ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
УТВЕРЖДАЮ
Декан технологического факультета
проф.
« » 2005 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
ДИСЦИПЛИНЫ
«Управление технологическими процессами на основе
математического моделирования»________________
(наименование дисциплины)
ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 260203-«Технология сахаристых продуктов»
НАПРАВЛЕНИЕ 260200-«Производство продуктов питания из растительного сырья»
Программа рассмотрена
на заседании кафедры ТСВ, протокол № от « » 2005 г.
Заведующий кафедрой ТСВ проф.
на заседании методической комиссии по образованию в области технологии сырья и продуктов растительного происхождения,•
протокол № от « » 2005 г.
Председатель методической комиссии по образованию в области технологии сырья и продуктов растительного происхождения
доц.
Воронеж
2005
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Дисциплина «Управление технологическими процессами на основе математического моделирования» является общепрофессиональной дисциплиной региональной компоненты ГОС ВПО в соответствии с требованиями основной образовательной программы подготовки инженера по направлению 260200 «Производство продуктов питания из растительного сырья» по специальности 260203 «Технология сахаристых продуктов».
Целью данной общепрофессиональной дисциплины является осуществление эффективного управления различными технологическими процессами сахарного производства на основе их математического описания.
Задачи дисциплины:
– создание новых высокоэффективных процессов и совершенствование уже действующих на основе математического моделирования;
– изучение этапов математического моделирования, идентификация параметров и установление адекватности моделей;
– изучение экспериментальных методов исследования и математического описания структуры потоков в аппарате как основы построения моделей;
– оптимизация технологических процессов аналитическими и численными методами.
2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ (указать в виде знаний, умений, навыков)
Студент должен знать и уметь использовать методы теоретического и экспериментального исследования технологических объектов управления сахарного производства с использованием средств вычислительной техники.
Студент должен уметь:
– совершенствовать и оптимизировать действующие технологические процессы на базе системного подхода к анализу качества сырья, технологического процесса и требований к конечной продукции;
– разрабатывать технологические процессы, характеризующиеся отсутствием вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду.
Студент должен владеть математическими методами и ЭВМ при выполнении инженерных расчетов в процессе управления.
3. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Виды учебной работы | Всего часов | Семестр |
9 | ||
Общая трудоемкость дисциплины | 70 | 70 |
Аудиторные занятия | 34 | 34 |
Лекции | 17 | 17 |
Практические занятия (ПЗ) | 17 | 17 |
Самостоятельная работа | 36 | 36 |
Курсовая работа | Объем 30 – 40 с. Трудоемкость 20 ч | 20 |
Проработка материалов по конспекту лекций | 0,31 ч · 17=5,2 ч | 5,2 |
Проработка материалов по учебникам | 1,0 ч · 2 п. л.=2,0 ч | 2,0 |
Подготовка к практическим занятиям: выполнение расчетов для практических работ оформление отчета по практической работе анализ и расчет по известным математическим моделям | 0,8 ч · 4 с=3,2 ч 0,2 ч · 8 с=1,6 ч 1 ч · 4 с=4 ч | 3,2 1,6 4 |
Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | зачет | зачет |
Дисциплина входит в цикл | ОПДР.01 | ОПДР.01 |
4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1. РАЗДЕЛЫ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ ЗАНЯТИЙ
№ п/п | Раздел дисциплины | Лекции, час | ПЗ, час |
1 | Введение. Цель и задачи дисциплины. Технологический процесс как объект управления | 2 | |
2 | Типовые схемы автоматического регулирования технологических параметров | 3 | 3 |
3 | Моделирование технологических процессов | 3 | 3 |
4 | Обработка результатов эксперимента. Построение статистической модели | 3 | 7 |
5 | Оптимизация технологических процессов | 4 | 4 |
6 | Задачи и алгоритмы оптимального управления технологическими процессами | 2 | |
ИТОГО: | 17 | 17 |
4.2. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
4.2.1. ЛЕКЦИОННЫЕ ЗАНЯТИЯ
ТЕМА 1. Введение. Цель и задачи дисциплины. Технологический процесс как объект управления.
Свойства технологических объектов управления. Классификация по иерархическим уровням; по способу механического перемещения сырья и вспомогательных материалов; по характеру протекаемых физико-химических процессов; по степени самовыравнивания. Детерминированные и стохастические объекты.
Методы исследования процессов как объектов управления: аналитический и экспериментальные (классический, временной, метод математического моделирования).
Задачи автоматизированной системы управления (АСУ) сахарного завода.
ТЕМА 2. Типовые схемы автоматического регулирования технологических параметров.
Локальные системы автоматизации. Общие сведения.
Выбор входных и управляющих воздействий объекта, анализ возмущений.
Типовые схемы автоматического регулирования технологических параметров: расхода, давления, температуры, уровня, концентрации продуктов.
Математические модели технологических процессов для выбора и обоснования систем автоматического управления.
ТЕМА 3. Моделирование технологических процессов.
Задачи моделирования. Аналитический и экспериментальный метод построения математических моделей. Качественный и количественный эксперимент. Виды моделирования: масштабное, аналоговое, полунатурное, математическое.
Виды аналитических моделей и этапы их построения. Модели гидродинамических потоков. Модель идеального (полного) перемешивания. Модели массообменных процессов. Модели тепловых процессов. Модели разделения неоднородных систем.
Экспериментально-статистические модели. Методы математического планирования эксперимента. Структура плана эксперимента.
ТЕМА 4. Обработка результатов эксперимента. Построение статистической модели.
Элементы теории вероятности и математической статистики.
Регрессионное описание технологических процессов. Метод наименьших квадратов.
Статистический анализ значимости коэффициентов уравнений регрессии. Анализ адекватности регрессионного уравнения.
ТЕМА 5. Оптимизация технологических процессов.
Обобщенный критерий оптимальности. Метод экспертных оценок.
Экспериментальное определение оптимальных режимов: метод покоординатного поиска, метод крутого восхождения, последовательный симплексный метод.
Поиск оптимальных режимов по моделям второго порядка: метод неопределенных множителей Лагранжа, «ридж-анализ», метод случайного поиска.
ТЕМА 6. Задачи и алгоритмы оптимального управления технологическими процессами.
Оптимизация статических режимов с использованием математических моделей.
Система экстремального управления процессом II сатурации.
Особенности оптимизации периодических процессов.
4.2.2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
№ п/п | № раздела дисциплины | Тема практического занятия |
1 | 2 | Параметрические схемы технологических процессов |
2 | 4 | Предварительная обработка экспериментальных данных |
3 | 3, 4 | Полный факторный эксперимент |
4 | 4 | Интерпретация модели, полученной по результатам полного факторного эксперимента |
5 | 3, 4 | Центральное композиционное ротатабельное планирование |
6 | 5 | Метод экспертных оценок |
7 | 5 | Выбор партии сахара-сырца наилучшего качества на основе многокритериальной оценки качества |
5. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ – не предусмотрен.
6. ФОРМЫ И СОДЕРЖАНИЕ ТЕКУЩЕГО, ПРОМЕЖУТОЧНОГО И ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ
6.1. ТЕКУЩИЙ КОНТРОЛЬ – рейтинговая оценка знаний студентов.
6.2. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КОНТРОЛЬ – отчеты по практическим работам, результаты выполнения курсовой работы.
ТЕМАТИКА КУРСОВЫХ РАБОТ
1. Оптимизация начала уборки свеклы.
2. Оптимизация графика уборки свеклы.
3. Анализ работы сырьевого отдела сахарного завода.
4. Влияние подготовительных операций при подаче свеклы в завод на технологические показатели работы предприятия.
5. Влияние подготовки питательной воды на качество диффузионного сока.
6. Зависимость эффекта очистки сока на диффузии от различных факторов проведения процесса экстрагирования.
7. Зависимость эффекта очистки на станции дефекосатурации от чистоты диффузионного сока и расхода извести.
8. Зависимость активности известкового молока от способов его получения.
9. Влияние различных возвратов на преддефекацию на эффект очистки станции дефекосатурации.
10. Зависимость чистоты очищенного сока от способов очистки диффузионного сока.
11. Выбор схемы кристаллизационного отделения в зависимости от качества сахарной свеклы.
12. Оптимизация процесса кристаллизации утфеля последнего продукта на основе полученных экспериментальных данных.
13. Выбор аппаратурного оформления продуктового отделения в зависимости от качества перерабатываемого сырья.
14. Анализ работы сахарного завода на основе полученных данный при многовариантных расчетах на ПЭВМ.
15 .Анализ работы продуктового отделения сахарного завода.
16. Анализ работы тепловой схемы сахарного завода с использованием многовариантных расчетов на ПЭВМ.
17. Влияние отбора диффузионного сока на расход топлива по заводу.
18. Выбор теплообменной аппаратуры от факторов проведения процесса экстрагирования.
19. Влияние количества ВКД на эффект очистки на станции дефекосатурации.
20. Влияние различных адсорбентов на чистоту очищенного сока.
21. Влияние различных способов применения адсорбентов на эффект очистки сока.
22. Влияние различных адсорбентов на эффект очистки на станции дефекосатурации при переработке сырья на свеклосахарном, рафинадном и сырцовом производствах.
23. Выбор схемы кристаллизационного отделения от качества перерабатываемого сахара-сырца.
24. Анализ работы сахарного завода при переработке сахара-сырца.
25. Влияние различных способов подготовки свекловичной стружки на качество диффузионного сока.
26. Определение оптимальных условий для максимального удаления из производственных растворов веществ коллоидной дисперсности.
27. Интенсификация процесса преддефекации с использованием фильтровальных порошков.
28. Исследование влияния количества адсорбента, содержания сахарозы и длительности процесса на эффект обесцвечивания.
29. Выбор оптимальных параметров использования перлита в процессе очистки диффузионного сока.
30. Определение гранулометрического состава кристаллов в утфелях.
31. Расчет автокаталитической реакции разложения сахарозы в зависимости от различных факторов проведения процесса.
32. Влияние различных факторов при проведении процесса экстрагирования на потери сахарозы в жоме.
33. Влияние качества перерабатываемой свеклы на экономические показатели работы сахарного завода.
34. Влияние различных факторов на утилизацию углекислого газа на I сатурации.
35. Влияние различных факторов на процесс накипеобразования.
36. Исследование влияния пищевых волокон на процесс очистки диффузионного сока.
37. Выбор оптимальной технологической схемы при переработке свеклы различного качества.
38. Влияние погодных условий на технологические качества сырья.
39. Влияние выбора технологического режима на выход крахмала.
40. Влияние выбора технологической схемы при переработке тростникового сахара-сырца.
6.3. ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ – зачет.
Вопросы к зачету
1. Какие классификации объектов управления пищевой технологии существуют?
2. В чем заключается аналитический и экспериментальный методы исследования процессов как объектов управления?
3. В чем сущность классического и временного методов исследования процесса?
4. Метод математического моделирования и статистический метод исследования процесса. Их достоинства и недостатки.
5. Задачи АСУ сахарного завода.
6. Функции подсистем АСУ технологическими процессами.
7. Локальные системы автоматизации.
8. Схема автоматизации. Какие существуют режимы управления процессом?
9. Регулируемые величины, управляющие и возмущающие воздействия.
10. Автоматическое регулирование расхода.
11. Автоматическое регулирование давления.
12. Автоматическое регулирование температуры.
13. Автоматическое регулирование уровня.
14. Автоматическое регулирование концентрации продуктов.
15. Линейные и нелинейные математические модели технологических процессов. Динамические параметры объекта управления.
16. Задачи моделирования. Качественный и количественный эксперимент. Виды моделирования физических процессов.
17. Виды аналитических моделей.
18. Модели гидродинамических потоков.
19. Модель идеального (полного) перемешивания.
20. Модели массообменных процессов.
21. Модели тепловых процессов.
22. Модели разделения неоднородных систем.
23. Назовите методы планирования эксперимента. Их достоинства и недостатки.
24. Что включает в себя структура плана эксперимента?
25. Какие события называют достоверными, случайными и невозможными? Что называют вероятностью? Дифференциальная и интегральная функции распределения.
26. Назовите числовые характеристики случайных величин.
27. Основные термины и понятия регрессионного анализа.
28. В чем заключается сущность метода наименьших квадратов?
29. Как проверить значимость коэффициентов уравнения регрессии?
30. Анализ адекватности регрессионного уравнения.
31. Сущность метода экспертных оценок.
32. Определение весовых коэффициентов критериев комплекса в методе экспертных оценок.
33. Определение оценок возможных вариантов по отдельным критериям.
34. Расчет комплексных оценок качества для выбора оптимального варианта.
35. Метод покоординатного поиска оптимума.
36. Метод крутого восхождения.
37. Последовательный симплексный метод поиска оптимума.
38. Метод неопределенных множителей Лагранжа.
39. Метод «ридж-анализа».
40. Метод случайного поиска оптимальных режимов по моделям второго порядка.
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
7.1. ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Соколов, технологических процессов пищевой промышленности [Текст] / . – М.: Агропромиздат, 1991. – 445 с.
2. Анализ производственных ситуаций на сахарном заводе с применением ЭВМ [Текст] / , , и др. – М.: АгроНИИТЭИПП, 1992. – 36 с.
3. Сусиденко, и оптимизация сложных систем свеклосахарных производств [Текст] / . – Киев: Урожай, 1990. – 80 с.
4. Харин, основы тепло - и влагообменных процессов пищевой промышленности [Текст] / , . – М.: Пищ. пром-сть, 2001. – 344 с.
7.2. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Рузинов, эксперимента в химии и химической технологии [Текст] / , . – М.: Химия, 1980. – 280 с.
2. Грачев, методы планирования экспериментов [Текст] / . – М.: Пищ. пром-сть, 1979. – 200 с.
3. Алексеев, и оптимизация технологических процессов в пищевой промышленности [Текст] / , . – М.: Агропромиздат, 1987. – 272 с.
4. Федоров, и реализация экспериментов в пищевой промышленности [Текст] / , . – М.: Пищ. пром-сть, 1980. – 240 с.
5. Еременко, управление процессами свеклосахарного производства [Текст] / . – М: Пищ. пром-сть, 1976. – 224 с.
6. Закгейм, в моделирование химико-технологических процессов [Текст] / . – 2-е изд., перераб. и доп. – М: Химия, 1982. – Серия «Химическая кибернетика». – 288 с.
7. Автоматическое проектирование оптимальных технологических систем пищевой промышленности: математические основы [Текст] / под ред. . – М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1981. – 272 с.'
8. Применение ЭВМ в технологии сахарного производства [Текст] / , , и др. – М.: АгроНИИТЭИПП, 1987. –Сер. 23 "Сах. пром-сть". – Вып. 4. – 36 с.
9. Саутин, эксперимента в химии и химической технологии [Текст] / . – Л.: Химия, 1975. – 48 с.
10. Сергеев, управления технологическими процессами сахарного производства в СССР и за рубежом [Текст] / , . – М.: АгроНИИТЭИПП, 1990. – 24 с.
11. Фигурнов, В. Э. IBM PC для пользователя: краткий курс [Текст] / . – М.: ИНФРА-М, 1999. – 480 с.
12. Фомин, технологических процессов пищевой промышленности на ЭВМ [Текст] / , . – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1977. – 108 с.
13. Чернов, математических методов и ЭВМ в свеклосахарном производстве [Текст] / , . – М.: Пищ пром-сть, 1970. – 72 с.
Методические указания
1. Задания и методические указания для курсовой работы по дисциплине «Оптимизация процессов сахарного производства с использованием математического моделирования» [Текст] / , ; Воронеж. гос. технол. акад. – Воронеж, 2001. – 12 с.
2. Выбор оптимального варианта технологического оборудования сахарных заводов на основе многокритериальной оценки качества: метод. указания к курсовому и дипломному проектированию для студ. спец. 270400 – «Технология сахаристых продуктов» [Текст] / ; Воронеж, гос. технол. акад. – Воронеж, 1996. – 32 с.
3. Определение сравнительных оценок свойств технологического оборудования экспертным методом (при отсутствии абсолютных показателей): метод. указания к курсовому и дипломному проектированию для студ. спец. 270400 – «Технология сахаристых продуктов» [Текст] / , ; Воронеж, гос. технол. акад. – Воронеж, 1996. – 24 с.
4. Контроль и учет сахарного производства [Текст] / , , ; Воронеж. гос. технол. акад. – Воронеж, 1996. – 12 с.
5. Методические указания по тепловому расчету [Текст] / , , ; Воронеж. гос. технол. акад. – Воронеж, 1997. – 20 с.
6. Методические указания к расчету оптимальных условий заготовки сахарной свеклы с применением ПЭВМ [Текст] / , ; Воронеж. гос. технол. акад. – Воронеж, 1991. – 16 с.
7. Анализ работы станции кристаллизации утфеля последнего продукта на основе математической модели процесса: метод: указания к УИРС для студ. спец. 270400 – «Технология сахаристых продуктов» [Текст] / , ; Воронеж. гос. технол. акад. – Воронеж, 1988. – 20 с.
8. Применение АРМ технолога-сахарника для расчета оптимальных технологических параметров продуктов свеклосахарного производства [Текст] / , ; Воронеж. гос. технол. акад. – Воронеж, 1991. – 20 с.
7.3. МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПРЕПОДАВАТЕЛЮ (должны указывать на средства, методы обучения, способы учебной деятельности, применение которых для освоения тех или иных тем наиболее эффективно).
Материалы в виде функциональных схем АСУ ТП сахарного производства фирм «Цукроавтомат», «Комплексные технологические системы», «Виол-2», «Магмас-автоматик», «Рабица» и др. с использованием вычислительной и микропроцессорной техники, а также пакетов программ Step для систем визуализации и управления технологическими процессами.
7.4. ОБУЧАЮЩИЕ, КОНТРОЛИРУЮЩИЕ, РАСЧЕТНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПРОГРАММЫ И ДРУГИЕ СРЕДСТВА ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Инсталяция в ауд. 151 через операционную систему Microsoft Windows (меню Fortran, пароль «класс») расчетных компьютерных программ:•
• «Выбор оптимального варианта технологического оборудования сахарных заводов на основе многокритериальной оценки качества»;
• «Определение сравнительных оценок свойств технологического оборудования экспертным методом (при отсутствии абсолютных показателей)».
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальности подготовки дипломированного специалиста 260203 – «Технология сахаристых продуктов».
Программу составила,
ассистент кафедры ТСВ
