КИБЕРНЕТИКА в химической технологии (от греческого kybernetike - искусство управления), раздел науки о связях процессов и явлений в химико-технол. системах и управлении ими. Предмет исследования - химический объекты и их совокупности, химический производства, стратегия изучения - системный анализ, научный метод мат. моделирование, средства реализации ЭВМ. КИБЕРНЕТИКА позволяет получать конкретные количеств, результаты, анализировать и синтезировать (разрабатывать) химико-технологические системы (ХТС) с заданными свойствами, прогнозировать их оптим. функционирование (см. Оптимизация) и создавать алгоритмы управления процессами. ХТС включает: собственно химический процессы, аппарат или группу аппаратов для проведения этих процессов, средства контроля и управления процессами и связи между ними. Совокупность этих элементов и связи между ними образуют структуру ХТС. Функционирование ее может оцениваться совокупностью показателей (количественных, качественных, материальных, энергетических, экономических, экологических и т.д.), каждый из которых существенно зависит от организации данной ХТС, состава входящих в нее процессов, технол. совершенства отдельных стадий и др. Взаимод. системы с окружающей средой в общем случае описывается двумя группами переменных: входными и выходными. Последние определяют показатели работы ХТС и отражают ее реакцию на воздействия окружающей среды, которые проявляются в изменениях входных переменных, характеризующих, например, количество перерабатываемого сырья, его состав, термодинамическое свойства. Любые незапрограммированные изменения входных переменных, вызывающие изменения показателей функционирования системы, рассматриваются как возмущения, чаще всего нежелательные. Компенсация их и поддержание параметров режима работы ХТС в заданных пределах осуществляются целенаправленным изменением особой части входных переменных управляющих воздействий. Стратегия анализа и построение математических моделей процессов и систем. Для изучения существующих и разрабатываемых ХТС применяют стратегию системного анализа, в соответствии с которой производится декомпозиция (расчленение) исходной сложной системы на ряд подсистем меньшей сложности т наз технол. операторов При этом каждая из подсистем может рассматриваться как самостоят, система, а окружающая ее среда включает остальные подсистемы. Количеств, связь выходных переменных с входными, возмущающими и управляющими воздействиями представляет собой так называемой функциональный оператор, или мат. модель ХТС, и отображается системой уравений, называют мат. описанием изучаемого объекта. Осн. прием его построения-так называемой блочный принцип, согласно которому после установления набора элементарных процессов каждый из них исследуется отдельно (по блокам) в условиях, максимально приближенных к существующему или предполагаемому режиму эксплуатации объекта моделирования. В результате каждому элементарному технол. оператору ставится в соответствие элементарный функциональный оператор, описывающий его свойства. Согласно стратегии системного анализа, в КИБЕРНЕТИКА вначале анализируется гидродинамич. часть общего технол. оператора - основа будущей модели. Эта часть оператора характеризует поведение так называемой холодного объекта (например, химический реактора), т.е. объекта, в котором отсутствуют физических-химический превращения. Вначале анализируется структура потоков в объекте и ее влияние на процессы переноса и перемешивания компонентов потока. Изучаемые на данном этапе закономерности, как правило, линейны и описываются линейными дифференц. уравениями. Результаты анализа представляются обычно в виде системы дифференц. уравений с найденными значениями их параметров. Иногда для описания процессов не удается использовать мат. аппарат детерминированных (изменяющихся непрерывно по вполне определенным законам) уравений. В таких случаях применяют статистико-вероятностное (стохастич.) описание в виде некоторых функций распределения свойств процесса (функции распределения частиц веществ по размерам, плотности и др., например при псевдоожижении; функции распределения элементов потока по временам пребывания в аппаратах при диффузии или теплопереносе и т.д.; см. также Трассёра метод). Далее анализируется кинетика химический реакций и фазовых переходов в условиях, близких к существующим условиям эксплуатации объекта, а также скорости массо- и теплопередачи и составляются соответствующие элементарные функциональные операторы. Кинетич. закономерности химический превращений, массообмена и фазовых переходов обычно служат основные источниками нелинейности (реакции порядка, отличного от нуля и единицы, нелинейные равновесные соотношения, экспоненциальная зависимость кинетическая констант от температуры и т. п.) в уравениях мат описания объекта моделирования. Мат. описание формируется объединением полученных на предшествующих этапах системного анализа функциональных операторов в единую систему уравений. Решение системы уравений мат. описания для заданной совокупности значении входных переменных (постоянных и изменяющихся во времени) и составляет основу мат моделирования, позволяющего исследовать свойства объекта путем численных экспериментов на его мат. модели. Последняя дает возможность прогнозировать поведение объекта при изменениях входных переменных, решать задачи оптим. выбора конструктивных характеристик (проектирование), синтезировать системы управления, обеспечивающие заданные показатели его функционирования. При этом важное значение имеет выбор алгоритма (программы) решения системы уравений мат. описания так называемой алгоритма моделирования. Как правило, мат. описание реальных объектов оказывается настолько сложным, что для реализации мат. моделирования необходимо использовать достаточно мощные средства вычислит. техники. Поэтому разработка эффективных алгоритмов моделирования основа развития систем автоматизированного проектирования и автоматизированного управления для различные химико-технОл. процессов. Идентификация мат. моделей объектов. Любая мат. модель лишь приближенное подобие объекта моделирования. Поэтому она дает только приближенные оценки показателей его функционирования. В последовательности этапов мат моделирования эти различия выявляются на этапе установления адекватности (соответствия) модели объекту, или ее идентификации. Результаты проверки адекватности могут оказаться неудовлетворительными, что потребует существенно изменить задачу, начиная с ее постановки. Адекватность модели объекту оценивается лишь при наличии эксперим. данных, полученных на объекте моделирования, с помощью так называемой критерия адекватности; последний оценивает отклонения (рассогласование) опытных и расчетных значений соответствующих переменных объекта и модели. Конкретный вид критерия адекватности зависит от объема, состава и точности имеющихся опытных данных, типа модели, свойств объекта и т.д. Например, для линейных по параметрам моделей широко применяется статистич. критерий Фишера (см. Обработка результатов эксперимента, Планирование эксперимента); для нелинейных моделей чаще используются так называемой квадратичные оценки рассогласования указанных эксперим. (у_эксп) и расчетных (y_расч) значений переменных, например, в след, форме:

где b _i - так называемой весовые коэффициент, с помощью которых учитываются значимость и точность отдельных измерений при общем числе их точек n. Поскольку в критерий адекватности входят расчетные значения переменных, его величина зависит от параметров модели. Это часто используется для так называемой корректировки мат. модели по эксперим. данным, полученным на объекте моделирования. При этом решается задача минимизации критерия, в которой искомыми являются корректируемые значения параметров. Данный прием применяется также в так называемой адаптивных моделях, в которых используются настроечные параметры для приведения в соответствие модели и объекта с изменяющимися характеристиками. Обратная связь как основа управления. Важнейшее понятие кибернетики - обратная связь, которая проявляется в обратном влиянии на процесс его собственного действия. Различают два вида обратной связи: положительную (усиливающую), например при тепловой неустойчивости химический реактора, и отрицательную (ослабляющую), например при истечении жидкости из емкости под действием гидростатич. напора. В первом случае любое малое изменение температуры в реакционное зоне приводит к такому резкому изменению тепловыделения, что реакция либо угасает, либо переходит в режим с чрезмерным разогревом; во втором случае с увеличением притока в емкость жидкости уровень ее повышается, что автоматически вызывает увеличение стока, и наоборот. В технике обратная связь используется для автоматич. управления процессом, причем сигнал с выхода системы применяется для формирования управляющих воздействий. Пример-система управления химический реактором, обеспечивающая соответствующее изменение теплосъема при изменении в зоне реакции температуры для поддержания заданного ее значения; датчик температуры в реакторе связан через регулятор с исполнит. органом, управляющим расходом теплоносителя. В системах управления, построенных с использованием микропроцессорной техники, применяются также мат. модели управляемых объектов, что позволяет прогнозировать поведение объекта и вырабатывать управляющие воздействия, обеспечивающие его функционирование с заданными показателями при изменяющихся внешний условиях. Анализ процессов и систем как объектов автоматического управления. Исследование как существующих, так и проектируемых химико-технол. процессов и их совокупности, химико-технол. схем или систем как объектов управления осуществляется в такой последовательности: 1) система представляется в виде отдельных элементов или подсистем, которые отвечают отдельным аппаратам либо группам аппаратов, объединенных функциональными связями; 2) формулируется задача управления системой; 3) выявляются входные, выходные и управляемые переменные, возмущающие и управляющие воздействия как для каждой из подсистем, так и для системы в целом; 4) составляется мат. описание динамич. поведения отдельных подсистем и всей системы; 5) анализируются характеристические свойства (например, чувствительность, управляемость, помехозащищенность, устойчивость) системы как объекта управления. При исследовании типовой ХТС как объекта автоматич. управления каждый ее элемент представляется в виде имеющего входы и выходы многомерного технол. оператора, который в значительной степени подвержен измеряемым и неизмеряемым возмущениям, локализуемым с помощью управляющих воздействий. Отдельные технол. операторы взаимодействие благодаря наличию между ними определенных технол. и информац. связей, к-рым отвечают материальные, энергетич. и информац. потоки. При этом эффективность функционирования и качество управления можно повысить как путем улучшения показателей качества работы технол. операторов и управления ими (интенсификация технол. режимов, переход к предельным режимам работы операторов по нагрузке и создание соответствующих систем автоматизир. управления), так и изменением связей между существующими в системе операторами и введением дополнительной операторов и новых связей. Лит.: Кафаров В. В., Ветохия В. Н., Основы построение операционных систем в химической технологии, М., 1980; Ицкович Э.Л., ЭВМ в системе управления предприятиями, М., 1980; Перов В.Л., Егоров А.Ф., Хабарин А. Ю., Управление химико-технологическими системами, М., 1981; Кафаров В. В., Кибернетика в химической технологии, М., 1984; Кафаров В. В.. Методы кибернетики в химии и химической технологии, 4 изд., М., 1985; Эберт КИБЕРНЕТИКА, Эдерер X., Компьютеры. Применение в химии, пер. с нем., М., 1988. В. В. Кафаров.

Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей