Моделирование процессов и объектов в металлургии
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ
Основным понятием данного раздела является понятие о технологических процессах и объектах как о системах.
Система – составной объект, части которого закономерно объединены и совместно выполняют общую функцию.
Системы могут быть искусственными и естественными.
Естественные системы. Они не имеют определенной цели существования и создаются в ходе эволюции. Примером естественных систем являются биологические, например организмы. Другим примером являются социальные системы.
Искусственные системы отличаются тем, что они создаются для вполне определенной цели (технические и технологические системы).
Целью технологических систем в металлургии цветных металлов является переработка сырья, содержащего цветные металлы, с получением продукта, имеющего заданные свойства.
Система, как целостный объект, существует во внешней по отношению к ней среде (можно провести границу между системой и внешней средой).
В технологических системах внешняя среда проявляет себя, как источник перерабатываемого сырья и как потребитель произведенного продукта.
Система мысленно или физически может быть разделена на элементы, таким образом система представляет собой совокупность элементов. Элементы объединяются в систему за счет связей. Таким образом, в любой системе существует определённая структура связей.
Задачей системного анализа является определение свойств изучаемой системы. Изучение этих свойств позволяет в последующем выбрать соответствующий задаче метод построения модели. Таким образом, системный анализ является инструментом, позволяющим изучать функционирование сложных технологических систем и выбирать методы моделирования таких систем.
Система – это объект, обладающий набором системных свойств, к числу которых относятся:
1. Целостность и членимость;
2. Наличие существенных связей;
3. Наличие структуры или организации;
4. Наличие интегративного качества.
1. Целостность и членимость. Система, как целостный объект, может быть выделена из внешней среды, а как составной объект, может быть мысленно или физически разделена на составные части. Границами технологической системы в металлургии являются точки поступления исходного сырья и выхода готовой продукции. Масштаб системы может быть различным: от предприятия до отдельно рассматриваемой химической реакции, которая протекает в том или ином технологическом процессе. Как систему можно рассматривать также и отдельный технологический аппарат, совокупность таких аппаратов или технологических операций, т.е. технологическую схему, участок, отделение или цех.
2. Наличие существенных связей. Элементы объединяются в систему за счет связей между элементами. Связи можно разбить на три основные группы:
а) вещественные;
б)энергетические;
в)информационные.
Вещественные связи – представляют собой потоки вещества, циркулирующие между элементами системы. Особенности потоков вещества:
· агрегатное состояние может быть различным (твердое, жидкость, газ);
· фазовое состояние (одно- или многофазное).
Вещественные связи в системе подчиняются закону сохранения вещества: сумма масс всех потоков, поступающих в элемент системы, равна сумме масс, покидающих элемент системы. То есть для каждого элемента системы мы можем составить материальный баланс.
Энергетические связи – представляют собой потоки энергии, циркулирующие между элементами системы. Для металлургических систем виды энергии могут быть различными, наибольшее значение имеют потоки тепловой энергии. В некоторых технологических процессах (электролизе, например) более важное значение имеют и другие виды энергии (электрическая, механическая).
Энергетические связи подчиняются закону сохранения энергии, таким образом, для каждого элемента системы можно составить энергетический (в частности тепловой) баланс.
Информационные связи – представляют собой потоки информации, циркулирующие между элементами системы. Информация, циркулирующая в потоках, представляет собой величины технологических параметров, которые характеризуют работу каждого элемента системы. Чем выше уровень технологии, тем больше количество таких параметров измеряется по ходу технологического процесса, тем большее количество информации получается в информационном потоке. В отличие от вещественных и энергетических связей, информационные потоки описываются не законами сохранения, а законами распространения информации.
Все связи системы характеризуются направленностью.
Е1…Е3 – элементы 1…3.
Связь 1 является прямой связью Е1 и Е3, связь 3 является обратной.
Связи могут быть физически наполненными и не наполненными.
Физически не наполненные связи – это связи типа отношений: А>В
A<B
A=B.
Физически наполненные – связи вещественные и энергетические.
Связи должны обладать устойчивостью, то есть они должны существовать достаточно длительно во времени.
Вещественные связи в технологических системах представляют собой системы промышленного транспорта. Конкретный вид этих систем зависит от свойств вещественной связи: для твердых материалов – механические транспортирующие машины- конвейеры различных типов. Для жидкостей и газов используют системы трубопроводного транспорта.
Связи в системе должны быть существенными. Существенность оценивается количественно по величине силы связи – это отношение потока вещества (энергии), проходящего через эту связь к общему потоку вещества (энергии) в системе:
где: qi – доля общего потока вещества (энергии), приходящаяся на i связь;
- общий поток вещества (энергии) в системе.
В том случае, если сила связи больше критерия значимости α – связь существенная (α = 0,02…0,05). Величина критерия значимости выбирается исходя из ошибок измерения технологических параметров в том или ином технологическом процессе.