Реферат: Информационно-технологические

Министерство образования Российской Федерации


ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

_______________________________________________________________


М.Е. Тотьменинов


ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

СХЕМЫ и МОДЕЛИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК и ПРОЦЕССОВ


Учебно-методическое пособие



Томск 2000


УДК 621.039.587


Тотьменинов М.Е. Информационно-технологические схемы и модели технологических установок и процессов. Учебно-методическое пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 2000 – 52с.: ил. 38.

В теоретической части пособия представлен метод последовательной разработки ряда уровней «Информационно-технологических схем и моделей технологических установок и процессов» в пространстве моделей. Метод включает: анализ и декомпозицию конструкции установки, разработку её информационно-технологических и операционных схем и моделей, выявление адекватности моделей, представление завершающей регрессионной (математической) модели и числовых значений её коэффициентов для задач управления установкой в режиме нормальной эксплуатации. Вторая часть содержит практический пример последовательности разработки схем и моделей для конкретной установки. Указана литература по объектам типовых технологий.

Пособие подготовлено на кафедре Электроники и автоматики физических установок ФТФ ТПУ и предназначено для проведения практических и лабораторных занятий, для курсового и дипломного проектирования, для инженеров-исследователей и аспирантов ФТФ и для других специальностей ТПУ.

Пособие может быть использовано по направлениям - «Приложения Общей теории систем», «Кибернетика», «Модели систем», «Моделирование систем ядерной технологии», «Основы автоматизации физических установок», «Процессы и аппараты химической технологии» и по другим направлениям.


Рецензент к. т. н., доцент ДЯДИК В.Ф.


Темплан 2000





С Тотьменинов М. Е., 2000

С Томский политехнический университет, 2000


Содержание

Введение. 4

Общая оценка типов моделей и моделирования. 4

Шкалы и спектр моделей. 5

Наглядность моделей. 6

2. Задачи и следствия разработки моделей в форме

информационно-технологических схем процесса. 8

Декомпозиция - методология разработки

информационно-технологической схемы (модели) процесса. 9

4. Базовые модели (схемы) преобразования ВЭИ потоков. 10

5. Схемы взаимодействия информационных потоков. 13

6. Экспериментальное определение коэффициентов связей KIJ на

базе статических характеристик технологического процесса. 15

7. Преобразования статических характеристик. 17

Схемное представление и теоретическое определение

связей и их коэффициентов KIJ. 20

9. Разработка операционной модели технологической установки. 22

10. Графы и модели технологических установок. 23

11. Уровни и последовательность разработки видов моделей. 25

12. Адекватность моделей. 28

13. Пример представления математической модели и

информационно-технологической схемы (модели) процесса. 33

13.1. Преобразования в газовой полости. 34

13.2. Преобразования в гидравлической емкости. 34

13.3. Преобразования входных и выходных расходных потоков. 36

13.4. Общая математическая блочная модель и

информационно-технологическая схема (модель)

технологической установки. 39

13.5. Регрессионная модель технологической установки. 43

13.6. Операционная модель установки. 48

13.7. Статическая и динамическая характеристики

технологической установки. 50


Литература 52


Введение


Основное направление развития современных различных технологий привело к постановке и необходимости решения проблемы качественной и экологически надежной эксплуатации разнообразных установок, цехов и производств [1, 3, 9].

Проблема в значительной мере усложнена тем, что современные технологические объекты, сами по себе, являются сложными объектами [1, 2, 6, 7] - результатом продвинутых сложных технологий, как, например, ядерные реакторы или ядерные энергетические установки [9, 11]. Объекты другого типа включают большое число разнообразных физико-химических процессов, которые вызывают совокупную сложность взаимных связей между этими процессами в конкретной технологии. Так, например, в физико-химических технологиях [4, 8, 9, 10], объекты которых [9, 10] могут быть примерами для разработки информационно-технологических схем.

К указанной проблеме добавляется проблема отсутствия наглядности при предсказании влияния некоторого компонента установки, её входных переменных или констант на характер и качество получаемого продукта. Эта проблема предсказания значимо и наглядно проявляется для вновь создаваемых установок.

Влияние указанных проблем может быть ослаблено, а прогнозирование по ведению процессов улучшено, если используются известные методы моделирования технологических установок и процессов [2, 3, 4, 11]. Однако в этом случае возникает задача выбора метода моделирования и представления конкретного вида технической модели, обусловленной поставленной технической или исследовательской задачей.

В пособии рассматриваются некоторая часть из всего широкого спектра моделей - модели в виде информационно-технологических схем процессов. Этот вид моделей и их разработка базируются на основных положениях и принципах «Общей теории систем» и предназначены для модельного отражения технологий типа [9, 10].

Выделение блока информационно-технологических схем процессов позволяет получить «обзорную» оценку технологических процессов, оценку роли и прогноза различных возмущений на процессы, а также связать разработку последовательности моделей с решением задач при проектировании установок, их промышленной эксплуатации и автоматического управления ими. Включая оценку адекватности при разработке моделей и методологию повышения уровня адекватности модели.

За основу представления материалов принято их схемное (графическое) представление, которое позволяет сократить объем дополнительных словесных обоснований: схема содержит и концентрирует информацию словесных описаний.


^ Общая оценка типов моделей и моделирования


Проблемы разработки, эксплуатации и управления сложными системами определили постановку задачи выбора таких методов для их разработки и исследования, которые не были бы на первых этапах разработки связаны с физической реализацией или с экспериментальными исследованиями этих сложных систем или объектов. Так, в частности, из-за проблем экономики, эксплуатационной и/или безопасности, включая экологическую безопасность.

Эта задача была решена на базе известного перехода от исследования реальной физической конструкции к исследованию её аналогов. Переход осуществлялся по различным направлениям, которые в результате окончательно сформировались в общее направление моделирования и работ с различными моделями объектов и систем.

^ Шкала и спектр моделей


О
бобщением развития работ по моделированию [1 – 8, 11] явились положения о шкале и спектре моделей – согласно принципов «Общей теории систем», образное представление о которых приведено на рисунке 1.

На шкале рисунка 1, согласно [3], представлены некоторые реперные точки шкалы - некоторые выбранные типы моделей, которые получили широкое распространение в процессе развития различных технологий. Начиная от конструкций и их натурных моделей до абстрактных математических моделей. Реперные точки шкалы или реперные блоки отражают некоторые базовые типы моделей (уровни), которые имеют совокупность основных объединяющих особенностей, образующих данный тип модели.

Переходы от одних реперных блоков к другим в достаточной мере условны, как, например, в начале и конце шкалы.

Эта условность обусловлена тем, что наборы моделей, относящихся к выбранным дискретным реперным точкам (блокам) в действительности образуют некоторые вероятностные распределения, которые простираются в области определения смежных реперных блоков. Характер этих распределений подчиняется законам «непрерывной нечеткой логики», так, в частности, «вейвлетного» анализа. В результате процесса взаимного перекрытия областей формируется известное положение для спектров: границы между областями спектральных пиков - размыты. Взаимные же последовательные перекрытия областей, которые относятся к различным реперным блокам, образуют спектр моделей на этой шкале моделей.

Реперные блоки рисунка 1 отражают основную особенность в направлении развития процесса моделирования: тенденцию к переходу при исследованиях и при разработке новых технологий – от конкретных физических натурных объектов к абстрактным информационным математическим моделям. В значительной степени этот переход был обусловлен развитием и использованием ЭВМ и ПК.

Особенность перехода наиболее наглядно проявляется при разработке новых технологий, когда исследователь, уже на уровне математических моделей, может учесть требуемый набор свойств и особенностей новых проектируемых устройств. На схеме рисунка 1 это представлено в форме синтезирующей модели-связи (синтезирующего оператора разработки), который учитывает и трансформирует влияние источников новых знаний и математических моделей на процесс синтеза новых технологий.

В свою очередь – большинство существующих технологий требует оценку влияния спектра различных дестабилизирующих факторов от внешних и внутренних воздействий при эксплуатации реальных установок. Подробный анализ различных дестабилизирующих факторов и их оценка детально проявляются при анализе известных технологий на базе их информационно-математических моделей. Этот процесс на рис.1 отражен в форме блока анализа известных технологий или в виде анализирующей модели-связи (анализирующего оператора оценки).

Из более широкой оценки типов моделей, методов и направлений моделирования можно отметить, что развитие этих направлений оказало существенное влияние на создание, формирование и развитие «Общей теории систем». Поэтому положения «модель» и «моделирование» входят и обуславливают состав базовых основ «Общей теории систем». В дополнение к её базовым и основным понятиям: «система», «сложность», «декомпозиция», «преобразователи», «операторы», «потоки», «связь», «обратная связь», «состояния», «пространства», «координатные оси», «шкалы», «уровни». Эти же положения, в свою очередь, являются также рабочими положениями при разработке моделей и для процесса моделирования.

Блок моделей, которые приводятся в пособии, - это часть из спектра моделей рис.1. Область этого блока ограничена информационно-технологическими моделями процессов, определяющих взаимное дополнение математических моделей и информационных схем.


^ Наглядность моделей


Следует отметить ещё одну особенность процесса моделирования. Эта особенность связана с проблемой наглядности модели для исследователя. Ранее, в процессе создания и разработки большинства конструкций, в этом процессе доминировали натурные методы, которые представляли модели в наглядном виде. Как следствие – все модели имели наглядное представление. При переходе же к исследованию сложных технологий и к оценке информационных процессов в сложных объектах уровень наглядности анализируемого явления или процесса резко понизился. При соответственно возросшем уровне математической абстракции. Как, например, в квантовой механике. Что создало известные трудности для исследователей с осмыслением предмета изучения.

Методы же моделирования и современный спектр моделей позволяет перевести внешне не наглядные процессы в наглядную форму. Указанное связано с формами внешнего представления, переработки и использования информационных потоков, что обусловлено принципом работы мозга человека (рис. 2): 1) пространственным восприятием ^ ОБЪЕКТА, СИСТЕМЫ, ПРОЦЕССА, ЯВЛЕНИЯ - областью правого полушария мозга; 2) словесно-логическим восприятием их же – ОСПЯ – левым полушарием мозга.



Рис.2. Формы и способы восприятия, обработки и представления информации

Из рис. 1 и 2 следует, что процесс изучения и разработки новой конструкции (установки) - это процесс последовательного перехода от исходного физического образа, так КОНСТРУКЦИИ - (блок 1.2), через спектр информационных моделей к новому физическому объекту на рис. 1. Виды же информационных моделей рис.1 и 2 содержат: так для рис.2 - СЛОВЕСНО-ЛОГИЧЕСКИЕ (блок 1.1) и ^ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОПИСАНИЯ (2.1), а также (2.2) - СИСТЕМНЫЕ ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫЕ СХЕМЫ и ГРАФИЧЕСКИЕ зависимости для этих словесных и математических описаний.

Процесс разработки – это раскрытие темы от блока 2.1 к 2.2. Основной путь раскрытия - подключение иных блоков при анализе и он идет против часовой стрелки. Детали же процесса разработки отражает центральный «тетраэдр» анализа и оценки взаимных связей между блоками, темами, ОСПЯ разработки. Он показывает, что возможны при детализациях возвращения на предыдущие этапы для решения каких-либо уточняющих вопросов - т.е. локальные местные обратные связи. Но основная тенденция при разработке установки сохраняется – от исходной физической конструкции через информационные преобразования - вновь к новой физической конструкции. При этом ТОЛЬКО ЛИШЬ при словесно-логическом и математическом описании, особенно для сложных систем, хотя и выявляется внутренняя логика процесса, однако теряется образная наглядность физической конструкции (рис. 2). А за счет обратных связей, возникает «ловушка» словесного «зацикливания».

Согласно этого же рисунка 2 - представление моделей реальных конструкций в виде информационных схем преобразования внутренних процессов (блок 2.2) в этих процессах позволяет, дополнительно к наглядному исходному образу конструкции 2.1, получить образную картину процессов преобразования информации в них. Подобно картине расположения и согласования механических деталей в установке. Для 3 других блоков рис.2 эти схемы блока 2.2 также являются образными дополнениями к словесно-логическому и математическому описаниям.

Формирование схем информационного преобразования базируется на основании логики информационно-словесного и математического блоков с подробным учетом эксплуатационно-регламентных положений и инструкций.

Результатом анализа схем для информационных преобразований процессов в установке являются:

заключения о требуемом уровне её математического описания,

заключения о достигнутом уровне адекватности и точности описания процессов;

основания для разработки программы для расчета работы установки,

уточнения на перечень и на диапазоны внешних переменных, на внутренние и режимные переменные и на значения параметров установки. При этом - с учетом значений реальных возмущений, переменных пространства состояния и пространства управления.

Конкретные величины и значения для указанного последнего перечня переменных и констант определяют эксплуатационно-потребительские свойства установки. Также они определяют обоснование характера эксплуатационного управления установкой, при котором не нарушаются условия её безопасного функционирования.


^ Задачи и следствия разработки моделей

в форме информационно-технологических схем процесса


Отмеченные на рисунке 1 реперные блоки «Моделирование на ЭВМ» и «Математические модели» по характеру переработки и преобразования информации в них относятся к общему, более крупному блоку – к блоку «информационно-математических моделей». Этот блок, в свою очередь, содержит набор блоков-подсистем, отражающих различные аспекты образного и функционального представления процессов преобразования информационных потоков в реальной установке.

В соответствии с этим возникает требование, а соответственно и задача, - требование о выделении такой последовательности моделей, которая бы последовательно отражала и развивала этапы преобразования информационных переменных при переходе от конструкции реальной установки до её абстрактной информационно-математической модели [10, 4]. При этом - из-за отсутствия наглядного представления о преобразованиях информационных процессов в установке - последовательность моделей должна содержать наглядные образы преобразований [4].

Согласно указанного, целью разработки моделей в форме информационно-технологических схем и/или информационно-математических моделей процесса является реализация плавного перехода от конкретных материализованных физико-химических установок и их обычного словесно-технологического описания к стандартным математическим и физико-математическим моделям любых технологических процессов. Вне зависимости от их конкретной природы и составляющих их элементов – словесных, текстовых, физических, технологических и т. д. [1, 2, 3, 9, 12].


Разработка подобных схем материализует процесс преобразования словесных понятий технологии в наглядную материалистическую схему причинно-следственных связей. С выявлением вторых главных элементов технологии – с наглядным выявлением всех конструкционно-технологических связей [11] и инструкционно-логических связей в управляемом процессе. Эти связи, в силу своей сущности - материалистически не проявленной информационной формы, являются основным препятствием:

для осмысления на уровне студента и/или технолога общей связности процесса,

для обозримого выявления всех причинно-следственных технологических связей,

для оценки степени (уровня) влияния всех технологических блоков и внешних технологических воздействий на производство целевого продукта и на экологию,

для выявления «узких» мест технологии и для качественного осмысления регламента управления процессом,

для разработки: математического описания и различных уровней представления процесса, включая требуемый уровень для автоматизации управления процессом,

для последующего качественного управления процессом в ручном и в автоматическом режимах.

Вышеперечисленное соответствует приложению принципа дополнительности к проявлению наглядности технологии – т.е. к наглядному обзору информационных особенностей в технологии на уровне «обзорного информационного взгляда сверху» на технологические процессы в материализованной конструкции установки.


^ Декомпозиция - методология разработки [2]

информационно-технологической схемы (модели) процесса


Разработка информационно-технологической схемы объекта, системы, процесса или технологического узла основана на положении: информационно-технологической схема или модель – наглядное представление внутреннего процесса переработки информации в исследуемом материальном объекте. Разработка информационно-технологической схемы происходит на базе трех этапов процесса декомпозиции.

I этап. На первом этапе - внутри объекта (системы и т.п.) выделяются конструктивно крупные базовые узлы, выполняющие определенную функциональную роль для этого объекта. Обычно этот этап проводится для больших производственных систем, имеющих характер комбината, завода, цеха или производства.

Чаще всего при этом конструктивно-структурном выделении используется принцип геометрического или пространственного выделения отдельных узлов в технологической линии (в объекте). Узлы обычно визуально являются конструктивно и пространственно обособленными.


II этап. В процессе второго этапа производится декомпозиция выделенных узлов на более мелкие структурные единицы – реактор, теплообменник, адсорбер, дистиллятор и т.д. Также, чаще всего, на этом II уровне декомпозиции используются два принципа:

принцип геометрического или пространственного выделения узлов в технологической линии (в объекте), которые, как и в I случае, обычно тоже являются пространственно обособленными;

принцип физического или процессного выделения, когда за критерий деления принимается некоторый физический или иной другой природный процесс.


III этап. На уровне третьего этапа обычно производится декомпозиция и выделение элементарных физических, физико-химических или химических процессов, которые входят как составляющие в узлы и процессы II этапа. Так, например, теплообмен, массообмен, горение, испарение, разложение и т.д.

Выделенные процессы на уровне ^ III этапа обычно принимаются в виде элементарных преобразователей. Исходя из цели обзорного представления информационно-технологической схемы всей установки: - принятая элементарность предполагает, что дальнейшее выделение более мелких физических и химических процессов на данном уровне анализа считается информационно излишним.

Безусловно, что после обзорного анализа информационно-технологической схемы этой установки может возникнуть необходимость детализации каких-то процессов, которые ранее были приняты в виде элементарных. Но которые, по значимости, вносят существенную роль в управляемые (исследуемые) процессы и/или в выработку целевого продукта. Это означает, что далее требуется более детально исследовать эти процессы.


^ Базовые модели (схемы) преобразования ВЭИ потоков


Для обзорного представления информационно-технологической схемы установки первоначально необходимо отобразить процесс преобразования в ней ВЕЩЕСТВЕННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ потоков. С этой целью - каждый из выделенных элементарных процессов рассматривается в виде ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ - «Черного Ящика» (рис.3). На вход этого преобразователя, как и в любой технологической установке, поступает ВХОДНОЙ ВЕЩЕСТВЕННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНФОРМАЦИОННЫЙ поток, а с выхода – снимается соответственно некоторый ВЫХОДНОЙ ВЕЩЕСТВЕННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ И
НФОРМАЦИОННЫЙ поток.


Под ВЭИ потоками понимаются потоки обычного вещества, энергии и информации реально участвующие в технологии на уровне их рабочих фазовых состояний (твердое, жидкое, газообразное, плазма, нейтронный поток и т.д.).

У
словное обозначение для потоков в виде двойной стрелки отражает процесс распространения общего потока по каким-либо трубопроводным или другим соединительным линиям. Так, например, по линиям электропередачи.

На этом этапе анализа элементарного преобразователя принимается, что основную роль в процессе преобразования технологических потоков играют только материальные носители – вещество и энергия. Потоки же информации, переносимые этими потоками, временно не принимаются во внимание. Считается, что они присутствуют как реальность, но пока еще не проявлены.

Согласно существующим информационным потокам и их преобразованиям также принимается, что закон преобразования F вещества, энергии и информации на этом этапе для представленного «Черного Ящика» - существует (согласно технологии производства), но его конкретная форма пока принимается не известной.

Порядок декомпозиции (разбиения) технологических установок до уровня элементарных преобразователей обычно приводит к блокам, которые содержат

1 или 2 входных потока ВЭИ,

1 или 2 выходных потока ВЭИ.

Согласно этому схема преобразователя по рисунку 3 трансформируется в 3 схемы:

схему разложения потоков – рисунок 4;

схему объединения потоков - рисунок 5;

и в схему взаимообмена (рисунок 6), которая объединяет схемы 4 и 5.


Схема разложения (рисунок 4) представляет некоторый, существующий по технологии, процесс материально-вещественного разделения исходного входного потока ВХВЭИП1 на его два выходных компонента ВЫХВЭИП1 и ВЫХВЭИП2.

Законы разложения F11 и F12 в этом процессе так же, как и ранее, временно принимаются неизвестными, но существующими - на основе известной технологии.

Схема объединения потоков (рисунок 5) представляет также существующий по технологии процесс материально-вещественного образования единого результирующего выходного потока ВЫХВЭИП1 на основе объединения его двух входных компонентов ВХВЭИП1 и ВХВЭИП2.


Законы объединения F11 и F21 в этом процессе также, как и ранее, временно принимаются неизвестными, но существующими - также на основе известной технологии. Результаты отдельных преобразований F11 и F21 для исходных входных потоков суммируются (объединяются) и формируют выходной поток.

Эта же схема может отражать и процесс влияния на какой-то основной процесс, так, например - на принятый процесс F11, некоторого внешнего возмущения - в форме воздействия F21. Таким возмущением, например, может быть воздействие внешней среды. В подобных случаях: результирующий процесс ВЫХВЭИП1 формируется как результат сложения положительного основного процесса F11 и отрицательного процесса воздействия F21.



Объединение схем преобразований и для разложения (рисунок 4), и для объединения (рисунок 5) формирует блок элементарного взаимообмена (рисунок 6).

Схема на рисунке 6 реализует для каждого из входных потоков вначале их начальное разделение на части по схеме 2, а затем – новое объединение этих частей для формирования новых выходных потоков. Этот процесс взаимообмена характерен для всех типовых процессов типа тепло (энерго) и массообмена. И, как следствие, для процессов информационного обмена.

На рисунке 7 приведен пример объединения 3-х элементарных преобразователей в некотором технологическом процессе. В качестве особенностей технологии можно отметить наличие двух входных потоков от внешних источников - вхВЭИП1 и вхВЭИП2, а также двух выходных потоков - ВЫХВЭИП1 и ВЫХВЭИП2 для внешних потребителей. При этом внутри технологического процесса возникает цепь внутренней обратной связи (или цепь рецикла по потоку ВХВЭИП3), которая формирует и создает ВЫХВЭИП3.


Наличие таких цепей обратной связи достаточно легко прослеживается по линиям соединяющих трубопроводов для конструктивно обособленных процессов и аппаратов, которые, в своем большинстве, можно рассматривать в «точечном» приближении.
Однако, когда анализ «точечного» объекта требует раскрытия его «пространственного» описания, так, например, в случае пространственно распределённых объектов – для процессов в активной зоне ядерного реактора, для ректификации, экстракции и т.д., такие контура внутренней обратной связи в установке явно не проявляются. Применение же принципа декомпозиции к внутреннему пространству установки обуславливает их наглядное представление, что выявляет взаимодействие различных аспектов протекающих в ней процессов.

После создания подобной обобщенной схемы взаимодействия ВЭИ потоков в изучаемом технологическом объекте процесс вещественно-энергетической декомпозиции объекта, узла, установки и т.д. можно считать завершенным.


^ Схемы взаимодействия информационных потоков


Схемы взаимодействия различных составляющих информационных потоков разрабатываются на базе схем элементарных преобразователей ВЭИП.

Таким же образом, как и для преобразователей ВЭИП, на первом этапе составляются информационные схемы для отдельных элементарных выделенных вещественно-технологических преобразователей. Затем из этих информационных преобразователей составляется общая схема преобразования информационных потоков для изучаемого технологического объекта, процесса, установки.

Особенностью составления информационных схем для отдельных элементарных преобразователей является выявление их входных и выходных переменных (координат). Эти переменные (координаты) отражают и характеризуют

информационные (сущностные) составляющие для потоков вещества и энергии,

количественные особенности для этих составляющих потоков.

^ Выделение информационных составляющих для потоков вещества и энергии производится на основании теоретических и технологических знаний о физике и химии (природе) этих потоков - на уровне знания и описания их рабочих фазовых состояний (твердое, жидкое, газообразное, плазма, нейтронный поток и т.д.).

В качестве информационных переменных (координат, составляющих) используются обычные известные физические величины системы СИ. Для конкретной анализируемой технологии требуемая часть из этих величин образует комплекс её физико-технологические переменных в пространствах состояния и управления. Так, например, напряжение U, ток I, радиоактивность R, температура T, давление P, расход F, концентрация Q, уровень L, перемещение G, масса W, плотность D и т.д.

Перечень информационных составляющих (для некоторого вещественно-энергетический потока) выявляется как на основе известной теории процесса, так и на основе опыта знания технологии. Этот перечень определяет декомпозицию любого потока на набор его информационных переменных.


Пусть в некоторый закрытый бак поступает жидкость-растворитель с некоторым растворенным веществом. Расход жидкости – ^ F. Концентрация растворенного вещества - QВХ. Уровень жидкости в баке – L. Пусть также на жидкость действует некоторое воздействие, например излучение с интенсивностью R, в результате которого часть растворенного вещества разлагается и образуется газ. Регистрируемое давление РВЫХслужит мерой выделения газовой фракции. Пусть требуется также знание и о концентрации QВЫХв обедненном растворе.

В этом примере при декомпозиции установки могут быть использованы схемы преобразователей вещественно-энергетических потоков согласно рис.6, а затем –по рис.4, где функцию выходных потоков выполняют газовая и жидкостная массы .

Установив соответствие технологических переменных для входных и выходных вещественно-энергетических потоков, отметим их на схеме рис.8 в виде:

вектора входных воздействий X = [X1, X2, X3];

вектора выходных координат (вектор пространства состояний) Y = [Y1, Y2, Y3];

коэффициентов KIJ = [K11, K12, K13, K12, K22, K23, K32, K33] матрицы преобразования входного вектора воздействий X в выходной вектор пространства состояний Y.

Тогда приведенный гипотетический преобразователь вещественно-энергетических потоков, моделируемый рисунками 6 и 4 , будет иметь вид схемы информационного преобразователя (рисунок 8), для которого проведена также и декомпозиция его входных и выходных информационных потоков.

К
оэффициенты же KIJ матрицы преобразования K являются основными элементами для исходного понимания и последующего управления любым технологическим процессом [11]. Эти коэффициенты находятся и устанавливаются как на основе теоретических знаний о природе процесса, так и на основе опыта промышленной эксплуатации технологии.

На первом уровне анализа коэффициентов KIJ: для любого элементарного преобразователя из оценки физико-химической технологии процесса, устанавливается

либо наличие этих коэффициентов связи - KIJ ,

либо отсутствие связи KIJ = 0 между i входной и выходной j координатами.

Там, где эти связи технологически не проявлены, (на рисунке 8 это связи K21 и K31) - стрелки преобразований-воздействий не проводятся.

Там же, где по каким-либо соображениям связи указаны, - выявление их значений, как и оценка их поведения во времени, является предметом теоретической и экспериментальной научно-производственной проработки, изысканий и уточнений.


^ Экспериментальное определение коэффициентов связи

на базе статических характеристик технологического процесса


На уровне экспериментальных исследований эти коэффициенты определяются согласно принципа разложения функции выходной координаты (следствия) в ряд Тейлора в окрестности рабочей точки по набору входных координат (причин). За координаты рабочей точки - принимаются регламентные значения тех технологических переменных, которые определяют режим нормальной эксплуатации технологического объекта. При разложении же в ряд Тейлора – согласно принципа линеаризации - обычно используются только линейные (первые) члены этого разложения.

Принцип линеаризации является современным базовым принципом преставления модели технологического процесса для целей управления этим процессом. Так как считается, что в процессе нормальной эксплуатации - за счет процесса работы систем управления - отклонения от рабочей точки работы объекта для его режима нормальной эксплуатации

либо не выходят за пределы линейности,

либо можно пренебречь вкладом от имеющихся нелинейностей.

Указанное выше можно проиллюстрировать графически. Так для выходных переменных РВЫХ и QВЫХ в представленном примере их общие неявные зависимости от входных переменных F, R и QВХ могут быть представлены в виде:

РВЫХ= Ф1(F, R, QВХ) (1)

QВЫХ= Ф2(F, R, QВХ) (2)

Тогда согласно линейного разложения в ряд Тейлора внутри области малых отклонений (приращений) для входных координат (при работе систем автоматического управления) можно записать для РВЫХ и ^ Началом всех работ является ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ДЕКОМПОЗИЦИЯ ГЕОМЕТРИИ ОБЪЕКТА, СИСТЕМЫ, УСТАНОВКИ, ПРОЦЕССА.
I уровень – ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ уровень – завершается разработкой инфомационно-технологической схемы (модели) всей установки с выделением всех вещественно-энергетических потоков и с выделением для них информационных констант и переменных. Тем самым проводится предварительная ^ ИНФОРМАЦИОННАЯ ДЕКОМПОЗИЦИЯ всех вещественно-энергетических потоков для дальнейшей детализации связей и взаимных влияний процессов.

II уровень – ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ уровень – завершается блочной информационно-физическая моделью установки с проявлением на её схеме связей блоков и частей установки отдельными информационными переменными.

III уровень – детальный ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ уровень – завершается детальной математической (операционной, информационной) моделью, графом модели и программой для расчета статики и динамики процесса технологии.

IV уровень – МАТЕМАТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ УПРАВЛЕНИЯ – завершается разработкой РЕГРЕССИОННОЙ модели установки с расчетом её статических и динамических характеристик и с определением зависимостей kIJ(t) и числовых значений kIJ коэффициентов передач по выделенным каналам управления.

V уровень – уровень синтеза (разработки) ^ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ установкой.

.

У
казанная последовательность уровней разработки моделей технологических установок входит, как составная часть, в общее пространство познания окружающего мира (рисунок 16а). Это пространство познания формируется из последовательности этапов (уровней) познания, изменение и развитие которых в процессе познания образуют динамику изменения пространства познания (науки, образования).
Известные этапы сбора и классификации фактов для любых процессов и объектов окружающего мира и, особенно, для сложных систем можно рассматривать также как этапы начального естественно-системного или физико-системного моделирования – как моделирование «расположения» фактов и их проявлений в выбранном пространстве состояний для принятого объекта исследования.

Этапы «выработки гипотез, выявление связей и соотношений, разработка частных математических описаний и моделей» соответствуют современной области математического и иных форм моделирования для решения всего спектра различных естественных, познавательных, технических и производственных задач.

^ Последние 3 этапа - этапы научного познания и производства новых научных знаний об окружающем мира для его адекватного отражения с целью последующего управления его процессами. Эти три этапа можно рассматривать также как процесс моделирования (отражения) «больших сложных систем». Для последних 5 этапов главным критерием оценки становится адекватность и её числовая форма – точность.

^ Адекватность моделей


Адекватность моделей технологических установок является важным вопросом при разработке моделей любого уровня для соответствующих задач технологии. Значимость адекватности обусловлена дальнейшими проблемами практического использования разработанной модели установки.

В сжа