей по всем переменным состояния с линейным законом управления

, (61)

при которой достигается любые данные рассредотачивания корней характеристического полинома с отрицательной реальной частью, и как следует, обеспечиваются нужные высококачественные Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий характеристики функционирования системы в статических и динамических режимах работы. Для реализации метода управления (61) должна быть предусмотрена возможность полного (в идеализированном варианте) измерения распределенного выхода объекта, а именно, при помощи специального наблюдающего состояния Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий, для получения нужного сигнала оборотной связи, по которому в особом блоке H (анализаторе) рассчитываются временные моды , , , по правилам определения коэффициентов разложения управляемых величин в нескончаемые ряды по своим функциям (рис. 9).



Набросок 9 – Система Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий автоматического управления по переменным состояния

Если 1-ые N значений матрицы неизменных коэффициентов K избрать равными значениям собственных функций с весовым коэффициентом в некой фиксированной точке , а другие принять равными нулю:

(62)

где Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий – неизменный коэффициент передачи, однообразный для всех мод, то в таком случае, используя разложение управляемой величины в ряд по своим функциям модели объекта, получим для управляющего воздействия (61) при :

. (63)

Аналогично, при

(62а)

будем иметь

. (63а Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий)

Таким макаром, задачка сводится к построению существенно более обычных автономных систем пропорционального регулирования концентраций и , если выбор согласно (62) и (62а) обеспечивает нужное качество управления рассматриваемым объектом. На рис. 9 приведена структурная схема системы автоматического Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий регулирования концентрацией . При всем этом объект управления в структуре таковой системы описывается передаточными функциями (37)-(46).



Набросок 9 – Система автоматического регулирования концентрации

Анализ режимов работы замкнутых системы с регуляторами (63) и (63а) и Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий численной моделью объекта управления, выполненный при помощи системы зрительного моделирования Simulink пакета MATLAB указывает, что соответствующий выбор коэффициентов усиления и обеспечивает удовлетворительное качество отработки задающих и возмущающих воздействий. Некие численные результаты приведены на Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий рисунке 10 при  м/с,  м2/с,  л/(мольс),  моль/л,  моль/л,  м, , в системе рис. 9.



Набросок 10 – Переходные процессы для в САР при скачкообразных воздействиях
(а – по управляющему воздействию; б – по возмущающему)

Для Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий процесса хим нейтрализации серной кислоты, моделируемого системой нелинейных уравнений (2)-(5), (11)-(13), (47)-(55) и структурной схемой рис. 7, рассмотрена задачка рационального управления на максимум точности приближения к нейтральному состоянию раствора с нулевыми значениями концентраций кислоты и Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий щелочи в пробоотборной трубке в конечный момент времени .

Требуется отыскать управляющее воздействие , стесненное ограничением

(64)

для объекта (2)-(5), (11)-(13), (47)-(55) с данным исходным состоянием , , которое обеспечивает малое значение концентрации

(65)

за фиксированное время в критериях

. (66)

Показано, что для сложной Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий нелинейной модели процесса (2)-(5), (11)-(13), (47)-(55) наилучшее по аспекту (65) управление следует находить в классе кусочно-постоянных (релейных) функций, принимающих только свои предельно-допустимые значения в (64) с 2-мя интервалами всепостоянства в согласовании с 2-мя управляемыми величинами Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий и , что в конечном итоге приводит к определению с точностью до длительностей , интервалов всепостоянства хорошей программки:

(67)

Численное интегрирование нелинейной системы уравнений (2)-(5), (11)-(13), (47)-(55) модели процесса при управлении (67) позволяет отыскать многофункциональные зависимости , от параметра для каждой Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий данной величины , описывающие в параметрической форме надлежащие кривые на плоскости , , точки скрещения которых с осью определяют разыскиваемые значения являющиеся решением рассматриваемой задачки рационального управления.

На рис. 11 представлены некие результаты численного решения Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий этой задачки описанным методом при  м/с,  м/с,  м/с,  м2/с,  л/(мольс),  м,  м,  м,  м



Набросок 11 – Достижимые в классе управлений (67)
значения концентраций ,
(1 – , 2 – , 3 – , 4 – )

Соответственная зависимость от времени процесса построенная по Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий расчетным результатам показана на рисунке 12.



Набросок 12 – Зависимость мало достижимого значения
концентрации от продолжительности процесса управления

Синтез замкнутой системы управления, автоматом отрабатывающей расчетную лучшую программку (67) может быть выполнен для определенной области исходных состояний Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий , методом построения релейной системы автоматического регулирования с оборотными связями по текущим значениям , и линейной функцией переключения

, (68)

где – коэффициенты оборотных связей; – данные конечные значения концентраций, определяемые при данном решением задачки программного рационального управления:

. (69)

Из равенства в Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий момент переключения управления (67) для узнаваемых по результатам расчета программного управления значений , находится один из коэффициентов оборотной связи при избираемом произвольным образом значении второго коэффициента. К примеру, при получим:

. (70)

Структурная схема замкнутой системы Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий приведена на рисунке 13.



Набросок 13 – Структурная схема замкнутой системы рационального управления

На рисунке 14 приведены конфигурации концентраций кислоты и щелочи при , в рациональном процессе нейтрализации.



Набросок 14 – Отработка рационального процесса хим нейтрализации в замкнутой
системе Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий управления при , (1 – ; 2 – )

В заключении перечисляются главные результаты проведенных диссертационных исследовательских работ:

1. Разработаны базисные математические модели диффузионных процессов хим технологий с учетом двухкомпонентной хим реакции меж подвижными средами, проблемно-ориентированные на задачки автоматического управления полями Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий концентраций взаимодействующих потоков.

2. Выполнено структурное моделирование базисных процессов хим технологии как объекта управления с распределенными параметрами применительно к линеаризованным и нелинейным моделям управляемых процессов.

3. Способами теории управления в пространстве Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий состояний разработаны методики аналитического конструирования регуляторов в системах стабилизации стационарных состояний диффузионных процессов хим технологии.

4. Предложена постановка и методика решения задачки оптимизации процесса хим нейтрализации сточных вод на ТЭЦ при его данной продолжительности по аспекту Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий наибольшей точности приближения к нейтральному состоянию раствора.


^ Основное содержание диссертации размещено в последующих работах


Статьи в журнальчиках, рекомендованных ВАК РФ


  1. Мандра А.Г. Постановка задачки математического моделирования процесса диффузии осложненного хим реакцией // Вестник Самарского Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий муниципального технического института. Серия «Технические науки». Самара: СамГТУ, 2009. №1(23). с. 229-232.

  2. Мандра А.Г., Рапопорт Э.Я. Альтернансный способ в задачке рационального по быстродействию управления процессом диффузии // Вестник Самарского муниципального технического Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий института. Серия «Технические науки». Самара: СамГТУ, 2010. №2(26). C. 244-247.

  3. Мандра А.Г., Рапопорт Э.Я. Структурное моделирование управляемых процессов диффузии в критериях хим реакции меж взаимодействующими компонентами // Вестник Самарского муниципального технического института. Серия «Технические Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий науки». Самара: СамГТУ, 2010. №7(28). C. 164-171


Перечень публикаций в материалах научно-технических конференций


  1. Мандра А.Г. Синтез системы автоматического управления процессом нейтрализации как объектом с переменной структурой // Материалы Интернациональной конференции студентов и аспирантов по базовым наукам Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий «Ломоносов 2005». Секция «Вычислительная математика и кибернетика». М.: Издательство отдела факультета ВМиК МГУ, 2005 – 37 с.

  2. Мандра А.Г. Разработка модели процесса нейтрализации регенерационных стоков хим цеха ТЭЦ ВАЗа // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научной конференции Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий юных ученых в 7-и частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. Часть I. – 146-147c.

  3. Мандра А.Г. Синтез системы автоматического управления объектом с переменной структурой // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Одиннадцатая Интернациональная научно-техническая Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. М.: МЭИ, 2005. Т.1. – 405-406с.

  4. Мандра А. Г. Синтез системы автоматического управления процессом нейтрализации регенерационных стоков хим цеха ТЭЦ ВАЗа // Радиоэлектроника, электротехника и Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий энергетика. Двенадцатая Междунар. Науч.-техн. Конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. – М.: МЭИ, 2006. Т.1. – 495-496 с.

  5. Мандра А.Г. Моделирование процесса нейтрализации регенерационных стоков // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Тринадцатая Междунар Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий. Науч.-техн. Конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. – М.: МЭИ, 2007. Т.1. – 345-346 с.

  6. Мандра А.Г., Филлипова Е.В., Сазонов Д.О., Лойко А.Ю. Компьютерное моделирование динамики проведения процесса нейтрализации как Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий объекта с распределенными параметрами // Материалы итоговой конф. студенческих обществ. Самара, СамГТУ. Часть 2, 46-47 с.

  7. Мандра А.Г. Построение структурной схемы модели нейтрализации кислых стоков хим цеха как объектом с распределенными параметрами // Молодежь и современные Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий информационные технологии. Сборник трудов VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и юных ученых. Томск, 26-28 февраля 2008г, 500с. 189-190.



Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.03

ГОУ ВПО «Самарский муниципальный технический университет»

(протокол Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий №1 от 14 февраля 2011 г.)


Заказ №315. Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л.__. Тираж 100 экз.


Отпечатано в типографии

Самарского муниципального технического института

443100, Самара, Молодогвардейская, 244 корпус 8.



strukturalizm-i-podstrukturalizm.html
strukturalzm-yak-storichnij-napryam-movoznavstva-referat.html
strukturi-dannih-ispolzuemie-dlya-predstavleniya-ishodnih-dannih-i-rezultatov-zadachi.html