автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Оптимальное управление процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме

На правах рукописи

ИЛЬИН Андрей Николаевич

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА В ГЕРМЕТИЧНО ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ

Специальность 05 13 06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2007

003071903

Работа выполнена на кафедре «Системы автоматизированного проектирования» ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Путин Сергей Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Чертов Евгений Дмитриевич

доктор физико-математических наук, профессор Дзюба Сергей Михайлович

Ведущая организация ОАО «Электростальское научно-производственное объединение "Неорганика"», г Электросталь

Защита диссертации состоится « 14 » июня 2007 г в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212 260 01 Тамбовского государственного технического университета по адресу г Тамбов, ул Советская, 106, Большой зал

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу 392000, г Тамбов, ул Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212 260 01

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета и на сайте www tstu ru

Автореферат разослан « » мая 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях интенсификации взаимодействия человека с опасными внешними средами стремительно возрастает значимость проблемы коллективной защиты жизни и здоровья на длительных интервалах времени Универсальным ее решением является использование инженерных защитных сооружений, функционирующих в герметичном режиме с регенерацией внутреннего воздуха и созданием подпора

На сегодняшний день существует широкое разнообразие способов осуществления процесса регенерации воздуха (ПРВ) в герметично замкнутом объеме (ГЗО), среди которых наиболее эффективные и экономически целесообразные заключаются в применении расходуемых веществ (сорбентов, хемосорбентов) Именно на этой основе базируется большинство современных средств коллективной защиты (СКЗ) органов дыхания

Жизнедеятельность человека и функционирование технологического оборудования в ГЗО, в совокупности образующих биотехнический комплекс (БТК), оказывают неравномерное дестабилизирующее воздействие на состав воздушной среды Это обусловливает необходимость разработки и внедрения алгоритмов и систем управления и контроля ПРВ

Несмотря на значительный интерес к данной проблеме, количество работ, посвященных ее решению, на сегодняшний день сильно ограничено Вместе с тем, анализ предлагаемых подходов к управлению ПРВ позволил выявить ряд недостатков, наиболее существенные из которых заключаются в применении жестко заданных алгоритмов функционирования СКЗ и рассмотрении БТК как квазистационарной системы с постоянными параметрами и состояниями функционирования на длительных интервалах времени Следовательно, создание систем управления, способных адекватно реагировать на динамические изменения состава воздуха, учитывать возможные переключения состояний функционирования БТК и, соответственно, обеспечивать максимально комфортные условия жизнедеятельности на любых интервалах времени, с данных позиций выглядит трудно осуществимым

Таким образом, исследование вопросов управления процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме является весьма важной и актуальной задачей

Диссертационная работа выполнялась в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 - 2006 гг, тема «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области новых химических технологий и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок (Х-очередь)» (Шифр РИ-16 0/008/223)

Целью диссертационной работы является разработка алгоритма и системы оптимального управления процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи

- математического моделирования ПРВ в ГЗО, осуществляемого в реакторах СКЗ,

- анализа ПРВ в ГЗО как объекта управления на основе результатов вычислительного эксперимента, реализованного с использованием построенной математической модели процесса регенерации воздуха,

- разработки алгоритма и системы оптимального управления ПРВ на множестве возможных состояний функционирования БТК, постановки и решения соответствующих задач оптимального управления,

- разработки программно-технического комплекса автоматизации научных исследований и разработки СКЗ, с использованием результатов исследований вопросов математического моделирования и управления ПРВ в ГЗО

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач были использованы методы математического моделирования, математической статистики, математической физики, теории оптимального управления, теории процессов и аппаратов химической технологии

Научная новизна работы:

- впервые разработан алгоритм оптимального управления процессом регенерации воздуха на множестве состояний функционирования БТК,

- впервые поставлена и решена задача оптимального управления ПРВ в ГЗО для каждого возможного состояния функционирования БТК,

- впервые разработана структура системы оптимального управления ПРВ в ГЗО

Практическая ценность н реализация результатов исследования.

Разработанный алгоритм оптимального управления ПРВ позволяет поддерживать максимально комфортные условия жизнедеятельности в ГЗО на любых интервалах времени, обеспечивая при этом энерго- и ресурсосберегающие режимы функционирования СКЗ

Самонастраивающаяся система автоматического оптимального управления ПРВ, реализованная в соответствии с предложенными структурами, формирует в каждый момент времени наиболее адекватные текущему состоянию воздушной среды ГЗО управляющие воздействия

В процессе разработки алгоритма оптимального управления осуществлена модификация математической модели ПРВ в ГЗО, допускающая проведение ранее невозможных инженерных расчетов при многослойной загрузке шихты реакторов СКЗ со сложной геометрией

Разработанный программно-технический комплекс автоматизации научных исследований и разработки СКЗ позволяет осуществлять комплекс мероприятий по созданию СКЗ, определению оптимальных режимов их функционирования, а также исследованию процессов регенерации воздуха и газоформирования воздушной среды ГЗО

Предложенный алгоритм автоматического синтеза конфигурации СКЗ реализует решение задачи разработки СКЗ на основе условий технического задания при минимальном участии разработчика

Практическую значимость имеют использованные в работе подходы к созданию комплекса, базирующиеся на требованиях CALS-стандартов

Реализация результатов работы Физическая реализация программно-технического комплекса внедрена в отделе коллективных средств защиты ОАО «Корпорация "Росхимзащита"»

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях «Новое поколение систем жизнеобеспечения и защиты человека в чрезвычайных ситуациях техногенного и природного характера» (г Тамбов, 2006 г), «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (г Орел, 2006 г ), «Глобальный научный потенциал» (г Тамбов, 2006 г)

Публикации Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, в том числе в рецензируемых научных изданиях «Приборы и системы Управление, контроль, диагностика», «Вестник Тамбовского государственного технического университета»

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, 14 приложений, списка литературы из 134 наименований и содержш 197 страниц, в том числе 170 страниц основного текста, 65 рисунков и 16 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность выбранной темы исследования, показана ее новизна и практическая ценность

В первой главе рассмотрены сущность и способы организации коллективной защиты органов дыхания в условиях неблагоприятной окружающей среды Определены основные функции, составляющие ПРВ, а также методы их реализации Приведено физико-химическое и технологическое описание ПРВ с применением сорбентов и хемосорбентов Представлена классификация СКЗ, с последующим выделением средств, основанных на химических поглотителях и химически связанном кислороде, функционирующих по замкнутому циклу Рассмотрены структура, состав и схемы технологической организации СКЗ

Проведен анализ современного состояния в области математического описания процессов газоформирования воздушной среды ГЗО, при этом показана необходимость осуществления полноценного математического моделирования ПРВ в ГЗО

Отмечено, что разработке и созданию алгоритмов и систем управления ПРВ в ГЗО с использованием СКЗ посвящено незначительное количество работ Вместе с тем, предлагаемые подходы к управлению ПРВ не отвечают

современным требованиям к качеству защиты жизни человека и эффективности использования ресурсов техники, не применимы на всей области состояний функционирования БТК Это подтверждает актуальность разработки алгоритмов и систем оптимального управления ПРВ в ГЗО

Показана необходимость практической реализации результатов проводимых исследований в рамках программно-технического комплекса автоматизации научных исследований и разработки СКЗ Отмечено, что его создание должно осуществляться с учетом современных тенденций и на основе актуальных стандартов в области информационным технологий Сформулированы цель и задачи исследования

Вторая глава посвящена математическому моделированию процесса регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме

В целях получения математического описания всех элементов БТК, влияющих на газовый состав воздуха, проведена его декомпозиция на две взаимодействующие подсистемы биологическую (БП) и техническую (ТП)

При решении задачи структурной идентификации модели были приняты следующие допущения ГЗО является реактором идеального смешения, отсутствует химическое взаимодействие компонентов воздушной среды ГЗО С учетом принятых допущений уравнения материального баланса ПРВ в ГЗО представляют систему обыкновенных дифференциальных уравнений

гЗС1 (тЛ " "' ь

уЯ^Ж^о,«) (С/С/,^ -С'(0)±£о*'(0±ЕВД). (1)

С'(0) = С0' (2)

где V - величина ГЗО, м3, (7,(0 - объемный расход воздушной смеси через 1-й реактор, м7ч, С'(()~ концентрация компонента воздуха у в ГЗО, м'/м3, С/(г,х)| 1 - концентрация компонента у на выходе из реактора г, м3/м\

Ц - длина г-го реактора, м, 0[ (/) - количество выделяемого/поглощаемого вещества у источником/стоком к, м7ч, Я/ количество выделяемого/поглощаемого вещества у человеком, м3/ч, / = ],/?, где п — количество реакторов, у = 1,2, где 1 - диоксид углерода, 2 - кислород, к-\,т , где т — количество источников и стоков ТП, не относящихся к регенеративному оборудованию, 5 = 1,6, где 6 - количество человек в ГЗО

Непосредственное поглощение диоксида углерода и восстановление кислорода производится в реакторах СКЗ, вследствие протекающих сорб-ционных (хемосорбционных) процессов, базирующихся на законах динамики сорбции и математически описывается системой дифференциальных уравнений, включающей

- уравнения материального баланса для каждого компонента воздушной смеси и любого реактора СКЗ, рассматриваемых в качестве изотермических реакторов диффузионного типа

ас/м = д сЯС/(,,х) _ (0_ 5С/^х) + Ч(/ > (3)

дг ' дх2 ' дх

ЭС/(Г,х)

С/(0,х) = Сэ',С/(г,х)^0=С'(О,

дх

= 0, (4)

л=£,

где ХР/ (<, х) - - ^а> - находится из уравнения кинетики сорбции,

5/

ш, = — - линейная скорость потока в реакторе I, м/ч, б, - обьемный расход воздушной смеси через реактор /, м7ч, = \>, - часть площади поперечного сечения реактора /, не занятая сорбентом (хемосорбентом), м2, V, - порозность, - площадь поперечного сечения реактора /, м2, Д -

коэффициент продольной диффузии, м2/ч, С;'(/, х) - концентрация в газовой фазе компонента у в реакторе /, м3/м", С/(О х) - начальная концентрация в газовой фазе компонента у в реакторе м7м', С0' - исходная концентрация компонента ] в ГЗО, м7м3, С/ (/, х) |1=0 - концентрация компонента у на входе реактора /, м3/м^, а/(?,х) - текущая концентрация в твердой фазе компонента у реактора м3/м% х е [0, /., ] - текущая координата по длине реактора, Ь}- длина г-го реактора, м

- уравнения кинетики сорбции при многослойной загрузке шихты, что представляет существенный интерес в рамках развития СКЗ и повышения качества регенеративных процессов

= Н)'ХМС«>Ч', х)Ф;/ (а/(г, г), <0(х)), (5)

г е (Ц - X /„ /,, ], ааМ0, х) = 0, Ч°40, х) = а% (6)

1=1

где Ир, - количество используемых сорбентов (хемосорбентов) в ьм реакторе, х, - номер «текущего» сорбента (хемосорбента), х, = 1> Ьр, > I, -

толщина слоя сорбента (хемосорбента) > м> Р/,ДХ) — кинетический коэффициент, 1/ч, Ф(/ (а/(/,л),а^0(х))- зависимость текущей и предельной емкостей сорбента (хемосорбента), определяемая его видом

Показано, что линейная скорость потока воздушной смеси зависит не только от величины объемного расхода на входе реактора, но также от изменения количественного состава восстанавливаемого воздуха и геометрических особенностей реактора

«,(/,*) = ш, (G,(tlF,(x\C^0>(t,x),C^(t,x)) (7)

Численное решение построенной системы дифференциальных уравнений осуществляется на основе разработанного алгоритма с применением разностных методов Для решения обыкновенных дифференциальных уравнений применялся метод Рунге-Кутта четвертого порядка точности, а дифференциальные уравнения в частных производных аппроксимировались явной разностной схемой, при этом решение полученной системы линейных алгебраических уравнений осуществлялось с использованием метода Зейделя

В целях определения численных значений неизвестных коэффициентов проведена параметрическая идентификация математической модели

Нахождение параметров ßc°2, ß°2, D производилось по экспериментальным данным методом наименьших квадратов

E = Yt[Cl(u,y,D)-Cl(u)f min

Выполнена проверка адекватности математической модели, которая показала, что максимальная погрешность не превышает 11,34 %

В третьей главе проводятся исследования процесса регенерации воздуха как объекта управления

В целях изучения характера протекания процесса регенерации воздуха при варьировании технологических параметров БТК и СКЗ был реализован вычислительный эксперимент, план которого составлен с учетом экспертной информации и результатов натурных испытаний При этом показано, что активное влияние на процессы газоформирования в ГЗО оказывают конструктивные и функциональные параметры СКЗ и ГЗО (рис 1, 2), присутствующие в БТК нагрузки по компонентам воздуха (рис 3, 4) Также рассматривалось совместное функционирование поглотительного и регенеративного реакторов при стационарной и нестационарной нагрузках

При комбинировании результатов вычислительного и натурных экспериментов проанализирована чувствительность ПРВ к варьируемым параметрам Помимо этого, совокупность полученных данных позволила выявить характерные особенности функционирования СКЗ, влияющие на физическую реализацию управляющих воздействий

Установлено, что управление ПРВ фактически заключается в поддержании заданного газового состава воздушной среды ГЗО (рис 5), при этом концентрации жизненноважных компонентов воздуха - C'(t) являются управляемыми параметрами, возмущающее воздействие на которые

Рис 5. Схема взаимодействия основных компонентов БТК

оказывает жизнедеятельность персонала и функционирование нерегенеративного оборудования В качестве основных управляющих воздействий определены объемный расход воздушной смеси через реакторы СКЗ - О,(У) и порядок их переключения на новые по мере исчерпания ресурсов - Г;

В четвертой главе исследуются вопросы оптимального управления процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме

Выполнен анализ возможных состояний функционирования БТК, при этом с различных позиций выделены идеальное, нормальное, экстремальное и аварийное состояния Идеальное состояние характеризуется точно заданными параметрами БТК, но в реальных условиях существуют различного рода отклонения в связи, с чем его можно считать «теоретическим» Нормальное, экстремальное и аварийное состояния являются стадиями действительного функционирования БТК и могут сменять друг друга В нормальном состоянии различные параметры БТК, в том числе концентрации диоксида углерода и кислорода в ГЗО, имеют допустимые отклонения Для экстремального состояния характерна резкая дестабилизация газового состава воздушной среды, когда концентрация хотя бы одного из веществ выходит за пределы допустимого диапазона В аварийном состоянии возникают условия, не совместимые с жизнью, в связи с чем здесь слабо применимы указанные способы защиты, поэтому далее оно не рассматривается

Вместе с тем, независимо от длительности какого-либо из состояний и числа их переключений на всей продолжительности функционирования БТК, условия жизнедеятельности (по воздуху) должны соответствовать заданным, среди которых наиболее распространено поддержание концентраций диоксида углерода и кислорода в допустимых диапазонах Исходя из этого, задачу управления ПРВ в ГЗО можно сформулировать следующим образом для любых возмущающих воздействий и при любых состояниях функционирования БТК необходимо определить такие объемный расход воздушной смеси через реакторы СКЗ - С, (/) и порядок их переключения - Г,, при которых концентрации диоксида углерода и кислорода в ГЗО будут удовлетворять заданным диапазонам 10

СЧС,(0,Г,)6[С,^С/] (8)

при уравнениях связи (1-7)

Для ее решения разработан алгоритм оптимального управления ПРВ, суть которого заключается в декомпозиции задачи (8) на три подзадачи оптимального управления для каждого состояния функционирования БТК При этом целью управления является поддержание концентраций диоксида углерода и кислорода на уровне или в окрестности среднезаданных значений- CJ

При изложении данного алгоритма принимается, что СКЗ организованы по совмещенной схеме регенерации (за восстановление воздушной смеси отвечают однотипные регенеративные реакторы, функционирующие в одном режиме), начальные концентрации веществ соответствуют средне-заданным значениям

Характерной чертой идеального состояния является формализован-ность всех параметров БТК, задаваемых техническим заданием и по итогам проектных работ В этом случае управление заключается в максимально» компенсации присутствующих в БТК нагрузок функционирующим регенеративным оборудованием и, соответственно, минимизации изменено

нии концентрации веществ в воздушной среде ГЗО, т е---> min

dt

С учетом того, что в состав СКЗ входят однотипные одновременно функционирующие реакторы, для которых управления G(t) и Г будут одинаковыми задача управления ПРВ формулируется следующим образом необходимо найти управление G(t), минимизирующее функционал Д

Г 2 Г 1 f ш ь

7.=77iZ G{t)(C'{t,x\ L-C'{t))±- ]Гад + ХЯ/« I rf/->min (9)

" о /=i L * п Vш 1=1 ^ J

при уравнениях связи (3 - 7, 8) Здесь Т - время работы реакторов до полного исчерпания ресурсов, которое рассчитывается исходя из совокупной емкости всех реакторов СКЗ работающих одновременно и суммарной нагрузки в БТК

Очевидно, что искомое управление G(t) представляет собой гладкую непрерывную функцию, что разрешает применение прямых методов вариационного исчисления Для нахождения оптимальной функции G{t) разработан и реализован алгоритм решения поставленной задачи с использованием метода Ритца

Результаты решения задачи оптимального управления для идеального состояния функционирования БТК представлены на рис 6 На рис 7-8 представлены сравнительные результаты математического моделирования ПРВ для оптимального и неоптимальных режимов функционирования СКЗ

Рис 6 Решение задачи оптимального управления для идеального состояния функционирования БТК

Сс0К °ь

Управление Г определяет порядок переключения исчерпавших ресурс реакторов на новые через период времени Т, в соответствии с чем аР°Ч7\ *) = 0, а^(Т,х) = а% G{T) = G(0)

В нормальном состоянии функционирования БТК различные параметры имеют допустимые отклонения от заданных значений, что в любом случае дестабилизирует газовый состав воздушной среды В этих условиях необходимо определение оптимальных управлений G(t) и Г, устраняющего

24 48 "2 96 120 144 168 192 216 240 Рис. 8. Изменение концентрации кислорода в объеме:

1 - G = 25 м3/ч, 2 - G = 10 м3/ч, 3-G = 5 м3/ч, 4-G = 2 м3/ч, 5 - G = G(i)

возникающие отклонения концентраций от среднезаданных значений Тогда задача управления ПРВ формулируется следующим образом необходимо найти управление G(t), минимизирующее функционал /2

1 30

= i £((CW - ' Q - с)> + r(G(0 - G{t)f ] dt -> mm ,

^ 0

при уравнениях связи (1-7, 8), G(t) e [0,Gmax], где Gmax и G(t) - соответственно максимальный и номинальный (решение задачи 9) объемный рас-

ход, м /ч, Q=l |j

0 Чг

постоянная положительно полуопределенная мат-

рица, <7,, г/2, г — заданные положительные параметры

Подход к решению данной задачи заключается в ее сведении к линейно-квадратичной задаче о регуляторе состояния и дальнейшего применения принципа минимума Понтрягина Оптимальное управление в этом случае существует единственно и определяется уравнением

м*(0 = --В'Кх*(0,

г

где К - постоянная положительно определенная матрица, являющаяся решением нелинейного матричного алгебраического уравнения

-КА - А'К + - КВВ'К -<2 = 0

г

dC(t)

Здесь х(0) = 0, м(0) = 0, x(i) = C(i)-C, u(t) = G(t)-G(t),

dt

ac(o

8G(t)

ТП (кроме СКЗ)

Бчок газоанализаторов_

Во !душнля среда ГЧО

dt

CKi

G Ч/Д

G(t)

irit)

Микроконтроллер

и + it) = --B Kx 4* > x'iO = C 4r)-c

-KA - А К - Q + - KBB К = 0

i

С" (г)

Блок

Г.1 Ю.ШДЛИ-

заторов

С

Рис 9 Схема системы оптимального управления ПРВ с обратной связью для нормального состояния функционирования БТК

Таким образом, получен закон оптимального управления ПРВ для нормального состояния функционирования БТК На рис 9 представлена структура соответствующей системы оптимального управления с явно выраженной отрицательной обратной связью

Приведенная система управления определяет в каждый момент времени оптимальную величину объемного расхода воздушной смеси, позволяющую компенсировать возникающее отклонение концентраций компонентов воздуха от среднезаданных значений

В случае резкого изменения состава воздушной среды ГЗО, когда одна из концентраций выходит из допустимого диапазона, БТК переходит в экстремальное состояние Тогда управление заключается в осуществлении максимально быстрого перевода газового состава к заданному состоянию необходимо найти управление G(t), минимизирующее функционал /

]dt

при уравнениях связи (1 - 7), (8), G{t) е [0,Gmax]

Данная задача относится к классу задач о быстродействии, и ее решением является релейное управление, неприемлемое для рассматриваемого химико-технологического процесса

Для получения оптимального управления в виде гладкой непрерывной функции применим разложение в последовательность задач с изменяющимся конечным временем В этом случае необходимо найти управление G(t), минимизирующее функционал /3

/3 = | <(С(Г) - С), Р(С(Г) - С)} +1 |г(С(0 - 0(1))2 Л -» шш ,

'о

при уравнениях связи (1-7, 8), 0(0 е [0,Стах], где Т- выбранное конечное время перехода, ^ ^ ~ постоянная положительно полуопределенная матрица, ри р2, г - заданные положительные параметры

Непосредственное применение принципа минимума Поктрягина приводит к достаточно сложной краевой задаче, поэтому для получения решения задачи в виде закона управления с обратной связью используется некая процедура, являющаяся модификацией методов последовательных приближений и заключающаяся в создании некоторой специальным образом генерируемой последовательности вспомогательных линейно-квадратичных задач слежения

В этом случае, если начальное приближение х0(О,и0(О задано, то оптимальное управление дается законом управления с обратной связью'

и * (0 = -- В'(0 (К(Ох * (0 - Л * (0), г

где К(1) - решение матричного дифференциального уравнения Риккати

= -к(0 А(0 - а'(0К(0+- К(0В(0В'(0К(0, к (Г) = р ,

Л I

а 1т. * (0 - решение дифференциального уравнения,

= -Гд(0 -- К(0В(0В'(0 к * (0 + К(0Е (х * (0, и * (0), И * (Т) = О А V г

причем начальные приближения можно определить соотношениями

х0(0 = х° И *0(0 = --В'(0к(0х° г

Таким образом, получен закон оптимального управления ПРВ для экстремального состояния функционирования БТК На рис 10 представлена структура соответствующей системы оптимального управления с явно выраженной отрицательной обратной связью

Следует отметить, что принцип управления - Г для нормального и экстремального состояний функционирования БТК состоит в переключении реакторов по мере исчерпания ресурсов, о чем свидетельствует подсистема газового анализа и контроля, включаемая в состав системы управления

Практическая реализация, представленных на рис 9-10 структур, позволяет создавать самонастраивающиеся системы оптимального управления ПРВ в ГЗО, обеспечивающих стабильные условия жизнедеятельности на длительных интервалах времени, в соответствие с заданными критериями

Пятая глава посвящена практической реализации программно-технического комплекса автоматизации научных исследований и разработки

Рис 10 Схема системы оптимального управления ПРВ с обратной связью для экстремального состояния функционирования БТК

средств коллективной защиты органов дыхания, на который возлагается решение следующих задач автоматизированная разработка конфигурации СКЗ и входящих в их состав реакторов с элементами автоматического синтеза, проведение имитационных исследований ПРВ на основе математического модегшрования, определение оптимальных режимов функционирования СКЗ и др

Сформирована структура комплекса с выделением основных подсистем, решающих функционально законченную последовательность задач (рис 11)

Разработан алгоритм функционирования комплекса, реализующий процесс создания СКЗ и реакторов СКЗ, а также исследования ПРВ, начиная с поступления технического задания и заканчивая формированием проектной документации

Разработан алгоритм автоматического синтеза конфигурации СКЗ и поиска геометрических параметров реактора на основе показателей технического задания при минимальном участии разработчика

Разработаны информационное обеспечение комплекса, в том числе соответствующий сегмент единого информационного пространства, а также необходимый состав программно-технического обеспечения

Физическая реализация комплекса после опытной эксплуатации внедрена в отделе коллективных средств защиты ОАО «Корпорация "Росхимзащита"»

Рис 11 Структура программно-технического комплекса

для создания новых и усовершенствования существующих СКЗ и входящих в их состав реакторов, определения оптимальных режимов функционирования СКЗ, а также исследования ПРВ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Осуществленное в диссертационной работе математическое моделирование ПРВ в ГЗО позволило получить модифицированную математическую модель, обеспечивающую проведение инженерных расчетов для СКЗ, включающих как уже существующие реакторы, так и реакторы с новыми конструктивными решениями (многослойная загрузка шихты, сложная геометрия)

2 С использованием результатов вычислительного эксперимента, проведенного в целях исследования процессов газоформирования воздушной среды ГЗО осуществлен анализ ПРВ как объекта управления, с последующей классификацией состояний функционирования БТК

3 Разработан алгоритм оптимального управления ПРВ, обеспечивающий поддержание наиболее комфортных условий жизнедеятельности в ГЗО на любых интервалах времени, обеспечивая при этом энерго- и ресурсосберегающие режимы функционирования СКЗ

4 Сформулированы и решены задачи оптимального управления ПРВ для каждого состояния функционирования БТК, допускающие определение оптимальных режимов функционирования СКЗ на стадии их разработ-

ки с дальнейшей корректировкой управляющих воздействий в соответствии с полученными законами управления

5 Самонастраивающаяся система автоматического оптимального управления ПРВ, реализованная в соответствии с предложенными структурами, позволит формировать в каждый момент времени наиболее адекватные текущему состоянию воздушной среды управляющие воздействия,

6 Разработан программно-технический комплекс автоматизации научных исследований и разработки СКЗ, позволяющий осуществлять комплекс мероприятий по созданию СКЗ, определению оптимальных режимов их функционирования, а также исследованию ПРВ

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях по перечню ВАК.

1 Ilym, А N Mathematische beschreibung des luftregenerations-prozesses mittels der isolierenden kollektivschutzausrustungen /AN Пут, S V Matweew, I V Milowancnv, S В Putm // Вестник Тамбовского государственного технического университета -2006 -Т 12 -№ЗА - С 731 -744

2 Ильин, А H К вопросу построения систем оптимального управления процессом регенерации воздуха на множестве состояний биотехнического комплекса / А H Ильин С В Матвеев, И В Митованов, С Б Путин // Вестник Тамбовского государственного технического университета - 2006 -Т 12 -№4А - С 1038- 1050

3 Ипьин, А H Оптимальное управление процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме / АН Ичьич, С В Матвеев, ИВ Милованов, С Б Путин // Приборы и системы Управление, контроль, диагностика - 2007 — Л» 1 _с 6-12

В других изданиях

1 Ильин А H Обзор вопросов по процессам регенерации воздуха / АН Ильин, СБ Путин, ТГТУ - М. 2003 - 10 с - Деп в ВИНИТИ, 2003, № 2103-В200 5

2 Ильин, А H Система автоматизированного проектирования элементов коллективных средств защиты / АН Ильин, ИВ Митованов, С Б Путин, ТГТУ - M , 2003 - 16 с - Деп в ВИНИТИ, 2003, № 2104-В2003

3 Ильин, А H Математическое моде чирование процессов регенерации воздуха / А H Ильин, С Б Путин, ТГТУ - M , 2003 - 7 с - Деп в ВИНИТИ, 2003, №2105-В2003

4 Ильин, А H Роль современных информационных техно тогий в производстве наукоемких изделий /А H Ильин, С В Матвеев, И В Милованов, С Б Путин / Информационные технологии в науке, образовании и производстве тез докл Междунар конф -Орел, 2006 -Т 2 - С 67

5 Ильин А H Обзор вопросов автоматизированного проектирования, системы автоматизированного проектирования /АН Ильин, С В Матвеев, И В Милованов, С Б Путин // Составляющие научно-технического прогресса тез докл Междунар конф - Тамбов, 2006 Секция 6 — С 113

6 Ильин, А H Технологии информационной поддержки жизненного цикла изделия (CALS) - основа современных ИТ-систем эффективного управления наукоемким производством /АН Ильин, С В Матвеев, И В Милованов, С Б Путин // Вопросы современной науки и практики - Тамбов Изд-во Тамб гос техн ун-га, 2006 - С 201

Подписано в печать 10 05 2007 Формат 60 х 84 / 16 1,0 уел -печ л Тираж 100 Заказ № 345

Издательско-полиграфический центр ГГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к 14

Условные обозначения и аббревиатуры.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Анализ средств коллективной защиты органов дыхания человека.

1.2 Современное состояние в области математического моделирования процесса регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме.

1.3 Управление процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме.

1.4 Автоматизация научных исследований и разработки средств коллективной защиты органов дыхания.

1.5 Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА В ГЕРМЕТИЧНО ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ.

2.1 Структурная идентификация математической модели.

2.1.1 Структурно-функциональное описание биотехнического комплекса.

2.1.2 Составление уравнений материального баланса процесса регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме.

2.1.3 Математическое описание выделительно-поглотительных процессов, протекающих в герметично замкнутом объеме.

2.2 Разработка алгоритма решения уравнений математической модели процесса регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме.

2.3 Параметрическая идентификация и проверка адекватности математической модели процесса регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме.

2.4 Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА В ГЕРМЕТИЧНО ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

3.1 Определение целей и постановка задачи проведения вычислительного эксперимента.

3.2 Компьютерное моделирование процесса регенерации воздуха.

3.3 Анализ результатов исследования процесса регенерации воздуха как объекта управления.

3.4 Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4 ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА В ГЕРМЕТИЧНО ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ.

4.1 Анализ состояний функционирования биотехнического комплекса.

4.2 Классификация допущений и ограничений в задачах управления.

4.3 Разработка алгоритма оптимального управления процессом регенерации воздуха на множестве состояний функционирования биотехнического комплекса.

4.3.1 Оптимальное управление процессом регенерации воздуха в идеальном состоянии функционирования биотехнического комплекса.

4.3.2 Оптимальное управление процессом регенерации воздуха в нормальном состоянии функционирования биотехнического комплекса.

4.3.3 Оптимальное управление процессом регенерации воздуха в экстремальном состоянии функционирования биотехнического комплекса.

4.4 Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 5 ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТКИ СРЕДСТВ КОЛЛЕКТИВНОЙ ЗАЩИТЫ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ.

5.1 Общее описание и структура комплекса.

5.2 Описание алгоритма функционирования комплекса.

5.3 Алгоритм автоматического синтеза конфигурации средств коллективной защиты.

5.4 Разработка информационного обеспечения комплекса.

5.5 Разработка программного обеспечения комплекса.

5.6 Разработка технического обеспечения комплекса.

5.7 Выводы по пятой главе.

История развития земной цивилизации - сложный, противоречивый, неравномерный процесс. Его траектория в значительной мере зависит от того, насколько человек, общество способны обеспечить свою безопасность, избежать голода и болезней, предотвратить агрессии, сохранить благоприятную среду обитания.

Безопасность в целом - это устойчивое состояние защищенности жизненно важных интересов личности, общества и государства от внешних и внутренних угроз и необходимость реализации этих интересов на сбалансированной основе. Главнейшим объектом безопасности должна быть признана личность с её правами и свободами, собственностью и здоровьем. Однако безопасность личности не может быть достигнута, если не обеспечена безопасность общества с его материальными и духовными ценностями, а также государства с его суверенитетом территориальной целостностью и конституционными завоеваниями [1,2].

Проблемы безопасности и защиты людей уходят в далекое прошлое, имеют глубокие исторические корни. С незапамятных времен люди стремились расселяться в более безопасных местах, менее подверженных природным явлениям. В целях защиты от вооруженного нападения строили крепости. В меру имеющихся возможностей пытались бороться с пожарами, эпидемиями, наводнениями. И сегодня проблема защищенности государства, общества и отдельно взятой личности признана важным элементом обеспечения национальной безопасности страны, составной частью оборонной функции государства. Это зафиксировано в Конституции Российской Федерации, федеральных законах "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера" и "О гражданской обороне", Концепции национальной безопасности Российской Федерации и других нормативных правовых актах [2].

Один из парадоксов исторического развития человечества заключается в том, что человек, развивая бурную хозяйственную и инженерную деятельность, сам стал создавать источники угроз, как для самого себя, так и для окружающей его природы. Основным источником опасности постепенно становилась созданная человеком техносфера. Увеличивающиеся антропогенные воздействия, происходящие аварии и катастрофы стали приводить не только к человеческим жертвам, но и к уничтожению окружающей среды, ее глобальной деградации [3].

Есть основания полагать, что масштабы влияния бедствий и катастроф на социальные, экономические, политические и другие процессы современного общества уже превысили тот уровень, который позволял относиться к ним как хоть иногда и драматическим, но все же локальным сбоям в размеренном функционировании общественных структур. Исчерпаны ресурсы выживания людей, нарушается естественная биотическая регуляция окружающей среды в результате техногенной экспансии человека. Порог системной адаптации, позволяющей обществу демпфировать отклонения от допустимых параметров жизни и сохранять при этом свое качественное содержание, по-видимому, пройден в XX веке.

Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий совместно с Российской академией наук проведен комплексный анализ основных опасностей и угроз, которые могут возникнуть на территории России в ближайшее десятилетие [4]. Он показывает, что в начале XXI века сохранится высокая степень риска возникновения крупномасштабных чрезвычайных ситуаций природно-техногенного, социально-биологического и военного характера, причем все четче прослеживается взаимозависимость природных, техногенных и экологических катастроф. В этой системе повышение вероятности возникновения одного вида опасностей приводит к ускорению проявлении других. Классификация чрезвычайных ситуаций приведена в приложении А (рисунок А. 1).

Возникновение ЧС в большинстве случаев приводит к стремительному изменению окружающей среды с формированием непригодных для человека условий жизнедеятельности. В целях защиты от поражающих факторов необходимо проведение взаимосвязанных мероприятий и применение специальных средств, направленных на предотвращение или предельное снижение потерь населения и угрозы жизни и здоровью людей [5,6].

Главным условием неблагоприятного воздействия на человека является непосредственный контакт с опасной внешней средой ингаляционным, пероральным или кожно-резорбтивным способом. Агрессивной будем называть окружающую среду, пребывание в которой человека без специальных средств защиты приводит к нарушению или прекращению жизненных функций организма.

Универсальных средств, обеспечивающих эффективную защиту человека при различной мощности и продолжительности воздействия, не существует. При кратковременном действии поражающих факторов наиболее эффективны средства индивидуальной защиты (СИЗ) органов дыхания и кожного покрова. В случаях длительного сохранения неблагоприятных условий, когда СИЗ применимы только для временной защиты, при достижении концентрациями аварийно химически опасных веществ «пробивных» для СИЗ значений, необходима эвакуация или использование инженерных средств защиты, в том числе защитных сооружений (ЗС) [5,6].

Защитные сооружения - это объекты, специально предназначенные для коллективной защиты людей от воздействия поражающих факторов внешней агрессивной среды, сформировавшейся в результате возникновения ЧС [7]. Они классифицируются по различным признакам (вместимость, защитные свойства и др.), наиболее важным из которых является воздухоснабжение.

Система воздухоснабжения ЗС обеспечивает: очистку подаваемого воздуха от пыли и отравляющих веществ; равномерное поддержание температурно-влажностного и газового состава воздуха в допустимых пределах; создание подпора (избыточного давления, превышающего атмосферное), что предотвращает проникновение во внутренние помещения отравляющих веществ, продуктов горения при пожарах и т.д. через неплотности в ограждающих конструкциях ЗС.

Существует 3 режима функционирования системы воздухоснабжения ЗС [8,9,10]:

- первый режим - чистая вентиляция (наружный воздух очищается только от пыли (в том числе радиоактивной), подается он с учетом необходимости удаления тепловыделений и влаги);

- второй режим - фильтровентиляция (воздух дополнительно пропускается через фильтры-поглотители, где он очищается от химически, биологически и бактериологически опасных веществ);

- третий режим - полная изоляция с регенерацией внутреннего воздуха и созданием подпора (поддержание заданных параметров осуществляется на основе различных физико-химических процессов).

С точки зрения обеспечения условий жизнедеятельности наиболее сложным в реализации является третий режим - поддержание необходимого газового состава воздуха в герметично замкнутом объеме (ГЗО) с использованием специального регенеративного оборудования. Это обусловлено взаимным влиянием технологического оборудования и человека, в совокупности образующих биотехнический комплекс (БТК), неизбежными колебаниями состава воздушной среды и другими факторами.

Актуальность темы. В настоящее время существует широкое разнообразие средств, применяемых для регенерации воздуха в ГЗО и основанных на различных физико-химических методах и принципах функционирования. Одними из наиболее распространенных и эффективных являются средства регенерации с применением расходуемых веществ (сорбентов, хемосорбентов), получившие название средств коллективной защиты (СКЗ) органов дыхания. Основные функции СКЗ заключаются в поглощении диоксида углерода и восстановлении кислорода вследствие протекающих сорбционных (хемосорбционных) взаимодействий, что, в сущности, составляет процесс регенерации воздуха (ПРВ).

Безусловно, СКЗ являются сложноорганизованными многокомпонентными химико-технологическими системами, решающими важнейшую задачу обеспечения необходимых условий жизнедеятельности человека. Следовательно, к ним предъявляются наиболее жесткие требования с точки зрения надежности и гарантированности исполнения основной функции - поддержание заданных концентраций кислорода и диоксида углерода в ГЗО посредством осуществления ПРВ. Вместе с тем, жизнедеятельность коллектива людей, функционирование различного оборудования и их взаимодействие между собой в условиях ГЗО вызывает значительные изменения газового состава воздуха динамического характера, что обусловливает необходимость разработки и внедрения алгоритмов и систем управления ПРВ.

Обзор литературных источников отразил ограниченность числа работ посвященных исследованию данной проблемы, при этом предлагаемые подходы к управлению ПРВ в ГЗО обладают рядом недостатков, наиболее существенные из которых заключаются в применении жестко заданных алгоритмов функционирования СКЗ и рассмотрении БТК как квазистационарной системы с постоянными параметрами и состояниями функционирования на длительных интервалах времени. Следовательно, создание систем управления ПРВ способных адекватно реагировать на динамические изменения состава воздуха в ГЗО, учитывать переходы БТК из одного состояния в другое и, соответственно, обеспечивать максимально комфортные условия жизнедеятельности на любых интервалах времени, с данных позиций выглядит трудно осуществимым.

Таким образом, исследование вопросов управления процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме является весьма важной и актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнялась в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы, тема «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области новых химических технологий и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок (Х-очередь)» (Шифр РИ-16.0/008/223).

Целью диссертационной работы является разработка алгоритма и системы оптимального управления процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

- математического моделирования процесса регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме, осуществляемого в реакторах средств коллективной защиты;

- анализа процесса регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме как объекта управления на основе результатов вычислительного эксперимента, реализованного с использованием построенной математической модели процесса регенерации воздуха;

- разработки алгоритма и системы оптимального управления процессом регенерации воздуха на множестве возможных состояний функционирования биотехнического комплекса, постановки и решения соответствующих задач оптимального управления

- разработки программно-технического комплекса автоматизации научных исследований и разработки средств коллективной защиты органов дыхания, с использованием результатов исследований вопросов математического моделирования и управления процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач были использованы методы: математического моделирования, математической статистики, математической физики, теории оптимального управления, теории процессов и аппаратов химической технологии.

Научная новизна работы:

- впервые разработан алгоритм оптимального управления процессом регенерации воздуха на множестве состояний функционирования биотехнического комплекса;

- впервые поставлена и решена задача оптимального управления процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме для каждого возможного состояния функционирования биотехнического комплекса;

- впервые разработана структура системы оптимального управления процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме.

Практическая ценность и реализация результатов исследования.

Разработанный алгоритм оптимального управления процессом регенерации воздуха позволяет поддерживать наиболее комфортные условия жизнедеятельности в герметично замкнутом объеме на любых интервалах времени, обеспечивая при этом энерго- и ресурсосберегающие режимы функционирования средств коллективной защиты.

Самонастраивающаяся система автоматического оптимального управления процессом регенерации воздуха, реализованная в соответствии с предложенными структурами, позволяет формировать в каждый момент времени наиболее адекватные текущему состоянию воздушной среды управляющие воздействия.

В процессе разработки алгоритма оптимального управления осуществлена модификация математической модели ПРВ в ГЗО допускающая проведение ранее не возможных инженерных расчетов при многослойной загрузке шихты реакторов СКЗ со сложной геометрией.

Разработанный программно-технический комплекс автоматизации научных исследований и разработки средств коллективной защиты позволяет осуществлять комплекс мероприятий по созданию СКЗ, определению оптимальных режимов их функционирования, а также исследованию процессов регенерации воздуха и газоформирования воздушной среды герметично замкнутого объема.

Предложенный алгоритм автоматического синтеза конфигурации средств коллективной защиты реализует решение задачи разработки средств коллективной защиты на основе условий технического задания при минимальном участии разработчика.

Практическую значимость имеют использованные в работе подходы к созданию комплекса, базирующиеся на требованиях САЬБ-стандартов.

Реализация результатов работы.

Физическая реализация программно-технического комплекса автоматизации научных исследований и разработки средств коллективной защиты органов дыхания после опытной эксплуатации принята к использованию и внедрена в отделе коллективных средств защиты ОАО «Корпорация «Росхимзащита» для создания новых и усовершенствования существующих СКЗ, определения оптимальных режимов их функционирования, а также исследования процесса регенерации воздуха.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на научной конференции «Новое поколение систем жизнеобеспечения и защиты человека в чрезвычайных ситуациях техногенного и природного характера», Тамбов, Россия, 2006г.

- на международной научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, образовании и производстве", Орел, Россия, 2006г.

- на международной научно-технической конференции «Глобальный научный потенциал», Тамбов, Россия, 2006г.

- на научных семинарах кафедры "Системы автоматизированного проектирования" Тамбовского государственного технического университета.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, в том числе в рецензируемых научных изданиях «Вестник Тамбовского государственного технического университета», «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика» и др.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, 14 приложений, списка литературы из 134 наименований и содержит 197 страниц, в том числе 170 страниц основного текста, 65 рисунков и 16 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе проведения научных исследований вопросов оптимального управления процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме были решены задачи:

- математического моделирования процесса регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме, осуществляемого в реакторах средств коллективной защиты;

- анализа процесса регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме как объекта управления на основе результатов вычислительного эксперимента, реализованного с использованием построенной математической модели процесса регенерации воздуха;

- разработки алгоритма и системы оптимального управления процессом регенерации воздуха на множестве возможных состояний функционирования биотехнического комплекса, постановки и решения соответствующих задач оптимального управления

- разработки программно-технического комплекса автоматизации научных исследований и разработки средств коллективной защиты органов дыхания, с использованием результатов исследований вопросов математического моделирования и управления процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме.

Для решения поставленных в работе задач были использованы методы: математического моделирования, математической статистики, математической физики, проектирования средств автоматизации, теории оптимального управления, теории процессов и аппаратов химической технологии.

При решении поставленных в работе задач были получены следующие основные результаты:

- осуществленное в диссертационной работе математическое моделирование процесса регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме позволило получить модифицированную математическую модель, обеспечивающую проведение инженерных расчетов для средств коллективной защиты, включающих как уже существующие реакторы, так и реакторы с новыми конструктивными решениями (многослойная загрузка шихты, сложная геометрия).

- с использованием результатов вычислительного эксперимента, проведенного в целях исследования процессов газоформирования воздушной среды герметично замкнутого объема, осуществлен анализ процесса регенерации воздуха как объекта управления, с последующей классификацией состояний функционирования биотехнического комплекса;

- разработан алгоритм оптимального управления процессом регенерации воздуха обеспечивающий поддержание наиболее комфортные условия жизнедеятельности в герметично замкнутом объеме на любых интервалах времени, обеспечивая при этом энерго- и ресурсосберегающие режимы функционирования средств коллективной защиты;

- сформулированы и решены задачи оптимального управления процессом регенерации воздуха для каждого состояния функционирования биотехнического комплекса, допускающие определение оптимальных режимов функционирования средств коллективной защиты на стадии их разработки с дальнейшей корректировкой управляющих воздействий в соответствие с полученными законами управления;

- самонастраивающаяся система автоматического оптимального управления процессом регенерации воздуха, реализованная в соответствии с предложенными структурами, позволит формировать в каждый момент времени наиболее адекватные текущему состоянию воздушной среды управляющие воздействия;

- разработан программно-технический комплекс автоматизации научных исследований и разработки средств коллективной защиты позволяет осуществлять комплекс мероприятий по созданию СКЗ, определению оптимальных режимов их функционирования, а также исследованию процессов регенерации воздуха и газоформирования воздушной среды герметично замкнутого объема.

Полученные в процессе проведенных исследований результаты позволяют осуществлять математическое моделирование и имитационные исследования процесса регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме и реакторах средств коллективной защиты органов дыхания, определять оптимальные режимы функционирования регенеративного оборудования, разрабатывать эффективные системы оптимального управления газовым составом воздушной среды на множестве состояний функционирования биотехнического комплекса, осуществлять автоматизированные исследования и разработку средств коллективной защиты органов дыхания.

1. Онищенко, Г. Биобезопасность проявление планетарного кризиса Текст. / Г. Онищенко // Журн. Гражданская защита. - 2003. -№ 4. - С. 18-21.

2. Владимиров, В. О теории гражданской защиты Текст. / В. Владимиров // Журн. Гражданская защита. 2000. - № 5. - С. 20-23.

3. Шойгу, С. Исторические аспекты развития системы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций Текст. / С. Шойгу // Журн. Гражданская защита. 2002. - № 10. - С. 5-15.

4. Воробьев, Ю. XXI век стратегические аспекты деятельности РСЧС и гражданской обороны Текст. / Ю.Воробьев // Журн. Гражданская защита. - 2001. - № 1. - С. 11-19.

5. Атаманюк, В.Г. Гражданская оборона Текст. / В.Г. Атаманюк, Л.Г. Ширшев, Н.И. Акимов. М.: Высшая школа, 1986. - 207 с.

6. Основные принципы защиты населения в экстремальных условиях Текст. // Гражданская оборона. М.: 1990. - № 6. - С. 11-18.

7. Каммерер, Ю.Ю. Защитные сооружения гражданской обороны Текст. / Ю.Ю. Каммерер, А.К. Кутырев, А.Е. Харкевич. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 232 с.

8. Убежища ГО. Конструкции и расчет Текст. / В.А. Котмяревский [и др.]. -М.: Стройиздат, 1989. 606 с.

9. Разработка РТД комплектующих установку регенерации воздуха убежищ ГО Текст.: Тема I С—88—81 / Предприятие п/я В-8433, рук. темы: Невская В.Н. Свердловск, 1982. - 20 с.

10. Новые технические правила по подземным коллективным убежищам многоцелевого назначения Текст. // Гражданская оборона. М.: 1980.-№4.-С. 17.

11. Елохин, А.Н. К вопросу определения критериев приемлемости риска Текст. / А.Н. Елохин // Проблемы, возникающие при ЧС. Вып.8 -М.: 1994.-12 с.

12. Маршалл, В. Основные опасности химических производств

13. Текст. / В. Маршал. -М.: Мир, 1989. 672 с.

14. Бесчастнов, М.В. Аварии в химических производствах и меры их предупреждения Текст. / М.В. Бесчастнов, В.М. Соколов, М.И. Кац. М.: Химия, 1976.-386 с.

15. Новосельцев, В.Н. Организм в мире техники Текст. / В.Н. Новосельцев. М.: Наука, 1989. - 125 с.

16. Воронин, Н.Г. Кондиционирование воздуха на летательных аппаратах Текст. / В.Н. Воронин, М.И. Верба. М.: Машиностроение, 1965. -482 с.

17. Нефедов, Ю.Г. Обитаемость и жизнедеятельность Текст. / Ю.Г. Нефедов, В.А. Адамович // Космическая биология и авиакосмическая медицина. М.: 1988. - Т. 22. - № 6. - С. 23.

18. Обитаемость атомных подводных лодок и технические направления ее улучшения в ВМС зарубежных стран Текст. : тех. отчет; отв. исполн. Ракитин Б. Л.: 1971, - 164 с.

19. Кононов, А.Н. Средства регенерации, очистки и газового контроля воздуха Текст. / А.Н. Кононов. -Баку: КВВМУ им. С.М.Кирова, 1981.-495с.

20. Breeze, W.E. Space vehicle environmental control requirements based on equipment and physiological criteria Text. / W.E. Breeze. // ASD Technical Report 61-161. Parti. 1961.-NA 61^89.

21. Физиология человека Текст. / Е.Б. Бабский [и др.]. М.: Медицина, 1966.-656 с.

22. Зимина, Н.В. Физиология человека Текст. / Н.В. Зимина. М.: Физкультура и спорт, 1970. - 534 с.

23. Яздовский, В.И. Космическая биология и медицина. Медико-биологические проблемы космических Текст. / В.И. Ядзовский. М.: Наука, 1966.-406 с.

24. Вредное пространство или функциональный резерв организма Текст. / Э. Булич [и др.] // Спортсмен-подводник. М.: 1988. -№ 80. - С.19.

25. Куполевский, Г.М. Основы спортивной медицины Текст. / Г.М. Куполевский, Н.Д. Граевская. М.: Медицина, 1971. - 368 с.

26. Реакции организма человека на взаимодействие химических веществ в условиях гермообмена Текст. / В.П. Савина [и др.] // Космическая биология и авиакосмическая медицина. М.: 1988. - Т. 22. - № 5. - С. 76.

27. Konecci, В. Space ecological systems Text. /В. Konecci // Bioastronautics. New-York-London, Macmillian Ltd.: 1964. - 274 c.

28. Влияние умеренной высотной гипоксии на функциональное состояние и работоспособность человека в зависимости от температуры окружающей среды Текст. / Ю.В. Бутов [и др.] // Физиология человека. М.: 1987.-Т. 13.-№2.-С. 284.

29. Чувствительность аппарата регуляции дыхания к С02 в моделируемых условиях космического полета Текст. / JI.P. Исаев [и др.] // Космическая биология и авиакосмическая медицина. М.: 1988. - Т. 22. - № 2.-С. 16.

30. Формирование функционального состояния систем дыхания и терморегуляции при работе в атмосфере с повышенным содержанием диоксида углерода Текст. / C.B. Ливинский [и др.] // Физиология человека. -М.: 1990. Т. 16.-№ 1.-С. 133.

31. Кислотно-основное состояние организма человека при дыхании воздуха с примесью различных концентраций двуокиси углерода Текст. / И. А. Санов [и др.] // Физиология человека. М.: 1990. - Т. 16. - №1. - С. 127.

32. Воронин, Г.И. Жизнеобеспечение экипажей космических кораблей Текст. / Г.И. Воронин, А.И. Поливода. М.: Машиностроение, 1967. - 211 с.

33. Тенденции развития систем обеспечения газового состава внекоторых перспективных гермообъектах США. Текст.: аналитический обзор.; отв. исполнитель И.П. Сапожников. Тамбов: ТНИХИ, 1981. - 52с.

34. Средства обеспечения газового состава космических станций «Скайлэб» и их эффективность Текст.: обзор по материалам иностранной печати // ГОНТИ-4: 1981. 144 с.

35. Дель Дюка, М. Дальнейшее развитие систем жизнеобеспечения Текст. / Системы жизнеобеспечения космических кораблей и скафандров: сборник переводов. -М.: Министерство здравоохранения СССР, Институт медико-биологических проблем, 1967. С. 62.

36. Иванов, Д.И. Системы жизнеобеспечения человека при высотных и космических полетах Текст. / Д.И. Иванов, А.И.Хромушкин. М.: Машиностроение, 1968. - 410 с.

37. Разработка средств регенерации воздуха по оборудованию убежищ для населения на 100-150 человек Текст. / ГК Хим. и нефт. пром. при Госплане СССР. Первое упр. Тамб. фил. Предприятие п/я №11, Копейкин Н.Е. Тамбов: 1964. - 51 с.

38. Ильин, А.Н. Обзор вопросов по процессам регенерации воздуха Текст. / А.Н. Ильин, С.Б. Путин; ТамбовНИХИ. -М., 2003. 10 с. - Деп. в ВИНИТИ, - 2003, № 2103-В2003.

39. Изучение установки регенерации воздуха французской фирмы "Fenzy" Текст. / рук. темы: Кримштейн A.A. Тамбов: ТНИХИ, 1980. - 20 с.

40. Новые кислородосодержащие вещества в качестве компонентов регенеративного продукта Текст.: отчет по теме 114-69.; отв. исполн. Гребенников С.Ф. Тамбов: ТНИХИ, 1969. - 28 с.

41. Разработка методик определения микроколичеств вредных веществ в воздухе. Рекомендации по безопасной работе и контролю за вредными выбросами в нефтехимическом производстве Текст.: заключительный отчет; исп. Журавлев Е.Г. Л.: 1977. - С. 23.

42. Страусс, В. Промышленная очистка газов Текст. / В. Страусс. М.: Химия, 1981.-616 с.

43. Маршак, М.Е. Физиологическое значение углекислоты Текст. / М.Е. Маршак. М.: Медицина, 1969. - 144 с.

44. Взаимодействие химических веществ, загрязняющих газовую среду гермозамкнутых помещений Текст. / К.Н. Микос [и др.] // Космическая биология и авиакосмическая медицина. М.: 1988. - Т. 22. - № 3. - С. 67.

45. Очистка технологических газов Текст. / под ред. Т.А. Семеновой, И.Л. Лейтеса. М.: Химия, 1977. - 490 с.

46. Системы жизнеобеспечения космических кораблей и станций Текст. : реферативный сборник за 1989 г. / отв. исполнитель Козлова З.С. -Тамбов: ТНИХИ, 1990. 88 с.

47. Мельников. A.C. Основы хемосорбции Текст. / A.C. Мельников. -М.: Наука, 1978.-135 с.

48. Дейч, М.Е. Газодинамика двухфазных сред Текст. / М.Е. Дейч, Г. А. Филиппов. М.: Энергия, 1968. - 424 с.

49. Серпионова, E.H. Промышленная адсорбция газов и паров Текст. / E.H. Серпионова. М.: Высшая школа, 1969. - 41 с.

50. Кельцев, Н.В. Основы адсорбционной техники Текст. / Н.В. Кельцев. М.: Химия, 1984. - 592 с.

51. Михаил, Р. Реакторы в химической промышленности Текст. / Р. Михаил, К. Кырлоганц. Л.: Химия, 1968. - 388 с.

52. Оптимизация систем с управлением прилагаемыми в конечные моменты времени Текст. / А.П. Афанасьев [и др.] // Тамбов: ТГУ им Державина, 1997. 25 с.

53. Афанасьев, А.П. Об одной задаче квазистационарной оптимизации с дискретными управлениями. /А.П.Афанасьев, С.М.Дзюба, А.А.Кримштейн // Известия АН. Теория и системы управления. М.: 1998. - №3. - С.73.

54. Громов, Ю.Ю. Моделирование и управление процессом регенерации воздуха в герметически замкнутом объеме Текст. / Ю.Ю. Громов, В.Г. Матвейкин, Б.В. Путин. М.: ТОХТ, 1997. - Т. 3. - № 6. - С. 638-648.

55. Камке, Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям Текст. / Э. Камке. -М.: Наука, 1971. 586 с.

56. Берд, Р. Явления переноса Текст. / Р. Берд, В. Стьюарт, Е. Лайфут. -М.: Химия, 1974.-688 с.

57. Закгейм, А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов Текст. / А.Ю. Закгейм. М.: Химия, 1982. - 287 с.

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

59. Кафаров, В.В. Системный анализ процессов химической технологии Текст. / В.В. Кафаров, И.Н. Дорохов, Е.П. Марков. М.: Наука, 1986.-345 с.

60. Колин, В.Л. Синтез и исследование математических моделей типовых ХТП Текст. / В.Л. Колин, A.B. Колбанцев, И.Н. Таганов. Л: ЛТИ, 1980.-93 с.

61. Тимофеев, Д.П. Кинематика адсорбции Текст. / Д.П. Тимофеев. -М.: АН СССР, 1962.-122 с.

62. Фрэнке, Р. Математическое моделирование в химической технологии Текст. / Р. Френс. М.: Химия, 1971. - 272 с.

63. Батунер, Л.Н. Математические методы в химической технике Текст. / Л.Н. Батунер, М.Е. Позин. Л.: Химия, 1963. - 320 с.

64. Математическое моделирование сорбционных процессов с обратными связями в системах, содержащих несколько аппаратов Текст. / A.B. Колбанцев [и др.]; -М., 1983 -35с.: Деп. в ВИНИТИ 1983, № 4228-83.

65. Моделирование работы изолирующих аппаратов на химически связанном кислороде Текст. / A.A. Кримштейн [и др.] // Прикладная химия. -М.: 1992.-Т. 65.-С. 2473.

66. К расчету индивидуальных дыхательных сорбционных аппаратов с круговой схемой движения воздуха Текст. / А.А. Кримштейн [и др.] // Прикладная химия. М.: 1993. - Т. 66. - С. 1982.

67. К вопросу моделирования процесса регенерации воздуха в замкнутом объеме Текст. / Ю.Ю. Громов [и др.]; ТамбовНИХИ. -М., 1996. -20 с. Деп. в ВИНИТИ 1996. № 1957-В96.

68. Численное решение математической формализации процесса регенерации воздуха в герметически замкнутом объеме Текст. / Ю.Ю. Громов [и др.]; ТамбовНИХИ. -M., 1996. 32 с. - Деп. в ВИНИТИ 1996, № 1956-В96.

69. Громов, Ю.Ю. Математическая формализация процесса регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме в условиях неопределенности Текст. / Ю.Ю. Громов, C.B. Матвеев, С.Б. Путин // Воронеж: Системы управления и информационные технологии. -1997. -С.53.

70. Путин, С.Б. Математическое моделирование, алгоритмы и системы управления процессом регенерации воздуха в биотехническом комплексе Текст.: дис. канд. техн. наук: Тамбов., 1999. -199 с.

71. Грег, С. Адсорбция. Удельная поверхность. Пористость Текст. / С. Грег, К. Синг. М.: Мир, 1970. - 408 с.

72. Обоснование выбора формально-кинетического уравнения хемосорбции (применительно к частице сферической формы) Текст. / A.M. Кудрявцев [и др.] // Тамбов: Вестник ТГТУ, 1995. Т. 1. - С. 98.

73. Рудобапгга, С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой Текст. / С.П. Рудобапгга. М.: Химия, 1980. - 143 с.

74. Рамм, В.М. Абсорбция газов Текст. / В.М. Рамм. М.: Химия, 1976.-656 с.

75. Левеншпиль, О. Инженерное оформление химических процессов. Текст. / О. Левеншпиль // -М.: Химия. 1969. -622 с.

76. Тодес, О.М. К вопросу о динамике сорбции на реальном зернистом адсорбенте Текст. / О.М. Тодес, Я.М. Биксон // Доклады АН СССР 1950 Т. 75.-№5.-С. 727.

77. Радушкевич, JI.B. Связь теории динамики адсорбции с термодинамикой неравновесных процессов Текст. / Л.В. Радушкевич // Труды 3-й всесоюзной конференции по теоретическим вопросам адсорбции: -М.: Наука, 1973.-С. 73.

78. Франк-Каменецкий, Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике Текст. / Д.А. Франк-Каменский. М.: Наука, 1967. - 327 с.

79. Торопцов, B.C. Аналитический метод построения переходных процессов в системах регулирования с запаздыванием. Текст. /B.C. Торопцов// Автоматизация химических производств. -М.: 1974. -№2. -С.З.

80. К вопросу об управлении процессом регенерации воздуха в замкнутом объеме Текст. / Ю.Ю. Громов [и др.]; ТамбовНИХИ. -М., 1996. -20 с. Деп. в ВИНИТИ 1996. № 1958-В96.

81. Насонов, A.C. Программное управление автотрофным звеном в замкнутой по газообмену экологической системе. Текст. / A.C. Насонов, B.C. Торопцов // Медицина, космическая биология и авиакосмическая медицина. -М.: 1979. -№6. -С.63.

82. Насонов, A.C. Построение программы управления автотрофным звеном в замкнутой по газообмену экологической системе. Текст. / A.C. Насонов, B.C. Торопцов // Медицина, космическая биология и авиакосмическая медицина. -М.: 1980. -№ 1. -С.60.

83. Рей, У. Методы управления технологическими процессами Текст. / У. Рей. М.: Мир, 1983. - 386 с.

84. Лионе, Ж.Л. Оптимальное управление системами, описываемыми дифференциальными уравнениями в частных производных Текст. / Ж.Л. Лионе. М.: Мир, 1975. - 349 с.

85. Изерман, Р. Цифровые системы управления. Текст. / Р. Изерман. -М.: Мир. 1984. -542с.

86. Клюев, A.C. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Текст. /A.C. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский -М.: Энергоатомиздат. 1990. -464 с.

87. Месарович, М. Общая теория систем. Текст. / М. Месарович, Я. Такахара-М.: Мир. 1978. -314 с.

88. Юревич, Е.И. Теория автоматического управления. Текст. / Е.И. Юревич. -Л.: Энергия. 1969. -376с.

89. Бодров, В.И. Об имитационном исследовании и выборе систем автоматической стабилизации химико-технологических процессов. Текст. /

90. B.И. Бодров, В.Г. Матвейкин// ТОХТ. -М.: 1986. -С.712.

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

92. Артемова, C.B. Применение экспертной системы для анализа и синтеза оптимального управления технологическими процессами. Текст. /

93. C.B. Артемова , Ю.Л. Муромцев, С.Б. Ушанев// Информационные технологии в проектировании и производстве. -М.: 1997. -№1. -С.12-15.

94. Бояринов, А.И. Методы оптимизации в химической технологии Текст. / А.И. Бояринов, В.В. Кафаров. М.: Химия, 1969. - 564 с.

95. Варга, Дж. Оптимальное управление дифференциальными и функциональными уравнениями Текст. / Дж. Варга. -М.: Наука, 1977. -622с.

96. Квакернаак. X. Линейные оптимальные системы управления Текст. / X. Квакернаак, Р. Сиван. М.: Мир, 1977. - 656 с.

97. Янг, Л. Лекции по вариационному исчислению и теории оптимального управления Текст. / Л. Янг. М.: Мир, 1974. - 490 с.

98. Вентцель, Е.С. Теория вероятности Текст. / Е.С. Вентцель. М.: Физмат, литература, 1962. - 564 с.

99. Возможности информационных технологий по управлению жизненным циклом разработки и изготовления наукоемкого изделия в машиностроении Электронный ресурс. / В. Митрофанов [и др.] // Режим доступа http://www.tehnopro.com/default.aspx?page=670 (08.01.2005).

100. Грувер, М. САПР и автоматизация производства Текст. / М. Гувер, Э. Зимерс. М.: Мир, 1987. - 528 с.

101. Проектирование систем автоматизации технологических процессов Текст. / A.C. Клюев [и др.] М.: Энергоатомиздат, 1990. - 464 с.

102. Судов, Е.В. Информационная поддержка жизненного цикла продукта Текст. / Е.В. Судов // Журн. PC WEEK/RE. 1998. - № 45. - С. 15.

103. Концепция развития CALS-технологий в промышленности России Текст. / Е.В. Судов [и др.] // НИЦ CALS-технологий «Прикладная логистика». 2002. -129 с.

104. Курочкин, С. Возможные пути внедрения CALS-технологий Текст. / С. Курочкин // Журн. САПР и графика. 2001. - № 8. - С. 58-60.

105. Трепнел, Б. Хемосорбция Текст. / Б. Трепнел. М.: Химия, 1958. - 528 с.

106. Мельников, A.C. Основы хемосорбции Текст. / A.C. Мельников. -М.: Наука, 1978.-135 с.

107. Кафаров, В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств Текст. / В.В. Кафаров, М.Б. Глебов. -М.: Высшая школа, 1991. 400 с.

108. ИЗ Франк-Каменецкий, Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике Текст. / Д.А. Франк-Каменский. М.: Наука, 1967. -327 с.

109. Самарский, A.A. Разностные методы решения задач газовой динамики Текст. / A.A. Самарский, Ю.П. Попов. М.: Наука, 1992. - 424 с.

110. Беллман, Р. Динамическое программирование и уравнения в частных производных Текст. / Р.Беллман, Э.Энджел. -М.: Мир, 1974. -208 с.

111. Ильин, А.Н. Математическое моделирование процессов регенерации воздуха Текст. / А.Н. Ильин, С.Б. Путин; ТамбовНИХИ -М.,2003 -le.- Деп. в ВИНИТИ, 2003. № 2105-В2003.

112. Максимей, И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ Текст. / И.В. Максимей. М.: Радио и связь, 1988. - 229 с.

113. Ильин, А.Н. Оптимальное управление процессом регенерации воздуха в герметично замкнутом объеме. Текст. / А.Н. Ильин, C.B. Матвеев, И.В. Милованов, С.Б. Путин // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2007 -№1. -С. 6-12.

114. Атанс, М. Оптимальное управление Текст. / М. Атанс, П. Фалб. М.: Машиностроение, 1968. - 764 с.

115. Эльсгольц, Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление Текст. / Л.Э. Эльсгольц. М.: Наука, 1965. - 424 с.

116. Корн, Г. Справочник по математике Текст. / Г. Корн, Т. Корн. -М.: Наука.1970. -720 с.

117. Афанасьев, А.П. Продолжение траекторий в оптимальном управлении Текст. / А.П. Афанасьев // Труды ИСА РАН: М.: КомКнига, 2005.-Т. 17.-208 с.

118. Afanas'ev А.Р. On a suboptimal control of nonlinear systems via quadratic criteria. / A.P. Afanas'ev, S.M. Dzyuba, S.M. Lobanov, A.V. Tyutyunnik // Appl. Comp. Math., 2004.V.3, No.2. P 158-169.

119. Беллман, P. Процессы регулирования с адаптацией Текст. / Р. Беллман. М.: Наука, 1964. - 360 с.

120. Беллман, Р. Квазилинеаризация и нелинейные краевые задачи Текст. / Р. Беллман, Р. Калаба, М.: Мир, 1968. - 183 с.

121. Скурихин, В.И. Справочник по САПР Текст. / В.И. Скурихин. -Киев: Техника, 1988. 375 с.

122. Норенков, Н.П. САПР. Принципы создания и структура Текст. / Н.П. Норенков. Минск: Вышейшая школа, 1987. - Кн. 1. - 123 с.

123. Ильин, А.Н. Система автоматизированного проектирования элементов коллективных средств защиты Текст. / А.Н. Ильин, И.В. Милованов, С.Б. Путин; ТамбовНИХИ -М., 2003. 16 с. - Деп. в ВИНИТИ, -2003. № 2104-В2003.

124. Аэров, М.Э. Аппараты со стационарным зернистым слоем Текст. /М.Э. Аэров, О.М. Тодес, Д.А. Наринский. -Л.: Химия. 1979. 176 с.

125. Петров, A.B. Разработка САПР. Проблемы и принципы создания САПР Текст. / A.B. Петров, В.М. Черненький М.: Высшая школа, 1990. -Кн. 1. - 144с.

126. Жук, К.Д. Построение современных систем автоматизированного проектирования Текст. / К.Д. Жук, A.A. Тимченко, A.A. Родионов. Киев: Техника, 1983. - 248 с.

127. Михалёв, С.Б. Средства вычислительной техники для применения в САПР Текст. / С.Б. Михалев, А.Н. Зажарский, В.В. Кондратьев. Минск: Вышейшая школа, 1989. - 160 с.