WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 34 |
С.И. ДВОРЕЦКИЙ, С.В. МАТВЕЕВ, С.Б. ПУТИН, Е.Н. ТУГОЛУКОВ ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ ОЧИСТКИ И РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ УДК 519.711.3:62-784.43(075) ББК Л111-1с116я73 О-753 Р е ц е н з е н т ы :

Доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой компьютерно-интегрированных систем РХТУ им. Д.И. Менделеева А.Ф. Егоров, Доктор технических наук, начальник отдела ФГУ «1 Центральный научно-исследовательский институт Минобороны России» Г.А. Родин Дворецкий, С.И.

Основы математического моделирования и оптимизации процессов и систем очистки и регенерации воздуха :

О-753 учебное пособие / С.И. Дворецкий, С.В. Матвеев, С.Б. Путин, Е.Н. Туголу-ков. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. – 324 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-0775-9.

Содержит систематическое изложение фундаментальных основ теории моделирования и оптимизации процессов и систем очистки и регенерации воздуха в условиях неопределенности. Обсуждаются механизмы процесса адсорбции, термодинамические основы поверхностных явлений, кинетика и динамика процесса адсорбции, а также тепловые эффекты, имеющие место при очистке и регенерации воздуха в изолирующих средствах защиты органов дыхания людей. Формулируются математические постановки задач исследования взаимосвязанных процессов адсорбции, тепло- и массопереноса при очистке и регенерации воздуха.

Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям 240801, 251600, направлению 150400 и повышения квалификации специалистов в научно-образовательном центре «ТГТУ – ОАО «Корпорация «Росхимзащита».

УДК 519.711.3:62-784.43(075) ББК Л111-1с116я73 ISBN 978-5-8265-0775-9 © ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» (ТГТУ), 2008 Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» С.И. ДВОРЕЦКИЙ, С.В. МАТВЕЕВ, С.Б. ПУТИН, Е.Н. ТУГОЛУКОВ ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ ОЧИСТКИ И РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА Утверждено Учёным советом университета в качестве учебного пособия для студентов специальностей 240801, 251600 и направления Тамбов Издательство ТГТУ ебное издание ДВОРЕЦКИЙ Станислав Иванович, МАТВЕЕВ Сергей Витальевич, ПУТИН Сергей Борисович, ТУГОЛУКОВ Евгений Николаевич ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ ОЧИСТКИ И РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА Учебное пособие Редактор Е.С. М о р д а с о в а Компьютерное макетирование М.А. Ф и л а т о в о й Подписано к печати 25.11.Формат 60 84/16. Объем: 18,8 усл. печ. л.; Тираж 100 экз. Заказ № 593.

Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. Введение Моделирование можно рассматривать как один из самых мощных методов и инструментов познания, анализа и синтеза, которым располагают специалисты, ответственные за разработку и функционирование сложных технических устройств и технологических объектов (систем).

Идея моделирования состоит в замене реальной системы некоторым «образом» – математической моделью – и в дальнейшем изучении модели на компьютере с целью получения новых знаний об этой системе. При этом у исследователя появляется возможность экспериментировать с моделью системы в тех случаях, когда делать это на реальном объекте практически невозможно или нецелесообразно. Работа не с самим объектом (явлением, процессом), а с его математической моделью дает возможность относительно быстро и без существенных затрат исследовать его свойства и поведение в любых мыслимых ситуациях (преимущества теории). В то же время вычислительные (имитационные) эксперименты с моделями систем позволяют подробно и глубоко изучать системы в достаточной полноте, недоступной чисто теоретическим подходам (преимущества эксперимента).

Собственно моделирование представляет собой процесс конструирования математической модели реальной системы (технической и/или технологической) и постановки вычислительных экспериментов на этой модели с целью либо понять (исследовать) поведение этой системы, либо оценить эффективность различных стратегий (алгоритмов) ее функционирования с помощью реализуемых на компьютерах вычислительно-логических алгоритмов. Таким образом, процесс моделирования включает и конструирование модели, и ее применение для решения поставленной задачи: анализа, исследования, оптимизации или синтеза (проектирования) системы.

1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ 1.1. ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА Основу современного подхода к решению задач моделирования и оптимизации технологических процессов и систем составляет системный анализ – метод научного познания, состоящий в том, что любой объект по отношению к субъекту рассматривается как система (сложное образование), состоящая из большого числа элементов, связанных между собой вещественными, энергетическими, информационными и другими связями сильнее, чем с окружающей средой [1].

Сущность системного анализа определяется тем, что мы вкладываем в понятие система. Будем называть системой совокупность элементов, обладающую следующими свойствами: 1) целостности и членимости; 2) связности; 3) интегративности (эмерджентности); 4) организованности; 5) наличием цикла существования – «жизненного цикла» системы.

Рассмотрим подробнее каждое из этих свойств.

Свойство целостности и членимости. Система – это прежде всего целостная совокупность взаимосвязанных элементов.



Она допускает детализацию (расчленение) на подсистемы, т.е. пространственно-временные агрегаты, состоящие из взаимосвязанных элементов. Элементы системы при определенных условиях могут рассматриваться как самостоятельные системы, а сама система – как элемент более высокого уровня иерархического расчленения. Расчленение системы на подсистемы и элементы часто является условным и зависит от целей проводимого исследования.

Свойство связности системы. Система существует как целостное образование тогда и только тогда, когда сила межэлементных связей внутри системы выше, чем сила связи этих элементов с окружающей средой. Связи между элементами различают по физическому наполнению (вещественные, энергетические, информационные) и направлению (прямые, обратные).

Упорядоченная в пространстве и времени совокупность элементов и связей образует структуру системы. Наглядно структура системы может быть представлена в виде графа, узлы (вершины) которого соответствуют элементам, а дуги – связям.

Интегративное качество (эмерджентность) системы состоит в том, что она обладает свойствами, присущими системе в целом, но не присущими ни одному ее элементу в отдельности. Наличие интегративных качеств показывает, что свойства системы хотя и зависят от свойств элементов, но не определяются ими полностью. Отсюда следуют два важных вывода: 1) система не сводится к простой совокупности элементов; 2) расчленяя систему на отдельные элементы, изучая каждый из них в отдельности, нельзя познать все свойства системы в целом.

Свойство организованности системы проявляется в снижении информационной энтропии (степени неопределенности) системы. Переход к более высокому уровню упорядоченности и организованности системы означает уменьшение ее текущей неопределенности (энтропии) за счет накопления информации.

Свойство жизненного цикла системы характерно для систем любого типа – естественных и искусственных, технических, биологических, социальных и др. Жизненный цикл системы – это промежуток времени от момента принятия решения о создании (проектировании) до момента окончания эксплуатации (утилизации) системы.

Жизненный цикл системы, в частности, определяет характер изменения во времени главных характеристик системы (работоспособности, силы, мощности, энергии, производительности и т.д.).

Системный анализ определяется его стратегией, в основе которой лежат общие принципы, применимые к решению любой системной задачи. К ним можно отнести: 1) четкую формулировку цели исследования, постановку задачи по достижению заданной цели и определение критерия эффективности решения задачи; 2) разработку развернутой стратегии исследования с указанием основных этапов и направлений в решении задачи: последовательно-параллельное продвижение по всему комплексу взаимосвязанных этапов и возможных направлений; организацию последовательных приближений и повторных циклов исследований на отдельных этапах; принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза при решении составных частных задач.

Можно выделить три основные задачи, связанные с изучением и созданием систем: анализ, синтез и принятие решений.

Анализ состоит в изучении свойств и поведения систем в различных условиях функционирования. В ходе анализа устанавливаются численные значения показателей эффективности систем.

Синтез заключается в построении возможных (допустимых) вариантов систем. Различают структурный и параметрический синтез. Структурный синтез – это построение структуры системы (элементов и связей). Параметрический синтез – определение параметров элементов системы при заданной структуре. Задача синтеза решается при аппаратурнотехнологическом оформлении процессов.

Оценка и принятие решений (оптимизация) заключаются в выборе наилучшего варианта системы из нескольких альтернативных и оценке эффективности его функционирования. Функционирование системы характеризуется некоторым количественным или качественным функционалом, который называют показателем эффективности.

В общем случае систему можно охарактеризовать кортежем символов, например ТС =< ФН,Ф,СТ,К,О,Э >, где ТС – техническая (технологическая) система; ФН – функциональное назначение; Ф – функция; СТ – структура; К – компоновка; О – организация, Э – вектор показателей эффективности (качества).

Функциональное назначение (ФН) ТС характеризуется, например, ассортиментом выпускаемой продукции и объемом производства, а также другими директивными показателями.

Функция (Ф) ТС вводится для представления согласованной последовательности операций, посредством которых совершают физико-химические и другие преобразования продукта согласно комплексу заданных свойств. Функцию Ф удобно описывать ориентированным графом Ф = (ТО; U), в котором в качестве множества вершин ТО выступают технологические операции, а в качестве множества ребер U – материальные и информационные связи, характеризующие в процессе обработки потоки продукции, передающейся от одной операции к другой. Вариантность Ф определяется качественными изменениями на множестве ТО, а именно, заключается в возможности получения одного и того же результата различными способами (методами) обработки.

Под структурой (СТ) будем понимать некоторую организацию системы посредством синтеза из отдельных элементов, обладающих определенными свойствами и характеризующих цель и назначение ТС. Структура отражает качественный и количественный состав, множество связей между элементами и определяет основные свойства ТС. В качестве элемента СТ можно считать ТО в совокупности с определенным технологическим оборудованием и вспомогательными техническими средствами.





Компоновка (К) сводится к задаче геометрического размещения системных элементов в заданном (например, производственном) объеме или на заданной площади.

Организация (О) – это актуализация и упорядочение связей и самих элементов. Она заключается в разработке схем взаимодействия материальных, энергетических и трудовых ресурсов со средствами производства во времени и пространстве.

Важнейшим компонентом организации является система управления, призванная обеспечить целенаправленное поведение ТС в условиях изменения ее внешних и внутренних параметров.

Вектор показателей эффективности Э задается совокупностью качественных и количественных показателей эффективности функционирования ТС, характеризующих полезный эффект от использования ТС.

Достаточно полно методологию системного подхода отражают три основных принципа: физичности, моделируемости и целенаправленности.

Принцип физичности: всякой системе присущи физические законы, определяющие внутренние причинно-следственные связи, существование и функционирование.

Принцип моделируемости: система представима конечным множеством моделей, каждая из которых отражает определенную грань ее сущности. Выявление новых свойств и сущностей не обязательно должно сопровождаться построением обобщающих моделей, а может ограничиваться наращиванием числа упрощенных моделей, взаимодействие которых обеспечивает отражение сложной системы в целом.

Принцип целенаправленности: сложной системе присуща функциональная тенденция, направленная на достижение некоторого состояния или на усиление (сохранение) некоторого процесса, при этом система способна противостоять внешнему воздействию.

Сложные системы имеют возможность выбора и обладают способностью выбирать поведение, т.е. реагировать на внешние воздействия в зависимости от внутренних критериев целенаправленности. Постулат выбора позволяет сложной системе, в соответствии с ее целенаправленностью, использовать редкие благоприятные события, возникающие во взаимодействии со средой, блокируя остальные (неблагоприятные) события и процессы.

1.2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ Замещение одной системы другой с целью получения информации о важнейших свойствах системы-оригинала с помощью системы-модели называется моделированием. Моделирование может быть определено как представление системы моделью для получения информации об этой системе путем проведения экспериментов (натурных, вычислительных и т.п.) с моделью [2, 3].

Обобщенно моделирование можно определить как метод опосредованного познания, при котором изучаемая системаоригинал находится в некотором соответствии с другой системой-моделью, причем модель способна в том или ином отношении замещать оригинал на некоторых стадиях познавательного процесса. Стадии познания, на которых происходит такая замена, а также формы соответствия модели и оригинала могут быть различными.

Моделирование может рассматриваться как познавательный процесс, содержащий переработку информации, поступающей из внешней среды, о происходящих в ней явлениях, в результате чего в сознании появляются образы, соответствующие системам.

Моделирование может заключаться в построении некоторой системы-модели (второй системы), связанной определенными соотношениями подобия с системой-оригиналом (первой системой), причем в этом случае отображение одной системы в другую является средством выявления зависимостей между двумя системами, отраженными в соотношениях подобия, а не результатом непосредственного изучения поступающей информации.

Отметим, что с точки зрения философии моделирование – эффективное средство познания природы. Процесс моделирования предполагает наличие объекта (системы) исследования; исследователя, перед которым поставлена конкретная задача; модели, создаваемой для получения информации о системе и необходимой для решения поставленной задачи. Причем по отношению к модели исследователь является, по сути дела, экспериментатором, только в данном случае эксперимент проводится не с реальной системой, а с ее моделью. Такой эксперимент для инженера есть инструмент непосредственного решения организационно-технических задач.

Следует заметить, что любой эксперимент может иметь существенное значение в конкретной области науки только при специальной обработке и обобщении его результатов. Единичный эксперимент никогда не может быть решающим для подтверждения гипотезы, проверки теории. Поэтому инженеры (исследователи и практики) должны быть знакомы с элементами современной методологии теории познания и, в частности, не должны забывать основного положения материалистической философии, что именно экспериментальное исследование, опыт, практика являются критерием истины.

Одна из проблем современной науки и техники – разработка и внедрение в практику проектирования новейших методов исследования характеристик сложных ТС. При проектировании таких систем возникают многочисленные задачи, требующие проведения структурного и параметрического синтеза, оценки количественных и качественных закономерностей процессов функционирования сложных систем и их подсистем.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 34 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.