Математическое моделирование и оптимальное управление процессом очистки монометиланилина в ректификационной колонне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Назаров, Виктор Николаевич

• Назаров, Виктор Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Назаров, Виктор Николаевич

Введение

Глава 1. Современное состояние технологии и исследований в области 10 моделирования и управления процессом очистки ММА

1.1 Краткое описание технологического процесса очистки ММА

1.2 Анализ процесса очистки ММА как объекта управления

1.3 Анализ современного состояния в области математического 14 моделирования процессов ректификации

1.4 Общая постановка задачи оптимального управления процессом 17 очистки монометиланилина

1.5 Системы управления процессом очистки монометиланилина

1.6 Постановка цели и задач исследования

Глава 2. Математическое моделирование процессов протекающих в ректификационной насадочной колонне при производстве монометиланилина и проверка точности математической модели

2.1 Разработка математической модели процесса очистки ММА в 33 ректификационной колонне периодического действия

2.2 Разработка математической модели процессов протекающих в 38 кубе колонны

2.3 Математическое описание процессов протекающих в 41 дефлегматоре

2.4 Идентификация и проверка точности математической модели 43 процесса очистки ММА

2.4.1 Методика идентификации математической модели объекта

2.4.2 Идентификация математической модели процессов, 49 протекающих в ректификационной колонне

Глава 3 Имитационное исследование процесса очистки монометиланилина

Глава 4 Оптимальное управление режимами функционирования 65 ректификационной колонной при производстве ММА

4.1 Формализация технологических условий и ограничений

4.2 Математическая формулировка критерия оптимизации

4.3 Формулировка задачи оптимального управления

4.4 Определение видов варьируемых функций

4.5 решение задачи оптимизации

4.6 Формулировка и решение задачи оптимального управления №

4.7 Формулировка и решение задачи оптимального управления №

4.8 Формирование множества структур систем управлений 90 процессом очистки ММА

4.9 Реализация алгоритмов управления процессом очистки ММА

4.10 Разработка системы автоматизации процесса очистки ММА на 101 основе ЗСАЭА-программы «КРУГ - 2000»

Выводы по результатам диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование и оптимальное управление процессом очистки монометиланилина в ректификационной колонне»

Монометиланилин (ММА) используется в качестве основного вещества при производстве добавок к топливу, а также в качестве сырья для синтеза органических красителей и промежуточных продуктов [1, 2, 3]. Производство таких добавок является одной из перспективных отраслей химической промышленности.

Актуальность темы. В последние годы экологические свойства топлива выдвигаются на первый план. В настоящее время все законодательные инициативы, жестко регламентирующие экологические показатели качества топлива, в итоге направлены на снижение токсичности отработанных газов транспортных средств. В связи с этим, спрос на добавки, к топливу на основе ММА значительно возрос.

Качество выпускаемой продукции существенно зависит от выполнения наиболее сложных, длительных и трудоемких процессов. Одним из таких процессов, при производстве добавок к топливу, является процесс очистки ММА. Эффективное ведение процесса на этом этапе во многом определяет, качество и себестоимость готовой продукции.

При управлении процессом очистки ММА имеется ряд особенностей: ректификационные колонны работают с разделяемой смесью переменного состава и при разной нагрузке, отсутствие оперативного контроля качества готового продукта на выходе из ректификационной колонны (лабораторный анализ). Это приводит к тому, что при управлении реализуются далеко не оптимальные режимы.

Значительные энергозатраты, высокие требования к качеству и объему получаемого продукта, существующие особенности процесса как объекта управления (периодический и нестационарный характер процесса, большое число взаимосвязанных выходных технологических координат, совмещенность тепло- и массообменных процессов, а также их слабая изученность) определяет актуальность нахождения оптимальных режимов функционирования ректификационной колонны и разработки эффективных системы управления процессом очистки ММА на основе использования методов математического моделирования. Эта задача требует проведения комплексных научных исследований, основанных на методах имитационного моделирования и оптимального управления.

Несмотря на широкое распространение ректификационных колонн, процессы оптимального управления такими аппаратами все еще детально не исследованы. Исследование подобных процессов представляет собой сложную задачу, так как эти процессы описываются нелинейными системами дифференциальных уравнений в частных производных. Математическая постановка этих задач, как правило, не сформулирована, а дается лишь технологическая постановка. Математические трудности прежде всего связаны с нелинейностью уравнений и со сложностью граничных условий в виде обыкновенных дифференциальных уравнений-, совмещенностью некоторых протекающих процессов: тепло- и массообмена, большим числом взаимосвязанных выходных координат. Недостаточной наблюдаемостью процесса (отсутствие оперативного контроля качества готового продукта) и большим числом взаимосвязанных выходных координат.

Цель научного исследования: Повышение эффективности процесса очистки ММА в ректификационной колонне периодического действия в различных условиях функционирования.

Для достижения иели работы поставлены и решены следующие задачи:

• разработка математической модели процесса очистки монометиланилина в ректификационной колонне периодического действия, учитывающей многокомпонентность смеси, пригодную для решения задач оптимального управления;

• проведения комплекса имитационных исследований для выявления характерных особенностей протекания процесса очистки монометиланилина;

• оптимального управления процессом очистки монометиланилина,

• разработка структуры АСУ ТП очистки монометиланилина, позволяющей реализовать найденные оптимальные режимы.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы математического моделирования, современной теории автоматического управления, системного анализа, многомерной оптимизации, математической статистики, теории процессов и аппаратов химической технологии.

Научная новизна работы. Разработана математическая модель процесса очистки ММА, учитывающая взаимное влияние компонентов разделяемой смеси и включающая математическое описание энергетических и физико-химических процессов в ректификационной колонне, энергетических процессов, протекающих в кубе и дефлегматоре колонны.

Предложен алгоритм идентификации математической модели, отличающийся тем, что с целью повышения скорости нахождения неизвестных параметров, общая задача идентификации декомпозируется на ряд последовательных задач, с дальнейшим уточнением неизвестных параметров.

Поставлены и решены задачи оптимального управления процессом очистки ММА в ректификационной колонне.

Практическая ценность. Разработан комплекс программ для проведения имитационных исследований процесса очистки ММА.

Разработаны методики построения и параметрической идентификации математической модели для проведения имитационных исследований, алгоритмы решения задач оптимального управления, которые универсальны и могут быть использованы при решении аналогичных задач других производств.

Результаты решения задачи оптимального управления позволяют использовать их для принятия проектных решений о выборе класса системы управления, ее структуры и параметров.

Реализация работы. На основе результатов, полученных в работе, реализованы оптимальные технологические режимы процесса очистки ММА на ОАО «Пигмент», г. Тамбов.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на Всероссийских и Международных научных конференциях: «Проектирование научных и инженерных приложений в среде МАТЬАВ» (Москва, 2002), «Математические методы в технике и технологиях» (Санкт-Петербург, 2003), IX научная конференция ТГТУ (Тамбов, 2004), «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006), «Современные проблемы науки» (Тамбов, 2009), «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010)

Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 печатных работ, 2 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Назаров, Виктор Николаевич

ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

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

2. Разработана математическая модель процессом очистки ММА в ректификационной колонне периодического действия.

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

• выявить управляющие переменные и основные возмущающие воздействия ;

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

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

5. Решены задачи оптимального управления.

6. Предложены возможные схемы системы управления процессом очистки ММА и техническая реализация найденных оптимальных режимов.

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Назаров, Виктор Николаевич, 2010 год

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

2. Данилов А.М. Присадки и добавки. Москва "Химия" 1996 г.

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

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

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

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

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

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

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

10. Андреев Ю.Н., Бутковский А.Г. Оптимальное управление нагревом массивных тел //Изв. АН СССР. Кибернетика. 1964. № 5.С. 45-54.

11. Холланд Ч.Д. Многокомпонентная ректификация. М: Химия, 1969. 351 с.

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

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

14. Анисимов И.В. Основы автоматического управления технологическими процессами нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Л.: Химия, 1967- 408 с.

15. Липатов Л.Н. Типовые процессы химической технологии как объектов- 106управления. M.: Химия, 1973. 317 с.

16. Локотков А. GENIE 3.0: гармония простоты и эффективности //

17. Современные технологии автоматизации. 1998. №3. с. 62-69.

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

19. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков A.A. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987, 576с.

20. Технологический регламент на производство добавок к топливу

21. Тасев Ж. Моделирование ректификационных аппаратов // Год. Внеш. хим технол. ин-т. Бургас, 1983. Т. 18, № 2а. с. 23—32.

22. Alatigi I.M., Luyben WJL Control of a complex sidestreem column-stripper distril-lation configuration // Industr. and Eng. Chem. Process Des. and Develop. 1986. Vol. 25, № 3. P. 726-767.

23. Абдикеримов Т., Егоров AM., Живоглядов В.П., Крушель Е.Г. Применение вариационных методов в теории инвариантных систем с распределенными параметрами // Теория инвариантности автоматических систем. М: Наука, 1970. Т. 1.С. 18—25.

24. Авдеев A.M., Демиденко И. Д. Численный метод исследования нестационарных режимов многокомпонентной ректификации // Изв. СО АН СССР Сер. техн. наук. 1981. Вып. 2 № 8. С. 129—132.

25. Herman D.J., Sullivan G.R., Thomas S. Integration of process design, simulation, and control systems // Chem. Eng. Res. and Des. 1985. Vol. 63, № 6. P. 373—377.

26. Kummel M., Foldager L. Geometric control of a distillation column // ACI 83: 1 st IASTED Intern, symp. appl. contr. and identifi Copenhagen, 1983. Vol. 1. P. 3—14.

27. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. M.: Наука, 1969. -408с.

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

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

30. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. - 576с.

31. Волин Ю.М. Островский Г.М. Моделирование сложных химико -технологических схем. М.: Химия, 1975. 311с.

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

33. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математические модели основных процессов химических производств. М.: Высшая школа, 1991. - 399 с.•33. Ортега Дж., Пул У. Введение в численные методы решения дифференцированных уравнений. М.: 1986.

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

35. Щукин Л.Н. Решение задач теплообмена с помощью ЭВМ. М.: 1989.

36. Демиденко Н.Д. Моделирование и оптимизация тепломасссообменных процессов в химической технологии. М.: Наука, 1991. 240 с.

37. Демиденко Н.Д., Авдеев A.M., Карлов В.П., Садовская Е.В. Оптимальное управление химико-технологическими объектами с распределенными параметрами // Методы кибернетики химико-технологических процессов. М. 1984. С. 185—186.

38. Демиденко Н.Д., Ушатинская Н.П. Моделирование, распределенный контроль и управление процессами ректификации. Новосибирск.- Наука, 1978.285 с.

39. Иванов В.И., Кривошеее В.П., Ахмадеев М.Г. Особенности расчетапереходных процессов в ректификационной колонне // Автоматизированное и метрологическое обеспечение измерений в нефтяной и газовой промышленности. Уфа, 1984. С. 148—152.

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

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

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

43. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. - 576с.

44. Кузин Л.Т. Основы кибернетики. М.: Энергия, 1973.

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

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

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

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

49. Белман Р. Динамическое программирование, 1960.

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

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

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

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

54. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования- 109 экстремальных экспериментов. M.: Наука, 1965. - 340с.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

68. Лапин A.A., Лапина Н.В. Автоматизированное проектирование и разработка САПР трубчатых химических реакторов. Тамбов: ТИХМ, 1991. -76 с.- 11070. Анзимиров JI., Айзин В., Фридленд А. Новая версия TRACE MODE для

69. Windows NT // Современные технологии автоматизации. 1998. №3 с. 56-59.

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

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

72. Сборник методик по определению концентрации загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

73. Анисимов И.В., Бодров В.И., Покровский В.Б. Математическое моделирование и оптимизация ректификационных установок.-М.:Химия, 1975.-214 с.

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

75. Багатуров С.А. Основы теории и расчета перегонки и ректификации. М.: Химия 1974. 439 с.

76. Хук, Р. Прямой поиск решения для числовых и статических проблем / Р. Хук, Т.А. Дживс //1961. 219 с.

77. Бодров В.И. Математическое моделирование и оптимизация некоторых химико-технологический процессов и систем управления. Дис. д-ра техн. наук. М., 1975.431с.

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

79. Фролов С.В. Методы, алгоритмы и системы интервально-гарантированного оптимального управления технологическими процессами: Дис. д-ра техн. наук. Тамбов, 1999.

80. Корнеева А.И., Матвейкин В.Г., Фролов С.В. Программно-технические комплексы, контроллеры "и SCADA-системы. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1996. -219с.

81. Матвейкин В.Г., Фролов С.В., Шехтман М.Б. Применение SCADA-системпри автоматизации технологических процессов: Учеб. пособие. М.: Машиностроение, 2000. 176 с.

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

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

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

85. Программируемые логические контроллеры ICP DAS 2010./Каталог продукции. - М.: ПЛК системы, 2010.

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