Лекция 1

Введение

Целью преподавания дисциплины является ознакомление студентов с возможностями вычислительной техники при решении различных задач химии и химической технологии, связанных с вопросами экологии: моделирования, оптимизации, проектирования и управление производственными процессами. Для кибернетики как науки предметом исследования являются системы любой природы и их управляемость, методом исследования - математическое моделирование, средством исследования - вычислительные машины.

Методы кибернетики могут использоваться для решения задач в инженерной экологии.

Любое производство можно представить в виде следующей схемы:

Процесс обработки (для химической отрасли – превращение, для биотехнологии – ферментация)

Выделение целевого продукта – получение продукции

Подготовка сырья

Очистные сооружения

Эта последовательность воплощается в сложную технологическую систему, для моделирования и управления которой существует системный подход. Согласно этому подходу система может рассматриваться на различных уровнях иерархии.

Любое предприятие (химическое, био-технологическое, пищевое) можно разделить на следующие уровни иерархии:

1 уровень - типовой процесс (механический, гидродинамический, тепловой, химический( реакция, клетка…))

2 уровень – комплексы и агрегаты предприятия (совокупность нескольких типовых процессов: химический аппарат, аэротенк; связь между аппаратами…)

3 уровень – организация производства (технологическая схема, цех, завод), планирование запасов, реализация продукций, управление.

Система взаимодействует с внешней средой и может быть количественно оценена через входы и выходы:

В общем случае система очень сложная. Она многообразная, многокомплектная, сплошная, распределенная в пространстве и переменная во времени. Включает перенос веществ, энергии, импульса.

Основные положения системного анализа: системный анализ – это стратегия изучения сплошных систем. В качестве метода используются математическое моделирование, а основной принцип – декомпозиция сложной системы на более простые подсистемы.

Общие положения:

1. Четкая формулировка цели исследования;

2. Постановка задачи по реализации этой цели и определение критерия эффективности решения задачи;

3. Разработка плана исследования;

4. Последовательное продвижение по всем этапам плана исследования;

5. Организация последовательных приближений на отдельных этапах;

6. Принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза.

Т.о. применение стратегии системного анализа позволяет использовать блочный принцип. Например, при рассмотрении процесса очистки воды в аэротенке исследуют: гидродинамику процесса, далее изучают влияние тепло- и массопереноса, далее – кинетику биохимических превращений, кинетику роста активного ила, затем составляют материальные и тепловые балансы.

Понятие модели

Модель - такая мысленно представляемая или материально реализованная система, которая отображает или воспроизводит объект исследования и способна замещать его так, что изучение модели дает нам новую информацию об объекте. Модели бывают материальные и идеальные.

Материальные – макеты, пространственные модели молекул, модели самолетов, автомобилей, электрические модели и т.д. Их создают для отображения пространственных свойств.

Идеальные – иконические (иконографические) чертежи, схемы … и символические (знаковые) – математические модели. Существуют физическое моделирование и математическое моделирование.

Математическое моделирование– метод научного исследования, который основан на познании изучаемых процессов с помощью математической модели, и основан на математическом подобии. Математическое моделирование позволяет осуществить с помощью одного устройства решение целого класса задач, имеющих одинаковое математическое описание; использует для исследования вычислительную технику; дешевле физического моделирования. Недостатки: допущения, принимаемые при математическом моделировании нередко существенно искажают сущность процесса, что снижает точность, кроме того, невозможно визуально наблюдать за ходом процесса.

Классификация математических моделей по природе процессов:

1. стохастические – изучают случайный характер протекания процессов;

2. детерминированные – изучают причину и следствие, зависимости входных и выходных величин.

По характеру режимов процессов:

1. статистические – не учитывают влияние временного фактора;

2. динамические – исследуют процесс во времени.

По характеру изменения переменных:

1. с распределенными параметрами – переменные изменяются во времени и пространстве;

2. с сосредоточенными параметрами – переменные изменяются только во времени.