Автоматизированные системы научных исследований и управления научным экспериментом: структура, функции, методы реализации, примеры реали

Рис. 1. Обобщенная структура автоматизированной системы научных исследований: АСИС, АСМ, АС'ЭИ-автоматизированной системы соответствующих исследовательских стендов, моделирования гипотетических систем и управления экспериментальными исследованиями; КМ-константы моделей (оценки); СИ-сигналы измерения; СМ-структуры моделей; СУ-сигналы управления.

2. В подсистеме управления экспериментами (АСУЭ) автоматизируются: качественный и численный анализ априорных мат. моделей для конструирования исследовательских стендов, включая анализ для выбора типа объектов экспериментальных изысканий, методик измерения и управления ими; выявление наиболее информационных опытов для данной модели или нескольких ее вариантов (планирование экспериментов); определение статистических оценок констант моделей сравнением вычисленных по модели значений отклика "объекта на контролируемые возмущения с измеренными значениями по заданным критериям оценки (обратные задачи моделирования).

3. В подсистеме моделирования гипотетических систем (АСМ) автоматизируются: синтез вариантов математических моделей гипотетических систем и расчеты отклика моделей (прямые задачи моделирования) на основе априорной информации об элементах синтезируемой системы на первых этапах исследований и скорректированных моделей по экспериментальным данным; оптимизация характеристик синтезируемых гипотетических систем и сравнение их с заданными целями изысканий; анализ оценок гипотетических систем для уточнения познавательных задач, решаемых в подсистеме экспериментальных исследований (АСЭИ), образуемой сочетанием подсистем АСИС и АСУЭ; анализ чувствительности оценок гипотетических систем к параметрам элементов моделей для определения направления поиска более эффективных элементов. При объединении подсистем АСЭИ и АСМ образуется АСНИ.

Главный принцип создания техн. и программных ср-в АСНИ-модульное построение систем с обеспечением сопряжения пользователем отдельных модулей в систему без спец. дополнит. разработок (стандартизация интерфейсов, создание унифицированных магистралей для подключения цифровых приборов в систему). Важнейшее условие эффективного функционирования АСНИ-обеспечение возможности для исследователя активно контролировать все выполняемые АСНИ процедуры и управлять ими. Для этого создаются системы программ, обеспечивающие исследователям связь АСНИ через дисплеи в режиме диалога на языке в терминах химиков-экспериментаторов без знаний спец. вопросов программирования. В результате комплексной автоматизации ряда процедур в АСНИ сроки исследований сокращаются в 3-5 раз, а точность данных повышается в 2-3 раза. Широкое использование физ. методов измерений позволяет на основе изучения динамики процессов получать в АСНИ качественно новую информацию для более глубокого понимания различных механизмов процесса и выбора оптимальных инженерных решений.

С целью исследований на молекулярном уровне создаются АСНИ для выявления структуры и расположения атомов в молекулахполученных соединений. В ЭВМ синтезируются модели гипотетических молекул и на базе квантово-химических представлений рассчитываются спектры этих молекул. Сравнением вычисленных и измеренных спектров подбираются самые вероятные структуры молекул. Из выбранных структур более точными расчетами и дополнительными исследованиями уточняется пространственное расположение атомов вмолекуле.

Для изучения химико-технологических  процессов создаются АСНИ, специализированные на задачах анализа кинетики каталитических химических реакций. Элементы исследуемого объекта - реакционноспособные фрагменты молекул и активные центры катализатора; основная задача-выбор эффективных каталитической системы и режима работы катализатора. Для решения этой задачи синтезируются варианты гипотетических маршрутов химических реакций, по которым в ЭВМ автоматически составляются системы дифференциальных уравнений, представляющих собой математической модели кинетики реакций. Число вариантов моделей ограничивается по результатам предварительных экспериментов. На основе анализа входных и выходных расходов и концентраций потоков, температур и давлений в исследуемых реакторах (в контролируемых условиях тепло- и массообмена внутри реакционного слоя) оцениваются константы скоростей и энергии активации в уравнениях кинетики. Анализ особенностей кинетических уравнений дает возможность планировать последующие эксперименты для сокращения числа гипотез и выбора оптимальных условий использования каталитической системы. Выявление лимитирующих стадий процесса позволяет найти направление совершенствования катализатора. Принципиальное улучшение исследований данного класса стало возможным на базе изучения кинетики химических реакций в динамических режимах и благодаря слежению физ. методами (ЭПР, диэлькометрия и др.) за состоянием активных центров катализатора в ходе реакций.

С целью исследований тепло- и массообмена в технол. аппаратах созданы АСНИ для изучения аэродинамики и гидродинамики потоков. Важнейшая задача-выбор конструктивного оформления аппаратов, обеспечивающего оптимальную организацию потоков вещества и тепла. Поведение системы прогнозируется на основе решения уравнений аэродинамики гидродинамики (в частных производных). На отдельных этапах исследований используются модельные идеализированные представления гидродинамики (модели идеального вытеснения и смешения, многофазные циркуляционные модели), для которых из эксперимента определяются статистические оценки коэффициента диффузии, межфазного обмена и др. Принципиальное улучшение исследований достигнуто в результате одновременного измерения локальных характеристик потоков (полей скоростей, давлений, концентраций специально вводимых веществ).

Для решения задач на уровне отдельных  видов оборудования созданы АСНИ, в которых элементы системы представлены в виде математических моделей элементов того или иного аппарата (слой катализатора, теплообменник, распределит, устройство и др.). Одна из главных задач - изучение и прогнозирование поведения катализаторов в промышленных условиях. В таких АСНИ общий объем экспериментов значительно сокращается за счет поиска оптимальных решений на моделях гипотетических аппаратов, а стоимость опытных установок в результате уменьшения масштабов изучаемых фрагментов аппаратуры; при этом используются данные из АСНИ аэро- и гидродинамики и АСНИ кинетики химических реакций.

На уровне исследования химико-технологических схем элементами изучаемой системы служат аппараты (реакторы, абсорберы и др.), связанные потоками вещества и энергии в единый комплекс. Главная задача - обнаружение коллективных эффектов, возникающих в химико-технологической системе и не проявляющихся при раздельном анализе ее элементов. К таким эффектам относится, напр., накопление в циркуляционных контурах микропримесей, отравляющих катализатор или вызывающих полимеризацию полупродуктов с осаждением веществ на конструктивных элементах аппаратов и др. Повышение чувствительности и применение наиболее универсальных аналитических приборов (напр., хромато-масс-спектрометров) позволяет обнаруживать в АСНИ коллективные эффекты в исследоват. стендах лабораторных масштабов и существенно сокращать затраты средств и времени на строительство экспериментальных установок. Одновременно применение в АСНИ на уровне химико-технологических схем математических моделей аппаратов, полученных в АСНИ др. уровней, дает возможность сокращать время на опыты за счет изучения и выбора на моделях оптимальных режимов и экспериментов до начала опытных работ и оперативной коррекции хода исследований.

Дальнейшее развитие АСНИ в химии и хим. технологии связано с организацией отдельных систем в единую иерархическую отраслевую систему, которая позволила бы специалистам различного профиля оперативно обмениваться информацией (коллективный интеллект) для максимального сокращения затрат средств и времени на реализацию в промышленности результатов научных исследований.

Заключение

В данной работе рассмотрена  тема «Автоматизированные системы  научных исследований и управления научным экспериментом».

В ходе выполнения работы были рассмотрены цели создания АСНИ, определение, структура, функции, основные принципы создания АСНИ, реализация автоматизированных систем научных исследований и управления научным экспериментом в химии и химической технологии.

Границы АСНИ определить трудно, нередко в ее рамках решаются частные  задачи, присущие другим разновидностям автоматизированных систем: АСУ ТП, САПР, ГИС, CАЕи др. В любом случае, основной задачей АСНИ является получение новых знаний об исследуемом процессе, объекте или явлении.

Список используемой литературы

1. Египко В. М., Организация и проектирование систем автоматизации научно-технических экспериментов, К., 1978;

2. Аронина С. Е., Штраль И. Я., Автоматизация химико-технологических исследований, М., 1979;

3. Тимошенко В. И. [и др.], "Хим. пром-сть", 1979, №3, с. 44(172)-48(176); Химическая промышленность. Сер. Автоматизация химических производств, 1980, в. 1;

4. Френкель Б. А., Автоматизация экспериментальных установок, М., 1980;

5. Эляшберг М. Е., Грибов Л. А., Серов В. В., Молекулярный спектральный анализ и ЭВМ, М., 1980;

6. Автоматизация исследований состава, структуры и свойств веществ на основе ЭВМ. Обзорная информация, в. 4, М., 1981. М. Г. Слипъко, Ю. М. Лужков, И. Я. Штраль.

7. http://pmi.ulstu.ru/new_project/new/1.html

8. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/18.html