Системный анализ


Примечание	на темы: я1. Моделирование технологических процессов с помощи ЦВМ. я2. Цели и задачи оптимизации технологических систем. я3. Основы системного анализа процессов и аппаратовя.я
	Загрузить архив:
	Файл: 630-0069.zip (11kb [zip], Скачиваний: 102) скачать

Содержание.

_21.Расчетное задание..0 1

_22. Моделирование технологических процессов с помощи ЦВМ..0 1

22.1. Устройство Цифровой Вычислительной Машины (ЦВМ).0 1

22.1.1. Запоминающее устройство.0 2

22.1.2. Устройство ввода.0 2

22.1.3. Устройство вывода.0 2

22.1.4. Арифметическое устройство.0 3

22.1.5. Устройство управления.0 3

22.2. Подготовка и решение задач на ЦВМ.0 3

_23. Цели и задачи оптимизации технологических систем..0 4

_24. Основысистемного анализа процессов и аппаратов.0 5

24.1. Основные этапы системного анализа.0 6

_25. Список литературы..0 7

_21.Расчетное задание.

Задание: Составитьуравнения мгновенных материальных и тепловых

балансов, математическое описание и структурную схему модели

непрерывного технологическогопроцесса протекающего в аппарате

идеального смешения.Скорость процесса ограничена скоростьюреакции,

которую необходимо выбрать в соответствии с выполняемым вариантом.

вариант 4

5┌4──────────────5┐

5│0 k15 │

Q4105│0 A ────> B5│0 Q420 пр. изотермическая

────>┤ k25 ├─────0───>

C4A500 5│0 A ────> C5 │0C4A,0C4B0,C4C0 обр. изотермическая

5│0 5│

5└──────────────┘

720 dC4A7/0dt=Q410C4A507/0V4a0-k410C4A0-k420C4A0-Q420C4A7/0V4a

7*0 dC4B7/0dt=k410C4A0-Q420C4B7/0V4a

720 dC4C7/0dt=kC4A0-Q420C4C7/0V4a

720 dU4A7/0d7t0=-k510U4A0-k520U4A

7*0 dU4B7/0d7t0=k510U4A

720 dU4C7/0d7t0=k520U4A

5┌─────────0>5────────────┐

5│ 7'5 │7 ' '

5│0 │--U4A500 7^0 │+U4B500 │+U4C50

5│0 ┌──┴──┐5│ 0 ┌──┴──┐ 5 0 ┌──┴──┐

5│0 5│0 │ +U4A0(7t0) ┌──┐5│ 0 │ │ +U4B0(7t0) 40 │ │+U4C0(7t0)

5└─0<5─┤0730 │───┬────┤k510├5┴─0>┤730 ├──────> ┌───>┤730├────>

┌──>┤ │ │ └──┘ 5 0 │ │ 5 0 │ │ │

│ └─────┘ │ 5 0 └─────┘ 5 0 │ └─────┘

│ │ 5 0 5 0│

│ ┌─┴┐ 5 0 5 0 │

│ │k520├──────────────5──────0────>──┤

│ └──┘ 5 0 5 0 │

└──────────────────────────────5────────────0┘

_22. Моделирование технологических процессов с помощи ЦВМ.

22.1. Устройство Цифровой Вычислительной Машины(ЦВМ).

ЦВМ состоит из следующих блоков:

- Запоминающее устройство (ЗУ)

- Устройство ввода (УВ)

- Устройство вывода (УП)

- Арифметическое устройство

- Устройство управления (УУ)

- 2 -

┌───────────────────────────┐

┌────────────┐ ┌───>┤ Арифметическое устройство ├──┐ ┌────────────┐

││ │ │(АУ) ││ ││

││ │ └──────┬─────────────┬──────┘│ ││

││ │ 7%0 7^0 │ ││

││ │ ┌──────┴─────────────┴──────┐│ ││

│ ├─┼───>┤Оперативно запоминающее├──┤>┤│

│ Устройство │ │ ┌─>┤ устройство(ОЗУ) ├┐ │ │ Устройство │

│ ввода │ │ │ └──────┬─────────────┬──────┘│ │ │ вывода │

│ (УВ) │ │ │ 7%0 7^0 │ │ │ (УВВ) │

││ │ │ ┌──────┴─────────────┴──────┐│ │ ││

││ │ ││Долговременное запоминающее││ │ ││

││ │ ││ устройство(ДЗУ) ││ │ ││

││ │ │ └──────┬─────────────┬──────┘│ │ ││

││ │ │ 7%0 7^0 │ │ │ │

││ │ └──┬──────┴─────────────┴──────┬< │ ││

└─┬──────┬───┘ └────┤ Устройство управления ├<─┘ └───┬─────┬──┘

7%0 └─────────>┤(УУ) ├<───────┘ 7%

└─────────────────┴───────────────────────────┴──────────────┘

22.1.1. Запоминающее устройство.

Назначение запоминающего устройства в хранении числовой

информации и передачи ее в другие устройства машины при решении задач.

Емкость запоминающего устройства определяетсяколичествомячеек

памяти. Каждая ячейка строго фиксирована, и предназначена для хранения

числаили командыпрограммы,называемых обычномашиннымсловом.

Машинное слово представляет собой совокупность цифр, каждой из которых

соответствуетодин разряд. Количество разрядов отведенное для записи

одногослова,определяетразрядность машины или так называемая

разряднаясетка. ВажнойхарактеристикойЗУ является время выборки

одного слова информации.При этомпод временемвыборкипонимается

время,необходимое длянахождения слова в общем массиве слов памяти

машины и пересылки его в нужное устройство. Величина временивыборки

непосредственно связана с быстродействием ЦВМ. Всовременных

вычислительных машинах обычно используются два типаЗУ:оперативное

запоминающее устройство (ОЗУ)ивнешнее запоминающееустройство

(долговременное),(ДЗУ). ОЗУ характеризуется малым временем выборки и

непрерывно используется в процессе вычисления.ДЗУ имеет относительно

большеевремя выборки,ноинформации из них используется не

непрерывно, а периодическим путем обмена с ОЗУ, причем этот обмен, как

правилопроизводится большимимассивами.Подобное двухступенчатое

построениепамяти позволяетхранитьбольшие массивыинформации и

быстро ее обрабатывать.

22.1.2. Устройство ввода.

Исходная программа и информация,соответствующим образом закоди-

рованные и перенесенные на материальный носитель информации(перфори-

рованныеленты, перфокартаит.д.), вводятсяв машину при помощи

электронно-механических устройств.

В процессе ввода чтение информации с перфолент, перфокарт, обычно

производится фотосчитывающими устройствами, преобразующими

последовательность отверстий на носителев последовательность

электрических импульсов.

Общая организация ввода исходной информации ипрограммысостоит

изследующих этапов:нанесениеоператором, припомощиклавишных

устройствчисловых данныхи программы на первичный носитель

информации;контроля подготовленных данных;ввода исходных данных в

вычислительную машину.

При автономной работе входныхустройстввводимая информация

поступает в буферное запоминающее устройство, откуда по мере необходи-

мости передается в ОЗУ или ДЗУ.

22.1.3. Устройство вывода.

- 3 -

Устройство выводапредназначено для вывода результатов вычисле-

ний. Организация вывода может быть автономной.В этом случае выводное

устройство работаетнесинхронно смашиной и выводит информацию из

собственного буферного запоминающегоустройства.По мереполучения

результатов информацияпереноситсяв ОЗУвбуферное ЗУвыходных

устройств, где производится ее обработка и вывод на печать.

22.1.4. Арифметическое устройство.

Арифметическое устройство позволяет осуществитьвмашине любую

операциюнад числами.Оносодержит отдельные блоки для выполнения

различных операций (деления,умножения,сложения и т.д.). Визуальная

индикациярезультатов выполненияоперацийпозволяет программисту в

процессеотладки программыследитьза правильностью выполнения

программы. Полный цикл арифметического устройства складывается из трех

этапов:вывода информации в регистрыиз ОЗУ,выполненияоперации,

передачи результата из регистров в ОЗУ.

22.1.5. Устройство управления.

Устройство управленияобеспечивает автоматизацию вычислительных

процессов в соответствии с заданной программой. Программа решения за-

дачи представляет собой определенный набор команд,порядок следования

которых устанавливается заранее при реализациивыбранногоалгоритма

решения.Каждая команда определяет выполнение одной операции. Это мо-

гут быть операции ввода информации или программы, операции обращения к

запоминающему устройству, арифметические и логические операции, опера-

ции изменения последовательности вычислений (операции перехода).

22.2. Подготовка и решение задач на ЦВМ.

Решение задач на ЦВМ включает следующие этапы:Постановка задачи

- формулирование модели процесса; Математическая формулировка задачи -

составление математического описания;Выбор численных методов решения

управлений;Разработка общего алгоритма;Программирование; Выявление

ошибок (отладка программы); Решение.

_Блок схема последовательности выполнения этапов.

╔═════════════════════════════════════════════════════════════════════╗

║┌──────────────────┐ ┌───────────┐ ┌─────────┐ да ┌─────────────┐║

║│ Выбор численного │ │Составление│ │Проверка ├────>┤Соответствие │║

║│метода и алгоритма├┬─>┤ программы ├─>┤ работы│ нет │модели │║

║│ решения ││ └───────────┘ │программы├──┐│ выбранным │║

║└─┬──────────┬─────┘│ └─────────┘│ │ критериям │║

║^ ^ │ ┌─────────────────┐ │ │оценки │║

║│ │ └──<─┤Отладка программы├<──────┘ └──┬───────┬──┘║

║│ │ └─────────────────┘ │ │ ║

║│ │ нет│ │да ║

║│ ┌─────┴────────────┐ ┌──────────────────┐ │ │ ║

║│ │Внесение коренных │ │Внесение изменений├<──────┘ │ ║

║│ │изменений в метод ├<──┤ в математическое │ │ ║

║│ │и алгоритм расчета│ │ описание │ │ ║

║│ └───────────────┬──┘ └──────────────────┘ ┌──────────┴──┐║

╚══╪═══════════════╗ ^ нет│Соответствие │║

┌─┴───────────┐ ║ └──────────────────────────────┤ программы │║

│ Составление │ ╚═════════════════════════════════╗ │ заданным │║

│мат. описания│ ┌───────┐ ┌─────────────────┐ да║ │ критериям │║

└─┬───────────┘ │РЕШЕНИЕ├<────│Разработка модели├<──╫─│эффективности│║

^ └───────┘ │ закончена │ ║ └─────────────┘║

┌─┴───────────┐ └─────────────────┘ ╚════════════════╝

│Постановка │

│ задачи │

└─────────────┘

Блоки обведенные двойной линией,прииспользовании системы

автоматического регулирования (программирования) могут быть обработаны

машинойавтоматически.Естественно, такаядолжнаобладать блоками

синтеза ианализа структур.Формированиемодели процессацеликом

являетсякомпетенцией исследователяилитехнолога. Именно на этом

этапе определяется физическое содержание задачи и веськруг явлений,

включенныхв рассмотрение.Следует четко представлять цель,которую

- 4 -

необходимо достигнуть при завершении расчетов,а также возможность

последующей проверки расчетных результатов и ихпрактической

реализации.

Задача составленияматематическогоописания процессанаиболее

точно отвечающегореальнымусловиям его протекания,зависит прежде

всего от степени изученности отдельных составляющих элементов и степе-

ни их взаимосвязи.

Наиболее общим приемам разработки математическогоописанияпро-

цессаявляется блочный принцип.Согласно этому принципу составлению

математического описания предшествует анализ отдельных "элементарных"

процессов, протекающих в объекте моделирования.

В составе математического описания,разработанного на основе фи-

зической природы моделируемого процесса, обычно можно выделить следую-

щие группы уравнений:

Уравнения баланса массы и энергии, записанные сучетом

гидродинамического режима вобъекте;эта группаобычноопределяет

распределение температурывпотоках, составовисвязанных с ними

свойств, например плотности, вязкости и т.д.;

Уравнения элементарных процессов, определяющих изменение

переменных состояния потоков веществ и их взаимодействие. К этой груп-

пе относятся описания процессовхимическихпревращений, массо-и

теплообмена.

Теоретические, полу-эмпирические или эмпирические между различны-

ми параметрами модели, например, зависимость коэффициента массопереда-

чи от скорости потоков фаз,зависимость плотности раствора от состава

и т.д.

Кроме перечисленных выше групп уравнений в состав математического

описания могут входить различные ограничения на допустимые области ис-

пользования теоретических или эмпирических зависимостей,ограничения

на диапазон изменения некоторых из переменных и т.д.

_23. Цели и задачи оптимизации технологических систем.

Бурное развитие техники, интенсификация производства,

необходимостьувеличения производительноститрудавыдвинули перед

учеными инженерами работающими в области автоматики, задачисоздания

высококачественныхсистем автоматического управления (САУ), которые

способнырешать всеболеесложные задачиуправленияи заменить

человека в сложных сферах его деятельности.

Параллельно с развитием техники развивалась техническаякиберне-

тика, являющаяся базой современной автоматики и телемеханики. Одним из

важнейших направлений технической кибернетики являетсятеорияопти-

мальных автоматических систем, которая зародилась в конце 40-х годов.

Под оптимальнойСАУ понимаетсянаилучшаяв известномсмысле

система.Решение проблемы оптимальности позволит довести до максимума

эффективностьиспользования производственныхагрегатов, увеличить

производительность и качество продукции, обеспечить экономию энергии и

ценногосырья ит.д.В различныхотраслях техники управления

рассмотрения проблем оптимальности систем приводит кзадачам

построения оптимальных по быстродействию САУ, оптимальнойфильтрации

сигнала принимаемого на фоне помех, построения оптимальных

прогнозирующих устройств,оптимальных методов распознаванияобразов,

оптимальнойорганизации автоматическогопоискаи т.д. Между всеми

этими различными на первый взгляд задачами имеется внутренняясвязь,

котораяявляется базойдляпостроения единойтеорииоптимальных

систем.

Критерии оптимальности, на основе которых строится система, могут

быть различны и зависят от специфики решаемой задачи. Это могутбыть

простота,экономичность, надежность. Для процессов САУ критериями мо-

гут быть время регулирования,вид кривой переходногопроцесса,точ-

ность воспроизведения входного сигнала при наличии помех и т.п.

Значение теории оптимальных систем для практики исключительно ве-

лико.Без неетрудно создавать оптимальные САУ.Теория оптимальных

систем позволяет оценить тот предел,который может бытьдостигнутв

- 5 -

оптимальнойсистеме, сравнить ее с показателями действующей не опти-

мальной системы и выяснить,целесообразно ли в рассматриваемом случае

заниматься разработкой оптимальной системы.

Принципы оптимального управления получают все большее

распространение на практике. Они позволили создать новые

автоматические регуляторы,и достигнуть существенного процессавих

основныхсвойствах. Несмотряна полученные результаты ряд важнейших

проблем оптимальногоуправленияостается ещенерешенным. Кним

относятсяпроблемы построения систем,близким к оптимальным,синтез

оптимальных управляющих устройств и др.

Оптимизация любогопроцесса заключаетсявнахождении оптимума

рассматриваемой функции или соответственно оптимальных условий прове-

дения данного процесса.

Для оценки оптимуманеобходимо преждевсеговыбрать критерии

оптимизации.Взависимости от конкретных условий в качестве критерия

оптимизации можно взять технологический критерий, например,

максимальныйсъем продукции с единицы объема аппарата;экономический

критерий - минимальная стоимость продукта при заданной

производительности и др.

На основании выбранногокритерия оптимизациисоставляетсятак

называемаяцелевая функция или функция выгоды, представляющая собой

зависимостькритерия оптимизацииотпараметров, влияющихнаего

значение.Задача оптимизации сводится к нахождению экстремума целевой

функции.Следует иметь в виду,что проблемы оптимизации возникаютв

тех случаях, когда необходимо решать компромиссную задачу

преимущественного улучшения двух или более количественных

характеристик,различным образомвлияющихна переменные процесса,

балансируяодну противдругой.Например, эффективность процесса

балансируетпротив производительности;качество - против количества;

запас единиц продукции - против реализацииих;производительность-

- против затрат и т.д.

Для автоматически управляемого процесса,автоматически управляе-

мой системы,различают две стадии оптимизации:статическую и динами-

ческую.

Статическая оптимизациярешает вопросысозданияи реализации

оптимальной модели процесса,а динамическая - созданиеиреализация

системы оптимального управления процессом.

В зависимости от характера рассматриваемых математических моделей

принимаютсяразличные математическиеметодыоптимизации. Всеони

сводятсяк тому,чтобынайти минимумилимаксимум, описываемой

уравнением целевой функции.

При выборе методаоптимизациинеобходимо учитывать могущие

возникнуть вычислительныетрудности: объемвычислений,сложность

самого метода,размерность задач и т.п.Целесообразно производить по

возможности предварительныеоценки положенияоптимумакакой-либо

конкретной задачи.Для этого необходимо детально рассмотреть исходные

данныеи основныесоотношениямежду переменными.Длясокращения

размерностизадачи частоиспользуетсяприем сведения нескольких

переменных к наиболее существенным.

Целесообразно применениеоднотипных вычислительныхсхем. При

использованиивычислительныхмашин с помощью стандартных подпрограмм

удаетсяупростить расчетыилишь дляцелевыхфункций требуется

создавать специальную программу.

Не представляется возможным изложитьтвердые правилаупрощения

задачдля всех возможных случаев; необходимо каждый раз подходить к

выбору метода оптимизации и решению задачи,исходя из конкретного су-

щества самой задачи.

_24. Основысистемного анализа процессов и аппаратов

1Системный анализ0это методологияисследованиялюбых объектов

средствомпредставления ихв качестве систем и анализа этих систем.

1Система0 это совокупность взаимосвязанных элементов, объединенныхдля

достиженияпоставленной цели.Для выявления элементов производят де-

- 6 -

композицию системы.1Технологическая система -0 совокупность технологи-

ческих процессов и средств для их реализации.

Любую технологическую систему расчленяют на 4 основных элемента:

1) Собственно технологический процесс.

2) Аппарат для реализации процесса.

3) Средства контроля и управления.

4) Информационные связи между тремя предыдущими подсистемами.

В зависимости от масштабов технологические системы бывают:

1) Малые системы (один типовой процесс, один типовой аппарат).

2) Большие системы - совокупность малых систем.

Процессы в системном анализе бывают1 детерминированные0 и 1стохасти-

1ческие.Детерминированные0 характеризуются однозначной непрерывной за-

висимостью между входными и выходнымивеличинами.при этомкаждому

значению входной величины соответствует определенное значение выходной

величины. В1 стохастических0 процессах изменениеопределяющихвеличин

происходит беспорядочнохаотичноичащевсего дискретно.Значение

выходной величины не находится в соответствии с входной.

24.1. Основные этапы системного анализа.

Этап 1

1.1. Анализ современного состояния объекта. Изучение физико-химических

особенностей, конструктивное и аппаратное оформление системы,

технологических особенностей.

1.2. Средства контроля и управления, технико-экономические и

экологическо-социальные особенности системы.

Этап 2: Постановка задачи оптимизации.

2.1. Формированиеисходногочислового материала для математического

моделирования (по сырью, реагентам, энергии, сбыту, количеству).

2.2. Формулирование критерия оптимизации.

Этап 3: Выбор математической модели.

3.1. Выбор типовой математической модели.

3.2. Формулирование рабочей гипотезы о работе механизма процесса.

3.3. Принятие допущений,идеализирующих реальную систему.Приведение

модели к окончательному рабочему виду (зависит от средствреализации

ЭВМ).

3.4. Формирование алгоритмов, реализующих математические модели.

Этап 4: Идентификация математической модели.

4.1. Проверка эксперимента.

4.2. Сравнение результатов эксперимента и расчета.

Этап 5: Анализ результатов моделирования.

5.1. Анализосновных связей независимых переменных с входными величи-

нами и критериями оптимизации (анализ статических характеристик).

5.2. Анализчувствительностивозможных критериев оптимизации и отсев

несущественно влияющих связей.

5.3. Анализ допустимых решений задач оптимизации.

5.4. Анализ экономической целесообразности автоматической оптимизации

системы

Этап 6: Уточнение задачи оптимизации.

6.1. Анализвозможности реализации алгоритма оптимизации существующим

математическим обеспечением.

6.2. Формирование алгоритмаоптимизации. Составлениекачественной

оценки контрольного варианта.

1Оптимизация -0процедурапоиска экстремальногозначения1 0 выбранного

критерия при выполнении наложенных ограниченийиусловий физической

реализуемости.

Этап 7: Анализ результатов эксперимента.

7.1. Выявление свойств оптимальных режимов системы.

7.2. Разработка структуры системы автоматической оптимизации.

7.3. Разработка задания на создание алгоритмов оптимизации,

использующих свойства оптимальных режимов.

Далее разрабатываетсяэскизный проект,техническое задание и рабочий

проект.

- 7 -

_25. Список литературы.

1. БояреновА.И.,КофаровВ.В. "Методыоптимизации в химической

технологии",М-72, Изд. Наука, 487 стр.

2. КафаровВ.В., "Методы кибернетики в химии и химической технологии",

М-71,"Химия", 496 стр..