автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Моделирование и алгоритмизация адаптивного управления непрерывными процессами растворной сополимеризации

РГ8 ОД

- 8 ОПТ 1396

На правах рукописи

СОЛДАТОВ Евгений Анатольевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ АДл1 'ТПСПОГО УПРАВЛЕНИЯ НЕПРИЗЫВНЫМИ ПРОЦЕССАМИ РАСТВОРНОЙ СОПОЛИМЕРИЗАЦИИ

Специальность 05.I3.07

Автоматизация технологических процессов и производств (промышленности.)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 19%

Работа выполнена на кафедре автоматизированных и вычислительных ^ систем Воронежского государственного технического университета

Научный руководитель

академик МАИ, доктор технических наук, профессор Подвальный С.Л.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Ануфриев В.В.

кандидат технических наук, доцент Чепелев С. А.

Ведущая организация

ГП ВФ НИИСК, (г. Воронеж)

Защита состоится 25 октября 1996 г. в конференц-зале в 14 часов на заседании диссертационного совета Д063.81.02 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский пр., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета

Автореферат разослан "4И" ¡996 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Львович Я.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Существенно возросшие в новых экономических условиях требования экономической эффективности производства, экологической чистоты и расширения потребительских свойств синтетических каучуков, применяемых в шинной и резино-технической промышленности, вызвали необходимость исследования и промышленного применения новых каучуков со сложной структурой полимера. Статистический дивинил-стирольный каучук (ДССК), синтезируемый в процессе растворной сополимеризации, пользуется устойчивым спросом на мировом рынке. Однако, возрастающая конкуренция среди производителей этих марок синтетического каучука, предопределила выдвижение на первый план задачи управления качеством получаемых полимеров.

Традиционно применяемые при моделировании и управлении формальные математические модели не позволяют обеспечить эффективное управление качественными показателями. В связи с этим, целесообразно использовать математические модели, наиболее полно отражающие основные закономерности химизма процесса и специфические особенности объекта. Сложность и недостаточная изученность процесса сополимернзацнн требуют тщательного анализа методами моделирования динамических особенностей объекта и дальнейшего использования его результатов для целен управления.

Кроме того, зависимость показателей качества от вариабельности входных параметров, в том числе неизмеряемых, приводит к использованию механизма адаптации модели в реальном времени, позволяющего системе искусственно приспосабливаться к изменяющимся условиям за счет получения, обработки и анализа недостающей информации о процессе одновременно с его управлением.

Таким образом, актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью обеспечения заданного качества полимеров со сложной структурой, задачами оптимального управления технологическими процессами растворной сополимеризации синтетического каучука на базе использования адекватного математического описания в АСУТП.

Диссертация выполнена п рамках межвузовской научной программы "Теоретические основы химической технологии и новые принципы управления химическими процессами" (проект 04.11) и соответствует целевому научному направлению ВГТУ "САПР и системы автоматизации производства".

ПЕЛЫО РАБОТЫ является разработка математического описания и ^ алгоритмического обеспечения адаптивной системы управления показателями качества синтетического каучука применительно к классу процессов растворной сополимеризации полимеров со сложной структурой. С этой целью в работе решались следующие основные задачи: разработка динамической модели технологического процесса растворной сополимеризации бутадиена и стирола с учетом кинетики, гидродинамики, теплопередачи и контроля качества; доказательство адекватности построенной математической модели и осуществление ее параметрической идентификации;

аналитическое исследование математической модели в условиях вынужденных периодических колебаний входных параметров;

разработка управляющих процедур АСУТП процесса на базе адаптивной математической модели;

реализация на ЭВМ и внедрение модифицированного математического обеспечения системы управления и моделирования в составе промышленной АСУТП.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ основаны на использовании теории химической кинетики, адаптивных систем, методов математического моделирования, математической статистики, вычислительной математики и компьютерных технологий управления. НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Разработана математическая модель динамики процесса растворной сополимеризации бутадиена и стирола на уровне молекулярно-массового распределения, отличающаяся учетом сложной структуры конечного продукта, состоящего из блоков полистирола и статистического сополимера бутадиена и стирола.

Выполнено аналитическое исследование модели, сформулированы и доказаны теоремы существования, положительности и асимптотической устойчивости решения для режима вынужденных периодических колебаний управляющих параметров.

Создана редуцированная математическая модель контроля качества каучука ДССК, обеспечивающая моделирование в реальном масштабе времени и применимая в замкнутом контуре регулирования.

Синтезирован алгоритм многомерного оптимального управления динамическими режимами процесса растворной сополимеризации с квадратичным критерием качества.

Предложен способ управления процессом растворной полимеризации, отличающийся использованием режима вынужденных колебаний рас-

хода катализатора для регулирования качественных показателей синтетического каучука.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ:

Разработаны методы и численные алгоритмы регулирования и стабилизации технологических и качественных показателен процесса растворной сополимеризации каучука ДССК в цепочке реакторов.

Предложена методика контроля характеристической вязкости полимера на выходе батареи реакторов с применением адаптивной схемы оценки параметров математической модели в реальном масштабе времени по мере получения лабораторного анализа.

На базе математических моделей разработано программно- алгоритмическое обеспечение подсистем моделирования и адаптивного управления, предложена модифицированная функциональная структура АСУТП растворной сополимеризации.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработанные математические модели, методы и алгоритмы адаптивного управления технологическими н качественными показателями прошли экспериментальную проверку и переданы в опытную эксплуатацию в составе усовершенствованной подсистемы управления в составе промышленной АСУТП производства ДССК-65/40 на Воронежском заводе "Сннтезкаучук". Ожидаемый годовой экономический эффект ог внедрения системы составляет 122 млн. руб.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научной конференции " Интенсификация тепло- и массообмешшх процессов в химической технологии" (Казань, 1984), II Всесоюзной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Воронеж, 1985), III Всесоюзной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Воронеж, 1990), VIII Всероссийской научно-технической конференции "Математические методы в химии" (Тула, 1993), IV Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Ярославль, ¡994), Республиканской научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1996).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе авторское свидетельство на изобретение.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на 129 страницах, включает 5 таблиц и 32 рисунка; состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1

Во введении показана актуальность работы, дана ее краткая характеристика, сформулирована цель и основные задачи исследования, представлены основные научные результаты, приведено краткое содержание работы по главам.

В первой главе дана характеристика процессов растворной полимеризации, представлен обзор динамических моделей и алгоритмов управления типовых процессов полимеризации, проведен предварительный анализ объекта управления.

Анализ процессов получения синтетического каучука методом растворной полимеризации и систем управления этими процессами показал, что процессы растворной полимеризации характеризуются совокупностью сложных физико-химических явлений, имеющих двойственную детермини-рованно-стохастическую природу; существенной нестационарностью характеристик оборудования; большим числом переменных; сложностью получения и контроля отдельных качественных показателей.

С точки зрения математического описания и моделирования наиболее исследованы процессы растворной полимеризации изопренового и бутадиенового каучуков. Появление на мировом рынке новых сортов синтетического каучука, обусловленное повышением технико-экономических требований, предопределило применение полимеров со сложной структурой, в частности ДССК, представляющего собой статистический сополимер бутадиена со стиролом. Синтез дивинил-стирольного каучука осуществляется в каскаде реакторов, на вход которого подается непрерывно перемешиваемый растворитель, дивинил, стирол и катализатор. Основными выходными характеристиками процесса являются концентрация и конверсия сомономе-ров, содержание блочного полистирола, характеристическая вязкость по-лимеризата.

Работы по внедрению исследуемого процесса в производство выявили существенные несоответствия между традиционно применяемыми методами моделирования и анализа динамики и реальной потребностью производства в управлении качеством конечного продукта на выходе батареи, что прежде всего связано с отсутствием полноценного математического описания. Используемая ранее формальная математическая модель процесса, представляющая собой систему дифференциальных уравнений для расчета суммарной конверсии мономеров, не позволяет рассчитывать основные качественные показатели дивинил-стирольного каучука - содержание

блочного полистирола и характеристическую вязкость и не учлтываег мо-лскулярно-кинетическне особенности образования конечного продукта, состоящего из блоков полистирола и статистического сополимера бутадиена н стирола.

Как следствие, отсутствует возможность полноценного исследования и анализа особенностей и закономерностей синтеза ДССК и кроме того, существенно ограничена эффективное^ управления процессом, поскольку точность регулирования технологических параметров и качественных показателей при ручном управлении с использованием локальных средств недостаточна для получения каучука требуемого качества. Объект управления постоянно подвержен как измеряемым, так и неизмеряемым возмущениям и поэтому для поддержания его выходных координат -характеристической вязкости и блочности полистирола в заданном диапазоне, требуется постоянное корректирование координат вектора управляющих воздействий, что предполагает точное знание параметров модели. Поскольку параметры модели нестационарны и зависят от многих факторов, поэтому нельзя, оцепив один раз, использован, их в дальнейшем как константы. Выходом из этой ситуации чвляезся применение механизма адаптации математической модели н режиме реально! о времени.

На основании проведенных исследований сформулирована цель работы и основные пути ее реализации.

Вторая глава посвящена разработке и аналитическому исследованию математического описания процесса сополимеризации бутадиена и стирола в динамике.

В основу построения математической модели рассматриваемого процесса положен сгрукгурно-уровненый принцип, состоящий в последовательном наращивании модулей, описывающий кинетику, гидродинамику и теплопередачу процесса. Учитывая общность кинетических закономерностей, математическое описание рассмотрено на примере сополимеризации бутадиена и сгирола в растворе в присутствии каталитического комплекса на основе литнйбутила.

Разработка математической модели кинетики проведена с учетом следующих предположений об особенностях протекания рассматриваемого процесса: реакция полимеризации имеет первый порядок по катализатору, порядок реакции по мономеру также равен единице, растущие полимерные молекулы характеризуются достаточно стабильными реакционноспособ-ными активными центрами, сохраняющими свою активность в течение длительного времени. Близкая нулю мольная концентрация неактивных цепей дает основание говорить о "живущих" полимерах с макромолекулами,

способными расти до полного исчерпания мономера. Определяющая роль в4' кинетике процесса принадлежит двухстадийной реакции роста.

Наибольший интерес представляет такое построение модели, которое дает возможность определения технологических параметров процесса, численных характеристик молекулярно-массового распределения и основных показателей качества конечного продукта.

Математическая модель непрерывного процесса растворной полимеризации ДССК для к-го реактора каскада получена в виде:

" _/>" - еГ'У^'Я" )

ск

Л

■М

ей

(1)

= 7<»-:>_тч +(0"-" -С"'^] -И?-(Тк>>

К.^-5.С р^

* с„с„ у с„с„ * с„с„рш с. 1/7 п!()-п)!

р>к>(0)=ц1'. В«>(0)=Б<». ск1(0)=с<о->. №(<»=№. где в'" '1, с'"', с'"", р'"'. р1'"- концентрация бутадиена, стирола и катализатора на входе и выходе из реактора соответственно, моль/м3; qь, </, -тепловой эффект полимеризации бутадиена и стирола соответственно, ккал/моль; - моменты молекулярно-массового распределения у'-го

порядка, = - расход шихты, т/ч; С„ - теплоемкость шихты,

ккап/(тград); рш - плотность шихты, т/м3; С„ - расход полимеризата на выходе из реактора, т/ч; С„ - теплоемкость полимеризата, ккал/(тград); Сх -расход хладоагента в рубашку ¿-го реактора, т/ч; С, -теплоемкость хладоа-гента, ккал/(т-град); г"-1- температура в А>том реакторе, град; т*''"- температура материального потока, поступающего в к-й реактор, град; к, - коэффициент теплопередачи, ккал/(м2 ч-град); к'ь. к'с - скорости инициирования бутадиена и стирола; к'с - скорости роста бутадиена и стирола; кд -скорость совместного роста сополимера; © - время пребывания реагентов в реакторе, ч; 5 - поверхность теплосъема, м2; v - объем реактора, м3.

Соотношения для расчета численной Л/^.*', массовой Л/ ционной молекулярных масс и полидисперсности ре:

М'" '.к ! - . Мм' М1Ы 1 м'," .

м<к1 и'*' ~ И'*' ' 1 .'А М£> ¡14 II ад

седимента-в к-том реакто-

(2)

характеристикам сополимера

г

с„

С, при

С =

11

----> 0.9

(4)

Переход к молекулярно-массовым л7у. Мг осуществлен путем преобразования

кМх=Рь(8М'х+Р<18 А/Дс. X - {ЫЖ.Х). р„+рс = 1. (3)

где рь-Вть/(Вть+Стс) и р= Стс /(Вть+Стс) - приведенные весовые доли сопо-пимеров, ть и тс- молекулярные массы монозвеньев бутадиена и стирола.

На практике технический контроль за качеством дивинил-лирольного каучука осуществляют по таким показателям, как характеристическая вязкость и содержание блочного полистирола.

С учетом особенности кинетики исследуемого процесса, заключающейся в образовании и присоединении концевого блока полистирола только после практически полного исчерпания бутадиена, ю есть при достижении 90 % конверсии эгого сомономера, получено выражение для расчета показателя блочности полистирола п виде:

* " я,

в0

СЦ „;/«„ о, "Р" г,

"о

Одним из возможных способов интенсификации процессов растворной полимеризации является управление качественными показателями получаемых полимеров с помощью вынужденных периодических колебаний режимных параметров. В связи с важными приложениями задач на базе вынужденных колебаний, актуальность приобретают вопросы, относящиеся к их качественному анализу. Принимая во внимание фактическое существование при управлении непрерывным промышленным процессом растворной полимеризации ДССК колебательного режима по ряду режимных и качественных показателей, в диссертационной работе рассмотрены вопросы существования, единственности и устойчивости периодических решений для исследуемого процесса. Под решением поставленной оптимизационной задачи будем понимать пару допустимых функций и(с) и <р(1) периода о>*, максимизирующие критерий качества вида:

3 = —\и{1)Ы1).с)Л1, (5)

где с - заданный положительный вектор, <p(t) - апериодическое решение1 системы уравнений (1), соответствующее апериодической функции управления u(t).

Сформулированы и доказаны теоремы существования, единственности и устойчивости со-периодического решения.

ТЕОРЕМА 1. Определим P=p(t), B=b(i). fib =fib(i). pc =Mc(t). C=c(t). T= T*(t) в (1) как заданные неотрицательные непрерывные ш-периодические функции, удовлетворяющие условию

\pd№,h+\c(t}\+W,bVJlWr(tA*0- 'б(о-Н (6)

a k'li,k'c,k^,k^,k^c,^,qll,q<.,kMI,@ - есть положительные константы, имеющие известный физический смысл. Тогда система уравнений (1) имеет по крайней мере одно неотрицательное ш-периодическое решение, причем ф(1)*Ю ни при каком leR. Кроме того для этого решения справедлива оценка

Мс</) + Л + с + 7" + Ц,+ Ц, (7)

гд ep = maxpft)..... ¡1г = тахи,(0.

ТЕОРЕМА 2. Пусть относительно коэффициентов системы уравнений (I) выполнены высказанные выше предположения, a p(t). b(t), fsb(t), fic(t), c(t), T (l) заданные неотрицательные непрерывные со-периодические функции, удовлетворяющие условию (6). Пусть, кроме того, выполнено неравенство

кi)' Л4 + (к'У+(*/)' < j! Hbqj1 +Д, /)<

/ (8)

< Лв(р + Ь +С+Т' +Д, +ÎIJ Тогда система уравнений (1) имеет единственное «-периодическое решение <p(l)iO, (причем <p(t)e(l для teR) и оно является асимптотически устойчивым по Ляпунову.

Проведена параметрическая идентификация математической модели по экспериментальным измерениям координат промышленного процесса с использованием алгоритмического и программного обеспечения, разработанного на кафедре автоматизированных и вычислительных систем. Нахождение оценок начальных приближений и минимизация дисперсии известных во времени координат при идентификации сводилось к минимизации суммы квадратов относительных отклонений расчетных и экспериментальных данных по температуре реакции и концентрациям дивинила и стирола.

В результате идентификации найдены значения параметров математической модели с учетом их зависимости от концентрации сомономеров, катализатора и температуры реакции:

k'h =0.45&У1+0<Ю1Р- )■ e?j>(-97H642/RT): k; - 0.№.1(U 0<J№: l-e*p(-22XI7Ji/RT): = 3.629Ю9- е.\р(-2Ш)/ RT)

> ' ~ 03326-с\]>(-37(Ю!/RT). 0Ш7Ч*

A -------е.\р(-ЮйИ)3/RT¡;

/+0.Ж

Адекватность разработанной мате магической модели реальному объекту доказана в соответствии с приемаш математической статистики путем построения отношений остаточной дисг> ере и и модели и дисперсии воспроизводимости эксперимента для каждой j з координат: концентрации мономеров, температура реакции.

По результатам численного моделирования получены динамические характеристики в реакторах батареи, про шализировано влияние режимных параметров на показатели качества и вь »явлен ряд особенностей протекания процесса. Существенная нелинейность объекта, влияние на качественные показатели синтезируемого каучука температурного режима и вариабельность входных параметров обуславлчвает необходимость оптимизации процесса в реальном масштабе времени.

В третьей главе предложено pcuiei ие задачи оптимального управления динамическими режимами процесса растворной сополимеризации в каскаде реакторов с применением мето; lOB аналитического конструирования многомерных многосвязных регуля' оров.

Основой построения адаптивного ■ правления служит математическая модель (1). В результате цепочки поелс лопательных вычислений матрицы коэффициентов передачи обратных св «ей, коэффициентов чувствительности системы и отбрасывания несуща i венных связей, a также принимая допущение о равновероятности встугон ния в реакцию сомономеров, математическая модель для первого реактор- - в безразмерных переменных получена в виде:

dxj

dC

dx: di' dx, di

- eCmaxK,0e'Jx,x,

(10)

Jl_ t Тш_ ~p • - T

x C

fX.

i _ a;

,.=1. P= ее.

в P„c,

. b=

Л.

где С - суммарная молярная концентрация мономеров на выходе реактора, Q - тепловой эффект реакции сополи иеризации, />„, срм - средняя плотность и теплоемкость реакционной массы сс ответственно, А', - константа скорости инициирования; Кр - обобщенная коь станта скорости полимеризации.

Достижение минимальной интегральной квадратичной ошибки, характеризующей качество управлен 1я по каналу регулирования суммарной концентрации сомономеров, температуры реакции с учетом ограничения управления обеспечивается критерием вида: /

J =-f(a AxUt) + P--2(t) + &ui(0 (12)

^ о

Установившиеся значения суммарной концентрации сомономеров x2i и температуры х3„ равны заданным значениям, а значения состояния x]s и управлений Uis (i—1,2) определяются из решения системы уравнений (10).

Уравнения для расчета приращения управляющих воздействий по концентрации катализатора и температуре шихты получены в виде:

mtj = -—t—fkuAx, (О + k13&x3 (i ) + кы- Х\(х2 (!) - хг )dt)

о ^ (13)

bTJl) = -(k,3Sx,(t) + к13Ьх2(t) + к3 Дx,(t) + к14 ■ х\(хг(1) - xjdl)

о

Элементы k(i) определяется из матричного дифференциального уравнения типа Риккати:

к(1) = ~К(1)А(1)-Аг(1)К(1) + К(1)1:(1)Ч,'Вт(1)К(1)-Ф. K(tt) = <bt. (14) где A(t) - матрица динамических параметров объекта размера пхп; B(i) -матрица коэффициентов усиления уп равляющего воздействия размера nxr; х - л-мерный вектор фазовых координ it; и - /--мерный вектор фазовых координат; Фк и Ф(I) неотрицательно определенные, а Т - положительно определенная весовая матрица.

Отклонение концентрации катализатора Ах, и сомономеров Лх2 вычисляется согласно (10), температурь' реакции Лх5 - измеряется на объекте. |

Таким образом, общая задача оптимизации решается совместно для i систем уравнений (10)-(14).

Численные значения настроек оптимального регулятора в окрестностях нескольких установившихся состояний определены в результате моделирования оптимальной многосвязной системы управления процессом полимеризации.

Анализ экспериментальных данных и результатов математического моделирования, показал, что при значительном отклонении конверсии от заданного значения существенно изменяются динамическая вязкость, моле-

кулярная масса и концентрация полимера, а также характеристики объекта регулирования из-за его нелинейности. В этом случае целесообразно воздействием на дозировку катализатора и температуру шихты вернуть суммарную конверсию мономеров на прежний уровень с последующей стабилизацией характеристической вязкости и температуры реакции вблизи стационарной точки.

На ряс. ) показана структура п взаимодействие подсистем управления характеристической вязкостью на выходе батареи реакторов для процесса растворной сополимеризации ДССК.

Рис. 1. Алгоритмическая структура системы управления характеристической вязкостью на выходе батареи для процесса растворной полимеризации ДССК

Синтезирован алгоритм расчета управляющего воздействия на заданное значение вязкости после второго реактора с целью стабилизации характеристической вязкости на выходе батареи. Для малого диапазона изменений конверсии в аппаратах на выходе батареи предложен метод контроля характеристической вязкости с использованием модели вида:

где [т)]'к> - характеристическая вязкость в А-том выходном реакторе батареи; цЬт - динамическая вязкость в конце батареи; с'*-1 - концентрация посо-полимера в растворителе; Тср - средняя температура на батарее из № реакторов.

При расчете показателя качества применена адаптивная схема оценки параметров модели в реальном масштабе времени и предложен аппарат корректировки коэффициентов модели (15) по мере получения лабораторного анализа.

Векторное уравнение адаптивной идентификации имеет вид

где C,=[Ce(i),C,(t),C2(t),C¡(t)] - вектор коэффициентов; у, - параметр (шаг), Z, =[Лц,.СН,,7;] - вектор-функция времени; М, - лабораторный анализ характеристической вязкости.

Для улучшения сходимости алгоритма шаг у, является переменным по каждой компоненте вектора С, и изменяется по следующему алгоритму:

= ¡) + (l-a)-XJi). О <а<1; n=U.....N ^

у, - ¿1шф,(!) y}(i) y,(i) у ¿i)) где 0<y„(i) <1, y„(0)=l/N: i - шаг по времени; у JO) - начальное значение шага, имеющий одинаковое значение для всех констант вектора.

Вязкость после второго реактора регулируется подачей катализатора, в первый реактор по отдельному разработанному ранее алгоритму.

Предложен способ управления процессом растворной полимеризации! состоящий в регулировании вязкости полимера и степени конверсии моно-' меров изменением расхода катализатора. С целью уменьшения удельных расходов мономеров и катализатора, расход катализатора изменяют по периодическому колебательному закону, при этом вязкость полимера регулируют изменением амплитуды колебания • расхода катализатора, степень конверсии регулируют путем изменения средней величины расхода катализатора, а период колебания выбирают в зависимости от времени пребывания реакционной массы в аппарате.

[Ч1'к> = с0 + с, • т• С<к> + с, ■ Тс/. Т„ = V

(15J

§ = -2-y,.{[C,Z.]-M,}z,

(16)

Данный способ позволяет увеличить точность регулирования вяз-копи полимера за счет смешения низко- и высокомолекулярных фракций, повысить конверсию мономера, снижая таким образом удельные расходные нормы по мономеру и катализатору. Предложенный способ управления защищен авторским свидетельством.

В четвертой главе представлено содержание модифицированной функционально-алгоритмической структуры АСУТП производства каучука ЦССК (рис. 2), приведены результаты экспериментальной проверки разработанной подсистемы управления.

В основу построения разработанной функциональной структуры АСУТП положены единые программные и технические решения, заключающиеся в типизации алгоритмических и программных средств, использовании общей структуры комплекса технических средств. Различия выражаются в том, что специфические особенности конкретных процессов реализуются специальными функциональными задачами, являющимися частью прикладного программного обеспечения.

Рис. 2 Функциональная структура системы управления процессом растворной сополимеризации дивинил-стирольного каучука в каскаде реакторов

Общий алгоритм функционирования АСУТП состоит из блоков ввода и обработки аналоговой и цифровой информации, расчета и выдачи управляющих воздействий, обмена информацией между подсистемами, диалога с оператором и, при необходимости, межмашинного обмена.

Разработанная на основе изложенных методов усовершенствованная подсистема управления технологическим процессом полимеризацией ДССК-65 прошла экспериментальную проверку и передана в опытную эксплуатацию на Воронежском заводе "Синтезкаучук".

Для оценки качества автоматического регулирования технологических параметров и качественных показателей каучука определены среднеквадратичные отклонения, определяемые от среднего значения. По исходным данным определены указанные показатели при работающей АСУТП и при ручном управления, которые представлены в таблице. Точность автоматического регулирования температуры реакции в первом и втором реакторе и характеристической вязкости на выходе батареи существенно выше точности при регулировании этих парамегров оператором.

Экспериментальные промышленные данные подтверждают эффективность построенной системы управления качественными показателями процесса синтеза ДССК-65 для каскада реакторов. Испытания показали, что система обеспечивает точность регулирования характеристической вязкости на выходе батареи ±0,16, температуры во втором и последующих аппаратах батареи ± 1,63°С. Реализация разработанных алгоритмов позволила сузить интервал значений характеристической вязкости полимера и исключить образование некондиционной продукции, что в свою очередь приводит к улучшению свойств изделий.

Разработанные математические модели и алгоритмы применимы не только для моделирования и управления, но и в системах принятия решений в режиме совета и для обучения операторов-технологов потенциально опасных производств, каким является технологический процесс растворной сополимеризации дивинил-стирольного каучука. |

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе анализа механизма кинетических превращений и оценки условий протекания процесса растворной полимеризации дивинил-стирольного каучука в промышленных условиях разработано математическое описание процесса в динамике с учетом молекулярно-массового распределения и качества конечного продукта.

2. Проведена идентификация параметров математической модели по критерию типа суммы квадратов отклонений концентраций сомономеров и температуры реакции, доказана адекватность математической модели промышленному процессу полимеризации ДССК.

3. Выполнено аналитическое исследование разработанной динамической модели полимеризации, сформулированы и доказаны теоремы о существовании, положительности и единственности периодических решений и их асимптотической устойчивости по Ляпунову.

4. Предложен способ управления процессом растворной полимеризации, отличающийся использованием режима вынужденных колебаний расхода катализатора для регулирования качественных показателей каучука.

5. Решена задача оптимального управления динамическими режимами процесса полимеризации дивинил-сгирольного каучука, описанного безразмерной линейной системой дифференциальных уравнений в приращениях в окрестности установившихся состояний по характеристической вязкосги и температуре реакции с помощью многомерного многосвязного регулятора.

6. На основе редуцированной математической модели разработан метод контроля характеристической вязкости. Оценка коэффициентов модели осуществляется по адаптивной схеме в реальном масштабе времени по мере поступления результатов лабораторного анализа.

7. Разработана структура управления качественными показателями на выходе батареи с расчетом корректирующих воздействий для головных аппаратов батареи. Синтезированы алгоритмы стабилизации характеристической вязкосги полимера на выходе батареи в окрестностях установившегося значения на основе адаптивного регулятора, настройки которого корректируются после уточнения параметров объекта. На основе математической модели разработаны алгоритмы регулирования температурного режима процесса полимеризации ДССК во втором аппарате.

8. Разработан модифицированный вариант функционально- алгоритмической структуры распределенной двухуровневой АСУТП для промышленной системы управления процессом производства дивинил-стирольного каучука.

9. Усовершенствованная подсистема управления процессом полимеризации каучука ДССК прошла экспериментальную проверку и передана в опытную эксплуатацию на Воронежском заводе "Синтезкаучук" (цех ДК-1,4). Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения составляет 122 млн. Руб.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Соддатов Е.А., Подвальный СЛ. Исследование алгоритма оптимизации в каскаде реакторов д ля технологического процесса полимеризации бутадиена // Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. - Казань, 1984. С. 43-44.

2. А. с. 1273364 СССР, С 08d I/OO. Способ управления процессом растворной полимеризации сопряженных диенов / В.И. Дорофеев, СЛ. Подвальный, A.A. Рыльков, Е.А. Соддатов - Открытия. Изобретения. - 1986. -№44.-С. 94.

3. Тананика A.A., Соддатов Е.А. Об исследовании математической модели полимеризации бутадиена И Динамика процессов и аппаратов химической технологии : Тез. докл. III Всесоюз. науч. конф. - Воронеж, 1990. - С.47-48.

4. Соддатов Е.А., Тананика A.A. Существование периодических решений в математической модели полимеризации каучука ДССК // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, 1993. - C.I9-24.

5. Соддатов Е.А., Рыльков A.A., Дорофеев В.И. Кинетический и энергетический модули математической модели лолшеризации каучука ДССК // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, 1993. - С.73-78.

6. Соддатов Е.А. Математическое описание кинетики процесса полимеризации ДССК II Математические методы в химии: Тез. докл. VIII Всерос. науч. конф.-Тула, 1993.-С.147.

7. Соддатов Е.А., Тананика A.A. Аналитическое исследование математической модели процесса получения каучука // Динамика процессов и аппаратов химической технологии: Тез. докл. IV Всерос. науч. конф. - Ярославль, 1994. -

8. Соддатов Е.А. Структура программно-технического обеспечения интегрированной системы моделирования и управления // Динамика процессов и аппаратов химической технологии: Тез. докл. IV Всерос. науч. конф. - Ярославль, 1994. -С.156.

9. Соддатов Е.А. Вариант решения задачи оптимального управления динамическими режимами процесса растворной сополимеризации // Современные проблемы информатизации: Тез. докл. Республ. науч. конф.- Воронеж: МУКТ, Изд-во ВГПУ, 1996. -С.46-47.

10. Соддатов Е.А., Подвальный СЛ. Динамическая модель расчета интегральных показателей качества сополимера II Современные проблемы информатизации: Тез. докл. Республ. науч. конф.- Воронеж: МУКТ, Изд-во ВГПУ, 19%. -С.30-31.

11. Соддатов Е.А. Алгоритмизация управления показателями качества на выходе батареи реакторов для процесса синтеза ДССК // Современные проблемы информатизации: Тез. докл. Республ. науч Воронеж: МУКТ, Изд-во

С.21.

ВГПУ, 1996. -С.59.