Názov: Dynamická a globálna optimalizácia procesov

Partneri

• Slovenská technická univerzita v Bratislave, Fakulta chemickej a potravinárskej technológie, Oddelenie informatizácie a riadenie procesov (M. Fikar, M. Čižniar, M. Podmajerský, R. Paulen)
• 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: 2008-2009

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 a procesy pracujúce v cyklickom ustálenom stave – chromatografické a absorpčné procesy. Návrh týchto procesov je v princípe príkladom optimálnej operácie procesov. Najmä vsádzkové procesy sú veľmi vhodné v farmaceutickom, biotechnologickom priemysle, pri polymerizácii, špeciálnej a poľnohospodárskej chémii, alebo pri výrobe elektrotechnických materiálov. Aj v 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 vo dynamických procesoch. 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 pozostáva v 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 zahrňujú určenie optimálneho riadenia vsádzkových procesov, odhad kinetických parametrov chemických reakcií založených na experimentálnych údajoch, určenie optimálneho prechodu medzi dvomi režimami operácie, bezpečnostná analýza procesov, prediktívne riadenie, atď.

Kooperácia LSGC (ENSIC-INPL, Nancy) and STU v Bratislave začala pred viacerými rokmi, keď niektorí slovenskí výskumníci boli na pobytoch v Nancy v rámci programov európskej únie (TEMPUS), post-doktorandských programov (CNRS, Elf Aquitaine), alebo programov francúzskej vlády pre zahraničných výskumníkov (Ministère de la Recherche, Région de Lorraine). V súčasnosti sú výsledkom kooperácie ERASMUS SOCRATES mobility študentov inžinierského štúdia na na oddelení automatizácie a riadenia procesov FCHPT STU. V roku 2008 to už bude 3. diplomová práca vypracovaná na ENSIC.

Na základe týchto kooperácií boli vyvinuté metódy a algoritmy dynamickej optimalizácie pre petrochemické procesy, destilačné kolóny, čističky odpadových vôd. Začal sa vývoj softvéru pre dynamickú optimalizáciu DYNO. Tento softvér je v súčasnosti využívaný 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 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 lokálneho charakteru. Nedosiahnutie skutočného optima môže mať ďalekosiahle dôsledky pre ekonomiku podniku, životné prostredie, bezpečnosť, atď. a ukazuje zreteľne dôležitosť vývoja globálnych metód optimalizácie.
2. Ďalej vyvíjať softvéry DYNO, DYNOPT, najmä zahrnúť do nich metódy globálnej optimalizácie, a rozšíriť ich použiteľnosť aj na iné oblasti (biotechnológie, strojárenstvo, ...)

Viď tiež: http://www.bulletins-electroniques.com.