Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий

Актуальность работы. Охрана окружающей природной средыглобальная 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

.