Предисловие

Необходимым и достаточным условием для определения любой науки является наличие предмета исследования, метода исследования и средств для реализации этого метода.

Для кибернетики как науки предметом исследования являются системы любой природы и способы управления ими, методом исследования – математическое моделирование, а средством исследования – вычислительные машины.

Методы кибернетики приложимы к любым системам. Применение методов кибернетики в химии и химической технологии позволяет выявить закономерности протекания химико-технологических процессов и наметить пути их оптимизации и управления [1].

Принципы математического моделирования и применение современных информационных технологий [2] позволяют более полно исследовать любые химико-технологические процессы.

Предлагаемое пособие состоит из трех частей. В первой части рассматриваются общие принципы моделирования, классификация моделей и основные понятия математического моделирования.

Во второй части пособия изложен детерминированный подход к моделированию составных частей химико-технологического процесса: гидродинамическая структура потоков, тепло- и массообмен, кинетика химических реакций. Итогом части является моделирование химических реакторов.

Третья часть пособия посвящена вероятностному подходу к математическому моделированию. Здесь рассматриваются регрессионные модели, а также методы активного планирования эксперимента.

Изложение теоретического материала сопровождается решением конкретных задач. В качестве средства решения различных задач применяются популярные пакеты Mathcad, Statistica, Statgraph, а также табличный процессор Excel. Для большинства задач предлагаются варианты к самостоятельной работе.

В основу данной работы положены материалы лекций, практических и лабораторных занятий по соответствующим дисциплинам, проводимым на протяжении нескольких десятков лет на кафедре химической кибернетики Казанского государственного технологического университета.

Введение

1. Иерархическая структура современного химического предприятия

Химическое производство, как правило, представляет собой последовательность трех основных операций: подготовка сырья, собственно химическое превращение и выделение целевых продуктов. Эта последовательность операций воплощается в единую сложную химико-технологическую систему (ХТС) [1, 3]. Современное химическое предприятие как система большого масштаба состоит из взаимосвязанных подсистем, между которыми существуют отношения соподчиненности, имеющие иерархическую структуру с тремя основными ступенями (рис. 1).

Рис. 1. Трехступенчатая иерархическая структура химического предприятия

Первую, низшую ступень иерархической структуры химического предприятия образуют типовые процессы химической технологии (механические, гидродинамические, тепловые, массообменные, химические и т.п.) в определенном аппаратурном оформлении и локальные системы управления ими. Задача управления этой ступенью сводится к стабилизации технологических параметров типовых процессов.

Основу второй ступени иерархической структуры химического предприятия составляют агрегаты, комплексы и т.д. Под агрегатом понимают взаимосвязанную совокупность отдельных типовых технологических процессов и аппаратов. На данной ступени иерархии при управлении подсистемами возникают задачи оптимальной координации работы аппаратов и оптимального распределения нагрузок между ними.

Третья, высшая ступень иерархической структуры химического предприятия – это системы организации производства, планирования запасов сырья и реализации готовых продуктов, а также оперативного управления совокупностью цехов (АСУП – автоматическая система управления производством). На этой ступени иерархии возникают задачи ситуационного анализа и оптимального управления всем предприятием.