Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ТИХОМИРОВ Сергей Германович
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ В ПРОЦЕССАХ РАСТВОРНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и о бработка информации (в пищевой и химиче ской промышленности) А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Воронеж - 2008
Работа выполнена на кафедре информационных и управляющих си стем ГОУ ВПО Воронежской государственной технологической академии
Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Битюков Виталий Ксенофонтович
Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Гордеев Лев Сергеевич, РХТУ им. Д.И. Менделеева Д октор технических наук, профессор Матвейкин Валерий Григорьевич Тамбовский государственный технический университет, Д октор технических наук, профессор Корыстин Сергей Иванович, Воронежская государственная технологич еская академия
Ведущая организация: ФГУП НИИСК, г. Воронеж
Защита состоится л 19 июня 2008 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.035.02 в Государственном образовател ьном учреждении Воронежской государственной технологической акад емии по адресу: 394017, г. Воронеж, проспект Револ юции, 19.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.
Автореферат разослан л __ ______ 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Хаустов И.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Основной целью управления больши нством технологических процессов является достижение заданного к ачества производимой продукции. В то же время во многих случаях технические средства измерения показателей качества либо отсутствуют, либо не удовлетворяют требованиям оперативного управления качеством. В такой ситуации для получения необходимой информации можно использовать методы математического моделирования технол огических процессов с целью получения зависимости неизмеряемых показателей качества от оперативно измеряемых характеристик да нных процессов. Но даже при условии решения задачи определения п оказателей качества в процессе производства возникает еще одна пр облема - разработка методов управления качеством производимого продукта, отличающихся от традиционно используемых методов управл ения технологическими процессами.
Типичными примерами технологических процессов являются процессы получения синтетических каучуков и термоэластоп ластов методами растворной полимеризации. Наиболее важными показателями качества синтетических каучуков, соответствующими требованиям Гос ударственного стандарта (ГОС), являются пласто -эластические характеристики каучуков: вязкость по Муни ( Mh) и пластичность по Карреру (Pl).
Оперативный контроль показателей качества производимых каучуков отсутствует, а управление технологическими процессами осуществляется методами регулирования режимных технологических параметров, что обуславливает запаздывание по коррек тировке качества производимых каучуков. Это приводит к негативным последствиям в условиях крупнотоннажности технологических процессов и существенного влияния неконтролируемых возмущений на различных стадиях производства. Поэтому поставленная для решения в диссертации проблема разработки методов управления качеством продукции для технологических процессов растворной полимеризации в производстве эластомеров является акт уальной, а ее решение имеет научное и народно-хозяйственное значение.
Данная работа является продолжением исследований по модел ированию и управлению процессами растворной полимеризации, кот орые в течение длительного времени проводились в РХТУ им. Д.И.
Менделеева под руководством академика В.В. Кафарова, в ВГТУ под руководством профессора С.А. П одвального и в отраслевых НИИ (НИИСК (г. Санкт-Петербург), НИИСК (г. Воронеж), ОКБА (г. Мос ква)).
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы я вляется разработка методологии построения систем управления и методов формирования математических мо делей молекулярно-структурных характеристик полимеров в режиме реального времени на основе о бработки получаемой информации для периодических и непрерывных технологических процессов в производстве эластомеров, обеспечивающих достижение заданного качества производимой продукции.
Реализация поставленной цели осуществляется посредством р ешения следующих задач:
1.Системный анализ процессов, методов косвенных и прямых измерений характеристик качества полимеров, систем контроля и управления для типовых периодических и непрерывных технологич еских процессов растворной полимеризации.
2.Обоснование методологии конструирования и разработка математических моделей периодических и непрерывных процессов ра створной полимеризации с учетом связи показателей качества и стру ктурно-молекулярных свойств полимеров с контролируемыми и упра вляющими переменными, определяющими протекание технологич еских процессов на всех стадиях производства.
3.Получение и обоснование связей реологических характеристик растворов полимеров с пласто-эластическими свойствами, определяющими их показатели качества.
4.Разработка методов контроля, позволяющих в режиме реальн ого времени по доступной информации о состоянии технологическ ого процесса оценивать показатели качества производимых полимеров:
вязкости по Муни и пластичности по Карреру.
5.Постановка и решение задачи оптимального управления путем введения показателей качества технологических процессов раство рной полимеризации в пространство управляемых переменных с использ ованием динамических моделей и аппарата нечеткой логики.
6.Разработка и апробация в условиях реального производства алгоритмического и программного обеспечения для реализации методов моделирования и расчетов управляющих воздействий в замкнутой си стеме оптимального регулирования показателей качеств а производимых полимеров с применением ЭВМ.
Методы исследования. В работе используются общая методол огия системного анализа и моделирования сложных систем, методы физической химии, термодинамики и теплофизики, гидростатики и гидродинамики, математической статистики, математического моделирования и дифференциального исчисления, методы идентификации, те ория оптимального управления динамическими системами и эксперимент.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разрабо тке комплексного системного подхода, методологии и решения многофакторной задачи управления качеством производимых в растворе полим еров и характеризуется следующими результат ами:
1. Математические модели периодических и непрерывных те хнологических процессов растворной полимеризации, дополненные уравнениями, позволяющими рассчитывать эволюцию структурно молекулярных свойств и связанных с ними показателей качества п олимеров на ключевых стадиях указанных процессов.
2. На основе экспериментальных исследований получены и обо снованы зависимости реологических характеристик растворов полим еров от их пласто-эластических и структурно-молекулярных свойств:
средней молекулярной массы, коэффициента полидисперсности и п араметра разветвленности в широком диапазоне их изменения. Получено решение обратной задачи определения структурно -молекулярных свойств полимеров по значениям эффективной вязкости растворов п олимеров при различных скоростях сдвигов, что позволяет получать информацию о формировании производимой продукции с различным композиционным составом.
3. Разработан метод определения эффективной вязкости раств оров полимеров при различных скоростях сдвигов, основанный на и змерении физических характеристик технологического процесса: пер епаде давлений и потребляемой электрической мощности на перемеш ивание реакционной среды, непосредственно связанных с указанной эффективной вязкостью. Предложен гидростатический и тепловой м етод определения концентрации полимера и конверсии мономера. На основе этих методов создана система контроля показателей качества полимеров в режиме реального времени в условиях неоднородности фракционного состава полимеров.
4. Решена задача управления качеством производимой проду кции для непрерывных и периодических технологических процессов растворной полимеризации с использовани ем динамических моделей и аппарата нечеткой логики.
На защиту выносятся:
1. Комплекс математических моделей периодических и непреры вных процессов растворной полимеризации с учетом эволюции показателей качества и структурно-молекулярных свойств полимеров.
2. Уравнения связи структурно-молекулярных (средняя молек улярная масса, коэффициент полидисперсности, параметр разветвле нности) и качественных (вязкость по Муни, пластичность по Карреру) свойств полимеров с экспериментально измеряемыми вязкостными характеристиками растворов полимеров.
3. Методы контроля, обеспечивающие на ключевых стадиях синтеза полимеров в режиме реального времени получение оценок показ ателей качества полимеров с помощью прямого измерения рекоменду емых физических характеристик технол огического процесса.
4. Решение задачи оптимизации управления динамической си стемой, удовлетворяющей условиям управляемости и наблюдаемости, посредством введения оценок ненаблюдаемых переменных состояния системы на основе предложенных методов косвенных из мерений.
5. Постановка и решение задачи управления качеством период ических и непрерывных технологических процессов растворной пол имеризации путем введения показателей качества производимых полимеров в пространство управляемых переменных системы с использ ованием динамических моделей и аппарата нечеткой логики.
Практическая значимость работы состоит во внедрении разраб отанных методов контроля и управления, алгоритмического и пр ограммного обеспечения в реально действующие производства полим еров в растворах.
Основные теоретические и практические результаты диссерт ации апробированные в производстве, можно рекомендовать для вн едрения на предприятиях СК и применения проектным организациям при проектировании и модернизации технологических процессов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции Автоматизация и робот изация в химической промышленности, Тамбов, 1988; В сесоюзной конференции Математическое моделирование сложных химико технологических систем, К азань, 1988; Всесоюзной конференции Методы кибернетики химико -технологических процессов, Москва, 1989; Международной конференции, Intensivierung der Kautschukherstellung, DDR, 1990; Научно-исследовательской конференции МХТИ, Москва, 1991; Всесоюзной конференции по математическому и м ашинному моделированию, Воронеж, 1991; Республиканской электро нной научной конференции, Воронеж, 1997; Всероссийской конфере нции Синтез и полимеризационные превращения, Каучук -99, Москва, 1999; IV Международной электронно й научной конференции, Воронеж, 1999; Международной отраслевой конференции по метрол огии и автоматизации в нефтехимической и пищевой промышленн ости, Воронеж, 2002; Международной конференции Киберн етика и технологии 21 века, Воронеж, 2003 ; Международной конференции Математическое моделирование информационных и технологич еских систем, Воронеж, 2005; XIX Международной научной конф еренции Математические методы в технике и технологиях, Вор онеж, 2006;
научно-практической конференции Качество науки - качество жизни, Тамбов, 2006.
Результаты работ прошли апробацию на ОАО Ефремовский з авод синтетического каучука и Воронежсинтезкаучук, где под рук оводством и непосредственным участием автора были разработаны и внедрены системы контроля и управления технологическими процессами. Подтвержденный экономический эффект от внедрения результ атов исследований составил более 2 миллионов рублей в ценах 2000г.
Публикации. По результатам произведенных исследований и практических разработок опубликованы 54 научных работы, включая 10 работ в научных изданиях и журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для публикации результатов докторской диссертации, получено 6 патентов и авторских свидетельств на из обретения.
ичный вклад автора. Личный вклад автора заклю чается в постановке задач и их решении. Автором разработаны математические модели [1, 2, 3, 7, 13, 26, 27, 39], методы расчетов для проведения их параметрической идентификации [9-11, 20, 25, 29, 42, 45, 48-51, 53, 54], предложены алгоритмы и написаны прог раммы, реализующие функции моделирования [8, 18, 30, 32-34, 41, 46], расчета управляющих воздействий для замкнутой системы оптимального регулирования [5, 12, 14, 15-17, 19-24, 28, 31, 35-38, 43, 44, 47, 52]. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, я вляются итогом исследований, проведенных автором совместно с сотрудниками РХТУ им. Менделе ева (Москва) и ВГТА (Воронеж). Участие ведущих соавторов публикаций заключалось в следующем: академик В.В. Кафаров, д.т.н. профе ссор В.Н. Ветохин, д.т.н. профессор В. К. Битюков и д.т.н. профессор В.Ф. Лебедев участвовали в постановке задач, обсуждении и интерпр етации результатов, опубликованных в совмес тных работах.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 270 страницах машинописного текста, состоит из введен ия, пяти глав, 57 рисунков, 22 таблиц, заключения, списка литературы из 278 наименований и приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулиров аны цели и задачи, научная новизна диссертационной работы, пре дставлены выносимые на защиту научные положения и результаты.
Первая глава посвящена системному анализу многофакторных характеристик и закономерностей периодических и непрерывных те хнологических процессов получения синтетических каучуков (СК) м етодом растворной полимери зации, математических моделей и методов математического моделирования, исследованию современного уро вня контроля и управления в условиях неполной информации. Провед ено сравнение способов производства СК реакторах периодического (РПД), непрерывного (РНД) и полунепрерывного (РПНД) дейс твий (Табл. 1), рассмотрены стадии исследования процессов растворной п олимеризации (Табл. 2) и выполнен системный анализ по дходов к управлению процессами (Табл. 3).
Исследуемые технологические процессы характеризуются сло жностью и недостаточной изученностью механизмов реакций, нелине йностью, наличием возмущающих воздействий, в том числе св язанных с неконтролируемыми примесями в составе сырья, что необходимо уч итывать при построении математических моделей и систем управл ения.
Основным недостатком существующих математических моделей процессов полимеризации в растворе является отсутствие оценки стру ктурно-молекулярных свойств и связанных с ними показателей к ачества получаемого продукта - вязкости по Муни и пластичности по Карреру, на всех стадиях производственного процесса. Недост аточно изучена связь особенностей гидродинамического движения реакцио нной массы по реакторам каскада с показателями качества пол учаемого каучука.
Используемые средства контроля показателей синтезируемых полимеров основаны преимущественно на лабораторных методах ан ализа, которые требуют большого времени измерения по сравнению с характерным временем изменения параметров технологических пр оцессов. Методы, используемые для управления технологическими процессами, не обеспечивают поддержание молекулярно -массового распределения (ММР) полимеров, необходимого для получения опт имального качества производимого продукта.
Таблица Сравнительный анализ способов производства СК РПД Преимущ ества Недостатки М обильность технологии производства С ложность автоматизации малотонажной продукции Универсальность используемой аппаратуры Н изкая производительность М инимальное время вы хода процесса на режим Лучш ие ф изико-химические условия протекания процесса Увеличение числа паралельно -действую щ их аппаратов для производства многотонажной Возможность совмещ ения аппаратуры для продукции разны х стадий процесса М инимум аппаратуры для ведения процесса Критичность к увеличению объёма аппаратуры Разделение исходны х вещ еств и продуктов реакции временны м барьером М инимальное время ввода установки в - икличность процесса действие Гибкость к конью ктуре ры нка Универсальность по видам используемы х Н аличие межстадийны х реагентов и ф изическим характеристикам переходов РМ Н изкие требования по надежностны м характеристикам Возможность изучения ф изико -химических и Н естационарность происходящ их в термодинамических параметров процесса реакторе процессов Вы сокое качество получаемого продукта Хорош ая управляемость процессом Ухудш ение качества получаемого продукта при увеличении объёма реактора Возможность получать продукцию более Дополнительны е сложности по вы сокого качества автоматизации реактора Н аличие дополнительны х возможностей по Затрачивание больш его времени для ввода управлению процессом установки в действие Более вы сокая гибкость к конью ктуре ры нка Увеличение времени для проведения всего и возможность организации периодического процесса процесса в чистом виде по отношению к реактору непрерывного действия (РНД) по отношению к реактору непрерывного действия (РНД) по отношению к РПНД по отношению к РПНД Таблица Стадии исследования процессов растворной полимериз ации Исследование процесса Исследование Исследование не- Исследование каче- Разработпериодиче- прерывного процес- ственных характери- ка алгоского процес- са полимеризации стик процесса ритмов са оптимизации Кинетическая АлгоритПластоэласхема про- мы управММР стические цесса ления свойства Реология Структура растворов АСУ ТП Разработка математической модели процесса с учетом структурномолекулярных параметров Математическая модель Синтез авОптимиза- Пара- Структоматизироция процес- метриче- турная ванной сисса в РВ ская идентитемы кониденти- фикация троля качефикация ственных показателей Отмеченные выше трудности при описании процессов раство рной полимеризации требуют при создании систем управления качес твом производимой продукции разработки методов у правления, соответствующих уровню сложности указанных процессов. В качестве т аких методов можно использовать методы управления динамич ескими системами в комплексе с логико -лингвистическими методами оценки и принятия решений на основе многозначной нечеткой логики, что позволяет в полной мере использовать опыт операторов и технологов по управлению технологическими процессами.
режимы ГидродинаТеплообмен Переходные мика процесса печение структура Функциональная Техническое обесТаблица Структура системного анализа подходов к управлению процессами полимеризации п ро ц е ссы пол и м ери за ц и и пери од и чески е н епреры в ны е реж и м ф ун кц и он и ров ан и я установ и вш и й ся д и нам и чески й по д ход ы к управл ен и ю кл асси че ски е закон ы тео ри и уп рав л ен и е с и спо л ьзова ни ем оц енки уп равл ени я д л я л и н ей н ы х си стем н ен аб л ю д ае м ы х пер ем ен ны х экспер тн ы е си сте м ы си стем ы с си стем ы с и спол ьзов ан и ем и спо л ьзовани ем эксп ертн ы х оц енок экспертны х оц ен о к м атем ати чески х м о д ел ей опти м и зац и я сам ооб учаю щ и еся ад ап ти в ны е м е то д ы м а кси м ум а экспе ртн ы е си стем ы Вторая глава диссертации посвящена разработке и обоснованию математических моделей периодических и непрерывных технологич еских процессов растворной полимеризации при использовании системного подхода с учетом структурно-молекулярных свойств полим еров и их связи с качественными п оказателями синтезируемых полим еров на всех стадиях указанных процессов. Решена задача адапт ации и параметрической идентификации полученных моделей к р еальным условиям производства. Обоснован выбор управляющих переменных для решения задачи управления качес твом производимой продукции.
В связи со сложностью постановки и решения задачи моделир ования различных технологических процессов растворной полимериз ации применяется декомпозиционный подход, включающий следу ющие структурные компоненты моделей: стехиометрия химического процесса, кинетика реакций, термодинамика, гидродинамика и усл овия протекания реакций полимеризации.
Решена задача моделирования типового периодического проце сса растворной полимеризации в режиме идеального перемеш ивания на примере производства дивинил-стирольных термоэластопластов (ДСТ30Р) блочным методом на литий -органических катализаторах. При этом получены и учтены зависимости, отражающие механизмы ин ициации активных центров и роста полимерных цепей, при использов ании в качестве зависящих от времени переменных вектора с остояния системы Цконверсии мономера и температ уры.
Математическая модель получения первого блока (полистир ола) представлена в следующем виде:
d X m t S K m J 1 X m t ;
S 0 S d t K F stL T t Th G c d X m t f h h h S K te M V S 0 S t d t K F stL G c d T t f h h h ;
d t M c V c a p a p t p m p m J V J V ;
0 k k t V S S M ;
0 S V M M t S V V V V ;
t s r k M ( t ) S D M r K A B e ;
f (1) E m S R T K m k1 1 M X M e ;
S 1 S m r S M t S t J V ;
0 t X tn 0; T tn T ;
m S t tn, tk, где KmS - константа скорости роста цепи, (л/моль)1/2/мин; XmSt - конверсия мономера (стирола); Tt - текущая температура, К; J0 - концентрация активных центров полимеризации, участвующих в реа кции, моль/л; t - время, мин; M0S - начальная концентрация стирола, моль/л; Vt, Vk, VS, Vr - полный объем реакционной массы, катализат ора, стирола и растворителя соответственно, л; Jk - концентрация катализатора в растворе, моль/л;
MMS - молекулярная масса стирола, кг/моль; s - плотность стирола, кг/л;
- активность катализатора; Ktes - коэффициент тепловыделения при п олимеризации стирола, Дж/кг; Cpm и - теплопроводность и плотность pm полимеризата, Дж/(кгК), кг/л; K - коэффициент теплопередачи через f стенку аппарата, Дж/(минм2 К); Fst - поверхность теплообмена, м2; ch теплоемкость хладагента, Дж/(кг К); Th - температура хладагента на входе, К; Gh - объемная скорость, л/мин; h - плотность хладагента, кг/л; L - степень заполнения реактора; M - масса аппарата, кг; cap - теплоемap кость аппарата, Дж/(кг К); Mst= Ms XmSt - масса полистирола, кг; A, B, K, k1, 1 - феноменологические константы; Ms.- масса стирола, кг.
В систему уравнений (1) включено уравнение для характерист ической вязкости (t) раствора полистирола, которая является качественным показателем дивинил-стирольных термоэластопластов, связанным с феноменологическими константами Флори 1 и .
Математическая модель получения в торого (полидивинильного) блока представлена в следующем виде:
dXmd t Kmd J 1 Xmd t ;
d dt K t FstL T t Th Ghch h dXmd t f Kted M Vd Vt 0d dt K FstL G c h dT t f h h ;
dt M c V Vt c ap ap d pm pm (2) J J Vd Vd Vt ;
d M d Vd MM Vt Vd ;
0 d d D M M X S d m d M r K A B e ;
f Emd 1 1 M S M d X m RT d Kmd k1 e ;
M r X tn 0; T tn T1;
md t tn, tk, где Xmdt - конверсия мономера (дивинила); Kmd - константа скоро1/сти роста дивинильной цепи, (л/моль) /мин; Vd - объемная дозировка дивинила, л; Ктеd - коэффициент тепловыделения при полимериз ации бутадиена, Дж/моль; M0d - начальная концентрация дивинила в реа кционной смеси, моль/л; MMd - молекулярная масса дивинила, кг/моль; - плотность дивинила, кг/л; T1 - температура реакционной d смеси в момент окончания первой стадии технологического пр оцесса, К; Md - масса дивинила, кг; Mr - масса раствора полимера, кг;
- k1, 1, A, B, D феноменологических константы, учитывающие наблюдаемые зависимости величин K и Kmd от конверсии мономера.
f Задача параметрической идентификации математических мод елей получения первого и второго блоков решена при использовании методов нелокальной оптимизации, найдены значения феноменолог ических констант, входящих в уравнени я (1), (2) и показана адекватность моделей экспериментальным данным (см. рис. 1 - 4).
1,1,X m Xm 0,0,0,0,0,0,0, расчетн.
0,расчетн.
эксперим.
экспе0,0,рим.
0 5 10 15 2 0 5 10 15 20 25 30 t, m in t, Рис. 1.Кинетика полимериза- Рис. 2.Кинетика полимеризацииmin ции стирола дивинила 3 4 39 T, T, К 3К 3 3 7 3 5 3 2 3 3 3 1 **** расчетн.
3 1 *** расчетн.
____ эксперим.
3 0 ____ эксперим.
2 9 0 1 0 2 0 30 4 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 t, m in t Рис. 3.Изменения температуры, m in Рис. 4. Изменения температуры при при полимеризации стирола полимеризации дивинила Точность моделей полимеризации стирола и дивинила с оставила 4,4% и 4,7% соответственно.
На примере периодического процесса растворной полимериз ации для получения изопренового каучука при использовании катализат оров Циглера-Натта построены кинетические уравнения, позв оляющие получить зависимость моментов молекулярно -массового распределения полиизопрена от времени и режимных параметров. Показана аде кватность полученных уравнений экспериментальным данным пр омышленного реактора.
Выполнено исследование непрерывного процесса растворной пол имеризации на примере производства полибутадиена в каскаде Nсоединенных реакторов при использовании катализаторов Циглера -Натта.
Обоснована структура математической модели процесса, отлич ительной особенностью которой является учет изменения мольной д озировки Al- и Ti-компонентов катализатора:
хл хл Ep dmi t mi1 t mi t k pe RTitC i t ;
dt EdC t i C i1 t C i t k0e RTitC i t ;
dt Ep dTi Ti1 t Ti t k pe RTitmi t C i t H K T Ti ;
dt X m0 mi m0 ;
i (3) M Mh MXM eTi ;
i i Pl P1MhP;
m1 0 m0;mi 0 mi 1 ;
T1 0 T0;Ti 0 Ti0;
S Ti, S 1, C 0 i Ti ka Al ka 4 Ti S 1, S 1;
Al где m Ч концентрация мономера в растворе, моль/л; k и k0 - конp станты скоростей реакций образования и дезактивации активных це нтров, 1/мин; Ч среднее время пребывания в реакционной зоне, мин; t Ч текущее время, мин; C*i t Ч концентрация активных полимерных молекул, моль/л; iЧ номер реактора; T Ч температура, К; Tхл Ч температура хладагента, К; Кхл Ч коэффициент, характеризующий и нтенсивность теплосъёма, 1/мин; H Ч тепловой эффект реакции, К л2/моль2 ; m0 - начальная концентрация мономера в первом реакторе, моль/л; Ti и Al - концентрация титановой и алюминиевой комп оненты в катализаторе Циглера -Натта, моль/л; S Al Ti ; ka - ко эффициент активности катализ атора, моль/л.
В эту модель введены уравнения, позволяющ ие рассчитывать значения параметров качества полимеров - вязкость по Муни (Mh) и пластичность по Карреру ( Pl) как функции температуры и конверсии мономера на ключевых стадиях синтеза полимера.
Проведена параметрическая идентификация построенной матем атической модели растворной полимеризации полибутадиена с использ ованием отобранных по ходу процесса лабораторных проб и устано влена адекватность предложенной модели условиям производства (рис. 5).
По иь к не с и мн мр, % р фл о ври о о е а По иь я от о у и е. у и р фл взк с ип Мн, д Мн 138.3.
2. 1 2 3 4 5 2 3 4 5 Нмр а прт о е па а а Нмрра т р о е е ко а Рис. 5. Результаты моделирования конверсии мономера и вязкости по Муни пол имера в каскаде полимеризаторов ( Ч расчётный профиль конверси и с ka = const, Ч Ч расчётный профиль с ka const; - - - экспериментальный профиль конверсии) При использовании метода радиоактивных индикаторов разработана математическая модель формирования молекулярно -массового распределения полибутадиена, получаемого в каскаде реакторов, о тличающаяся тем, что в каждый последующий аппарат подается реа кционная среда с фракционным составом, формируемым в предыд ущем аппарате. В рамках указанной модели рассчитаны молек улярномассовые распределения Pil полибутадиена в различных реа кторах каскада 1 i N, где l - длина молекулы полимера, пропорци ональная числу мономеров n в молекуле:
i k nc p nc N Pin e, (4) ii 1! где с - масштабный множитель.
Эти распределения оказались в удовлетворительном согласии с соответственными экспериментальными распределениями ( рис.6).
Молекулярная масса Молекулярная масса 30 20 26.10 13.5 0 2 10 440 6 105 8 105 106 105 Длина молекул 0 2 10 4105 6105 Длина молекул 8105 10 26.f5 ( z ) yi 13.10 5 4 10 5 6 10 5 8 10 5 1 10 0 Длина молекул z xi Рис. 6.Экспериментальные и расчетные функции молекулярно-массового распределения Pil в шкале длин l молекул для первого (i=1), третьего (i=3) и пятого (i=5) реакторов производственн ого каскада реакторов Исследовано влияние режимных параметров процесса на фра кционный состав получаемого полибутадиена и выбраны наиболее э ффективные управляющие параметры : температура, расход катализат ора, нагрузка на батарею.
В третьей главе исследованы зависимости реологических и пл асто-эластических свойств полимеров для периодических и непреры вных технологических процессов растворной полимеризации от их структурно-молекулярных свойств и разработаны методы эк спрессконтроля качества полимера в растворах.
В общем случае растворы полимеров ведут себя как неньютоно вские жидкости с эффективной вязкостью , зависимость которой от характеристик растворов при до статочно малых скоростях сдвигов на основе экспериментальных данных можно предст авить в форме:
b1 2 bb 01 BKП 0 b3 g , (5) причем 0 - ньютоновская вязкость, связанная с параметрами полимеров по закону логарифмической аддитивности:
E 1 2 3 0 ACП M K g exp , (6) П RT где CП - концентрация, M - средняя молекулярная масса, K - коП эффициент полидисперсности, g - параметр разветвленности молек улы полимера, E - энергия активации вязкого течения, T - температура раствора, А, B,1, , , , - феноменологические константы.
2 3 Детальное исследование гидродинамических характеристик ра створов полимеров при различных скоростях сдвига подт вердило справедливость формул (5) и (6) для эффективной и ньютоновской вязк ости. При этом было показано, что э нергия активации вязкого теч ения раствора полимера связана с концентрацией CП полимера линейным уравнением.
Установлено, что пласто-эластические свойства полимеров вязкость по Муни Mh и пластичность по Карреру Pl, определяющие качественные характеристики производимых полимеров, связ аны со структурно-молекулярными свойствами полимеров M, K, g завиП симостями, аналогичными зависимости (6 ):
Px2 xMh C1Mx К g ; Pl PMh, (7) П где C1, C2, x1, x2, x3, P, P1 - феноменологические параметры.
Для периодических и непрерывных технологических процессов растворной полимеризации проведена параметрическая идентифик ация формул (5)-(7) для линейных и разветвленных по лимеров и с высокой статистической значимостью при использовании критерия Ф ишера определены значения феноменологических параметров, вход ящих в указанные формулы.
Знание зависимости (5), (6) эффективной вязкости растворов пол имеров от их молекулярных параметров M, K, g при известных П значениях температуры Т и концентрации полимера CП позволяет решить обратную задачу определения молекулярных параметров по знач ениям эффективной вязкости растворов пол имеров при различных скоростях сдвига. На основе экспериментальных данных обоснованно, что зн ачения молекулярных параметров позволяют по формулам ( 7) получить оценки параметров качества полимеров - вязкость по Муни и пластичность по Карреру на всех стадиях технологического процесса.
Для определения концентрации полимера CП и значения эффек тивной вязкости растворов полимеров при различных скоростях сдвига были разработаны методы экспресс -контроля, основанные на соотношениях, связывающих величины CП и с определенными физическими характеристиками технологического процесса в различных р еакторах, нахождение которых не требует длительного времени изме рения.
Эти соотношения формируются на основе физических представл ений о протекающих в реакторе процессах и параметрически обосновыв аются путем проведения соответствующих экспериментальных исслед ований.
На основе проведенных исследований разработан и реал изован гидростатический метод контроля концентрации полимера и конве рсии мономера в реакторах пр оизводственного комплекса (см. р ис. 7).
Метод основан на зависимости конверсии мономера Х(t) и концентрация полимера СП (t) от разности Pt гидростатического давления на дно реактора проконвертированной среды Pt и давления исходной шихты P0 :
Pt P t ;, (8) C t X t П 1 P1 C P t P0 M где C0 - начальная концентрация мономера; - отношение плотноM сти мономера к плотности полимера.
Р0 Р0 Р0 РМономер непрореаги- усадка объема непрореагиусадка объема СМ0=НМ0/Н ровавший ровавший мономер мономер СТМ СМ= непрореагинепрореагиСМ0 (1-х)= ровавший ровавший НМ/Н мономер мономер СТМ=НМ(Т)/Н СТМ=НМ(Т)/Н полимер Н(Т) Н(Т) прогеагироСПТ полимер вавший моСрТ=Hp0(T)/H полимер номер СрТ= H(T) Hp0(T)/H Растворитель H(T) Ср0=Нр0/Н Растворитель СМЛ=СМ0х= СрТ НМЛ/Н Растворитель Растворритель Ср'=Н (T)/НРастворитель Ср'= Т H(T) Нр0(T)/НСр= Ср0 = То H(T) Нр0/Н Т Т а) б) в) г) Рис. 7. Гидростатический метод контроля концентрации полим ера Альтернативный экспресс -метод определения концентрации полимера и конверсии мономера был разработан при использовании з ависимости изменения температуры Tt для химической реакции полимеризации, протекающей в изолированной системе с постоянн ыми параметрами - объем реактора, его теплоемкость и активность кат ализатора от концентрации полимера CПt, образованного при полимеризации мономера и, следовательно, от конве рсии мономера X t.
Умножив первое уравнение системы (3) на H и сложив его с третьим уравнением системы, можно исключить из рассмотрения член, связанный с величиной Pit и получить систему уравнений:
dyit yi1 yi Qit, (9) dt Н(T) М М Н Н Н М Н МП Н Н П Н (Т) Н Н П Р Н (Т) Н где yitTitmitH,i 1; y0 T m ;QitKХЛTХЛ Tit, а H 0 начальные условия имеют вид: yi0 yi1 , i 1; y1 0 y0.
Для изотермического установившегося режима работы реа кторов (Ti t const при t ) из системы (9) следуют алгебраические соотношения:
i T0 Ti0 KХЛ TK0 TХЛ i yi Ti K yi1 y0 ; mi ; Xi ,(10) Qj H m H jпозволяющие определить коэффициент конверсии мономера X во i всех реакторах каскада.
Для нестационарного режима система уравнени й (9) приводится к системе интегральных уравнений t at ,где 1 K Л Tt yit et yi0 T y1t Х Л gte dt ; gt Х i i,(11) 0 решение которых находится при использовании метод а дискретизации времени.
Погрешности определения концентрации полимеров и конве рсии мономера в реакторах каскада для установившегося и неустановивш егося режимов технологического процесса составляют 4,3% и 5,4% с оответственно и оказываются близкими к соотв етствующим погрешностям лабораторных способов измерения.
Разработаны методы определения эффективной вязкости раств ора полимеров с учетом неньютоновского характера течения ра створа, основанные, во-первых, на измерениях величины потребляемой мо щности в цепях электроприводов перемешивающих ус тройств и, вовторых, на разности давлений на линейных участках трубопр оводов, соединяющих соседние реакторы.
Проанализированы возможности метода нахождения эффекти вной вязкости раствора полимеров при различных скоростях с двига, основанного на измерении частоты вращения и момента сил для сф еры, заполненной указанным раствором.
При использовании комбинации предложенных выше методов измерения концентрации полимера и эффективной вязкости раств ора полимера при различных скорост ях сдвига была создана система эк спресс-контроля структурно-молекулярных свойств полимера и связа нных с ними показателей качества каучука - вязкости по Муни и пластичности по Карреру в режиме реального времени. Преим ущество этой системы определяется тем фа ктором, что значения показателей качества полимеров находятся не с помощью прямых лабор аторных измерений, а путем решения с использованием ЭВМ ура внений (7), связывающих указанные параметры со структурно -молекулярными свойствами полимеров. Структурно -молекулярные характеристики, в свою очередь, находятся путем решения уравнений (5 ), (6), описывающих связь этих характеристик с эффективной вязкостью раств оров полимеров при различных скоростях сдвига.
Поскольку эффективная вязкость растворов полимеров в общем случае зависит от трех структурно -молекулярных параметров полим еров - средней массы M, коэффициента полидисперсности K и паП раметра разветвленности g, то для определения этих параметров ест ественно использовать систему экспресс -контроля, основанную на и змерении значений эффективной вязкости при трех различных скор остях сдвига, блок-схема которой представлена на рис. 8.
TE QE Полимеризат Полимеризат в из предыду- следующий щего аппарата аппарат FE QE Точность измерения Моле- Mh Pl куляр.
парам.
1 2 Т Q Cп 2% 7.743% 9.44% Расчёт средней молекулярной массы, к оэффициента полидисперсности, фактора разветвлённости, вязкости по Муни и пластичности Рис. 8. Блок-схема системы экспресс-контроля структурно-молекулярных и параметров качества полимеров На этом же рисунке представлена таблица, показывающая то чность измерения структурно -молекулярных и параметров качества полимеров.
В четвертой главе поставлена и решена задача оптимального упра вления технологическими процессами растворной полимеризации на осн ове методологии управления нелинейными динамическими систем ами.
Использование процедуры линеаризации в окрестности оптимал ьного режима для нелинейных уравнений, описывающих временную эв олюцию динамических переменных, характеризующих технологич еский процесс растворной полимеризации в рамках предложенных выше мат ематических моделей, позволяет свести задачу оптимального упра вления рассматриваемыми технологическими процессами к з адаче управления для линейных динамических систем с переменными пар аметрами.
В случае линейной динамической системы при выборе целевой функции, соответствующей критерию качества, определяемому через квадратичные отклонения по переменным xt и управляющим параметрам ut, в виде:
T J x t, Q t x t u t,R t u t dt, (11) задача оптимального управления при использовании сопряженных к оординат pt сводится к решению следующей системы уравнений:
dx A (t ) x (t ) B (t )u (t ), x0 x ;
dt dp T (12) Q t x (t ) A (t ) p (t ), p (T ) 0;
dt 1 T u t R t B t pt ;
y (t ) C (t ) x (t ), где At - матрица системы (размерности nxn), Bt - матрица управления (размерности nxm), Ct - матрица измерений (размерности nxr), Qt и Rt - весовые матрицы критерия оптимальности (ра змерности nxn), yt - набор наблюдаемых переменных (размерн ости r n ).
Если ввести подстановку:
p(t) = K(t)x(t), (13) то для симметрической матрицы K(t) из уравнения (12) следует уравнение Рикатти:
dK ( t ) T (14) KA ( t ) A ( t ) K ( t ) Q ( t ) K ( t ) S ( t ) K ( t ) 0, dt где матрица S(t) определена как:
S(t) = B(t)R-1(t)BT(t), (15) В этом случае оптимальные управляющие воздействия ut можно определить в форме обратной связи:
u(t) =- R-1(t)BT(t)K(t)x(t), (16) из которой следует, что при заданных параметрах математической м одели - матриц A(t), B(t), Q(t) и R(t) для получения всех составля ющих вектора управления u(t) необходимо получить решение матричн ого дифференциального уравнения Риккати (14 ) и текущие значения всех составляющих вектора состояния x(t).
Проведен расчет оптимальн ого управления для периодических технологических процессов растворной полимеризации на примере процессов синтеза термоэластопластов при использовании математ ической модели этого процесса, полученной в главе 2. Для решения уравнения Риккати (14) был использован метод временной дискрет изации, при котором принимается, что на интервале дискретизации ре гламентные параметры - коэффициент конверсии мономеров и темп ература реакционной смеси практически не меняются. На рис. 9 - представлен пример реализации оптим ального управления для пол имеризации стирола.
3 4 T, К 3 3 3 3 3 2 3 2 - Т оптим.
- - Т имитац.
3 1 3 1 3 0 0 5 1 0 1 t, m in Рис. 9. Оптимальный температурный профиль, обеспечивающий минимальное расс огласование эталонной и реальной кинетики полимер изации стирола (q:r = 1000:1) 1,0,0,0,Xm оптим.
Xm имитац.
Xm задан.
0,0,0 5 10 t, min Рис. 10. Оптимальная кинетика полимеризации стирола Разработан метод оптимального управления непрерывными пр оцессами растворной полимеризации при учете отклонений от устан овившегося стационарного режима работы реакторов. В этом случае матрицы A, B, R, Q, K в уравнениях (12) - (15) для оптимального управления, не зависят от времени и уравнение Рикатти (1 4) для матрицы K принимает вид алгебраического уравнения Рикатти:
K SK KA AT K Q 0 (17) Рассматривая систему уравнений (1 2) как систему уравнений о тносительно х(t) и p(t), ее можно записать в матричном блочном виде, с использованием характеристической матрицы M:
A S M (18) T Q A В случае, когда исследуемая динамическая система является управляемой и наблюдаемой, разработана методика получения явн ого решения для оптимальных управлений и оптимальных траекторий в пространстве состояния с использованием решения уравнения Риккати без введения компенсаторов перекрестных связей, которая заключае тся в следующем:
1. Вычисляется матрица собственных значений характеристической матрицы М (17) и соответствующая ей матрица U собственных векторов:
Xm M U U, (19) 2. Осуществляется перестановка столб цов собственных векторов U, основанная на упорядочении в порядке убывания собственных зн ачений матрицы М сначала со знаком л -, а затем со знаком л+.
3. В связи с тем, что характе ристический полином матрицы (18 ) имеет только четные степени, матрицы собст венных значений и матрицы U собственных векторов можно представить как 1 0 U11 U U (20) U U22 .
0 1 ;
21 При учете того, что матрица U приводит матрицу M к диагональной форме, а ее блоки являются нев ырожденными, из формул (19), (20) следуют уравнения:
AU11 SU12 U11(21) QU11 ATU U 21 4. Умножая первое уравнение системы (2 1) на U11-1, можно получить:
A S(U U111) (U U111)Q (U U111)AT (U U111) (22) 21 21 21 При сопоставлении уравнений (2 2) и (17) определяется решение для матрицы К в виде:
K U U111 (23) 5. При использовании формул (19) - (23) строятся выражения для оптимальных траекторий:
xt U11etU111xt0 (2 4) и оптимальных управлений:
ut R1BT Kxt (25) Одновременно находится решение важной для практических ц елей задачи оценки ненаблюдаемых (n-r) компонент вектора состояния линейной динамической системы xt, которое можно интерпретир овать как косвенное измерение.
Предложенный выше алгоритм использован для оптимального управления непрерывными процессами растворной полимеризации полибутадиена, когда в качестве переменных состояния системы и спользовались конверсия мономера и температура реакционной см еси, а в качестве управляющих параметров - концентрация активных це нтров и расход хладагента (см. рис. 11 - 12).
Рис. 11. Зависимость оптимальных Рис. 12.Зависимость оптимальн ого траекторий от времени управления от времени На основе проведенных исследований разработана методика си нтеза оптимального управления для динамических систем. Она может быть использована для оптимального управления процессами раство рной полимеризации.
В пятой главе на примере непрерывных и периодических проце ссов растворной полимеризации при использовании построенных выше математических моделей, разработанных методов оптимального упра вления и данных экспресс контроля показателей качества производимой продукции обоснована методология построения и реализована система управления качеством технологических процессов на основе мет одов оптимального управления линейными динамическими сист емами и методов, основанных на лингвистических моделях управления и базирующихся на аппарате нечеткой логики.
Для периодических технологических процессов производства термоэластопластов разработаны и внедрены:
1. Система коррекции, позволяющая в заданном направлении и зменять показатели качества полистирольного блока следующего те хнологического цикла, а так же качество второго блока и конечн ого продукта текущего технологического цикла по результатам полимер изации стирола текущего цикла. Данная система, работающая в р ежиме реального времени, основана на автоматическом определении колич ества катализатора, участвующего в образовании активных центров п олимеризации, после синтеза первого полистирольного блока с пом ощью измерения температуры реакционной смеси.
2. Система стабилизации кинетики полимеризации, позв оляющая в совокупности с системами коррекции и прогнозирования при собл юдении технологического регламента от цикла к циклу синт езировать термоэластопласты с узкими м олекулярно-массовыми распределениями и, следовательно, с малым разбросом их показателей качес тва.
3. Цифровая система управления температурой в полимеризат оре периодического действия для производства термоэластопластов, осн ованная на использовании регулято ра с моделью теплового баланса, действующего в режиме слежения по каналу: расход хладагента - температура в реакторе и минимизирующего отклонения темпер атуры от оптимальной (см. рис 13). Разработанный регулятор темпер атуры с моделью теплового баланса отличается большей надежностью, а также устойчивостью к изменяющимся производственным условиям, нежели традиционно используемый ПИД-регулятор.
Полученные результаты внедрены в производство термоэл астопластов и характеризуются следующими отл ичиями:
информационный поток dT dT/dt=f( K1, K2, Gh=f(dT/dt,dXm/dt dXm/dt,T, L, T e(t), dTZ/dt) dt Kf, V,Th, T,L,.Xm) Th, V, Kf, Xm TZ e(t) G h ОБЪЕКТ Блок вычисления Блок вычисления УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛЯТОР Рис. 13. Структурная схема управления температурой Система управления синтезом термоэластопластов реализована на двух уровнях и охватывает реактор полимеризации, а также техн ологическое оборудование, состоящее из узлов дозирования, вспомог ательных емкостей, электромоторов, системы трубопроводов, отсе чных и регулирующих клапанов.
Комплекс задач, решаемых в целях получения полимера с зада нными показателями качества и минимизации расхода исходных ко мпонентов реакции полимеризации, а также охлаждающей жи дкости, реализуется с использованием двух связанным между собой подси стем автоматизированного управления, каждая из которых выполн яет свои отдельные задачи.
Подсистема управления дозировкой исходных компонентов (рис. 14) предназначена для автоматической коррекции качества полимера и выполняет функции прогнозирования показателей качес тва характеристической вязкости и средней молекулярной массы полим ера. Она выполняет функции коррекции значений дозировок исхо дных компонентов в зависимости от концентрации активных центров и осуществляет управление отсечными клапанами для дозирования зада нного количества реагентов.
При работе этой подсистемы информация о ходе технологич еского процесса (температура реакционной смеси, температура хлад агента, уровень в реакторе, расходы хладагента, концентрации раств орителя, сшивающего агента, дивинила, стирола, раствора каталитич еского комплекса) поступает через первичные преобразователи и ус тройства связи с объектом в базу данных, где эта информация накапл ивается и хранится. Параллельно необходимая информация пост упает на блок промежуточных вычислений, где происходит определение т екущего объема реакционной массы, конверсии мономера, ск орости конверсии. Результаты вычислений также поступают в б азу данных.
FE СШИВАЮЩИЙ АГЕНТ FE РАСТВОРИТЕЛЬ ВЫЧИСЛЕНИЕ LE Vt ДИВИFE РЕАКТОР НИЛ ВЫЧИСЛЕНИЕ TE СТИРОЛ Xm, dXm/dt FE LiBu FE TE FE dXm Xm dt Vt L T T G h h Ms M Md Ms Mk a r БАЗА ДАННЫХ Vt X T T M G L M Jm h h 0 Ms M Md M Mk РАСЧЕТ ДОЗИРОРАСЧЕТ КОНЦЕН- УПРАВЛЕНИЕ ДОЗИРОВКОЙ a r s ВОК ИСХОДНЫХ ТРАЦИИ АКТИВНЫХ ИСХОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ КОМПОНЕНТОВ ЦЕНТРОВ, РЕАКЦИИ ПРОГНОЗ КАЧЕСТВА Рис. 14. Подсистема управления дозировкой исходных комп онентов ПРОГНОЗ КАЧЕСТВА Подсистема управления температурой реакционной смеси (рис.
15) предназначена для организации оптимального температурного р ежима полимеризации в целях достижения кинетического профиля р еакции, совпадающего с регламентным. Она выполняет функции упра вления температурой в динамическом режиме.
Для непрерывных технологических процессов растворной пол имеризации полибутадиена при использовании разработанной матем атической модели и методов экспресс -контроля разработана динамическая модель оптимального управления. В то же время в условиях де йствия неконтролируемых возмущений для указанны х процессов создана лингвистическая модель системы управления показателями качес тва производимой продукции и при использов ании аппарата нечеткой логики синтезирована база знаний для указанной системы, дополне нная логическими правилами, основанными на математической модели процесса полимеризации и данных экспертного опроса. Пок азано, что лингвистическая модель управления позво ляет использовать накопленный технологами и аппаратчиками опыт, повысить точность стаб илизации параметров качества производимой продукции и сократить длительность переходных процессов в системе регулирования при во здействии неконтролируемых возмущений.
ВВОД ВЫЧИСЛЕНИЕ LE ДАННЫХ Vt ТЕХНОЛОГОМХЛАДАГЕНТ ВЫЧИСЛЕНИЕ ОПЕРА- TE Xm, dXm/dt ТОРОМ FE РЕАКТОР TE dXm dt V Xm L T Th t G h БАЗА ДАННЫХ J0, dXm dt Vt X TTh XmZ M0 Gh L V L T Th m t ВЫЧИСGh=f(dXm/dt, Vt, Th, T, Tz, K1,K2...) ВЫЧИСЛЕНИЕ ЗАДАНИЯ Gh ЛЕНИЕ U T z ДЛЯ РЕГУЛЯТОРА Tz РЕГУЛЯТОР С МОДЕЛЬЮ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА Рис. 15. Подсистема управления температурой реакционной смеси Создано алгоритмическое и программное обеспечение для управляющих ЭВМ, реализующее функции моделирования период ических и непрерывных технологических процессов раствор ной полимеризации, расчета на основе данных экспресс -контроля управляющих воздействий для замкнутой системы регулирования показателей кач ества производимой продукции. На рис. 1 6 и 17 представлены блоксхема интеллектуальной системы управления (ИСУ) к ачественными показателями и функциональная структура интелле ктуальной системы управления (ИСУ) показателями качества. Ук азанное алгоритмическое и программное обеспечение успешно и спользовано при модернизации действующих автоматизированных систем управления техно логическими процессами на ОАО Ефремовский завод синтетического ка учука и Воронежсинтезкаучук.
Тк, Qш, ЭФФ x Mh Mhзад Система ОУ контроля Pl Plзад Д eMh ePl eMhv хН Pl F ТЛПС ~ ~ Qd,Qt Qd,Qt F F Mh D Mhv a Qd,Qta ТЛПД D ИСУ Рис. 16. Схема интеллектуальной системы управления показателями качества На рис. 16 ОУ Ч объект управления (реактор полимеризаци и);
ТЛПC Чстатическая таблица лингвистических правил; ТЛПД - динамическая таблица лингвистических правил.
мономер растворитель ТИБА ДДТ TE TE TE Qd Qt QE FE Нечёткий регулятор Готовый полимеризат ЭФФ1,ЭФФ2,ЭФФ3 Q Тk Тх Тk-Mh, Mhv, Cп,x Pl Вычисление Mw, Kп, g, Mh, Pl T Расчёт x, Сп Рис. 17. Функциональная структура ИСУ показателями качества ВЫВОДЫ Основной результат диссертационной работы состоит в раз работке методологии построения управления качеством процессов ра створной полимеризации на основе комплексн ого системного подхода, включающего математические модели, описывающие динамику те хнологических процессов, системы экспресс -контроля параметров качества полимеров и методы управления указанными процессами с и спользованием динамических моделей и аппарата нечеткой л огики.
Полученные в диссертации результаты:
1. Системный анализ процессов, математических моделей, мет одов косвенных и прямых измерений харак теристик качества полимеров, систем контроля и управления для типовых периодических и непреры вных технологических процессов растворной полимеризации, заключается в разработке комплексного подхода методологии и решения многофакто рной задачи управления качеством производимых в растворе полимеров.
2. Разработаны и апробированы в промышленных условиях мат ематические модели периодических и непрерывных технологических процессов растворной полимеризации, установлены и обоснованы св язи этих моделей с качественным и характеристиками формируемых п олимеров. Выполнена адаптация и параметрическая идентификация м оделей к изменяющимся условиям производства. Выбраны управля ющие параметры, позволяющие регулировать технологические процессы для достижения необходимого качеств а производимой продукции.
3. Получены формульные зависимости, позволяющие связать ре ологические свойства растворов полимеров и качественные характер истики производимых полимеров (вязкость по Муни и пл астичность по Карреру) с молекулярно-структурными свойствами полимеров.
4. Разработаны методы экспресс -контроля, позволяющие на всех стадиях производства в режиме реального времени оценивать пар аметры качества полимеров с помощью прямого измерения физ ических характеристик технологич еского процесса.
5. Решена задача оптимального управления и контроля в простра нстве переменных состояния линейной динамической системы, получены явные решения для оптимального управления и оптимальных траект орий при использовании нового метода решения матричных уравнений Рика тти. На основе проведенных исследований предложена система оптимал ьного управления технологическими процессами при использовании ли нгвистических моделей, основанных на аппарате нечеткой лог ики.
6. Разработаны и апробированы рекомендации по совершенств ованию систем управления периодическими и непрерывными технол огическими процессами растворной полимеризации при использов ании построенных математических моделей, методов оптимального упра вления динамическими системами и данных экспресс -контроля параметров качества формируемых полимеров. Создано алгоритмич еметров качества формируемых полимеров. Создано алгоритмич еское и программное обеспечение для управляющих ЭВМ, реал изующие функции моделирования, расчета управляющих воздейс твий для замкнутой системы оптимального регулиров ания.
Результаты работы внедрены в ОАО Ефремовский з авод синтетического каучука и Воронежсинтезкаучук, а так же использ ованы при разработке учебных программ по курсам Математические модели технологических процессов, Автоматизация технологических пр оцессов, Теория автоматического управления на кафедре информационных и управляющих систем Воронежской государствен ной технологической академии.
В приложении содержатся акты внедрения результатов работ.
Перечень публикаций автора по теме диссертации Статьи, опубликованные в изданиях, определенных ВАК РФ по научной специальности диссертационной раб оты:
1. Кафаров, В. В. Моделирование кинетики процесса полимеризации п олиизопренового каучука [Текст] / В. В. Кафаров, В. Н. Ветохин, С. Г. Т ихомиров // Доклады АН СССР. - 1989. - Т. 305, № 6. - С. 1027-1033.
2. Бухонов, Б. П. Молекулярное строение и вязкость див инильного каучука [Текст] / Б. П. Бух онов, В. Н. Ветохин, Г. Л. Грановская, С. Г.
Тихомиров, А. П. Гаршин, В. Л. Лурье, С. В. Шабанов // Высокомол екулярные соединения. Сер. А. - 1992. - Т. 34, № 5. - С. 1010-1025.
3. Битюков, В. К. Возможность контроля качественных пок азателей в процессах растворной полимеризации [Текст] / В. К. Битюков, С. Г.
Тихомиров, А. А. Хвостов // Каучук и рез ина. - 1998. - № 5. - С. 41-43.
4. Битюков, В. К. Моделирование вязкостных свойств растворов полибутадиена [Текст] / В. К. Битюков, С. Г. Тихом иров, А. А. Хвостов, И.
А. Хаустов // Каучук и резина. - 1997. - № 2. - С. 42-46.
5. Битюков, В. К. Расчет конверсии мономера по температуре в реа кторе [Текст] / В. К. Битюков, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов // Каучук и резина. - 1999. - № 1. - С. 20-22.
6. Битюков, В. К. Система поддержки принятия решений в произво дстве СКД [Текст] / В. К. Битюков, В. Ф. Лебедев, С. Г. Тихомиров, А. А.
Хвостов, Е. А. Хромых // Каучук и резина. 2004. № 6. С. 1721.
7. Тихомиров, С. Г. Математическая модель акустического анализат ора пластоэластических свойств полимерных комп озиций [Текст] / С. Г.
Тихомиров, А. А. Хвостов, А. А. Баранкевич // Системы упра вления и информационные технологии. - М., 2006. - С. 20-23.
8. Тихомиров, С. Г. Программный модуль для установки неразр ушающего экспресс-анализа физико- механических характеристик ка учука [Текст] / С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов, А. А. Баранкевич// Контроль и диагностика. - 2006. - № 6. - С. 39-42.
9. Битюков, В. К. Применение ультразвукового контроля при перер аботке отходов полимера [Текст] / В. К. Битюков, С. Г. Тихомиров, А.
А. Хвостов, А. А. Баранкевич // Приложение к журналу Мехатрон ика, автоматизация, управление: Автоматизация технологических пр оцессов: управление, моделирование, контроль, диагн остика. - 2006. - № 7. - С. 16-18.
10. Битюков, В. К. Контроль показателей качества эластомеров ак устическим методом с учетом их частотно -температурных характеристик [Текст] / В. К. Битюков, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов, М. А.
Зайчиков // Приложение к журналу Мехатроника, автоматизация, управление: Автоматизация технологических процессов: управл ение, моделирование, контроль, диагност ика. - 2007. - № 7. - С. 11-14.
Публикации в других изданиях 11. Битюков, В. К. Идентификация математической модели качестве нных показателей процесса растворной полимериз ации [Текст] / В. К.
Битюков, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов, И. А. Хаустов // Совреме нные методы теории функций и смежные проблемы : матер. Всерос. н ауч. конф. / Воронеж. гос. у-нт. - Воронеж, 1997. - С. 12. Битюков, В. К. Исследование работы алгоритма ситуац ионного управления при глубоких возмущающих воздейств иях [Текст] / В. К.
Битюков, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов // Прогрессивные технол огии и оборудование для пищевой промышленности : сб. тр. Междунар. н ауч.-техн. конф. - Воронеж, 1997. - С. 307-308.
13. Битюков, В. К. Моделирование свойств модифицированных пол имеров [Текст] / В. К. Битюков, М. А. Зайчиков, С. Г. Тихомиров, А. А.
Хвостов // Математические ме тоды в технике и технологиях ММТТ19 : сб. тр. ХIХ Междунар. науч. конф. / Воронеж. гос. те хнол. акад. - Воронеж, 2006. - Т. 3. - С. 67-69.
14. Битюков, В. К. Построение адаптивной системы управления п ериодическим процессом синтеза термопластов [Текст] / В. К. Битюков, С. Г. Тихомиров, И. А. Хаустов // Системы управления и информац ионные технологии : межвуз. сб. н ауч. тр. - Воронеж, 1997. - С. 96-102.
15. Битюков, В. К. Синтез системы автоматического измерения вязк ости по Муни полибутадиена в процессах раств орной полимеризации непрерывным способом [Текст] / В. К. Битюков, С. Г. Тихомиров, А.
А. Хвостов // Системы управления и информационные те хнологии :
межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, 1997. - С. 102-108.
16. Битюков, В. К. Синтез системы управления непрерывным процессом растворной полимеризации на основе нечеткой логики [Текст] / В.
К. Битюков, В. Ф. Лебедев, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов // Теорет ические основы проектирования технологических систем и оборуд ования автоматизированных пр оизводств : межвуз. сб. науч. тр. Вып. 3.
- Воронеж, 1998. - С. 79-85.
17. Битюков, В. К. Система поддержки принятия решений при прое ктировании систем автоматизации технологических проце ссов [Текст] / В. К. Битюков, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов, Ю. В. Кретов // Теор етические основы проектирования технологических систем и оборуд ования автоматизированных производств : межвуз. сб. науч. тр. Вып. 4.
- Воронеж, 1999. - С. 96-99.
18. Битюков, В. К. Теоретическое обоснование использования регул ятора температуры с обобщенной моделью в периоди ческом процессе синтеза термоэластопластов [Текст] / В. К. Битюков, С. Г.Тихомиров, И. А. Хаустов // Теоретические основы проектирования технологич еских систем и оборудования автоматизированных производств : ме жвуз. сб. науч. тр. Вып 3. - Воронеж, 1998. - С. 86-90.
19. Битюков, В. К. Управление процессом инициирования и начал ьной стадией синтеза термоэластопластов [Текст] / В. К. Бит юков, С.
Г.Тихомиров, И. А. Хаустов // Прогрессивные технологии и оборуд ование для пищевой промышленности : сб. тр. Междунар. науч.-техн.
конф. - Воронеж, 1997. - С. 308.
20. Бухонов, Б. П. Автоматизированная система контроля качестве нных показателей процессов полимеризации эласт омеров [Текст] / Б. П.
Бухонов, А. В. Бондарев, С. Г. Тихомиров, С. В. Шабанов // Математ ическое моделирование, оптимизация и управление химико технологических процессов и систем / МХТИ - М., 1989. - С. 111-120.
- Деп. в ВИНИТИ 26.07.89, № 5043 -В89.
21. Бухонов, Б. П. Анализ полимеризационных ХТС как об ъектов управления [Текст] / Б. П. Бух онов, С. Г. Тихомиров, А. В. Бондарев // Математическое моделирование сложных химико -технологических систем сб. тр. Всесоюз. науч.-техн. конф. / КХТИ - Казань, 1988. - С. 41.
22. Бухонов, Б. П. Автоматизированный контроль качественных пок азателей в процессах полимеризации каучу ков общего назначения [Текст] / Б. П. Бухонов, С. Г. Тихомиров, А. В. Бондарев // Автомат изация и роботизация в химической промышленности : межвуз. сб. н ауч. тр. - Тамбов, 1988. - С. 25-26.
23. Бухонов, Б. П. Контроль качественных показателей в процессах полимеризации каучуков общего назначения [Текст] / Б. П. Бухонов, С.
Г. Тихомиров, С. В. Шабанов // Синтез и полимеризационные превр ащения : сб. тр. Всесоюз. конф. Ка учук-99. - М., 1989. - С. 55-57.
24. Бухонов, Б. П. Управление качественными показателями в проц ессах растворной полимеризации каучуков общего назначения [Текст] / Б. П. Бухонов, С. Г. Тихомиров, С. В. Шабанов // М етоды кибернетики химико-тех-нологических процессов: сб. тр. Всесоюз. науч. конф. - М., 1989. - С. 53-59.
25. Ветохин, А. В. Расчет распр еделения состава сополимера бутади ена с альфа-метилстиролом в реакторе периодического действия [Текст] / А. В. Ветохин, М. Б. Глебов, С. Г. Тихом иров // Динамика процессов и аппаратов химической технологии : сб. тр.3 Всесоюз. н ауч конф. - Воронеж, 1990. - С. 64-69.
26. Ветохин, В. Н. Математическая модель процесса пол имеризации каучука СКД-1 [Текст] / В. Н. Ветохин, С. Г. Тихомиров, С. В. Шаб анов // Всесоюзная конференция по математическому и машинному м оделированию. - Воронеж, 1991. - С. 111-112.
27. Ветохин, В. Н. Математическое описание процесса полимериз ации диеновых углеводородов с учетом молекулярно -массового распределения [Текст] / В. Н. Ветохин, В. В. Кафаров, В. Ф. Лебедев, С. Г. Т ихомиров // Методы кибернетики химико -технологических процессов.
сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Баку, 1987. - С. 10-11.
28. Ветохин, В. Н. Оценки параметров для управления ММР в ра створной полимеризации [Текст] / В. Н. Ветохин, В. Ф. Лебедев, С. Г.
Тихомиров [Текст] // Применение микроЭВМ в автоматизированных системах управления в промышленности синтетического каучука : м атериалы Всесоюз. совещания. - Воронеж, 1987. - С. 174-180.
29. Лебедев, В. Ф. Идентификация фракционного состава полибутади ена, получаемого в каскаде реакторов [Текст] / В. Ф. Лебедев, С. Г. Тих омиров, Е. А. Хромых, А. А. Хвостов // Математические методы в те хнике и технологиях ММТТ-19 : сб. тр. ХIХ Междунар. науч. конф. / Воронеж. гос. технол. акад. - Воронеж, 2006. - Т. 6. - С. 159-162.
30. Лебедев, В. Ф. Использование адаптивных систем упра вления с эталонной моделью в периодических процессах растворной полимер изации [Текст] / В. Ф. Лебедев, А. В. Ром асенко, С. Г. Тихомиров, И. А.
Хаустов // Кибернетика и технологии XXI века : материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2003. - С. 48-53.
31. Лебедев, В. Ф. Моделирование оптимального режима под ачи шихты в каскад реакторов полимеризации [Текст] / В. Ф. Лебедев, С. Г. Тихом иров, А. А. Хвостов, Е. А. Хромых // Кибернетика и технологии XXI века: мат ериалы IV Междунар. науч.-техн. конф.. - Воронеж, 2003. С. 186-192.
32. Лебедев, В. Ф. Модель оценки неизмеряемых составля ющих вектора состояния в системе управления [Текст] / В. Ф. Лебедев, С. Г. Тихомиров // Вестник ВГТУ. Сер. Вычислительные и информац ионнотелекоммуникационные системы. Вып. 8.1. - Воронеж, 2001. - С. 121-130.
33. Лебедев, В. Ф. Оптимальная идентификация параметров математ ической модели интегральный среднеквадратический критерий [Текст] / В. Ф. Лебедев, С. Г. Тихомиров // Системы управления и информац ионные технологии : межвуз. сб. науч. тр.. - Воронеж, 1999. - С. 131-134.
34. Лебедев, В. Ф. Синтез алгоритмического обеспечения для подси стемы стабилизации качества в процессах непрерывного синтеза ди енов [Текст] / В. Ф. Лебедев, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов // Информац ионные технологии и системы: матер. III Всерос. науч.-техн конф. / Воронеж. гос. технол. акад. - Воронеж, 1999. - С. 119.
35. Лебедев, В. Ф. Синтез оптимального управления фазовыми коо рдинатами, минимизирующего интегральный средн еквадратический критерий [Текст] / В. Ф. Лебедев, С. Г. Тихомиров // Системы управления и информационные технологии : межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, 1999. - С. 39-43.
36. Лебедев, В. Ф. Управление качеством термоэластопластов в пр оцессе их синтеза периодич еским способом [Текст] / В. Ф. Лебедев, С.
Г. Тихомиров, И. А. Хаусто в, А. А. Хвостов // Вестник ВГТУ. Сер.
Вычислительные и информационно -телекоммуникационные системы.
Вып. 8.1. - Воронеж, 2002. - С. 57-61.
37. Лебедев, В. Ф. Управление процессом полимеризации в каскаде р еакторов [Текст] / В. Ф. Лебедев, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов, Е. А.
Хромых // Вестн. ВГТУ. Сер. Вычислительные и информационнотелекоммуникационные системы. Вып. 8.3. - Воронеж, 2003. С. 6264.
38. Лебедев, В. Ф. Усовершенствование системы управления качес твом термоэластопластов, получаемых периодически м способом [Текст] / В. Ф.
ебедев, С. Г. Тихомиров, И. А. Хаустов // Первая Всерос. конф. по ка учуку и резине. - М. : ГУП НИИЭМИ, 2002. - С. 146-148.
39. Тихомиров, Г. С. Состояние и перспективы развития анионной п олимеризации для получения полимерных матери алов [Текст] / Г. С.
Тихомиров // Анионная полимеризация : вопросы технологии и пра ктики. - М. : ЦНИИИТЭнефтехим., 1984. - С. 3.
40. Тихомиров, С. Г. Анализ подсистем контроля показателями кач ества диенов в условиях производства [Текст] / С. Г. Тихом иров, И. А.
Хаустов, А. А. Хвостов // Математическое моделирование информац ионных и технологических систем : межвуз. сб. тр. Вып. 4 / Вор онеж.
гос. технол. акад. - Воронеж, 2000. - С. 112-114.
41. Тихомиров, С. Г. Информационно -измерительная система эк спресс-анализа качества полимеров [Текст] / С. Г. Т ихомиров, И. А.
Хаустов, М. В. Корчагин, А. А. Хвостов // Математические методы в технике и технологиях ММТТ -19 : сб. тр. ХIХ Междунар. науч. конф.
/ Воронеж. гос. технол. акад. - Воронеж, 2006. - Т. 8. - С. 214-215.
42. Тихомиров, С. Г. Модификация математической модели синтеза термоэластопластов в услов иях промышленного производства [Текст] / С. Г. Тихомиров, И. А. Хаустов, А. А. Хвостов // Теоретические осн овы проектирования технологических систем и оборудования авт оматизированных производств : межвуз. сб. науч. тр. Вып. 4./ Вор онеж.
гос. технол. акад. - Воронеж, 1999. - С. 98-105.
43. Тихомиров, С. Г. Разработка АСУТП процесса полимер изации каучука СКИ-3 [Текст] / С. Г. Тихомиров, В. Н. Вет охин // Тр. МХТИ им. Д. И. Менделеева. Вып. 152. М., 1988. С. 710.
44. Тихомиров, С. Г. Теоретическое обоснование ультрозв укового способа контроля прочностных свойств полимеров [Текст] / С. Г. Т ихомиров, А. А. Баранкевич, А. А. Хвостов // Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 19. : сб. тр. ХIХ Междунар. науч.
конф. / Воронеж. гос. технол. акад. - Воронеж, 2006. - Т. 8. - С. 22-24.
45. Тихомиров, С. Г. Теплопередача в реакторах полимеризаторах п ериодического действия при получении ДСТ 30Р [Текст] / С. Г. Тих омиров, И. А. Хаустов, В. Ф. Лебедев // Теоретические основы проект ирования технологических систем и оборудования автоматизир ованных производств : межвуз. сб. науч. тр. Вып. 3. / Воронеж. гос. технол.
акад. - Воронеж, 1998. - С. 161-167.
46. Тихомиров, С. Г. Физико-технические основы интеллектуал ьных методов экспресс-контроля качества производства каучука в раств орах [Текст] / С. Г. Тихомиров // Конденсированные среды и межфа зные границы. - Воронеж, 2005. - Т. 7. - С. 181 - 188.
47. Тихомиров, С. Г. Технологические осо бенности управления периодическими и непрерывными процессами растворной полимериз ации [Текст] / С. Г. Тихомиров, И. А. Хаустов, А. А. Хвостов // Теоретич еские основы проектирования технологических систем и оборуд ования автоматизированных производств: сб. науч. трудов. Вып. 5 / Воронеж.
гос. технол. Акад. - Воронеж, 2007. - Ч. 2. - С. 134. - 137.
48. А. с. 1597360 СССР, МКИ5 С 08 F 2 / 06, G 05 D 27 / 00. Способ измерения концентрации полимера и конверсии м ономеров в жидкой среде с химической реакцией и неп остоянным фракционным сост авом и устройство для его осуществления [Текст] / Б. П. Бухонов, В. В. Кафаров, А. В. Курицин, С. Г. Тихомиров, А. С. Эстрин, В. Н. Вет охин. № 4433213/23Ц05 ; заявл. 30.05.8 8; опубл. 07.10.90, Бюл. № 37.
49. А. с. № 1741113 СССР, G 05D 27/00, С 08F 136/04. Способ контроля качественных параметров процессов растворной полим еризации диенов [Текст] / Б. П. Бухонов, В. В. Кафаров, А.В. Курицын, С. Г. Т ихомиров, А. В. Бондарев // Открытия. Изобретения. - 1992. - № 35. - С. 41.
50. Пат. 2131887 Российская Федерация, МПК 6 С 08 F 2/04, G 05 D 27/00. Способ контроля молекулярных параметров в процессах раство рной полимеризации диенов [Текст] / Битюков В. К., Тихомиров С. Г., Хвостов А. А.; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. те хнол.
акад. - № 97120768/04 ; заявл. 15.12.1997 ; опубл. 20.06.1999, Бюл. № 17.
51. Пат. 2210763 Российская Федерация, МПК 7 G 01 N 27/70. Теплофизический способ определения средних молекулярных масс ра створов полимеров [Текст] / Битюков В. К., Лебедев В. Ф., Тихом иров С. Г., Хвостов А. А., Ромасенко А. В. ; заявитель и патентоо бладатель Воронеж. гос. технол. акад. - № 2002120261/28 ; заявл. 25.07.2002 ;
опубл. 20.08.2003, Бюл. № 23 ( III ч.).
52. Пат. 2235731 Российская Федерация, МПК 7 C 08 F 136/06. Способ автоматического регулирования молекулярно -массового распределения линейного полибутадиена / Битюков В. К., Лебедев В. Ф., Тихом иров С. Г., Хвостов А. А., Хромых Е. А. ; заявитель и патент ообладатель Воронеж. гос. технол. акад. - № 2003122537 ; заявл. 18.07.2003 ; опубл.
10.09.2004, Бюл. № 25.
53. Пат. № 2276673 2235731 Российская Федерация, МПК 7 C 08 F 2/04.
Способ контроля молекулярных параметров в процессах растворной п олимеризации диенов / Чертов Е.Д., Тихомиров С. Г., Хвостов А. А., Б аранкевич А. А.; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол.
акад. - № 2003122537 ; заявл. 18.07.2003 ; опубл. 10.09.2004, Бюл. № 25.
54. Bukhonov, B. P. Molecular structure and viscositi of divinil rubber [Text] / B. P. Bukhonov, V. N. Vetokhin, G. Granovskaya, S. G. Tihom irow, S. V. Shabanov, V. L. Lure, A. P. Garshin // Polumer scien сe. - 1992.
- V. 34. - № 5. - P. 384 - 385.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям