автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий

'■гГ"^-'

МАНДРА Андрей Геннадьевич

СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДИФФУЗИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о [.¡АР 2011

Самара 2011

4840309

Работа выполнена на кафедре "Автоматика и управление в технических система; Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образов, ния "Самарский государственный технический университет".

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Рапопорт Эдгар Яковлевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Данилушкип Александр Иванович

кандидат технических наук Лежнев Максим Владимирович

Ведущая организация

ГОУ ВПО "Саратовский государственный технический университет", г. Саратов

Защита диссертации состоится «21» марта 2011 г. в 10-00 на заседании диссерт ционного совета Д212.217.03 ГОУ ВПО Самарский государственный технический ун) верситет (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корпус 6, аудит рияЗЗ.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Самарского государственно! технического университета по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, 18.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим напра: лять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, главный ко] пус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.03; факс (846) 278-44-00.

Автореферат разослан «18» февраля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.217.03

Губанов Н.Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена разработке методов моделирования, управления и оптими-ации базовых процессов химических технологий.

Актуальность работы. Снижение загрязняющего воздействия человека на окру-ающую среду является необходимым требованием при организации технологических роцессов и производств. В частности, процессы технологической очистки воды (умяг-ение, обессоливание) приводят к накоплению агрессивных стоков, которые перед сбро-ом их в окружающую среду должны быть подвергнуты нейтрализации.

Технические устройства для очистки агрессивных сред сильно отличаются компо-овкой, числом емкостей, насосным парком и дополнительным оборудованием. Емкости, в которых содержатся агрессивные среды, достигают объемов в несколько сотен кубических метров,

В виду сложности протекающих гидродинамических и физико-химических процессов в емкостях больших объемов используют механические и воздушные перемешивающие устройства (барботеры). Данный парк оборудования существенно увеличивает стоимость проектирования и эксплуатации узла очистки агрессивных сред.

Другой возможный подход - исключение барботеров из технологической цепочки -требует использования автоматической системы непрерывного контроля качества агрессивных сред в процессе их нейтрализации. Разработка и внедрение подобных систем невозможны без наличия адекватных математических моделей контролируемых технологических процессов.

Автоматизация процесса нейтрализации кислых стоков химического цеха теплоэлектроцентрали позволяет обеспечить большую точность поддержания водородного показателя (рН) сбрасываемых вод, поскольку отклонение рН как в одну, так и в другую сторону от номинала, наносит вред окружающей среде. Реализация системы автоматического управления величиной рН в процессе нейтрализации наталкивается на сложный, нелинейный характер поведения объекта управления. Для успешного построения системы управления должны быть разработаны математические модели, учитывающие пространственную распределенность управляемых величин объекта, а также протекающие в системе химические реакции.

В этой связи актуальными задачами являются математическое моделирование полей концентрации взаимодействующих сред в химико-технологических агрегатах различного назначения, рассматриваемых в качестве объекта автоматического управления с распределенными параметрами, разработка методов синтеза автоматических регуляторов, теоретическое и экспериментальное исследование алгоритмов и систем управления процессами химической технологии.

Диссертация выполнена при финансовой поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований №09-08-00297-а, №10-08-00754-а; Федеральной целевой программы Минобрнауки РФ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (государственный контракт №П832 от 17.08.2009; проекты НК 66П/11, 2010-1.3.1-230-009/8); Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект №2.1.2/4236).

Целью работы является разработка и исследование моделей, алгоритмов и систе управления объектами с распределенными параметрами в технологических процесс^ химической нейтрализации агрессивных сред.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математических моделей управляемых диффузионных процесс химической технологии.

2. Структурное моделирование технологических процесса химической очист кислых стоков как объекта управления с распределенными параметрами.

3. Анализ и синтез алгоритмов и систем автоматического управления простра! ственно-распределенными диффузионными процессами химической нейтрализац! взаимодействующих сред в промышленных химико-технологических агрегатах.

4. Разработка алгоритма оптимального управления процессом химической не трализации на ТЭЦ.

5. Численное моделирование объектов и систем автоматического управлет базовыми химико-технологическими процессами диффузии в условиях химической р акции между взаимодействующими компонентами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались метод математического анализа, аппарат преобразования Лапласа и конечных интегральнь преобразований, теория диффузии, теория автоматического управления, теория опт мального управления системами с распределенными параметрами, методы структурн теории распределенных систем, методы компьютерного моделирования и экспериме1 тального исследования динамических объектов и систем управления.

Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретичесю представления в области пространственно-временного управления процессами дифф зии, осложненными химическими реакциями между взаимодействующими компонент ми. Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровт решать инженерные задачи синтеза систем автоматического управления химик технологическими объектами с распределенными параметрами.

В диссертации получены следующие основные результаты, отличающиеся научн новизной:

1. Разработаны проблемно-ориентированные на задачи управления математич ские модели базовых диффузионных процессов химических технологий, отличающие от известных учетом влияния застойных зон в емкостях технологических агрегатов двумерного характера пространственного распределения управляемых величин в уел виях гомогенных химических реакций между подвижными взаимодействующими ко понентами, что приводит к существенному повышению точности моделирования иссл дуемых явлений.

2. Получено не имеющее известных аналогов структурное представление баз вых моделей химико-технологических процессов нейтрализации вредных выбросов к объекта управления с распределенными параметрами, позволяющее получить обосн ванные решения задачи синтеза систем автоматического регулирования с сосредоточе; ными управляющими воздействиями и управляемыми величинами.

3. Предложена методика аналитического конструирования регуляторов в си темах управления технологическими процессами химической нейтрализации подвижнь взаимодействующих сред, базирующаяся, в отличие от известных, на модальном опис

ии объекта управления в бесконечномерном пространстве состояний, что обеспечивает остроение регулярной процедуры структурного синтеза на минимальном уровне слож-ости в условиях заданных требований к качественным показателям процессов автома-ческого регулирования.

4. Предложена постановка и методика решения задачи оптимального управле-ия, способствующий решению актуальной задачи повышения точности процесса хими-еской нейтрализации сточных вод на ТЭЦ.

Практическая полезность диссертационных исследований определяется следуга-ими результатами.

- разработаны конструктивные инженерные методики синтеза и предложены реализуемые структуры систем автоматического управления диффузионными процессами в химико-технологических агрегатах;

- разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для моделирования, анализа и синтеза алгоритмов управления технологическими процессами химической нейтрализации агрессивных сред, которое может быть непосредственно использовано для решения конкретных задач автоматизации типовых объектов химической технологии;

- обоснована целесообразность практического использования разработанных моделей и методов построения систем автоматического управления исследуемыми химико-технологическими процессами.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований ис-ользованы в виде алгоритмического, математического и программного обеспечения при азработке и внедрении автоматизированной информационно-управляющей системы роцессом химической нейтрализации в химическом цехе ОАО «Волжская ТГК» ТЭЦ АЗа (г. Тольятти), а так же в учебном процессе ГОУ ВПО СамГТУ при подготовке инженеров по специальности 22.02.01 «Управление и информатика в технических систе-1ах», бакалавров и магистров по направлению 22.02.00 «Автоматизация и управление».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и бсуждались на Международной конференции студентов и аспирантов по фундамен-альным наукам «Ломоносов 2005». Секция «Вычислительная математика и кибернети--а» (Москва, 2005), Международной научно-технической конференции студентов и ас-ирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2005), Всероссий-кой научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новоси-ирск, 2006), Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006), Международной на-но-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротех-шка и энергетика» (Москва, 2007), итоговой конференции студенческих коллективов Самара, 2008), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспиран-ов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» Томск, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 •татьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заточения, изложенными на 97 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, писок литературы из 53 наименований и 1 приложения.

На защиту выносятся следующие положения:

- проблемно-ориентированные на задачи управления математические модел базовых диффузионных процессов химической технологии в условиях том генной химической реакции между азаимодействующими подвижными ср дами;

- структурное представление моделей химико-технологических процессов двухкомпонентным диффузионным взаимодействием подвижных сред к объекта управления с распределенными параметрами;

- методика аналитического конструирования регуляторов в системах автомат ческого управления технологическими процессами химической нейтрализ ции подвижных взаимодействующих сред;

- постановка и методика решения задачи оптимального управления процессо химической нейтрализации сточных вод;

- результаты численного моделирования объектов и систем автоматическо управления полями концентраций взаимодействующих сред в процессе хим ческой нейтрализации.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулирована цель работы, её научн новизна и практическая полезность.

В первой главе проведен обзор базовых процессов химических технологий и сп собов очистки производственных сточных вод. Рассмотрены способы реализации техн логии химической нейтрализации кислых стоков на примере тепловых станций АО Мо энерго и ТЭЦ ВАЗа, показаны недостатки существующих систем управления произво ственными агрегатами.

Выполненный анализ показал, что для повышения качества проведения процес химической нейтрализации требуется разработать уточненные математические моде процесса химической нейтрализации, позволяющие учесть неравномерное распредел ние полей концентраций по объему бака-нейтрализатора; построить системы управлен водородным показателем (рН) сточных вод, с целью снижения расхода реагентов и п вышения точности процесса нейтрализации.

Вторая глава посвящена математическому моделированию типовых диффузионн процессов в химико-технологических аппаратах различного назначения. В качестве б зовых были рассмотрены модели идеального и диффузионного вытеснения.

В реальных условиях протекания диффузионных процессов в химик технологических аппаратах необходимо учесть эффект химических реакций между вза модействующими компонентами. Модель идеального вытеснения с учетом приведены к двухкомпонентному виду гомогенной необратимой химической реакции

а.1-А1+а2-А2-+$гВ1 + $2-В2 (

описывается пространственно-одномерной нелинейной системой дифференциальн уравнений в частных производных первого порядка

\8C\M

+ У

81

01

(3)

б/

дС2{1,() 81

0</</,; />0, с граничными и начальными условиями:

Ф,thg.it); С2(0,/) = й(/); (4)

С,(/,0)=С1О; С2(/,о) = С20, (5)

где от,, ог2, /?|, Р2 -стехиометрические коэффициенты; С,(/,?), С2(/,?)-значения концентраций компонентов А1 и Л2 соответственно в зависимости от пространственной координаты I в напраштении движения взаимодействующих сред и времени V - скорость движения в реакторе; ¿-константа скорости химической реакции; (/) и g2(t) - значения концентраций компонентов Л, и Аг на входе в реактор; С!0, С20 - начальное распределение концентраций компонент А1 и Л2 соответственно.

Модель идеального вытеснения применима для трубчатого химического реактора с более чем стократным отношением длины к диаметру.

Диффузионная модель вытеснения с учетом химической реакции (1) усложняется по сравнению с (2)-(5) за счет явления диффузии и описывается следующей нелинейной системой дифференциальных уравнений второго порядка:

8СМ + уОСМ = Ы

81

81

812

81 81 812

(6)

(7)

О</<£; / >О, с граничными и начальными условиями:

^Ьо; с2(о,,)=Ы0; = о (8)

С,(/,0)=С10; С2(/,0) = С20; (9)

где В - скалярный коэффициент диффузии.

На основе рассмотренных базовых моделей диффузионных процессов была построена модель процесса химической нейтрализации серной кислоты.

Сброс воды в баки нейтрализации (БН) ведется с разных участков технологической цепи подготовки воды, при этом состав сточных вод остается постоянным и содержит раствор серной кислоты, сульфаты кальция и магния. Процесс химической нейтрализации осуществляется путем подачи известковой воды на вход рециркуляционного насоса (РН, рис. 1). Смесь раствора из БН и известковой воды (ИВ) возвращается в бак, где и происходит нейтрализация. Контроль значения водородного показателя (рН) осуществляется на выходе рециркуляционного насоса, рН-метр состоит из импульсной трубки и блока измерения.

Процесс химической нейтрализации серной кислоты известковой водой можно опи сать реакцией обмена стехиометрическим уравнением второго порядка в пренебреженш влиянием остальных примесей:

Н2БОа + Са(ОН)2 -> Са,<>04 + 1Н20. (10

Рисунок 1 - Схема процесса нейтрализации

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

Поведение концентраций кислоты СтХ и щелочи Ст2 в трубопроводе рециркуляци описывается в первом приближении моделью идеального вытеснения (2)-(5) с парамет рами V = Ут, 1 = Ьт, к = кт, а, =а2 =1.

В целях приближенного моделирования диффузионных процессов внутри бака ней трализации в пределах его объема выделяются активная и застойная зоны. Активная зон описывается диффузионной моделью вытеснения (6)-(9) с параметрами С, (/,/)= С61(/,/ С2[{^)=Сб2{1,г), V = Уб, Ь = Ьб, С = к~кб, <Х]=а2=1, которую необходимо до полнить функцией источников

Узз

(П

убывающих по мере добавления щелочи и учитывающих влияние кислотной концентр ции застойной зоны:

от 81 81

81 81 811 Здесь С10 - начальное распределение концентрации кислоты; Л(М) - концентраци СаБОл продукта реакции в баке; ()б, 033 ~ объем бака с активной и застойной зоной с ответственно.

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

л

при (ся(/,/)-лМ)>0 н (сб2(/,;)-Д(и))>0; О, ирг/ (Сб1(/,г)-й(/,/))<0 или (Св2(/,0-Л(/,0)< В результате модель процесса химической нейтрализации серной кислоты описывается сложной взаимосвязной системой уравнений (2)-(5), (11)-(13).

В третьей главе проведено структурное моделирование рассматриваемых процессов химической технологии в условиях протекания химической реакции между взаимодействующими компонентами в терминах структурной теории систем с распределенными параметрами.

Линеаризованная модель идеального вытеснения (2)-(5) в малых отклонениях ДС,, АС2 от стационарного состояния С®, С2, которая может быть использована для построения системы автоматического стабилизации величин С®, С2, принимает следующий вид

?Щ1А + у дАСМ = (/,/)- (/)АС2 (/, г);

9/

дАСШ+V 8АСМ=-кс1{1)^(и)-кС*{1)Ж2(и) й Э/

с внешними воздействиями ДяД/), А^, (/) по граничным условиям

лс,(о,0=д&(0; ас2(о,0=д?2(0.

и начальными условиями

АС,(/,0)=С1°; ДС2(/,0) = С2°. Соответствующая структурная схема объекта управления показана на рис. 2.

ЛС,М

(14)

(15)

(16)

ЩЫр)

АС&р)

8(л-1) С&р)

Рисунок 2 - Структурная схема линеаризованной модели процесса идеального вытеснения с учетом химической реакции

Передаточные функции \\\ и Ш2 распределенных блоков для сосредоточенных управляемых величин ДС, (/,, р), ЛС2(Х р) на выходе реактора:

,/]*(т!3 = РЪ(л)Лг](/7)+ С,0; /2*(т1, С2°, (18)

где 6, =

p+kq

62 =

р+кС%

определяются в зависимости от комплексной переменно!

V V

преобразований Лапласа «р» и пространственных аргументов / и ц выходной и входноГ величин блоков соответственно; переходные блоки в форме пространственных дельта функций 5(г) - L) используются для получения сосредоточенного выходного сигнала i точке l-L \ блок б(/ - г|) осуществляет умножение входного сигнала на числовой коэф фициент к\ дельта-функция о(г)) обеспечивает приведение воздействий по граиичныл условиям к стандартизирующим входам блоков WlnW2.

С учетом сосредоточенного характера входов и выходов модели объекта структур пая схема преобразовывается к вид}', показанному на рисунке 3, отличающемуся наличи ем только звеньев с сосредоточенными параметрами, что существенно облегчает дель нейшее ее использование в целях построения системы автоматического управления.

А&М—|—*| WU(P) -ЛС1М

4Й(Р)

Рисунок 3 - Структурная схема процесса идеального вытеснения с сосредоточенными входами и выходами

Здесь передаточные функции

q + c2 -с\

сг+а

Щ Ы=

^(1 -К,{р)К2{р))

(19 (20 (21

Р+к{с?+сА)У

где = *2(р)=ехрГ-Къ{р) = К2{р\\-К{{р)).

На рисунке 4 представлены результаты численного моделирования процесса иде ального вытеснения (14)-(16) с сосредоточенными входами и выходами в пакете ЯтаПп системы научных и инженерных вычислений МАЛЪАВ при V = 2 м/с, к = 100 л/(моль-с С[° = 0.011 моль/л , С2 = 0.01 моль/л , 1 = 30 м с различными значениями входных воз действий.

и

;.......

— —-----:

5 ю 15 3! 35

1.С

4?,(')=0.1 А£2(/)=О

г:

...........!........;............ ! ! : .......!..........1......

!

..........1.........!........ : ;

Аа(0=о А&(/)=О.1

............1.........1.........\13~~~ ---2

.............!..............1.............1...........|.............|..............

3 :

Д&(г) = 0.1 А&2(/) = 0.1

Рисунок 4 - Иллюстрация изменения концентраций компонентов

в процессе идеального вытеснения с учетом химической реакций(1 - концентрация дс,(£,р),2-концентрация ЛС2(£,р))

Линеаризованная модель процесса диффузионного вытеснения (6)-(9) в малых отклонениях от стационарного состояния приводится, подобно (14)-(16), к следующему виду:

81

81

(22) (23)

81 81 81

О</</.; ¿>0, с граничными и начальными условиями:

ДС,(0,г)=ДЯ1(/); = ДС2(0,/)= ДЯ2(?); = (24)

9/ 01

ДС, (/,о)= С,0; ЛС2 (/,0) =:С2°. (25)

При этом структурная схема процесса по-прежнему может быть представлена в форме рис. 2, для которой передаточные функции Щ(1,ц,р) и 1Г2 (/, Т|, р) теперь уже описываются в форме разложений в бесконечные рядя:

и=1 И=1 Р+1Х2л

Здесь ф(Х„,/), ф(л„,г]) - собственные функции модели объекта

(27

>.„ - положительные корни трансцендентного уравнения

(28

2

величина £„ определяется из соотношения

Е 2 =_4Я.„Р

Ц|„2, ц2и2 ~~ собственные числа, которые определяются из выражений:

+ + + + (30

1я I,2 4£> 2 2л ¿2 40 1

Составляющие стандартизирующих функций на входе объекта имеют вид:

// (Л, р) = А-, {рЩч)-^5'(п))+ С,0; (31

/2 (Л, Р) = ^2(Р)ЫП)-П8(г]))+ С2°. (32

Передаточные функции блоков Щ и \У2 относительно сосредоточенных управляю щих воздействий Ая^р) и Дg2(p) принимают на основании (26) следующий вид:

, ч , ,, Х.Е„2ехр|— / (этГ]

,33

„=1 ¿к«

Выражения (33) бьши приведены к виду

*,(/,,)=<(/)-(34

обеспечивающему существенное улучшение сходимости рядов в (33) и, как следствие возможность построения более простых численных моделей, где установившееся значе ние переходной функции объекта ДС,*(/) находится из уравнения стационарного состоя ния модели объекта:

' ^ £ тУ гпехр(гп£)-гпехр(гп/.)

У±4У2 +АОкС

гп,п =:--212 ' >2' (Зб

Применительно к сосредоточенным управляющим воздействиям (р) 1

управляемым величинам АСг(Ь,р), ДС2(/.,р) структурная схема диффузионного про цесса вытеснения с учетом химической реакции приведена к виду (рис. 5), содержаще;

только звенья с сосредоточенными параметрами, передаточные функции которых содержат бесконечные ряды с улучшенной сходимостью.

--^-^ЛСдА/р)

Мл>

»12 Ы

щ Ы

/

! /

с2°— —► »32 Ы

—► М/0 1 \

4йЫ— — ► ^22 {Р)

где

Рисунок 5 - Структурная схема диффузионного процесса вытеснения с сосредоточенными входами и выходами

Здесь передаточные функции имеют вид:

^з,(р) = >»3,р); г = 1,2; У = 3 - г,

Е„

Я=1

т.

из

IV,

•/1

ип=\

и=1 Еп £ п=1

-------^------+

; ОГуь* VI} г2 2 , 2

— -2-а + Ьа +\„

УЮ) 20

Е Ьаехр^а- " ) " ^ со5(Л„)

В

УЬ

го

-2 ~а + 1?а2 + 1п2 2П

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

Приведение к виду рис. 5 выполнено с помощью специальных структурных преобразований схемы рис. 2, требующих решения интегральных уравнений Фредгольма с вырожденным ядром при нахождении передаточных функций при встречно-параллельном соединении распределенных блоков. Ортонормированность собственных функций блоков и 1¥2 в схеме рис. 2 обеспечивает получение точных решений этих интегральных уравнений.

На рисунке 6 представлены результаты численного моделирования диффузионног процесса вытеснения, моделируемого структурой на рис. 5 при V = 0.1 м/с, £> = 0.05 м2/с ¿ = 100 л/(молЬ'с), С® = 0.003 моль/л, С\ = 0.002 моль/л, Ь= 1 м, N = 36 с различным значениями скачкообразных входных воздействий.

"»-и"

1.С

д?1(0=о.02,дг2(/)=о

—1 5—2

! /

/ / ...... ; I !

, I ¿, 311

¿й(0 = О. Ая2М = 0.02

Да(/) = 0.02, Д^(/)=0.02

Рисунок 6 - Результаты численного моделирования (1 - концентрация АС\{[., />); 2 - концентрация ДС2 (£,/>))

На основе математической модели (2)-(5), (11)-(13) процесса химической нейтрализации серной кислоты построена структурная схема объекта управления, учитывающая нелинейные связи между взаимодействующими компонентами, обусловленные эффектом химической реакции (рис. 7). Линейная часть структуры объекта аналогична представленной на схеме рис. 2. Входным воздействием объекта является объем подаваемой

щелочи а в качестве выходной величины рассматривается значение водородного показателя рН раствора на выходе пробоотборной трубки.

Здесь трубопровод рециркуляции описывается моделью (2)-(5) идеального вытеснения с учетом химической реакции. Для нее входными воздействиями являются задания концентраций кислоты и щелочи на входе в трубопровод рециркуляции. Распределенная

передаточная функция Шт (/, т], р) определяется из выражения (17) при Ь]=Ь2 = ~-

Изменение концентраций кислоты и щелочи в баке нейтрализаторе описывается диффузионной моделью вытеснения (12) с учетом химической реакции, дополненной системой уравнений (11), (13), которая описывает изменения концентрации продукта реакции Л(/, р] и концентрации серной кислоты С„ (/, р) в застойной зоне. Распределенная передаточная функция }¥б(1,Т],р) определяется из выражения (26) при

и

+---.

40

Труба рециркуляции

Ш^ГЛ^ЪР)

-20

5(ч-4.)

Пробоотборная трубка

> 8(п-4)

(о}» щЫр)

рН

Бак

й [™Н

I

_кеНЬз1

а

—[¡(^¿ЛЬ-.

[то]--^-¿ДУ-п))-

1г6(1,г},Р) «——[Б7(о]

15(/-п) р

У6Ь (/)

н

2Г

Рисупок 7 - Структурная схема процесса химической нейтрализации

Учет нелинейного эффекта химической реакции оказывается необходимым в условиях протекания процесса нейтрализации со значительными изменениями начальных величин концентраций реагирующих компонентов.

Нелинейный элемент «НЗ» представляет собой множительное звено, учитывающе эффект химической реакции, пропорциональный произведению концентраций взаимо действующих сред в уравнениях (2) и (6) моделей диффузионных процессов.

Блок «F» используется для вычисления концентрации щелочи в трубопроводе поел добавления известковой воды через регулятор извести:

где C62(¿6,í) — значение концентрации щелочи на выходе из бака, моль/л; Q2 - объе щелочи поступающей из бака, л; Сщ - концентрация добавляемой щелочи через регуля тор извести, моль/л.

Исследуемый раствор попадает в рН-метр через пробоотборную трубку, у которо' отношение длины к диаметру больше 100, поэтому в качестве модели можно использо вать модели идеального вытеснения :

8t di с граничными и начальными условиями:

Ся(0,/) = Си1(1о,/)-Си2(Ьо,г); (49

Cn(l,0) = Clo~C2a, (50

где Cn{l,t) - распределение концентрации раствора по длине пробоотборной трубки La - координата точки отбора исследуемой жидкости из трубопровода рециркуляцит (О < La < Lm); Vn - скорость движения жидкости по пробоотборной трубке.

В качестве входного воздействия выбрана разность концентраций кислоты и щелоч! в точке отбора, так как можно считать, что за время прохождения по пробоотборно трубке химическая реакция закончится.

Значение водородного показателя раствора связывается со значением Cn{Ln,t) из вестным выражением:

РЯ(/) = -1ё(2-Ся(^,/)). (51

Для исследования предлагаемой модели процесса химической нейтрализации был разработана численная модель в системе конечно-элементных расчетов COMSOL Muí tiphysics, в которой уравнения объекта определены в виде PDE-моделей (Partial Difieren tial Equation).

С целью задания входных воздействий произвольной формы используется систем Simulink, дополненная блоком функции, позволяющим на каждом шаге динамическог расчета обращаться к PDE-моделям для вычисления полей концентрации.

Сравнение приведенных на рис. 8 результатов численного моделирования с данны ми эксперимента свидетельствуют о приемлемой точности численной модели.

Переходные характеристики по рН были получены при открытии регулятора извес ти на 10% на пять минут.

100 230 300 400 500 Б00 700 000

Рисунок 8 - Результат сравнения численной модели процесса нейтрализации и активного эксперимента (1 — выход модели; 2 — результат эксперимента)

Четвертая глава посвящена синтезу систем автоматического управления рассматриваемыми процессами химической технологии.

Применительно к задаче стабилизации установившихся режимов химико-технологических установок непрерывного действия проблема сводится к аналитическому конструированию регуляторов для линеаризованных моделей (22)-(25) диффузионных процессов.

Применение к уравнениям объекта конечных интегральных преобразований с ядрами, равными его собственным функциям, приводит к представлению модели (22)-(25) бесконечной системой линейных уравнений относительно коэффициентов (временных мод) ЛС;«(^Гп,/), АС2»(и2п>1) разложения ДС,(/,/) и ДС2(/,/) в бесконечные ряды по

ш

Л

ДС1п(р1л,0)=С1°(ц1л); ДС2я(ц2я,0)=С2°(Ц2л); « = 1,2,...,

где

/

у_

2 О УВ

¿2 п = Кп

V

— + (— 2 в ^в

2и 4£> 1

(52)

(53)

(54)

(55)

Ограничиваясь учетом конечного числа N членов указанных рядов, получим приближенное описание объекта управления с временными модами АС\п, ДСг л в роли переменных состояния:

^^=АДС+Ви; (56)

йЙ

ДС(о) = С° (57

где ДС = (ДСЬ ДС2)Г, С° = (С?,С?)Г, ДС1=(лС1Л)Г, ДС2=(ДС2и)Г - векторы

столбцы переменных состояний; С(,' = (с®п(ц1п)) , С® = (с,,, (ц2п)) , п = 1,ЛГ; Т- симво; транспонирования; А представляет собой 2N^x2N матрицу:

А =

В - 2^x1 матр!ща-столбец Вектор и имеет вид

■Ни 0 0 -кС* 0 0

0 0 0 0

0 0 -1-4 0 0 -кС®

кСп 0 0 -1*21 0 0

0 0 0 0

0 0 -кС\ 0 0 -Имг

(58

(59 (60

и = [Д.?1 Дг2Г

либо и = Д^,, а Д£2 рассматривается в качестве возмущающего воздействия.

Для объекта (56)-(57) всегда можно найти известными способами такую матрицу постоянных коэффициентов обратных связей по всем переменным состояния с линейныл законом управления

и = -КА С, (61

при которой достигается любые заданные распределения корней характеристическо1 полинома с отрицательной действительной частью, и следовательно, обеспечиваются не обходимые качественные показатели функционирования системы в статических и дина мических режимах работы. Для реализации алгоритма управления (61) должна быть пре дусмотрена возможность полного (в идеализированном варианте) измерения распреде ленного выхода объекта, в частности, с помощью специального наблюдателя состояния для получения необходимого сигнала обратной связи, по которому в специальном блок Н (анализаторе) вычисляются временные моды А Си, А Сгп, и = 1,Л^, по правилам опре деления коэффициентов разложения управляемых величин в бесконечные ряды по соб ственным функциям (рис. 9).

с4

Рисунок 9 - Система автоматического управления по переменным состояния

Если первые N значений матрицы постоянных коэффициентов К выбрать равным значениям собственных функций с весовым коэффициентом в некоторой фиксированно! точке 1 = 1° 6 [0, , а остальные принять равными нулю:

о, п = ¥+ЩГ,

где /Г - постоянный коэффициент передачи, одинаковый для всех мод, то в таком случае, используя разложение управляемой величины в ряд по собственным функциям модели объекта, получим для управляющего воздействия (61) при ТУ —»со:

и = Ф^/^С.Л^Ь-КХМ. (63)

Аналогично, при

будем иметь

*» =

О, п = ],Щ

\ К,

2М,

(62а)

(63а)

и = -<ДС2(/°Д

Таким образом, задача сводится к построению значительно более простых автономных систем пропорционального регулирования концентраций С((Ь,?) и С2 (£,?), если выбор кп согласно (62) и (62а) обеспечивает необходимое качество управления рассматриваемым объектом. На рис. 9 приведена структурная схема системы автоматического регулирования концентрацией С,. При этом объект управления в структуре такой системы описывается передаточными функциями (37)-(46).

СГМ

с° АС,

ЪМ

К*

и(р)

Рисунок 9 - Система автоматического регулировапия концентрации С,

Анализ режимов работы замкнутых системы с регуляторами (63) и (63а) и численной моделью объекта управления, выполненный с помощью системы визуального моделирования Бтаи^пк пакета МАТЬАВ показывает, что надлежащий выбор коэффициентов усиления К* и К\ обеспечивает удовлетворительное качество отработки задающих и возмущающих воздействий. Некоторые численные результаты приведены на рисунке 10 при V = 0.1 м/с, £> = 0.05 м2/с, ¿ = 100 л/(моль-с), С,0 = 0.01 моль/л, С° = 0.01 моль/л, 1 = 1 м, N = 36, К* =4 в системе рис. 9.

0 0708 0.07156 -0.0704 - -00702 •

ï o.orl

1S 20 25 30

a) 6)

Рисунок 10 - Переходные процессы для C,(i,f) в САР при скачкообразных воздействиях (а - по управляющему воздействию; б - по возмущающему)

Для процесса химической нейтрализации серной кислоты, моделируемого системой нелинейных уравнений (2)-(5), (11)-(13), (47)-(55) и структурной схемой рис. 7, рассмотрена задача оптимального управления на максимум точности приближения к нейтральному состоянию раствора с нулевыми значениями концентраций Ci(LIj,ik) = C2(Ln,(k) кислоты и щелочи в пробоотборной трубке в конечный момент времени tk. Требуется найти управляющее воздействие g(i), стесненное ограничением

оМО^а™*

для объекта (2)-(5), (11)-(13), (47)-(55) с заданным начальным состоянием С10, С20 рое обеспечивает минимальное значение концентрации Сх (Ln,tk)

C,(Z/7,/i)->m in

(64) кото-

(65)

(66)

за фиксированное время tk в условиях

C2{Ln,tk)= 0.

Показано, что для сложной нелинейной модели процесса (2)-(5), (11)-(13), (47)-(55) оптимальное по критерию (65) управление g (г) следует искать в классе кусочно-постоянных (релейных) функций, принимающих только свои предельно-допустимые значения в (64) с двумя интервалами постоянства в соответствии с двумя управляемыми величинами С, и С2, что в итоге приводит к определению g*{t) с точностью до длительностей А,, Д2 интервалов постоянства оптимальной программы:

[0,i sfA^Aj +Д2].

Численное интегрирование нелинейной системы уравнений (2)-(5), (11)-(13), (47)-(55) модели процесса при управлении (67) позволяет найти функциональные зависимости Cl(LII,tk) = C^(Ln,Al,tk), C2(Ln,tk)= C2{Ln,Ax,tk) от параметра А, для каждой заданной величины tk = А| + Д2 = const, описывающие в параметрической форме соответствующие кривые на плоскости Cx{bn), С2(ЬП), точки пересечения которых С* с осью

*(0=

С, определяют искомые значения ггпп С\([<п,1к) являющиеся решением рассматриваемой задачи оптимального управления.

На рис. 11 представлены некоторые результаты численного решения этой задачи описанным способом при ¥б = 0.8 м/с, Ут =1.3 м/с, Уп = 0.2 м/с, Ов = 0.05 м2/с, кб-кт= 1200 л/(моль-с), Ьб = 8 м, = 35 м, = 25 м, /,я=4м

значения концентраций С,(£я), С2(ЛЛ)

(1 = 150с, 2 - ^ = 200с,3- = 300с,4- /д =500с)

Соответствующая зависимость ттС^Лд,^) от времени процесса построенная по расчетным результатам показана на рисунке 13.

к

Рисунок 12 - Зависимость

Синтез замкнутой системы управления, автоматически отрабатывающей расчетную оптимальную программу (67) может быть выполнен для определенной области начальных состояний С10, С20 путем построения релейной системы автоматического регулиро-

вания с обратными связями по текущим значениям Cx{Ln,t), C2(Ln,t) и линейной функ цией переключения

й(С,(^,^С2(Ья,0)=Р1(с;^(¿^фрДс'-С^Д (68

где pj, р2 - коэффициенты обратных связей; С,, С2 - заданные конечные значени концентраций, определяемые при заданном tk = со/и/ решением задачи программног оптимального управления:

С2 = 0; С,* = min С, (¿я, tk). (69

Из равенства HC^Ljj ,t\C2{Ln ,t)) = 0 в момент t = Д| переключения управлени (67) для известных по результатам расчета программного управления значени C\(Ln,t)i=& , C2{Ln,t)|(=д находится один из коэффициентов обратной связи при выби

раемом произвольным образом значении второго коэффициента. Например, при р, = получим:

Р2'

С2(£л,Д,)-С2 '

Структурная схема замкнутой системы приведена на рисунке 13.

(7'

Pi

Р2

ОУ А .

id *

\С2 M«

Рисунок 13 - Структурная схема замкнутой системы управления На рисунке 14 приведены изменения концентраций кислоты и щелочи при 1к = 200с

„хЮ"'

1

's

i ■ X 4

100 t,c

200

Рисунок ! 4 - Переходный процесс при = 200с (1 - С, (Ln,t); 2 - С2(Ln,t))

В заключение перечисляются основные результаты проведенных диссертационных исследований:

1. Разработаны базовые математические модели диффузионных процессов химических технологий с учетом двухкомпонентной химической реакции между подвижными средами, проблемно-ориентированные на задачи автоматического управления полями концентраций взаимодействующих потоков.

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

3. Методами теории управления в пространстве состояний разработаны методики аналитического конструирования регуляторов в системах стабилизации стационарных состояний диффузионных процессов химической технологии.

4. Предложена постановка и методика решения задачи оптимизации процесса химической нейтрализации сточных вод на ТЭЦ при его заданной длительности по критерию максимальной точности приближения к нейтральному состоянию раствора.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Мандра А.Г. Постановка задачи математического моделирования процесса диффузии осложненного химической реакцией // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические пауки». Самара: СамГТУ, 2009. №1(23). с. 229-232.

2. Мандра А.Г., Рапопорт Э.Я. Альтернансный метод в задаче оптимального по быстродействию управления процессом диффузии // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». Самара: СамГТУ, 2010. №2(26). С. 244-247.

3. Мандра А.Г., Рапопорт Э.Я. Структурное моделирование управляемых процессов диффузии в условиях химической реакции между взаимодействующими компонентами // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические пауки». Самара: СамГТУ, 2010. N»7(28). С. 164-171

Список публикаций в материалах научно-технических конференций

4. Мандра А.Г. Синтез системы автоматического управления процессом нейтрализации как объектом с переменной структурой // Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2005». Секция «Вычислительная математика и кибернетика». М.: Издательство отдела факультета ВМиК МГУ, 2005 - 37 с.

5. Мапдра А.Г. Разработка модели процесса нейтрализации регенерациоииых стоков химического цеха ТЭЦ ВАЗа // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научпой конференции молодых ученых в 7-и частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. Часть I. - 146-147с.

6. Мандра А.Г. Синтез системы автоматического управления объектом с переменной структурой // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Одиннадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. М.: МЭИ, 2005. Т.1. - 405-40бс.

7. Мандра А. Г. Синтез системы автоматического управления процессом нейтрализации ре-геперациопшлх стоков химического цеха ТЭЦ ВАЗа // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Двенадцатая Междунар. Науч.-техн. Копф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2006. Т. 1.-495-496 с.

8. Мандра А.Г. Моделирование процесса нейтрализации регеперационных стоков // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Тринадцатая Междунар. Науч.-техн. Конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2007. Т. 1. - 345-346 с.

с

1

9. Мандра А.Г., Филлипова Е.В., Сазонов Д.О., Лойко АЛО. Компьютерное моделировали динамики проведения процесса нейтрализации как объекта с распределенными параметрами // Мат риалы итоговой конф. студенческих коллективов. Самара, СамГТУ. Часть 2,46-47 с.

10. Мандра А.Г. Построение структурной схемы модели нейтрализации кислых стоков хими ческого цеха как объектом с распределенными параметрами // Молодежь и современные ииформацион ные технологии. Сборник трудов VI Всероссийской научно-празсгической конференции студентов, ас пирантов и молодых ученых. Томск, 26-28 февраля 2008г, 500с. 189-190.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.03 ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (протокол №1 от 14 февраля 2011 г.)

Заказ №315. Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,2 Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии Самарского государственного технического университета 443100, Самара, Молодогвардейская, 244 корпус 8.

Введение.

1 Проблема очистки производственных сточных вод.

1.1 Способы очистки производственных сточных вод.

1.2 Сточные воды водоподготовительной установки.

1.3 Типовые системы управления процессом химической нейтрализации на ТЭЦ

Выводы.

2 Математическое моделирование типовых диффузионных процессов химических технологий.

2.1 Модель идеального вытеснения.

2.2 Диффузионная модель.

2.3 Диффузионная модель с учетом химической реакции.

2.4 Пространственно-одномерная диффузионная модель вытеснения с учетом химической реакции.

2.5 Пространственно-одномерная модель идеального вытеснения с учетом химической реакции.

2.6 Модель процесса химической нейтрализации сточных вод.

Выводы.

3 Структурное моделирование управляемых процессов диффузии в условиях химической реакции между взаимодействующими компонентами

3.1 Структурное моделирование процесса идеального вытеснения с учетом химической реакции.

3.2 Структурное моделирование диффузионного процесса вытеснения с учетом химической реакции.

3.3 Структурное моделирование процесса химической нейтрализации. 70 Выводы.

4 Автоматическое управление процессами химической технологии в условиях протекания химической реакции между взаимодействующими компонентами.

4.1 Управление диффузионным процессом вытеснения с учетом химической реакции.

4.2 Оптимальное по точности управление процессом химической нейтрализации.

Выводы.

Актуальность работы. Охрана окружающей природной среды -глобальная проблема. Она охватывает весь мир, затрагивает интересы всех стран и народов. Сохранение и воспроизведение природных ресурсов, бережное отношение к природе — составная часть основ развития производительных сил.

Охрана окружающей природной среды представляет собой систему политических, социально-экономических, правовых, научно-технических воспитательных и образовательных мер. Эти мероприятия направлены на сохранение, восстановление природных богатств, рациональное использование природных ресурсов и предупреждение вредного влияния результатов хозяйственной деятельности общества на природу и здоровье человека.

Цель охраны окружающей среды заключается в сохранении природных условий, необходимых для жизни людей на Земле, для дальнейшего развития производства и культуры. Сущность охраны окружающей природной среды состоит в установлении постоянной динамической гармонии между развивающимся обществом и природой, служащей ему и сферой, и источником жизни.

Вместе с тем, по мере развития общества природные ресурсы все более интенсивно вовлекаются в хозяйственную деятельность. Однако природные ресурсы не безграничны. С каждым годом все более дефицитными становятся энергетические, водные, лесные, почвенные и другие ресурсы. Увеличение объема добычи сырьевых и топливно-энергетических ресурсов обходится все дороже. Возникает проблема рационального использования ресурсов.

С другой стороны, антропогенное воздействие на природу превышает ее восстановительный потенциал, что влечет за собой необратимые изменения природной среды не только локального, но и регионального масштаба. Ежегодно выбрасываются миллионы тонн различных твердых и газообразных отходов, водоемы загрязняются миллиардами кубометров агрессивных вод. В результате загрязнения природной среды ухудшается здоровье населения, погибает растительный и животный мир, ускоряется разрушение материалов, зданий и сооружений.

Снижение загрязняющего воздействия человека на окружающую среду является необходимым требованием при организации технологических процессов и производств. В частности, проведение технологической очистки воды (умягчение, обессоливание) приводит к накоплению агрессивных стоков, которые перед сбросом их в окружающую среду должны быть подвергнуты нейтрализации.

Технические устройства для очистки агрессивных сред сильно отличаются компоновкой, числом емкостей, насосным парком и дополнительным оборудованием. Емкости, в которых содержатся агрессивные среды, достигают объемов в несколько сотен кубических метров.

В виду сложности протекающих гидродинамических и физико-химических процессов в емкостях больших объемов используют механические и воздушные перемешивающие устройства (барботеры). Данный парк оборудования существенно увеличивает стоимость проектирования и эксплуатации узла очистки агрессивных сред.

Другой возможный подход - исключение барботеров из технологической цепочки - требует использования автоматической системы непрерывного контроля качества агрессивных сред в процессе их нейтрализации. Разработка и внедрение подобных систем невозможны без наличия адекватных математических моделей контролируемых технологических процессов.

Автоматизация процесса нейтрализации кислых стоков химических цехов ТЭЦ позволяет обеспечить большую точность поддержания водородного показателя (рН) сбрасываемых вод, поскольку отклонение рН как в одну, так и в другую сторону от номинала наносит вред окружающей среде. Реализация системы автоматического управления поддержанием рН в процессе нейтрализации затрудняется сложным, нелинейным характером поведения объекта управления. Для успешного синтеза системы должна быть разработана математическая модель, учитывающая пространственную распределенность объекта, а также протекающие в системе химические реакции.

В этой связи актуальными задачами являются: исследование полей концентрации в химических реакторах различной конструкции как объекта автоматического управления, разработка методов анализа и синтеза распределенных систем автоматического управления полем концентрации, теоретическое и экспериментальное исследование алгоритмов и систем управления процессами химической технологии.

Диссертация, посвященная решению этих задач выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (государственный контракт №П832 от 17 августа 2009).

Целью работы является разработка и исследование моделей, алгоритмов и систем управления объектами с распределенными параметрами в технологических процессах химической нейтрализации агрессивных сред.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математических моделей управляемых диффузионных процессов химической технологии.

2. Структурное моделирование технологических процессов химической очистки кислых стоков как объекта управления с распределенными параметрами.

3. Анализ и синтез алгоритмов и систем автоматического управления пространственно-распределенными диффузионными процессами химической нейтрализации взаимодействующих сред в промышленных химико-технологических агрегатах.

4. Разработка алгоритма оптимального управления процессом химической нейтрализации на ТЭЦ.

5. Численное моделирование объектов и систем автоматического Управления базовыми химико-технологическими процессами диффузии в условиях химической реакции между взаимодействующими компонентами. 6

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, аппарат преобразования Лапласа и конечных интегральных преобразований, теория диффузии, теория автоматического управления, теория оптимального управления системами с распределенными параметрами, методы структурной теории распределенных систем, методы компьютерного моделирования и экспериментального исследования динамических объектов и систем управления.

Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области пространственно-временного управления процессами диффузии, осложненными химическими реакциями между взаимодействующими компонентами. Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи синтеза систем автоматического управления химико-технологическими объектами с распределенными параметрами.

В диссертации получены следующие основные результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Разработаны проблемно-ориентированные на задачи управления математические модели базовых диффузионных процессов химических технологий, отличающиеся от известных учетом влияния застойных зон в емкостях технологических агрегатов и двумерного характера пространственного распределения управляемых величин в условиях гомогенных химических реакций между подвижными взаимодействующими компонентами, что приводит к существенному повышению точности моделирования исследуемых явлений.

2. Получено не имеющее известных аналогов структурное представление базовых моделей химико-технологических процессов нейтрализации вредных выбросов как объекта управления с распределенными параметрами, позволяющее получить обоснованные решения задачи синтеза систем автоматического регулирования с сосредоточенными управляющими воздействиями и управляемыми величинами.

3. Предложена методика аналитического конструирования регуляторов в системах управления технологическими процессами химической нейтрализации подвижных взаимодействующих сред, базирующаяся, в отличие от известных, на модальном описании объекта управления в бесконечномерном пространстве состояний, что обеспечивает построение регулярной процедуры структурного синтеза на минимальном уровне сложности в условиях заданных требований к качественным показателям процессов автоматического регулирования.

4. Предложена постановка и методика решения задачи оптимального управления, способствующий решению актуальной проблемы повышения точности процесса химической нейтрализации сточных вод на ТЭЦ.

Практической полезностью диссертационных исследований определяется следующими результатами.

- разработаны конструктивные инженерные методики синтеза и предложены реализуемые структуры систем автоматического управления диффузионными процессами в химико-технологических агрегатах;

- разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для моделирования, анализа и синтеза алгоритмов управления технологическими процессами химической нейтрализации агрессивных сред, которое может быть непосредственно использовано для решения конкретных задач автоматизации типовых объектов химической технологии;

- обоснована целесообразность практического использования разработанных моделей и методов построения систем автоматического управления исследуемыми химико-технологическими процессами.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы в виде алгоритмического, математического и программного обеспечения при разработке и внедрении автоматизированной 8 информационно-управляющей системы процессом химической нейтрализации в химическом цехе ОАО «Волжская ТГК» ТЭЦ ВАЗа (г. Тольятти), а так же в учебном процессе ГОУ ВПО СамГТУ при подготовке инженеров по специальности 22.02.01 «Управление и информатика в технических системах», бакалавров и магистров по направлению 22.02.00 «Автоматизация и управление».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2005». Секция «Вычислительная математика и кибернетика» (Москва, 2005), Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2005), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2006), Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006), Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007), итоговой конференции студенческих коллективов (Самара, 2008), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенными на 105 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, список литературы из 53 наименований и 2 приложения.

Основные результаты проведенных диссертационных исследований:

1. Разработаны базовые математические модели диффузионных процессов химических технологий с учетом двухкомпонентной химической реакции между подвижными средами, проблемно-ориентированные на задачи автоматического управления полями концентраций взаимодействующих потоков.

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

3. Методами теории управления в пространстве состояний разработаны методики аналитического конструирования регуляторов в системах стабилизации стационарных состояний диффузионных процессов химической технологии.

4. Предложена постановка и методика решения задачи управления процессом химической нейтрализации сточных вод на ТЭЦ, оптимального по критерию максимальной точности приближения к нейтральному состоянию раствора.

Заключение

1. Путилов A.B., Копреев A.A., Петрухин Н.В. Охрана окружающей среды: Учеб. Пособие для техникумов. М.: Химия, 1991 - 224с.: ил. ISBN 5 -7245 - 0144.

2. Покровский В.Н., Аркачев Е.П. Очистка сточных вод тепловых электростанций. М.: Энергия, 1980. - 256 е., ил.

3. Совершенствование и автоматизация технологии нейтрализации сточных вод: журн. / учредитель Министерство энергетики Российской Федерации. 2003, март - М.: Энергопрогресс, 2003 - Ежемес. - ISSN 00137278. 2003, № 3. - 2000 экз.

4. Пат. RU2 129 993 C1 Российская Федерация, МПК С 02 F 1/66. Способ и устройство нейтрализации стоков |Текст| / Булгаков Б.Б., Булгаков

5. A.Б.; заявители и патентообладатели Булгаков Б.Б., Булгаков А.Б. -97108299/25; заявл. 23.05.1997; опубл. 10.05.1999 6с.: ил.

6. Пат. UA 81 656 С2 Украина, МПК С 02 F 1/66. Способ нейтрализации кислых и щелочных водных стоков и установка для его осуществления. |Текст| / Булгаков Б.Б., Булгаков А.Б., Гурвич Г.А., Доброногов

7. B.Г., Олейник Ю.К.; заявители и патентообладатели Булгаков Б.Б., Булгаков А.Б. а200508352; заявл. 26.08.2008; опубл. 25.01.2008 - 8с.: ил.

8. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1991. 400 е., ил.

9. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. М: Издательство «Химия», 1969, 621с., ил.

10. Стромберг А.Г. Физическая химия: Учебник для химических специальностей вузов / А. Г. Стромберг, Д.П. Семченко; Под ред. А. Г. Стромберга. 5-е изд., испр. -М.: Высш. школа, 2003 - 527 е.: илл. ISBN: 5-06003627-8.

11. Кэмпбелл Д.П. Динамика процессов химической технологии. М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1962-351 е.: ил.

12. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М: Издательство «Химия», 1971. - 496 с.

13. Воробьев А.Х. Диффузионные задачи в химической кинетике.

14. Учебное пособие М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003. - 98с.,ил. ISBN 5-211-060962.

15. Нагиев М.Ф. Основы разработки комплексных химических процессов и проектирования реакторов. Баку: Азербайджанское государственное издательство, 1961 -490с., ил.

16. Рапопорт Э.Я. Структурное моделирование объектов и систем управления с распределенными параметрами. -М.: Высш. шк., 2003. 299 с.

17. Бутковский А.Г. Структурная теория распределённых систем. М., Наука, 1977.

18. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределенными параметрами (справочное пособие). Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М., 1979, 224 стр.

19. Бугров Я.С. Высшая математика: Учеб для вузов: В 3 т./Я.С. Бугров, СМ. Никольский; Под ред. В.А. Садовничего. -5-е изд., стереотип. — М.:Дрофа, 2003.

20. Бесекерский В. А. Теория систем автоматического регулирования. Издание третье, исправленное. Бесекерский В. А./ Попов Е. П., издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, М., 1975, 768 стр.

21. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 3-х т. / Под общ. ред. Н.Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000.

22. Дьяконов В .П. Matlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения. М.: СОЛОН-Пресс, 2005. 800с.

23. Дьяконов В.П. Matlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и моделировании. М.: СОЛОН-Пресс, 2005. 576с.

24. Калинин В.В. Обыкновенные дифференциальные уравнения (пособие для практических занятий). ФГУП Изд-во «Нефть и газ». РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005 - 68с.

25. Манжиров A.B. Методы решения интегральных уравнений: Справочник / Манжиров A.B., Полянин А.Д. М.: Факториал, 1999, 272 с.

26. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и z-преобразования. М.: Наука, 1971.

27. Лазарев Ю.Ф. MatLab 5.x. Библиотека студента. К.:Издательская группа BHV, 2000 .

28. Медведев B.C., Потемкин В.Г. Control System Toolbox. Matlab 5 для студентов / Под общ. ред. к.т.н. Потемкина В.Г. М.: Диалог-МИФИ, 1999.

29. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами в системе MatLab. СПб.: Наука, 1999.

30. Солодянников В.В. Расчет и математическое моделирование процессов водоподготовки. Москва.: Энергоатомиздат, 2003 - 384 с.

31. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия: Учеб. Для хим.-технолог. Спец. Вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Шк., 1984. -519 с.

32. Integrated Heat Air and Moisture Modeling and Simulation / by Jos van Schijndel, Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2007 p. 220.

33. Девятов Б. H. Динамика распределенных процессов в технологических аппаратах, распределенный контроль и управление / Девятов Б. Н., Демиденко Н. Д., Охорзин В. А. // Красноярское кн. изд-во., 1976. 310 с.

34. Лежнев М.В. Структурное моделирование и автоматическое управление температурой абсорбента в теплообменном аппарате установкикомплексной подготовки газа : автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.13.06. -Самара, СамГТУ, 2008.

35. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Гурьева JI.B. Оптимизация теплообменных процессов и систем. -М.:Энергоатомиздат, 1988.

36. Рапопорт Э. Я. Анализ и синтез систем автоматического управления с распределенными параметрами: Учеб. пособие. М.: Высшая шк., 2005. 292 с.

37. Рапопорт Э.Я. Оптимальное управление системами с распределенными параметрами. М.: Высш. шк., 2009. — 677 с.

38. Рапопорт Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации. М.: Наука, 2000.

39. Алексеев A.A., Имаев Д.Х., Кузьмин H.H., Яковлев В.Б. Теория управления /Под ред. В.Б. Яковлева. СПб.: ГЭТУ, 1999.

40. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными объектами. М.: Наука, 1976.

41. Первозванский A.A. Курс теории автоматического управления. -М.: Наука, 1986.

42. Теория автоматического управления ч.1. /Под ред. А.А.Воронова -М.: Высшая школа, 1986.

43. Теория автоматического управления ч.П. /Под ред. А.А.Воронова -М.: Высшая школа, 1986.

44. Афанасьев В.Н. Математическая теория конструирования систем управления / Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. М.: Высшая школа, 2003.

45. Рей У. Методы управления технологическими процессами. М.: Мир, 1983.

46. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными объектами. М.: Наука, 1976.

47. Воронов A.A. Введение в динамику сложных управляемых систем. -М.: Наука, 1985.

48. Турецкий X. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием. Пер. с польского. М., «Машиностроение», 1974, 328 с.

49. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984. 541 с.

50. Ким Д.Т. Теория оптимального управления. Т.2. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы. М.: Физматлит, 2007.

51. Самарский A.A. Теория разностных схем. М: Наука, 1977. 656 с.

52. Методы классической и современной теории автоматического управления. Т.4. Теория оптимизации систем автоматического управления / Под ред. К.А. Пупкова и Н.Д. Егупова. М.: МГТУ, 2004.

53. Рапопорт, Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. М.: Металлургия, 1993. 279 с.

54. Моисеев H.H. Элементы теории оптимальных систем. М.: Наука, 1975.

55. Пупков К.А. Методы синтеза оптимальных систем автоматического управления / Пупков К.А., Фалдин Н.В., Егупов Н.Д. М.: МГТУ, 2000.