автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Моделирование и оптимальное управление процессом синтеза монометиланилина в контактном аппарате трубчатого типа

Введение

Глава 1 Современное состояние технологии и исследований в области мо- 8 делирования и управления процессом синтеза ММА

1.1 Краткое описание технологического процесса синтеза ММА

1.2 Анализ процесса синтеза ММА как объекта управления

1.3 Системы управления процессом синтеза ММА

1.4 Общая постановка задач оптимального управления процессом 31 синтеза ММА

1.5 Цели и задачи исследования

Глава 2 Математическое моделирование процессов протекающих в контактном аппарате трубчатого типа при производстве мономети-ланилина

2.1 Разработка математической модели процесса синтеза ММА в 41 контактном аппарате трубчатого типа

2.2 Разработка математической модели процесса нагрева и испаре- 50 ния смеси в нагревателе и испарителе

Глава 3 Идентификация математической модели и имитационное иссле- 54 дование процесса синтеза ММА 3.1 Идентификация и проверка точности математической модели 54 процесса синтеза ММА

3.1.1 Методика идентификации математической модели объек- 54 та

3.1.2 Идентификация математической модели процессов, про- 58 текающих в контактном аппарате

3.2 Имитационное исследование процесса синтеза ММА

Глава 4 Оптимальное управление режимами функционирования контакт- 76 ного аппарата при производстве ММА

4.1 Формализация технологических условий и ограничений

-34.2 Математическая формулировка критерия оптимизации

4.3 Формулировка задачи оптимального управления

4.4 Определение видов варьируемых функций

4.5 Решение задачи оптимизации №

4.6 Формулировка и решение задачи оптимального управления №

4.7 Формулировка и решение задачи оптимального управления №

Глава 5 Разработка системы управления процессом синтеза ММА

5.1 Формирование множества структур СУ процессом синтеза 110 ММА

5.2 Реализация алгоритмов управления процессом синтеза ММА

5.3 Разработка системы автоматизации процесса синтеза ММА на 122 основе SCADA-программы «КРУГ - 2000»

Выводы по результатам диссертационной работы

Монометиланилин (ММА) используется в качестве основного вещества при производстве добавок к топливу, улучшающих детонационные свойства бензинов, а также в качестве сырья для синтеза органических красителей и промежуточных продуктов [35]. Производство таких добавок является одной из наиболее перспективных отраслей химической промышленности. Спрос на добавки к топливу значительно возрос после отказа от этилированного бензина.

В современных экономических условиях, на предприятиях производящих подобные добавки остро стоит вопрос снижения себестоимости продукции при обеспечении заданных качественных показателей и объема выпуска, а так же и повышения производительности по выпуску добавок.

Объем и качество выпускаемой продукции всегда существенно зависят от технологии выполнения наиболее сложных, длительных и трудоемких процессов. Одним из таких процессов при производстве антидетонационных добавок является синтез ММА в контактном аппарате трубчатого типа. Эффективное ведение процесса на этом этапе также во многом определяет и величину себестоимости готовой продукции. Данный процесс является очень энергоемким и значительная доля энергозатрат (греющий пар, высокотемпературный органический теплоноситель (ВОТ), электроэнергия) приходится на эту стадию.

При управлении процессом синтеза ММА имеется ряд трудностей. Отсутствие оперативного контроля качества готового продукта на выходе из контактного аппарата (лабораторный анализ) приводит к тому, что при управлении реализуются заведомо не оптимальные режимы. Это является причиной перерасхода энергоресурсов, к росту себестоимости продукции, вариации времени работы катализатора и как следствие количества полученного ММА.

Несмотря на широкое распространение представленного способа получения ММА пока не найдены эффективные алгоритмы и системы управления (СУ) управления процессом.

Процесс синтеза ММА имеет следующие характерные особенности:

1. Периодико-непрерывным и нестационарным характером процесса, исключающим автоматизацию его только на базе систем автоматической стабилизации.

2. Совмещенностью некоторых протекающих процессов: тепло- и физико-химические превращения.

3. Недостаточной наблюдаемостью процесса (отсутствие оперативного контроля качества готового продукта).

4. Большим числом взаимосвязанных выходных координат.

5. Слабой изученностью протекающих процессов и отсутствием математических моделей, пригодных для глубокого исследования и решения задач оптимального управления.

Основная цель работы - разработка алгоритмов и системы управления процессом синтеза ММА, обеспечивающих поддержание оптимальных режимов.

Предлагаемая работа имеет теоретическую и практическую направленность. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Проведен анализ современного состояния технологии, исследований в области моделирования и управления процессом синтеза ММА.

2. Разработана математическая модель процессов нагрева и испарения исходной анилино-метанольной смеси.

3. Проведенные на базе разработанной математической модели имитационные исследования позволили:

• выявить управляющие переменные (расход исходной смеси, расход теплоносителя в испаритель и обогреватель) и основные возмущающие воздействия (температура теплоносителя);

• сделать вывод о неэффективности режимов управления, реализуемых в настоящее время.

4. Поставлены задачи оптимального управления процессом синтеза ММА и разработан алгоритм их решения с использованием метода построения минимизирующих последовательностей, который позволяет свести задачи оптимального управления к последовательности задач математического программирования.

5. Решены задачи оптимального управления.

6. Предложены возможные схемы СУ процессом синтеза ММА и техническая реализация найденных оптимальных режимов.

7. Разработана система автоматизации верхнего уровня на базе ЗСАБА - системы "КРУГ 2000".

1. Belman R. Adaptive Control Processes: A Guided Tour. New Jersey: Princtton University Press, 1961.

2. Bishop C.M. Neural Networks for Pattern Recognition. Oksford: Oksford University Press, 1995. 504p.

3. Happel J.A. I. Ch.I.J, 1958. V.4, l2. P.197-205.

4. Jain A., Mao J., Moyiuddin K. Artificial Neural Networks: A Tutorial //Computer, 1996. -!3.- P.31-44.

5. Kreinovich V.Y. Arbitrary nonlinearity is sufficient to represent all function by neural networks: a theorem // Neural Networks, 1991. V.4, '3. P.381-383.

6. Mizukmi Y., Ymamota A., Nippon KagaKU Kaishi, T37; №6, 1996.

7. Park J. and Sandberg I. W. Universal approximation using radial-basis-function networks // Neural computation. 1991. V. 3, P. 274-257.

8. Poggio T. and Girosi F. Networks for approximation and learning // Proceedings of the IEEE. V. 78, N 9, 1990. P. 1481-1497.

9. Автоматизация технологических процессов пищевых производств / под ред. Е.Б. Каприна 2-е изд. перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1985, - 536 с.

10. Автоматизированные производства изделий из композиционных материалов /B.C. Балакирев, А.В. Заев и др; Под ред. B.C. Балакирева. -М.: Химия, 1990. -240с.

11. Айзерман М.А. Теория автоматического регулирования. М.: Наука, 1954.

12. Алексеева Г.К., Сокольский Д.В. Труды института химических наук А.Н. Каз. ССР, 1968, 22,13.

13. Анзимиров Д., Айзин В., Фридленд А. Новая версия TRACE MODE для Windows NT // Современные технологии автоматизации. 1998. №3 с. 56-59.

14. Афанасьев В.Н. Математическая теория конструирования систем управления. М.: Высшая школа, 1998.

15. Аэров М.Э. Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы реакторов.//1. М., Химия, 1968.

16. Балакирев B.C. Математическое описание объектов управления вхимической промышленности. М.: МИХМ, 1974. 129с.

17. Балакирев B.C., Володин В.М., Цирлин A.M. Оптимальное управление процессами химической технологии (экстремальные задачи В АСУ). М.: Химия, 1978. - 384с.

18. Белман Р. Динамическое программирование, 1960.

19. Белов В.В., Стыценко В.Д., Романовская Л.Г., "Нефтехимия", 1998 , т. 38, №2 стр. 143-146.

20. Бельнов В.К. Статистические методы оценки параметров математических моделей химических процессов. М.: МГУ, 1991. 159 с.

21. Бесков B.C., Беспалов A.B. Катализ и катализаторы. Д.: ЛТИ, 1988.

22. Бесков B.C., Флокк В. Моделирование каталитических процессов и реакторов. М.: Химия, 1991. 256 с.

23. Богачев В.Г. Определение кинетических параметров химико-технологического процесса. //Химическая промышленность. М.: 1992. №11 672с.

24. Бодров А.И. Оптимизация процесса стерилизации консервов в автоклаве и его математическое моделирование. Канд. дисс. Ленинград, 1985. -366с.

25. Бодров В.И. Математическое моделирование и оптимизация некоторых химико-технологический процессов и систем управления. Дис. . д-ра техн. наук. М., 1975. 431с.

26. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М.: Наука, 1969. -408с.

27. Боресков Г.К., Гетерогенный катализ М., Наука, 1986.

28. Боресков Г.К., Чесалова B.C., "Хим. пром.", I960, № 6, 38.

29. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. - 576с.-13030. Волин Ю.М. Островский Г.М. Моделирование сложных химико -технологических схем. М.: Химия, 1975. 311с.

30. Ворожцов H.H. Основы синтеза промежуточных продуктов и красителей Москва 1955 г.

31. Вукалович М.П. Термодинамические свойства воды и водяного пара (таблицы и диаграммы). М.: Стандарты, 1969.

32. Гордон П.Ф., Грегори П. Органическая химия красителей. М.: Мир, 1987. 344 с.

33. Данилов A.M. Присадки и добавки. Москва "Химия" 1996 г.

34. Дзисько В.А. Основы методов приготовления катализаторов. Новосибирск: Наука, 1983. 263 с.

35. Дидушинский Я. Основы проектирования каталитических реакторов. -пер. с польск. Зеленяка Т.И. М.: Химия, 1972. -376 с.

36. Дорохов И.Н., Кафаров В.В. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1989. -375с.

37. Дульнев Г.Н. Применение ЭВМ для решения задач теплопроводности. М.: 1990.

38. Ефитов Г.Л., Артемьев С.Б. АСУ ТП на химическом предприятии. М.: Химия, 1990. 159 с.

39. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. М.: Химия 1982.

40. Ицкович Э.А. Выбор пакета визуализации измерительной информации (SCADA-программы) для конкретной системы автоматизации производства//Приборы и системы управления, 1996. -№10. С.20-23.

41. Ицкович Э.Л., Клоков Ю.Л., Шестаков Н.В. Эффективность автоматизации химико-технологического производства. М.: Химия, 1990.

42. Каргу Л.И., Литвинов А.П., Майборода Л.А. и др. Основы автоматического регулирования и управления. М.: Высшая школа, 1974. -439 с.

43. Катализ в промышленности. Под ред. Лич Б., М.: Мир, 1986. т 1,2.

44. Катализ. Исследование гомогенных процессов. Под ред. А. А. Баландина, М.: 1959. 367 с.

45. Катализ. Некоторые вопросы теории и технологии органических реакций. Под ред. А. А. Баландина, М.: 1959. 367 с.

46. Катализаторы и процессы конверсии углеводородов.//Сб. науч. трудов, К.: Наукова думка, 1982. 156 с.

47. Каталитические свойства веществ. Справочник. (Под. ред. Ройтера В.А.) Киев "Наукова думка". 1968 г.

48. Кафаров В.В. Анализ и синтез химико-технологических систем. М.: Химия, 1991. -431 с.

49. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. -М.: Химия, 1985.-448 с.

50. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математические модели основных процессов химических производств. М.: Высшая школа, 1991. - 399 с.

51. Кафаров В.В., Гордеев Л.С., Глебов М.Б., Цэнибяо Го. К вопросу моделирования и управления непрерывными технологическими процессами с помощью нейронных сетей //ТОХТ, 1995. Т.29. -№2. -С.205-212.

52. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем. М.: Химия. 1991. 432 с.

53. Кафаров В.В., Перов В.А., Мешалкин В.П. Принципы математического моделирования химико-технологических систем. М.: Химия, 1974. 344 с.

54. Квашина С.П., Терехин P.M. взд. вузов. Химия и химическая технология,1973, т.16, № 48.

55. Кинетика и катализ. Под ред. Г. М. Панченкова, Л.: Химия, 1967. 171 с.

56. Корнеева А.И., Матвейкин В.Г., Фролов C.B. Программно-технические комплексы, контроллеры и SCADA-системы. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1996. -219с.

57. Корсаков Богатков С.М. Химические реакторы как объекты математического моделирования. М.: Химия, 1967. - 224 с.

58. Крамере X., Вестертерп К. Химические реакторы расчет и управление ими. М.: Химия, 1967.

59. Кузин J1.T. Основы кибернетики. М.: Энергия, 1973.

60. Кузнецов А. SCADA-системы: программистом можешь ты не быть //Современные технологии автоматизации, 1996. №1. С.32-35.

61. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

62. Куцевич Н. Factory Suite 2000 комплексный инструментарий следующего поколения // PC WEEK/RE 1998. №42-43. с. 19-24.

63. Лапин A.A., Лапина Н.В. Автоматизированное проектирование и разработка САПР трубчатых химических реакторов. Тамбов: ТИХМ, 1991. -76 с.

64. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. М.: Химия, 1969. 624с.

65. Лну Кам Лок, Киперман С.А. Кинетика и Катализ, т. 37, № 6, 1996.

66. Локотков A. GENESIS 32: нечто большее, чем просто SCADA система // Современные технологии автоматизации. 1998. №3. с. 72-82.

67. Локотков А. GENIE 3.0: гармония простоты и эффективности // Современные технологии автоматизации. 1998. №3. с. 62-69.

68. Лопатин Е. Б. Оптимизация реакционных процессов.//Химическая промышленность, 1994. 788 с.

69. Матвейкин В.Г. Методы, алгоритмы и системы гарантированногооптимального управления химико-технологическими процессами: Дис. . д-ра техн. наук. М.,1991. 535с.

70. Матвейкин В.Г., Фролов C.B. Использование байесовского подхода в обучении нейронных сетей// Информационные технологии. 1998. №10. С.27-35.

71. Матвейкин В.Г., Фролов C.B., Третьяков A.A. Решение задачи регрессии на основе нейронных сетей// Вестник ТГТУ. 1999. Т.5, №3. С. 332-344.

72. Матвейкин В.Г., Фролов C.B., Шехтман М.Б. Применение SCADA-систем при автоматизации технологических процессов: Учеб. пособие. М.: Машиностроение, 2000. 176 с.

73. Математическое наблюдение и управление химико-технологическими процессами. Под ред. А. 3. Грищенко, Киев: Техшка, 1977.

74. Матрос Ю.Ш. Математическое моделирование каталитических реакторов Новосибирск: Наука, 1989. 260с.

75. Матрос Ю.Ш. Нестационарные процессы в реакторах. Новосибирск: Наука, 1982.

76. Минскер И.Н., Ицкович Э.Л. Методы анализа АСУ химико-технологическими процессами. М.: Химия, 1990. 118 с.

77. Мишель Ж. Программируемые контроллеры: архитектура и применение. М.: Машиностроение, 1992.

78. Моисеев H.H. Численные методы в теории оптимальных систем. -М.: Наука, 1971.-488с.

79. Мухленов И.Л., Добкина Е.И. Технология катализаторов. Л.: Химия, 1989. -271 с.

80. Навалихин М.Д., Крылов О.В. Гетерогенные катализатора гидрирования. Успехи химии, т.67, № 7, 1998.

81. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965. - 340с.

82. Никитин С. Программное обеспечение IMAGE система мониторинга иуправления в объектах промышленной автоматизации// Приборы и системы управления. 1996. № 6. с. 17-18.

83. Об изменении активности катализаторов в процессе эксплуатации. Под ред. В. В. Поповского, Сиб. отд. Наука, 1976. 108 с.

84. Ортега Дж., Пул У. Введение в численные методы решения дифференцированных уравнений. М.: 1986.

85. Островский Г.М., Бережинский Т.А. Оптимизации химико-технологических процессов. М.: Химия, 1984. 239 с.

86. Островский Г.М., Бережинский Т.А., Беляева А.Р. Алгоритмы оптимизации химико-технологических процессов. М.: Химия, 1978. 294 с.

87. Островский Г.М., Волин Ю.М. Методы оптимизации сложных химико -технологических схем. М.: Химия, 1970. 328 с.

88. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. JI.: Химия, 1987, 576с.

89. Паллю Де Ла Барьер Р. Курс теории автоматического управления. М.: Машиностроение, 1973. 396 с.

90. Патент США 3819709 кл. 260-577, 1976.

91. Патент ФРГ. 2348738 кл. С07С 85/06,1976.

92. Патент ФРГ. 2335906 кл. С07С 85/08, 1976.

93. Перри Дж Справочник инженера-химика. Пер. с англ. под ред. Жаворонкова Н.М. и Романкова П.Г., т.1. - Л.: Химия, 1969. - 640 с.

94. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимизации процессов. -М.: Физматгиз, 1961.

95. Программируемые логические контроллеры DirectLOGIC 2000,/Каталог продукции. - М.: ПЛК системы, 2000.

96. Радченко Б.Д., Нефедов Б.К., Алиев P.P. Промышленные катализаторы гидрогенизационных процессов нефтепереработки. Химия, Москва 1987 г.

97. Растригин Л. А. Современные принципы управления сложнымиобъектами. М.: Сов. радио, 1980. 232 с.

98. Технологический регламент на производство добавок к топливу

99. Рей У. Методы управления технологическими процессами. М.: Мир, 1983.-368с.

100. Реклетис Г., Рейвиндран А., Рэгсдейл К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. -М.: Мир, 1986.

101. Рогинский С.З. Гетерогенный катализ. Наука, Москва, 1979 г.

102. Руководство по применению пакета "Круг". Пенза: НПО "Круг", 1998.

103. Саблина З.А., Гуреев A.A. Присадки к моторным топливам. М.: Химия, 1977.-256 с.

104. Сборник методик по определению концентрации загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Д.: Гидрометеоиздат, 1987.

105. Смирнов Н. Н. Химические реакторы в примерах и задачах. С.П.: Химия, 1994.

106. Соболев О.С. Системы визуализации в сравнении //Приборы и системы управления, 1996. -№10. С.56-59.

107. Соколов В.А. Автоматизация технологических процессов пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1991, - 445 с.

108. Справочник по теории автоматического управления. /Под ред. A.A. Красовского. М.: Наука, 1987. - 712с.

109. Старовойтов М.К., Тишин O.A., Белоусов Е.К. и др. Исследование кинетических закономерностей синтеза N-метиланилина. //Нефтепереработка и нефтехимия. М., 2001. - №5. - с. 33-36.

110. Стефани Е.П. Основы построения АСУТП. М.: Энергоиздат, 1982. 352 с.

111. Табак Д., Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование. Пер. с англ. М.: Наука, 1975, 280с.

112. Тишин O.A., Белоусов Е.К., Батрин Ю.Д. и др. Оценка влияния факторов на эффективность работы реактора синтеза Н,Ы-метилфениламина.

113. Вестник ТГТУ. Тамбов, 2001. т. 7, №3. - с. 431-438.

114. Усов А.Т. Приближенные методы расчета температуры нестационарных нагреваемых твердых тел простой формы. М.: 1973.

115. Федоренко Р.П. Приближенное решение задач оптимального управления. -М.: Наука, 1978.-488с.

116. Френке Р. Математическое моделирование в химической технологии. -М.: Химия, 1971.-272 с.

117. Фролов C.B. Методы, алгоритмы и системы интервально-гарантированного оптимального управления технологическими процессами: Дис. . д-ра техн. наук. Тамбов, 1999.

118. Хьюз Р. Дезактивация катализаторов. М.: Химия, 1989. 279 с.

119. Цирлин A.M., Балакирев B.C., Дудников Е.Г. Вариационные методы оптимизации управляемых объектов. М.: Энергия, 1975. - 448с.

120. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977.

121. Чесноков В.В., Молчанов В.В., Коновалова Т.А. Кинетика и катализ т. 36, №5, 1995.

122. Шенброт И.М. Распределенные АСУ ТП АСУ нового класса // Приборы и системы управления. 1983. № 12. с. 5-6.

123. Шенброт И.М., Антропов М.В., Давиденко К.Я. Распределенные АСУ технологическими процессами. М.: Энергоатомиздат, 1985. 240 с.

124. Щукин J1.H. Решение задач теплообмена с помощью ЭВМ. М.: 1989.

125. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М.: Наука, 1969.