Реферат: Системный анализ

                          _ 21.Расчетноезадание.

     Задание: Составить  уравнения  мгновенныхматериальных и тепловых

балансов, математическое   описание   и   структурную  схему   модели

непрерывного технологического   процесса   протекающего  в   аппарате

идеального смешения.  Скорость процесса ограниченаскоростью  реакции,

которую необходимо выбрать в соответствии с выполняемымвариантом.

                              вариант 4

            5┌ 4────────────── 5┐

            5│ 0      k1 5      │

       Q 41 0   5│ 0   A ────>B 5  │ 0   Q 42 0         пр.  изотермическая

      ────>┤     k2 5      ├───── 0───>

       C 4A 50 0  5│ 0   A────> C 5  │ 0C 4A, 0C 4B 0,C 4C 0     обр. изотермическая

            5│ 0              5│

            5└──────────────┘

     7(

     72 0dC 4A 7/ 0dt=Q 41 0C 4A 50 7/ 0V 4a 0-k 41 0C 4A 0-k 42 0C 4A 0-Q 42 0C 4A 7/ 0V 4a

     72

     7* 0dC 4B 7/ 0dt=k 41 0C 4A 0-Q 42 0C 4B 7/ 0V 4a

     72

     72 0dC 4C 7/ 0dt=kC 4A 0-Q 42 0C 4C 7/ 0V 4a

     79

     7(

     72 0dU 4A 7/ 0d 7t 0=-k 51 0U 4A 0-k 52 0U 4A

     72

     7* 0dU 4B 7/ 0d 7t 0=k 51 0U 4A

     72

     72 0dU 4C 7/ 0d 7t 0=k 52 0U 4A

     79

       5┌───────── 0> 5────────────┐

       5│      7' 5               │ 7     '                     '

       5│ 0      │--U 4A 50 0          7^ 0     │+U 4B 50 0                 │+U 4C 50

       5│ 0   ┌──┴──┐            5│  0 ┌──┴──┐ 5  0             ┌──┴──┐

       5│ 0    5│ 0    │ +U 4A 0( 7t 0) ┌──┐ 5│ 0 │     │ +U 4B 0( 7t 0)  4  0     │     │+U 4C 0( 7t 0)

       5└─ 0< 5─┤ 0  73 0  │───┬────┤k 51 0├ 5┴─ 0>┤  73 0  ├──────>   ┌───>┤  73 0  ├────>

      ┌──>┤    │   │    └──┘  5  0 │     │    5  0     │    │     │

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

      │             │                5  0         5  0  │

      │           ┌─┴┐                5  0         5  0 │

      │           │k 52 0├────────────── 5────── 0────>──┤

      │           └──┘                  5  0       5  0 │

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

        _ 22. Моделированиетехнологических процессов с помощи ЦВМ.

         22.1. УстройствоЦифровой 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)   │

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

 │            │ │ │  │Долговременноезапоминающее││ │ │            │

 │            │ │ │  │    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 прирешении задач.

Емкость   запоминающего   устройства  определяется количеством  ячеек

памяти. Каждая ячейка строго фиксирована, и предназначенадля хранения

числа  или  команды  программы,  называемых  обычно машинным  словом.

Машинное слово представляет собой совокупность цифр,каждой из которых

соответствует  один разряд.  Количество разрядов отведенноедля записи

одного  слова, определяет  разрядность  машины   или  так   называемая

разрядная  сетка.  Важной  характеристикой  ЗУ  являетсявремя выборки

одного слова информации.  При этом  под  временем выборки  понимается

время,  необходимое  для  нахождения слова в общеммассиве слов памяти

машины и пересылки его в нужное устройство.  Величинавремени  выборки

непосредственно   связана   с   быстродействием   ЦВМ. В  современных

вычислительных машинах обычно используются два  типа ЗУ:  оперативное

запоминающее   устройство  (ОЗУ)  и  внешнее запоминающее  устройство

(долговременное),  (ДЗУ). ОЗУ характеризуется малымвременем выборки и

непрерывно используется в процессе вычисления.  ДЗУ имеетотносительно

большее  время  выборки,  но  информации  из   них  используется   не

непрерывно, а периодическим путем обмена с ОЗУ, причемэтот обмен, как

правило  производится  большими  массивами.  Подобное двухступенчатое

построение  памяти  позволяет  хранить  большие  массивы информации и

быстро ее обрабатывать.

                        22.1.2. Устройство ввода.

     Исходная программа и информация,  соответствующимобразом закоди-

рованные и перенесенные на материальный носительинформации  (перфори-

рованные  ленты,  перфокарта  и  т.д.),  вводятся  вмашину при помощи

электронно-механических устройств.

     В процессе ввода чтение информации с перфолент,перфокарт, обычно

производится     фотосчитывающими     устройствами,    преобразующими

последовательность   отверстий   на   носителе  в  последовательность

электрических импульсов.

     Общая организация ввода исходной информации и программы  состоит

из  следующих  этапов:  нанесение  оператором,  при помощи  клавишных

устройств  числовых  данных  и   программы   на  первичный   носитель

информации;  контроля  подготовленных данных;  вводаисходных данных в

вычислительную машину.

     При автономной   работе  входных  устройств вводимая  информация

поступает в буферное запоминающее устройство, откуда помере необходи-

мости передается в ОЗУ или ДЗУ.

                       22.1.3. Устройство вывода.


                                — 3 -

     Устройство вывода  предназначено  для выводарезультатов вычисле-

ний. Организация вывода может быть автономной.  В этомслучае выводное

устройство работает  не  синхронно  с  машиной и выводитинформацию из

собственного буферного запоминающего  устройства.  По мере  получения

результатов информация  переносится  в  ОЗУ  в  буферное ЗУ  выходных

устройств, где производится ее обработка и вывод напечать.

                   22.1.4. Арифметическоеустройство.

     Арифметическое устройство позволяет осуществить  в машине  любую

операцию  над  числами.  Оно  содержит  отдельные блокидля выполнения

различных операций (деления,  умножения,  сложения ит.д.). Визуальная

индикация  результатов  выполнения  операций  позволяетпрограммисту в

процессе  отладки  программы  следить  за  правильностью   выполнения

программы. Полный цикл арифметического устройстваскладывается из трех

этапов:  вывода информации в регистры  из  ОЗУ, выполнения  операции,

передачи результата из регистров в ОЗУ.

                     22.1.5. Устройство управления.

     Устройство управления  обеспечивает  автоматизациювычислительных

процессов в соответствии с заданной программой.  Программарешения за-

дачи представляет собой определенный набор команд, порядок следования

которых устанавливается заранее при  реализации выбранного  алгоритма

решения.  Каждая команда определяет выполнение однойоперации. Это мо-

гут быть операции ввода информации или программы,операции обращения к

запоминающему устройству, арифметические и логическиеоперации, опера-

ции изменения последовательности вычислений (операцииперехода).

                22.2. Подготовка и решение задач наЦВМ.

     Решение задач на ЦВМ включает следующие этапы: Постановка задачи

— формулирование модели процесса; Математическаяформулировка задачи -

составление математического описания;  Выбор численныхметодов решения

управлений;  Разработка общего алгоритма; Программирование; Выявление

ошибок (отладка программы); Решение.

            _Блок схема последовательностивыполнения этапов.

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

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

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

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

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

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

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

║  │          │      └──<─┤Отладкапрограммы├<──────┘  └──┬───────┬──┘║

║  │          │           └─────────────────┘            │       │   ║

║  │          │                                       нет│       │да ║

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

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

║  │    │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,  при  использовании системы

автоматического регулирования (программирования) могутбыть обработаны

машиной  автоматически.  Естественно,  такая  должна обладать блоками

синтеза и  анализа  структур.  Формирование  модели процесса  целиком

является  компетенцией  исследователя  или  технолога. Именно на этом

этапе определяется физическое содержание задачи и весь круг  явлений,

включенных  в рассмотрение.  Следует четко представлятьцель,  которую


                                — 4 -

необходимо достигнуть при завершении расчетов,  а так же  возможность

последующей   проверки   расчетных   результатов   и  их практической

реализации.

     Задача составления  математического  описания процесса  наиболее

точно отвечающего  реальным  условиям  его протекания, зависит прежде

всего от степени изученности отдельных составляющихэлементов и степе-

ни их взаимосвязи.

     Наиболее общим приемам разработки математического описания  про-

цесса  является  блочный принцип.  Согласно этомупринципу составлению

математического описания предшествует анализ отдельных «элементарных»

процессов, протекающих в объекте моделирования.

     В составе математического описания,  разработанногона основе фи-

зической природы моделируемого процесса, обычно можновыделить следую-

щие группы уравнений:

     Уравнения баланса   массы   и   энергии,  записанные   с  учетом

гидродинамического режима в  объекте;  эта  группа обычно  определяет

распределение температуры  в  потоках,  составов  и связанных 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  процессов  химических превращений, массо-  и

теплообмена.

     Теоретические, полу-эмпирические или эмпирическиемежду различны-

ми параметрами модели, например, зависимость коэффициентамассопереда-

чи от скорости потоков фаз,  зависимость плотностираствора от состава

и т.д.

     Кроме перечисленных выше групп уравнений в составматематического

описания могут входить различные ограничения надопустимые области ис-

пользования теоретических или эмпирических зависимостей,  ограничения

на диапазон изменения некоторых из переменных и т.д.

          _ 23. Цели и задачи оптимизациитехнологических систем.

     Бурное развитие     техники,     интенсификация    производства,

необходимость  увеличения  производительности  труда выдвинули  перед

учеными инженерами работающими в области автоматики, задачи  создания

высококачественных  систем  автоматического управления(САУ),  которые

способны  решать  все  более  сложные  задачи управления  и  заменить

человека в сложных сферах его деятельности.

     Параллельно с развитием техники развиваласьтехническая  киберне-

тика, являющаяся базой современной автоматики ителемеханики. Одним из

важнейших направлений технической кибернетики  является теория  опти-

мальных автоматических систем, которая зародилась в конце40-х годов.

     Под оптимальной  САУ  понимается  наилучшая  в  известном смысле

система.  Решение проблемы оптимальности позволит довестидо максимума

эффективность  использования  производственных агрегатов,   увеличить

производительность и качество продукции, обеспечитьэкономию энергии и

ценного  сырья  и  т.д.  В  различных  отраслях  техники   управления

рассмотрения   проблем   оптимальности   систем  приводит  к  задачам

построения оптимальных по быстродействию САУ, оптимальной  фильтрации

сигнала   принимаемого   на   фоне   помех,  построения   оптимальных

прогнозирующих устройств,  оптимальных методовраспознавания  образов,

оптимальной  организации  автоматического  поиска  ит.д.  Между всеми

этими различными на первый взгляд задачами имеется внутренняя  связь,

которая  является  базой  для  построения  единой теории  оптимальных

систем.

     Критерии оптимальности, на основе которых строитсясистема, могут

быть различны и зависят от специфики решаемой задачи. Это могут  быть

простота,  экономичность, надежность. Для процессов САУкритериями мо-

гут быть время регулирования,  вид кривой переходного процесса,  точ-

ность воспроизведения входного сигнала при наличии помехи т.п.

     Значение теории оптимальных систем для практикиисключительно ве-

лико.  Без  нее  трудно создавать оптимальные САУ.  Теорияоптимальных

систем позволяет оценить тот предел,  который может быть достигнут  в


                                — 5 -

оптимальной  системе,  сравнить ее с показателямидействующей не опти-

мальной системы и выяснить,  целесообразно ли в рассматриваемомслучае

заниматься разработкой оптимальной системы.

     Принципы оптимального    управления    получают   все    большее

распространение    на    практике.   Они   позволили  создать   новые

автоматические регуляторы,  и достигнуть существенногопроцесса  в  их

основных  свойствах.  Несмотря  на полученные результатыряд важнейших

проблем оптимального  управления  остается  еще  не решенным.  К  ним

относятся  проблемы построения систем,  близким коптимальным,  синтез

оптимальных управляющих устройств и др.

     Оптимизация любого  процесса  заключается  в нахождении оптимума

рассматриваемой функции или соответственно оптимальныхусловий  прове-

дения данного процесса.

     Для оценки оптимума  необходимо  прежде  всего выбрать  критерии

оптимизации.  В  зависимости от конкретных условий вкачестве критерия

оптимизации   можно   взять   технологический  критерий,    например,

максимальный  съем продукции с единицы объема аппарата; экономический

критерий   -   минимальная    стоимость    продукта   при    заданной

производительности и др.

     На основании выбранного  критерия  оптимизации составляется  так

называемая  целевая  функция или функция выгоды, представляющая собой

зависимость  критерия  оптимизации  от  параметров, влияющих  на  его

значение.  Задача оптимизации сводится к нахождениюэкстремума целевой

функции.  Следует иметь в виду,  что проблемы оптимизациивозникают  в

тех    случаях,   когда   необходимо   решать  компромиссную   задачу

преимущественного   улучшения   двух    или    более   количественных

характеристик,  различным  образом  влияющих  на переменные процесса,

балансируя  одну  против  другой.  Например, эффективность   процесса

балансирует  против производительности;  качество — против количества;

запас единиц продукции — против реализации  их; производительность  -

— против затрат и т.д.

     Для автоматически управляемого процесса, автоматически управляе-

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

ческую.

     Статическая оптимизация  решает  вопросы  создания и  реализации

оптимальной модели процесса,  а динамическая — создание и  реализация

системы оптимального управления процессом.

     В зависимости от характера рассматриваемыхматематических моделей

принимаются  различные  математические  методы оптимизации.  Все  они

сводятся  к  тому,  чтобы  найти  минимум  или максимум,  описываемой

уравнением целевой функции.

     При выборе  метода  оптимизации  необходимо  учитывать   могущие

возникнуть   вычислительные  трудности:  объем вычислений,  сложность

самого метода,  размерность задач и т.п.  Целесообразнопроизводить по

возможности   предварительные  оценки  положения оптимума  какой-либо

конкретной задачи.  Для этого необходимо детальнорассмотреть исходные

данные  и  основные  соотношения  между  переменными. Для  сокращения

размерности  задачи  часто  используется  прием сведения   нескольких

переменных к наиболее существенным.

     Целесообразно применение  однотипных вычислительных  схем.   При

использовании  вычислительных  машин с помощьюстандартных подпрограмм

удается  упростить  расчеты  и  лишь  для  целевых функций  требуется

создавать специальную программу.

     Не представляется возможным изложить  твердые правила  упрощения

задач  для  всех возможных случаев;  необходимо каждыйраз подходить к

выбору метода оптимизации и решению задачи,  исходя изконкретного су-

щества самой задачи.

          _ 24. Основы  системного анализапроцессов и аппаратов

      1Системный анализ 0  это  методология исследования  любых  объектов

средством  представления  их  в качестве систем и анализаэтих систем.

 1Система 0 это совокупность взаимосвязанныхэлементов,  объединенных  для

достижения  поставленной цели.  Для выявления элементовпроизводят де-


                                - 6 -

композицию системы. 1  Технологическая система- 0 совокупность технологи-

ческих процессов и средств для их реализации.

     Любую технологическую систему расчленяют на 4основных элемента:

1) Собственно технологический процесс.

2) Аппарат для реализации процесса.

3) Средства контроля и управления.

4) Информационные связи между тремя предыдущимиподсистемами.

     В зависимости от масштабов технологические системыбывают:

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

2) Большие системы — совокупность малых систем.

     Процессы в системном анализе бывают 1детерминированные 0 и  1стохасти-

 1ческие.  Детерминированные 0 характеризуютсяоднозначной непрерывной за-

висимостью между входными и выходными  величинами.  при этом  каждому

значению входной величины соответствует определенноезначение выходной

величины. В 1 стохастических 0 процессах изменение  определяющих  величин

происходит беспорядочно  хаотично  и  чаще  всегодискретно.  Значение

выходной величины не находится в соответствии с входной.

                24.1. Основные этапы системногоанализа.

                                Этап 1

1.1. Анализ современного состояния объекта. Изучениефизико-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. Формирование  исходного  числового  материала дляматематического

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 механизмапроцесса.

3.3. Принятие допущений,  идеализирующих реальнуюсистему.  Приведение

модели к окончательному рабочему виду (зависит от средств  реализации

ЭВМ).

3.4. Формирование алгоритмов, реализующих математическиемодели.

             Этап 4: Идентификация математической модели.

4.1. Проверка эксперимента.

4.2. Сравнение результатов эксперимента и расчета.

              Этап 5: Анализ результатов моделирования.

5.1. Анализ  основных связей независимых переменных свходными величи-

нами и критериями оптимизации (анализ статическиххарактеристик).

5.2. Анализ  чувствительности  возможных критериевоптимизации и отсев

несущественно влияющих связей.

5.3. Анализ допустимых решений задач оптимизации.

5.4. Анализ экономической целесообразностиавтоматической  оптимизации

системы

                Этап 6: Уточнение задачи оптимизации.

6.1. Анализ  возможности реализации алгоритма оптимизациисуществующим

математическим обеспечением.

6.2. Формирование   алгоритма  оптимизации.  Составление качественной

оценки контрольного варианта.

 1Оптимизация - 0  процедура  поиска экстремального  значения 1  0 выбранного

критерия при выполнении наложенных ограничений  и условий  физической

реализуемости.

               Этап 7: Анализ результатов эксперимента.

7.1. Выявление свойств оптимальных режимов системы.

7.2. Разработка структуры системы автоматическойоптимизации.

7.3. Разработка    задания   на   создание   алгоритмов  оптимизации,

использующих свойства оптимальных режимов.

Далее разрабатывается  эскизный проект,  техническоезадание и рабочий

проект.

.

                                — 7 -

                        _ 25. Списоклитературы.

1. Бояренов­А.И.,  Кофаров­В.В.  «Методы оптимизации   в   химической

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

2. Кафаров­В.В., «Методы кибернетики в химии ихимической технологии»,

М-71,«Химия», 496 стр..

еще рефераты
Еще работы по информатике, программированию