Математическое моделирование и управление процессом адсорбционного концентрирования углекислого газа

вх — входвых — выходос — обитаемая средазд — заданное значениеэ — экспериментальное значение- * - равновесное (оптимальное) значениел- расчетное значение.

Актуальность темы

исследования. На современном этапе развития человечества особенно актуальными становятся вопросы освоения сред с экстремальными условиями обитания. Это требует разработки новых поколений технических систем, обеспечивающих жизнедеятельность человека во время его длительного автономного пребывания в замкнутых пространствах, когда* отсутствует возможность пополнения, расходуемых продуктов обеспечения жизнедеятельности.

Одной из важнейших в системе жизнеобеспечения (СЖО) является подсистема обеспечения" физиологических норм дыхания, экипажа. Подсистема строится по замкнутому принципу, реализуемому концентрированием углекислого газа в потоке, отбираемом из среды обитания, с последующим восстановлением воды в реакторе Сабатье и выделением кислорода из воды в электролизере. В настоящее время наиболее эффективным и целесообразным является способ концентрирования углекислого газа, основанный на циклическом адсорбционном процессе.

Интенсивность выделения углекислого газа в среде обитания экипажа определяется характером выполняемых его членами работ, который предопределяет наличие различных состояний функционирования СЖО. Применение традиционных алгоритмов управления процессами, протекающими в системе, когда поддерживается ее номинальный режим работы, приводит к перерасходу энергетических ресурсов, что становится весьма критичным при длительном автономном пребывании человека в замкнутом пространстве, когда становятся возможными нештатные или аварийные ситуации, а также происходят значимые изменения, в программе работ экипажа. Поэтому возникает необходимость совершенствования существующих систем управления циклическими адсорбционными процессами, которое должно обеспечить оптимальное (в смысле минимизации энергозатрат) управление.

Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральных целевых программ «Исследованиями разработки по? приоритетным направлениям развития: научно-технологического комплексаРоссии на 2007 — 2012 годы» (проект 34−2007), «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» Р2359да92^на 2009 -2011 г. г.).. '.

Цельюнаучного-" исследования является ¡-разработка системы управления циклическим процессом адсорбционного концентрирования углекислого газа в системежизнеобеспечения замкнутого? объема, обеспечивающей", минимизацию удельного" энергопотребления в процессе очистки воздухаот углекислого газа на множестве состояний функционированияобусловленных различной нагрузкойвыполняемой экипажем во время длительного пребывания в замкнутом объеме.

Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать математическую модель процесса адсорбционного концентрирования углекислого газа, которая позволяет изучать этот процесс в различных состояниях функционирования концентратора, вкотором1 протекают адсорбционные процессы, и быть пригодной дляпримененияее в составе системы управления этим процессом;

— провести математическое моделирование различных технологических режимов работы, концентратора углекислого газа для различных состояний’функционирования;

— поставить и решить задачу энергосберегающего управления? циклическим процессом концентрирования: углекислого' газа на длительном этапе автономного пребывания человека в замкнутом объеме;

— выбрать наиболее целесообразную систему управления процессом адсорбционного концентрирования углекислого* газа, реализующую алгоритмы энергосберегающего^управления на длительном этапе автономного пребывания человека в замкнутом объемесоздать, алгоритмическое и программное обеспечение, которое можно было бы использовать приразработке тренажерапредназначенного для подготовки экипажа к длительной' автономной работе в замкнутом объеме. — ¦ - ¦ ,. Объект исследования, Системауправления*.процессом?: адсорбционного концентрированияуглекислого газа в .СЖО замкнутого объема.

Предмет, исследования: Матемап 1ческое, алгоритмическое и программноеобеспечение системы управления?: процессом адсорбционного^ концентрирования углекислого-газапротекающим в концентраторе углекислого газа, которое позволяет минимизировать энергетические затраты, связанные с очисткой воздуха от углекислого газа в СЖО’экипажадлительное время пребывающего в замкнутом объеме:

Методы исследования. В? процессе решения: поставленных задач? были использованы следующие методы: системного, анализа, математического моделированияоптимизации, математическойстатистики, теории управленияпроцессов и аппаратов химической технологии.

Научная новизна: разработана математическая мод ель. циклического процесса адсорбционного концентрирования углекислого газа, протекающего в концентраторе углекислого таза системы, жизнеобеспечения замкнутого объема, котораяпостроена по модульному принципу и отличается тем, что в модели уравнение: кинетики адсорбции углекислого газа представляется в видеполинома, порядок и коэффициентыкоторого подлежат последующему определению, благодаря: чему с ее помощью можно изучать процессы, протекающие в концентраторе, для различных состояний его функционированияразработан алгоритм решения системы уравнений математического описания* технологических процессов, протекающих в адсорберах, отличающийся тем, что реализуется метод-адаптивной сетки с автоматическим контролем точности получаемых решений на основе вычисления: общего материального баланса технологической схемы, благодаря чему значительносокращается время-вычислений;

— математически, сформулирована, задача энергосберегающего управления! циклическим процессом концентрированияуглекислого газа-, отличающаяся?, темчто? протекающие в концентраторе углекислого газа системы жизнеобеспечения-процессы рассматриваются на длительном этапе его автономного? пребывания? в замкнутом объеме, когда возможно неоднократное изменение заданнойпрограммы пребывание экипажа, а значит и программы функционирования концентратора, в связи с различными обстоятельствами;

— разработан алгоритм решения сформулированной задачи энергосберегающего управления циклическимпроцессом концентрирования* углекислого газа, отличающийся тем, что исходная задача декомпозирована на внутреннюю и внешнюю задачи, поскольку вектор управляющих воздействий содержит как непрерывные, так и дискретные управленияпри этом длявнутренней и внешней задача созданы собственные алгоритмы.

Основные положения^ выносимые на защиту.

— математическое описание процесса адсорбционного концентрирования углекислого газа, построенное по модульному принципу, позволяющее использовать его для исследованияданного процесса в широком спектре изменения его технологических режимов, а также в системе управленияданным процессом;

— алгоритм решения уравнений математического описания* процесса адсорбционного концентрирования углекислого газа, протекающего в концентраторе углекислого газа;

— результаты параметрической идентификации математическоймодели процесса адсорбционного концентрирования углекислого газа;

— результаты, математического моделирования по оценке влияния различных параметровна протекание процесса адсорбционного ¦ концентрирования углекислого газа в различных состояниях функционирования концентратора, обусловленных различной нагрузкойвыполняемой экипажем;

— постановка и алгоритм решениж задачи энергосберегающего управления процессом адсорбционного концентрирования углекислого газа на1 длительном этапе автономного пребывания экипажа в замкнутом объеметехнические и программные, средства тренажерного комплекса для подготовки экипажа к длительному пребыванию в замкнутом объеме.

Практическая ценность результатов исследования. Разработанная математическая модель процесса адсорбционного концентрирования углекислого газа, позволяет исследовать, широкий спектр технологических режимов работы концентраторов углекислого газа, выполненных по различным конструктивным 'схемампри этом исследуемые режимы соответствуют различным состояниям среды обитания, обусловленным разной физической нагрузкой, выполняемой экипажем.

Результаты математического моделирования и натурных исследований позволили предложить рекомендации по совершенствованию конструкции опытного образца концентратора углекислого газа, на котором проводились эксперименты.

Использование разработанной системы управления процессом адсорбционного концентрирования углекислого газа в реальных условиях длительного пребывания экипажа в замкнутом объеме поможет значительно сэкономить затраты электроэнергии на очистку воздуха от углекислого’газа, что, при прочих равных условиях, эквивалентно продлению срока пребывания экипажа в замкнутом объеме, а, в отдельных случаях, это может даже и сохранить жизнь экипажу.

Тренажерный комплекс для подготовки экипажа, автономно работающего в замкнутых объемах длительное время, в котором используется разработанное алгоритмическое и программное обеспечение, относящееся к процессу концентрирования углекислого газа и системы управления! им, позволяет приобретать и совершенствовать необходимые навыки, как отдельным членам экипажа, так и группам, состоящим из нескольких человек.

Отдельные результаты диссертационной работы и, в> частности, тренажерный комплекс, используются в учебном процессе кафедрой «Информационные процессы и управление», ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» для подготовки бакалавров и магистров.

Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение принято к использованию в ОАО «Корпорация «Росхимзащита» в г. Тамбове:

Апробация работы: Основные результаты, диссертации докладывались и обсуждались: на международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-21», Саратов, 2008 г. и «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-23», Белгород, 2010 г.- на заседаниях ученого совета ОАО «Корпорация «Росхимзащита», Тамбов, 2009, 2010 г. г.- на научных семинарах кафедры «Информационные процессы и управление» ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», 2008;2010 г. г.

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по главам, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основной текст диссертации изложен на 150 страницах машинописного текста, включая 53 рисунка и 7 таблиц.

Выводы по пятой главе.

1. Разработан тренажерный комплекс для подготовки экипажа, автономноработающего в замкнутых объемах длительное время, в котором используется программный пакет «КРУГ—2000» и разработанный1 нами, на основе ядра КРУГОЛа, программный модуль, определяющий, алгоритм функ-ционирования*этого комплекса:.

2. Программный модуль выполняет имитацию внешней среды, расчет математической модели процесса адсорбционного концентрирования углекислого газа, расчет системы управления, имитацию аварийных ситуаций в автоматическом или ручном режиме.

3. Разработан интерфейс тренажерного комплекса, позволяющий наглядно представлять технологическую информацию о протекании процесса концентрирования углекислого газа в концентраторе и дистанционно управлять исполнительными механизмами, а также изменять настройки регуляторов технологических переменных.

4. Тренажерный комплекс, как средство обучения, предоставляет отдельным членам экипажа или группам, численностью до 6 человек, следующие функциональные возможности:

— изучать технологический процесс адсорбционного концентрирования углекислого газа, оценивать влияние обитаемой среды на его протекание, а также управлять процессом;

— анализировать и прогнозировать последствия возможных нештатных и аварийных ситуаций, возникающих в среде обитания экипажа;

— вырабатывать и закреплять навыки управления, необходимые при реализации режимов работы концентратора углекислого газа, в связи с изменяющейся интенсивностью работ, выполняемых экипажем, и, соответственно, связанных с пересчетом технологического режима.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

С целью разработки системы управления циклическим процессом адсорбционного концентрирования углекислого газа в. системе жизнеобеспечения замкнутого объема, которая минимизирует удельное энергопотребление на множестве состояний функционированияобусловленных различной нагрузкой, выполняемой экипажем во время длительного пребывания в замкнутом объеме, были решены следующие задачи:

— разработана математическая модель процесса адсорбционного концентрирования углекислого газа, которая позволяет изучать протекающие процессы в различных состояниях функционирования концентратора углекислого газа, обусловленных различной нагрузкой, выполняемой экипажем, и которая пригодна для использования в составе системы управления процессом;

— проведено математического моделирования различных технологических режимов концентратора углекислого газа, характеризующих различные состояния его функционирования, обусловленные разнообразной физической нагрузкой экипажа во время выполняемых работ;

— содержательно сформулированы и математически поставлены задачи энергосберегающего управления циклическим процессом концентрирования углекислого газа на длительном этапе автономного пребывания экипажа в замкнутом объеме, разработаны алгоритмы решения сформулированных задач;

— проведен выбор целесообразной системы управления процессом адсорбционного концентрирования углекислого газа, представляющей собой иерархическую систему, использующую 8САОА-систему и контроллер, которая позволяет реализовать соответствующие алгоритмы управления;

— разработан тренажерный комплекс дня подготовки экипажа, автономно работающего в замкнутых объемах длительное время, в котором используется программный пакет «КРУГ-2000» и созданный нами, на основе ядра КРУГОЛа, программный модуль, определяющий алгоритм функционирования этого комплекса;

— результаты исследований, проведенных в работе, были использованы в ОАО «Корпорация «Росхимзащита».