Názov: Dynamická a globálna optimalizácia procesov

Partneri

• Slovenská technická univerzita v Bratislave, Fakulta chemickej a potravinárskej technológie, Oddelenie informatizácie a riadenie procesov (M. Fikar, R. Paulen, M. Jelemenský, L. Petáková)
• Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL) - Ecole Nationale Supérieure des Industries Chimiques (ENSIC) Laboratoire des Sciences du Génie Chimique (M. A. Latifi, M. Daroux, F. Lesage)

Čas riešenia: 2012-2013

Kód projektu

APVV SK-FR-0004-11

Vedecké ciele projektu

Prevažná väčšina chemických, farmaceutických a biotechnologických produktov je vyrábaná procesmi, ktoré operujú v neustálenom stave. Príklady takýchto procesov zahŕňajú vsádzkové a polovsádzkové procesy i procesy pracujúce v cyklickom ustálenom stave – chromatografické a absorpčné procesy. Návrh ekonomického riadenia týchto procesov je v princípe príkladom optimálneho riadenia procesov. Vsádzkové procesy sú hojne využívané najmä vo farmaceutickom a biotechnologickom priemysle, pri polymerizácii, špeciálnej a poľnohospodárskej chémii, alebo pri výrobe elektrotechnických materiálov. Aj pri návrhu produktov, čo je nová perspektívna oblasť v chemickom inžinierstve, sa vsádzkové reaktory využívajú veľmi často. Všetky tieto úvahy motivujú výskum návrhu a postupov, ktoré optimalizujú prechodové javy dynamických procesov. Veľmi dôležitým aspektom výskumu je ekonomickosť výroby, ochrana životného prostredia a bezpečnosť výroby. Na pochopenie a zvládnutie týchto problémov potrebujeme optimálny návrh a prevádzku dynamických procesov.

Tento výskumný projekt sa zameriava na prechodové javy pri prevádzke dynamických procesov, ktoré sú opísané detailnými matematickými modelmi, obyčajne nelineárnymi diferenciálnymi rovnicami. Optimalizácia takýchto procesov spočíva vo vypočítaní optimálnych profilov optimalizovaných veličín (teplota, tlak, prietok, množstvo, teplo,...) alebo optimálnych hodnôt parametrov dynamického modelu procesu, ktorý minimalizuje (maximalizuje) danú účelovú funkciu (čas, výťažok, spotreba energie,...) vzhľadom na špecifikované obmedzenia (životné prostredie, bezpečnosť, ...). Takýto problém je známy pod pojmom dynamická optimalizácia alebo optimálne riadenie. Príklady takýchto problémov zahŕňajú určenie optimálneho riadenia vsádzkových procesov, odhad kinetických parametrov chemických reakcií založených na experimentálnych údajoch, optimálny návrh experimentu na získanie experimentálnych údajov s maximalizovanou informačnou hodnotou, určenie optimálneho prechodu medzi dvomi režimami operácie, bezpečnostná analýza procesov, prediktívne riadenie, atď.

Pred 17 rokmi rokmi vznikla kooperácia LRGP (ENSIC-INPL, Nancy) and STU v Bratislave, počas ktorej boli slovenskí výskumníci na pobytoch v Nancy v rámci programov európskej únie (TEMPUS), post-doktorandských programov (CNRS, Elf Aquitaine), programov francúzskej vlády pre zahraničných výskumníkov (Ministére de la Recherche, Région de Lorraine) a bilaterálnych projektov Štefánik. Od roku 2005 sú výsledkom tejto spolupráce tiež ERASMUS mobility študentov inžinierskeho štúdia na oddelení informatizácie a riadenia procesov FCHPT STU. V roku 2012 to už bude 6. diplomová práca vypracovaná na LRGP.

Na základe týchto kooperácií boli vyvinuté metódy a algoritmy dynamickej optimalizácie pre petrochemické procesy, destilačné a membránové procesy, čističky odpadových vôd. Začal sa vývoj softvéru pre dynamickú optimalizáciu DYNO. Tento softvér je v súčasnosti využívaný napríklad vo Francúzsku, Slovensku, Indii, Malajzii, USA (NASA).

V roku 2004 sa začal vývoj balíka pre dynamickú optimalizáciu v prostredí MATLAB - DYNOPT. Tento využiva prístup založený na simultánnej diskretizácii stavových a riadiacich veličín ortogonálnou kolokáciou na konečných prvkoch. Tento softvér je v súčasnosti používaný vo Francúzsku, Slovensku, Indii, USA, Kanade.

Účelom budúcej kooperácie je nasledovné:

1. obohatiť znalosti získané doposiaľ na základe vývoja rigoróznych metód dynamickej a globálnej optimalizácie procesov. Je dobre známe, že riešenie dynamickej optimalizácie v chemickom inžinierstve a riadení procesov vykazuje viaceré lokálne extrémy. Preto, vďaka nekonvexnosti riešených problémov, je skoro nemožné získať skutočné globálne optimum a získané výsledky sú len lokálne optimálneho charakteru. Nedosiahnutie skutočného optima môže mať ďalekosiahle dôsledky pre ekonomiku podniku, životné prostredie, bezpečnosť, atď. a ukazuje zreteľne dôležitosť vývoja globálnych metód dynamickej optimalizácie,
2. ďalej vyvíjať softvéry DYNO, DYNOPT, najmä zahrnúť do nich metódy globálnej optimalizácie a rozšíriť ich použiteľnosť aj na iné oblasti (biotechnológie, strojárenstvo, ...) ako aj pre stále častejšie využívané hybridné modely dynamických procesov (modely s prepínaním dynamiky),
3. a nakoniec, aplikovať metódy globálnej dynamickej optimalizácie pri experimentálnom riadení reálnych zariadení (vsádzkové polymerizačné procesy).