Материал: основы проектирования хим произв дворецкий

172 Глава6. ИНТЕГРИРОВАННОЕПРОЕКТИРОВАНИЕХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ…

Структурно-параметрическое описание проектируемого многоассортиментного химического производства удобно интерпретировать И/ИЛИ графом, в котором множество вершин разбито на два класса (рис. 6.3): И-вершины (изображенные в виде квадратов) и ИЛИ-вершины (изображенные в виде кругов).

Первый ярус – И-вершины ( ω, α(ω), β(ω) ) интерпретируются как исходные

данные для проектирования; здесь задаются ассортимент, спецификация качества выпускаемой продукции и требования к проектируемому производству в соответствии с техническим заданием.

Второй ярус – ИЛИ-вершины содержательно интерпретируются как совокупность технологий (технологических стадий) проектируемого химического производства и структур управления производством.

Третий ярус – также ИЛИ-вершины соответствуют альтернативным вариантам аппаратурного оформления технологических стадий и систем автоматизации (управления) этими стадиями. Конкретный вариант структурно-параметри- ческого описания дается деревом и получается отождествлением каждой И-вершины с одной из ее подвершин (фиксация параметрического описания), выделением из каждой группы ИЛИ-вершин, имеющих И-вершину (родителя), одной ИЛИ-вершины и отождествлением последней с одной из ее подвершин (фиксация структурного описания). Формализацию структурно-параметри- ческого описания завершает его отождествление с вершинами конструктивных d D и настроечных параметров s S системы управления химическим производством.

С использованием графа, оценочных функций I (•) эффективности функ-

ционирования проектируемого химического производства, эвристических и экспертных оценок выбирается наиболее перспективный вариант аппаратурного оформления и системы управления технологическими процессами химического производства.

6.2. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХТС

Общим для задач принятия оптимальных решений, которые возникают на разных стадиях и этапах интегрированного проектирования ХТС, является то, что они могут быть сформулированы математически в форме задач нелинейного или стохастического программирования. К сожалению, среди численных методов оптимизации не существует универсального. Как правило, решение задач оптимизации на различных этапах проектирования требует индивидуального подхода и связано с применением нескольких методов поиска оптимальных решений, и даже в этом случае успех во многом будет зависеть от квалификации и опыта проектировщика. В связи с этим в интегрированных САПР ХТС большое внимание отводится вопросам принятия оптимальных решений в интерактивном режиме, когда проектировщик имеет возможность оперативно взаимодействовать с ЭВМ на любом этапе решения задачи. При этом в результате диалога он

может изменять как число, так и тип варьируемых (оптимизируемых) переменных, выбирать наиболее эффективный в сложившейся ситуации метод поиска, подстраивать численные параметры методов к конкретным особенностям целевой функции (критерия эффективности) оптимального проектирования ХТС.

Такой подход к принятию оптимальных решений в интегрированных САПР ХТС позволяет осуществлять адаптацию методов оптимизации к особенностям и трудностям конкретной практической задачи, но для этого проектировщик должен понимать, в каких случаях и какие методы оптимизации необходимо применять для того или иного класса экстремальных задач, возникающих на различных этапах проектирования ХТС.

Количественную информацию об эффективности функционирования и о характеристиках свойств проектируемой ХТС можно получить методом компьютерного моделирования. Для этого многомерные массивы количественной информации о состоянии ХТС в различные моменты времени и при различных условиях должны быть сведены к ограниченному числу некоторых агрегированных переменных (обобщенных оценок эффективности функционирования и характеристических свойств проектируемой ХТС). Указанные обобщенные оценки представляют собой числовые функциональные характеристики химического производства.

Критерий эффективности (целевая функция) функционирования ХТС – это числовая функциональная характеристика, оценивающая степень приспособления ХТС к выполнению поставленных перед нею задач. Критерии эффективности широко используют для сравнительной оценки альтернативных вариантов при проектировании ХТС, оптимизации конструктивных и режимных переменных ХТС, сравнительной оценки алгоритмов управления технологическими режимами функционирования ХТС. В общем случае критерий эффективности функционирования ХТС зависит от конструктивных и режимных переменных, структуры ХТС и управления ею, внешних и внутренних случайных или неопределенных факторов (параметров) ξ Ξ . Пусть критерий эффективности I (•)

химического производства представляет собой векторную целевую функцию. Введем также множества I E p показателей эффективности функционирования производства и Q Eq показателей технологических условий (ограничений),

соответствующих технологическому регламенту эксплуатации производства и определяющих наряду с критерием I (•) достижение целей, указанных в техни-

ческом задании на проектирование ХТС. Будем считать, что на множествах I и Q заданы функциональные зависимости α : Ω → I , β: Ω → Q .

Заметим, что вектор ξ Ξ помимо части входных переменных (расходов,

концентраций, температуры, гранулометрического состава и т.п.) включает также известные с некоторой степенью неопределенности физико-химические и термодинамические характеристики перерабатываемых веществ, свойства конструкционных материалов технологического оборудования, коэффициенты тепло-

174 Глава6. ИНТЕГРИРОВАННОЕПРОЕКТИРОВАНИЕХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ…

и массопереноса, кинетические константы химических реакций и т.п. Неопределенные параметры могут быть заданы некоторыми априори известными интервалами значений, что необходимо учитывать при расчете процессов и аппаратов проектируемой ХТС.

Решение задачи оптимального проектирования сложной ХТС невозможно простым перебором возможных структур (технологий) получения заданных ассортиментов продукции, типов аппаратурно-технологического оформления процессов, классов и структур систем управления, векторов конструктивных и режимных переменных из-за высокой размерности задачи (см. рис. 1.3), нелинейности технологических процессов, сложности алгоритмов вычисления компонент векторной целевой функции I (•) . Требуется декомпозиция задачи, разра-

ботка стратегии применения методов автоматизированного проектирования, поскольку допустимая область проектных параметров Ω× × A× D × Z × X ×Ξ строится в ходе самого процесса проектирования.

Сформулируем в общем виде задачу проектирования энерго- и ресурсосбе-

где f – знак частичного упорядочения на множестве I показателей эффективности функционирования ХТС; Mξ{•} – математическое ожидание величины {•}

на множестве Ξ , Ξ = {ξ ξmink ≤ ξk ≤ ξmaxk , k =1, n }; Prξ{•} – вероятность выпол-

нения технологических условий (ограничений) g (ω, , a , b , d , z , ξ) ≤β(ω) ; ρзад – значение гарантированной вероятности выполнения технологических

условий (ограничений).

Сформулированная задача (6.1), (6.2) заключается в определении такой структуры ХТС, системы машин и аппаратов, технологических трубопроводов a и автоматического управления технологическими процессами b , z ,

вектора конструктивных d параметров ХТС, варианта компоновки технологического оборудования и т.п., для которых усредненные показатели эффективности производства M ξ {I (•)} для заданного ассортимента ω не хуже заданных

α(ω) , а технологические условия (ограничения) g (ω, , a , b , d , z , ξ)≤β(ω) выполняются с заданной (гарантированной) вероятностью ρзад. При ρзад <1 получаем задачу с мягкими (вероятностными) ограничениями, при ρзад =1 – задачу с жесткими ограничениями.

Используя системный подход, нами предложена декомпозиция задачи стохастического программирования (6.1), (6.2) в виде последовательности итерационно детерминированных задач нелинейного программирования и оптимального управления, решаемых высокоэффективными традиционными методами. При этом обеспечивается поэтапное сужение множеств A, D, B и Z. Блок-схема многостадийной стратегии интегрированного проектирования химических производств и систем автоматического управления показана на рис. 6.4.

Всоответствии с разработанной методологией интегрированного проектирования итерационно решаются три основные задачи: 1) генерирование альтернативных вариантов ХТС, удовлетворяющих условиям гибкости (в жесткой, мягкой или смешанной форме); 2) выбор альтернативных классов и структур САУ ХТС, удовлетворяющих условиям структурной наблюдаемости и управляемости ХТС с заданными динамическими свойствами по каналам управления; 3) решение одноили двухэтапной задач оптимизации конструктивных и режимных (управляющих) переменных комплекса «ХТС–САУ» в условиях неопределенности по векторному критерию, включающему показатели качества производимой продукции, энерго- и ресурсосбережения, а также технико-экономические показатели производства.

Вкачестве альтернативных классов систем автоматического управления будем рассматривать замкнутые (с обратной отрицательной связью) и разомкнутые системы, предназначенные для решения задач стабилизации режимов, адаптивной статической оптимизации, динамической оптимизации (определение программы управления), программного управления (реализации известной программы управления) и оптимального управления нестационарными режимами ХТС (для полунепрерывных и периодических процессов).

Выбор класса и структуры САУ осуществляется с использованием множества регулируемых (наблюдаемых) переменных и управляющих воздействий, полученных из анализа структурной матрицы уравнений динамики ХТС. При этом учитываются наблюдаемость выходных переменных ХТС, оценка затрат на разработку необходимых датчиков, приборов, возможность и точность прогноза выходных переменных по косвенным показателям, управляемость ХТС с той или иной комбинацией управляющих воздействий. Альтернативные классы и структуры САУ исследуются методом имитационного моделирования в порядке их ранжирования по критерию экономической целесообразности. Для допустимых структур САУ проводится исследование динамических показателей (регулируемости, инерционности и др.) ХТС по каналам управления (регулирования). В том случае, если управляемые в статике ХТС имеют неудовлетворительные динамические характеристики, то производится коррекция конструктивных и режимных параметров ХТС (найденных на первом этапе), либо выбираются новые типы аппаратурного оформления ХТС.

Для решения задач синтеза энерго- и ресурсосберегающего управления нелинейными (по фазовым координатам) ХТС в замкнутой САУ применяются высокоэффективные методы АКОР по критерию обобщенной работы академика А. А. Красовского [35, 36].