Dinamikus modellek felállítása mérnöki alapelvek segítségével

Átírás

1 IgyR - 3/1 p. 1/20 Integrált Gyártórendszerek - MSc Dinamikus modellek felállítása mérnöki alapelvek segítségével Hangos Katalin PE Villamosmérnöki és Információs Rendszerek Tanszék

2 IgyR - 3/1 p. 2/20 Tartalom 1. A modellezési feladat 2. A megmaradás elve termodinamikai alapok jelenségek, mechanizmusok 3. Kiegészítő egyenletek kitűzése és jellemzői 4. A modellezési eljárás és lépései modellezési cél szisztematikus modell építési eljárás a modell összetevői 5. A modell álapottér alakja állapotváltozók, potenciális bemenetek és kimenetek

3 IgyR - 3/1 p. 3/20 Az Általános modellezési feladat adott: modellezendő rendszer, modellezési cél meghatározandó: matematikai modell, amely leírja a rendszer viselkedését az adott célra

4 IgyR - 3/1 p. 4/20 A modellezési cél Feladatleírás: a rendszer és a modellezése cél együttese ezési cél fajtái dinamikus és statikus (állandósult állapotbeli) szimuláció tervezés folyamatirányítás (predikció, értéktartó szabályozás, identifikáció, diagnosztika) meghatározza a modell értelmezési tartományát modellezési cél befolyásolja: milyen jelenségeket vegyünk figyelembe modell matematikai formáját modell pontosságát (jellemző változókra nézve)

5 IgyR - 3/1 p. 5/20 7 lépéses modellezési eljárás Probléma definiálása 1 Probléma definiálása formális leírás a rendszer körülhatárolása modellezési cél meghatározása folyamatábra elkészítése (berendezések, változók) 2 Mechanizmusok meghatározása leírandó jelenségek összegyűjtése (pl. áramlás, átadás, reakció, párolgás) 3 Adatok összegyűjtése és értékelése állandók táblázatokból (pontosság!) berendezés és működés jellemzői mért adatok (előkísérletek) Mechanizmusok meghatározása Adatok összegyujtése és értékelése elkészítése megoldása megoldásának ellenorzése érvényességének ellenorzése

6 IgyR - 3/1 p. 6/20 7 lépéses modellezési eljárás Probléma definiálása 4 elkészítése mérlegelési térfogatok meghatározása modellezési feltételezések megfogalmazása modell egyenletek felírása (mérlegegyenletek, kiegészítő egyenletek) kezdeti- és peremfeltételek megadása 5 megoldása megoldó eljárás készítése vagy testreszabása a megoldás hihetőségének és pontosságának ellenőrzése Mechanizmusok meghatározása Adatok összegyujtése és értékelése elkészítése megoldása megoldásának ellenorzése érvényességének ellenorzése

7 IgyR - 3/1 p. 7/20 7 lépéses modellezési eljárás Probléma definiálása 6 megoldásának ellenőrzése kvalitatív viselkedés ellenőrzése mérnöki intuíció alapján dinamikus tulajdonságok (pl. stabilitás) meglétének ellenőrzése 7 érvényességének ellenőrzése modell kalibráció bizonytalan/ismeretlen paraméterek meghatározása paraméterbecsléssel modell validáció matematikai modell és a valós rendszer (mérés) pontos statisztikai összehasonlítása Mechanizmusok meghatározása Adatok összegyujtése és értékelése elkészítése megoldása megoldásának ellenorzése érvényességének ellenorzése

8 IgyR - 3/1 p. 8/20 Mechanizmusok - jelenségek P C R G A leggyakrabban előforduló mechanizmusok folyamatrendszereknél - a leíró tárgy áramlások (konvekció, diffúzió) - áramlástan hűtés/fűtés (hőátadás/energiaátadás) - hő- és áramlástan kémiai reakció - reakciókinetika fázisátalakulások (párolgás, forrás, olvadás,...) - termodinamika elegyedés/szétválasztás (desztilláció, oldódás, kristályosítás,...) - termodinamika (hősugárzás, bioreakció, adszorpció, abszorpció,...)

9 IgyR - 3/1 p. 9/20 A megmaradási egyenletek - 1 P C R G Mérlegelési térfogatok: ezekre irunk fel dinamikus mérlegegyenleteket általában állandó térfogat tökéletesen kevert (koncentrált paraméterű, közönséges differenciálegyenlet alakú mérleg) Megmaradó (extenzív) mennyiségek: összes tömeg energia (entalpia, belső energia) komponens tömeg, (impulzus) Dinamikus mérlegegyenlet általános alak: megmaradó mennyiségre { idobeli valtozas } = { } { bearamlas kiaramlas } + { forras nyelo }

10 IgyR - 3/1 p. 10/20 Intenzív mennyiségek P C R G Rendszer-egyesítéskor kiegyenlítődnek potenciál (hajtóerő) típusú mennyiségek áramlások és átadások hajtóerői (leggyakrabban lineáris közelítés "kereszthatás" nélkül) mérhetőek extenzív - intenzív párok összes tömeg m - nyomás p energia U - hőmérséklet T komponens tömeg m X - koncentráció c X (kémiai potenciál) Extenzív - intenzív mennyiségek közötti összefüggések U = c P mt (c P fajhő) m X = m ρ c X (ρ sűrűség )

11 IgyR - 3/1 p. 11/20 A megmaradási egyenletek - 2 P C R G Összes tömegre felírt dinamikus mérlegegyenlet nincs forrás/nyelő az összes tömeg m mérhető (pl. szintmérés) tökéletesen kevert esetben a be- (v B ) és kiáramlások (v K ) tömegáramok [kg/s] Példa: dm dt = v B v K

12 IgyR - 3/1 p. 12/20 A megmaradási egyenletek - 3 P C R G Energiára felírt dinamikus mérlegegyenlet nincs forrás/nyelő: kulső (pl. elektromos) fűtés-hűtés vagy hőátadás Q ([J/s]) tökéletesen kevert esetben a be- (c pb v B T B ) és kiáramlások (c P v K T ) energiaáramok [J/s] az energia U közvetlenül nem mérhető, helyette a hőmérsékletet használjuk az egyenletben => intenzív alakra hozás Példa: du dt = c pbv B T B c P v K T Q

13 IgyR - 3/1 p. 13/20 Kiegészítő egyenletek P C R G A modell teljes matematikai leírásához szükséges további összefüggések általában algebrai egyenletek fő típusai: extenzív-intenzív összefüggések átadást leíró egyenletek reakciókinetikát leíró egyenletek termodinamikai relációk mérlegelési térfogatokra vonatkozó összefüggések berendezésre és szabályozóra vonatkozó összefüggések

14 IgyR - 3/1 p. 14/20 ezési feltételezések P C R G A modellezési eljárás során fokozatosan kell összegyűjteni a listát Leggyakoribb modellezési feltételezések: rendszer időbeli viselkedésére vonatkozó feltételezések (pl. dinamikus, állandósult állapotú) mérlegelési térfogatokra vonatkozó feltételezések (pl. csak folyadék fázis, gáz és folyadék fázis) térbeli eloszlásra vonatkozó feltételezések (pl. tökéletesen kevert/koncentrált paraméterű) jelenségekre vonatkozó feltételezések (pl. nincs párolgás, van hőátadás) elhanyagolható hatásokkal kapcsolatos feltételezések (pl. sűrűség csak T -tőol függ, c P állandó) állapotok kívánt tartományai, pontosságuk (pl. T 20 és 30 o C közötti

15 IgyR - 3/1 p. 15/20 A modell összetevői P C R G Rendszer leírása (folyamatábra, változók) ezési cél Mechanizmusok ezési feltételezések Adatok (adat, mértékegység, lelőhely, pontosság) Mérlegelési térfogatok (folymatábrán jelölve) egyenletek (megmaradási egyenletek, kiegészítő egyenletek, kezdeti- és peremfeltételek) változók, paraméterek

16 IgyR - 3/1 p. 16/20 Állapottér modell alak P C R G (S) rendszer: jeleken végez muveletet y = S[u] bemenetek (u) és kimenetek (y); állapotok (x) SYSTEM u(t) inputs S states x(t) y(t) outputs A fizikai alapú modell jelei állapotok (x): megmaradó mennyiségek (vagy intenzív párjuk) bemenetek (u): diffegyenletek jobboldalán, befolyásolható (mérhető) kimenetek (y): mérhető, közvetlenül nem befolyásolható (állapotváltozó, vagy attól függ)

17 IgyR - 3/1 p. 17/20 Példa: szabad kifolyású tartály P C R G A feladat Adott egy állandó keresztmetszetű tartály, amelyben tiszta vizet tárolunk. A vizet a csapból egy beömlő szeleppel ellátott nyíláson át ereszthetjük bele, a fogyasztáskor szükséges vizet egy kiömlő szelep segitségével ereszthetjük ki, a kiömlés sebessége a tartálybeli vízszint függvénye. v B k B h k K v K Készítsük el a rendszer diagnosztikai célú modelljét, ha a vizszintet és a kapcsolók állapotát mérni tudjuk!

18 IgyR - 3/1 p. 18/20 Példa: szabad kifolyású tartály v B k B Mechanizmusok be- és kiáramlás h k K v K szabad kifolyás (hidrosztatikus nyomás által) ezési feltételezések F1 tökéletesen kevert F2 csak víz (csak összes tömeg mérleg) F3 szabad kifolyás F4 állandó keresztmetszet A F5 sűrűség (ρ) állandó

19 IgyR - 3/1 p. 19/20 Példa: szabad kifolyású tartály v B k B Mérlegegyenletek: összes tömeg mérleg h k K dm dt = v b v k (1) v K Kiegészítő egyenletek m = A h ρ (a h vizszint mérhető) v B = vb k B (a k B kapcsoló állás mérhető) v K = K h k K (szabad kifolyás, a k K kapcsoló állás mérhető)

20 IgyR - 3/1 p. 20/20 Példa: szabad kifolyású tartály v B k B egyenlet mérhető változókkal: h k K dh dt = v b Aρ k b K Aρ h k K (2) v K Állapottér alak állapotváltozó: h vízszint bemenetek: k B és k K kapcsoló állások kimenet: h vízszint