Інформаційна технологія управління виробництвом мінеральних добрив
| dc.contributor.advisor | Корнієнко, Богдан Ярославович | |
| dc.contributor.author | Нестерук, Андрій Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2025-05-13T13:17:49Z | |
| dc.date.available | 2025-05-13T13:17:49Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Нестерук А.О. Інформаційна технологія управління виробництвом мінеральних добрив. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 126 «Інформаційні системи і технології» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Дисертаційна робота присвячена створенню теоретичних та прикладних результатів з розробки інформаційної технології управління виробництвом мінеральних добрив з урахуванням вимог зменшення енерговитрат та забезпечення заданої якості готового продукту. Пріоритетом інформаційної технології є забезпечення зменшення енерговитрат для досягнення заданої якості кінцевого продукту. Значна увага приділяється системі управління процесом гранулювання у псевдозрідженому шарі, дослідженню створення та управління хаосу для підвищення інтенсивності тепло- та масообміну. Аналіз результатів існуючих досліджень в галузі управління виробництвом мінеральних добрив свідчить про відсутність на даний час комплексного підходу, який враховував би специфіку управління технологічними процесами виробництва мінеральних добрив. Тому існує нагальна потреба в подальшому дослідженні математичних моделей та систем управління виробництвом мінеральних добрив у грануляторі з псевдозрідженим шаром з метою їх удосконалення. А розробка інформаційної технології управління виробництвом мінеральних добрив є надзвичайно актуальною на сьогоднішній день. Таким чином, усе це і зумовило необхідність вирішення актуальної науково-технічної задачі підвищення ефективності виробництва мінеральних добрив, шляхом побудови математичних моделей та систем управління виробництвом мінеральних добрив з урахуванням вимог зменшення енерговитрат та забезпечення заданої якості готового продукту. У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та основні завдання дослідження, наведено відомості щодо зв’язку роботи з наукою темою. Подано анотацію отриманих в дисертації результатів, висвітлено їх наукову новизну і практичну значимість, відзначено особистий внесок здобувача у спільних публікаціях, наведено кількісні показники стосовно опублікованих наукових праць, структури та обсягу дисертації. У першому розділі проведено дослідження розвитку математичних моделей та систем управління процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі, що показує відсутність розгляду ряду особливостей процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі в комплексі. Проведено аналіз підходів до математичного моделювання процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі. Визначено параметри, що мають найбільший вплив на поведінку технологічного процесу. Існуючі математичні моделі не враховують розсіювання енергії при зіткненні та передачу кінетичної енергії від твердої фази до рідкої. Також в даних моделях недостатньо врахована хаотичність процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі. Основним інструментом для підвищення ефективності процесу виробництва мінеральних добрив є вибір системи управління. Узагальнено основні існуючі підходи до побудови системи управління процесом гранулювання у псевдозрідженому шарі. Розглянуті основні методи забезпечення функціональної безпеки на хімічних підприємствах, що є важливою складовою інформаційної технології управління виробництвом мінеральних добрив. Результатом огляду результатів досліджень та літературних джерел стали сформульовані задачі, які необхідно виконати для створення ефективної інформаційної технології управління виробництвом мінеральних добрив. Другий розділ присвячений створенню трьохфазної математичної моделі процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі та математичної моделі гранулометричного складу. Розроблено трьохфазну математичну модель процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі, яка враховує гідродинаміку псевдозрідженого шару, передачу кінетичної енергії, розсіювання енергії, стиснення крапель з частинками, їх адгезію до поверхні, кінетику висихання розчину на поверхні частинок, розсіювання енергії при зіткненні та передача кінетичної енергії від твердої фази до рідкої. Дана математична модель може використовуватися для розробки систем управління процесом гранулювання у псевдозрідженому шарі. За допомогою реалізації створеної моделі в програмному пакеті MATLAB одержано перехідні характеристики температури процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі. Розроблено математичну модель гранулометричного складу для процесу виробництва гранульованих мінеральних добрив, яка враховує, що умови для росту частинок виконуються лише в зоні холодного змочування під соплом, в зоні змочування температура підвищується від центру до боків, в ізотермічній зоні температура повітря рівномірна, в зоні теплообміну температура гарячого повітря різко падає, зростання частинок визначатиметься розміром змочувальної активної зони та швидкістю перенесення частинок до цієї частини псевдозрідженого шару, в зоні змочування відбувається агломерація. Дана математична модель дозволяє одержати розподіл гранул за розміром в двох реакторах, що дає змогу оцінити якість кінцевого продукту. В третьому розділі виконано дослідження хаосу в процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі та створена система управління хаосом процесу виробництва мінеральних добрив у грануляторі з псевдозрідженим шаром, що дозволяє збільшити хаотичність процесу грануляції у псевдозрідженому шарі для підвищення інтенсивності тепло- та масообміну. Реалізовані системи управління з МРС, PID, LQR та Fuzzy Logicрегуляторами на основі трьохфазної математичної моделі процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі. Також створена система управління з МРС-регулятором на основі математичної моделі гранулометричного складу, яка прискорює утворення гранул заданого розміру під час процесу гранулювання у псевдозрідженму шарі. Четвертий розділ починається зі створення системи захисту критичних ресурсів виробництва мінеральних добрив з розділенням виробництва на зони, від відділеної зони з доступом через демілітаризовану зону до обмеженої зони для найкритичніших ресурсів. Система захисту критичних ресурсів виробництва мінеральних добрив забезпечує контрольований доступ і мінімізує можливість загроз для критичних ресурсів. Запропонована математична модель протидії загрозам у системі захисту критичних ресурсів, завдяки якій можна розрахувати імовірності знаходження в одному з шести станів: стан спокою; надійшла загроза 1, але не реалізована; надійшла загроза 2, але не реалізована; загроза 1 реалізована; загроза 2 реалізована; загроза відбита. Розроблено інформаційну технологію управління виробництвом мінеральних добрив, основними компонентами якої є наступні технічні, програмні та організаційно-методичні засоби: математичні моделі процесу виробництва мінеральних добрив, системи управління виробництвом мінеральних добрив, система захисту критичних ресурсів виробництва мінеральних добрив та математична модель протидії загрозам у системі захисту критичних ресурсів. Використання інформаційної технології виробництва мінеральних добрив дозволило знизити енерговитрати на 7% за рахунок розробки системи управління хаосом, що збільшила інтенсивність тепло- та масообміну у псевдозрідженому шарі. Розроблено методику використання інформаційної технології управління виробництвом мінеральних добрив. У висновках подані основні результати дисертаційного дослідження, що відображають результати виконання завдань, що поставлені для формування інформаційної технології управління виробництвом мінеральних добрив. Наукова новизна отриманих результатів На підставі теоретичних і практичних досліджень, виконаних у дисертаційній роботі: вперше - розроблено трьохфазну математичну модель процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі з урахуванням гідродинаміки псевдозрідженого шару, передачі кінетичної енергії, розсіювання енергії, стискання крапель з частинками, їх адгезії до поверхні, кінетики сушіння розчину на поверхні частинок, розсіювання енергії при зіткненні та передача кінетичної енергії від твердої фази до рідкої для перевірки наявності детермінованого хаосу; - розроблено систему управління хаосом процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі з визначенням часу прогнозування для забезпечення ефективного тепло- та масообміну; отримала подальший розвиток - математична модель гранулометричного складу, яка враховує умови для росту частинок, підвищення температури від центру до боків в зоні змочування, рівномірність температури теплоносія в ізотермічній зоні, різке падіння температура теплоносія у зоні теплообміну, агломерацію частинок; удосконалено - математичну модель протидії загрозам у системі захисту критичних ресурсів, яка враховує можливість надходження до системи двох загроз для налаштування системи захисту критичних ресурсів виробництва мінеральних добрив; - інформаційну технологію управління виробництвом мінеральних добрив, основними компонентами якої є наступні засоби: математичні моделі процесу виробництва мінеральних добрив, системи управління виробництвом мінеральних добрив, система захисту критичних ресурсів виробництва мінеральних добрив, математична модель протидії загрозам у системі захисту критичних ресурсів. Практичне значення отриманих результатів Розроблені в дисертаційній роботі математичні моделі та системи управління стали основою для створення інформаційної технології управління виробництвом мінеральних добрив, що забезпечує зниження енерговитрат за рахунок розробки системи управління хаосом, що збільшила інтенсивність тепло- та масообміну у псевдозрідженому шарі. Практично вагомими вважаються такі результати: - трьохфазна математична модель процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі; - система управління хаосом процесу виробництва мінеральних добрив у грануляторі з псевдозрідженим шаром; - інформаційна технологія управління виробництвом мінеральних добрив. Результати дисертаційної роботи апробовано і використано у таких організаціях та установах: - у навчальному процесі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» під час викладання дисциплін «Програмування. Частина 2. Структура даних та алгоритми», «Алгоритми та математичні методи захисту інформації»; - результати виконання держбюджетної науково-дослідної роботи «Інформаційна технологія захисту критичних ресурсів» (№ 0121U110809) у навчальному процесі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» під час викладання дисциплін «Проектування інформаційних систем», «Управління проєктами»; - у Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України для впровадження в інформаційно-аналітичну систему «АГРОТЕП». Дані про впровадження підтверджено відповідними документами. | |
| dc.description.abstractother | Nesteruk A.O. information technology for managing the production of mineral fertilizers. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. The dissertation on competition of a scientific degree of the Doctor of Philosophy on a specialty 126 "Information systems and technologies" – National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2025. The dissertation is dedicated to developing theoretical and applied results for the creation of an information technology for managing the production of mineral fertilizers, considering the requirements for reducing energy consumption and ensuring the specified quality of the final product. The priority of the information technology lies in reducing energy consumption while achieving the desired quality of the end product. Significant attention is given to the control system of the granulation process in a fluidized bed, as well as to the study of chaos creation and management to enhance the intensity of heat and mass transfer processes. An analysis of existing research results on the state of critical resource protection in mineral fertilizer production indicates the current absence of a comprehensive approach that would take into account the specificities of managing technological processes in mineral fertilizer production. Therefore, there is an urgent need for further research on mathematical models and control systems for mineral fertilizer production in a fluidized bed granulator to improve their efficiency. The development of information technology for managing mineral fertilizer production is particularly relevant today. Thus, all these factors have determined the necessity of addressing a pressing scientific and technical problem: enhancing the efficiency of mineral fertilizer production through the development of mathematical models, a control system, and the creation and implementation of new information technology. The introduction substantiates the relevance of the dissertation, formulates the objectives and main tasks of the research, and provides information on the connection of the work with the scientific theme. It includes an annotation of the results obtained in the dissertation, highlights their scientific novelty and practical significance, emphasizes the author's personal contribution to joint publications, and presents quantitative indicators regarding published scientific works, as well as the structure and volume of the dissertation. The first chapter examines the development of mathematical models and control systems for the granulation process in a fluidized bed, revealing the absence of a comprehensive consideration of several specific features of the granulation process in a fluidized bed. An analysis of approaches to the mathematical modeling of the granulation process in a fluidized bed is conducted. The parameters that have the greatest impact on the behavior of the technological process are identified. Existing mathematical models do not account for energy dissipation during collisions and the transfer of kinetic energy from the solid phase to the liquid phase. Additionally, these models insufficiently consider the chaotic nature of the granulation process in a fluidized bed. The primary tool for improving the efficiency of the mineral fertilizer production process is the choice of a control system. The main existing approaches to designing a control system for the granulation process in a fluidized bed are summarized. Key methods for ensuring functional safety at chemical enterprises, which are an important component of the information technology for managing mineral fertilizer production, are reviewed. The result of the review of research findings and literary sources is the formulation of tasks necessary for creating an effective information technology for managing mineral fertilizer production. The second chapter is devoted to the creation of a three-phase mathematical model of the granulation process in a fluidized bed and a mathematical model of granulometric composition. A three-phase mathematical model of the granulation process in a fluidized bed has been developed, which takes into account the hydrodynamics of the fluidized bed, the transfer of kinetic energy, energy dissipation, compression of droplets with particles, their adhesion to the surface, the kinetics of solution drying on the surface of the particles, energy dissipation during collisions, and the transfer of kinetic energy from the solid phase to the liquid phase. This mathematical model can be used to design control systems for the granulation process in a fluidized bed. By implementing the developed model in the MATLAB software package, transient characteristics of the temperature in the granulation process in a fluidized bed have been obtained. A mathematical model of granulometric composition for the production process of granular mineral fertilizers has also been developed. This model accounts for the fact that particle growth conditions are met only in the cold wetting zone under the nozzle, where the temperature increases from the center to the sides. In the isothermal zone, the air temperature is uniform, while in the heat exchange zone, the temperature of the hot air drops sharply. Particle growth is determined by the size of the active wetting zone and the rate of particle transfer to this part of the fluidized bed, with agglomeration occurring in the wetting zone. This mathematical model allows the determination of the granule size distribution in two reactors, enabling the assessment of the final product quality. The third chapter focuses on the study of chaos in the granulation process within a fluidized bed and the creation of a chaos control system for the production of mineral fertilizers in a fluidized bed granulator. This system increases the chaotic behavior of the system to enhance the intensity of heat and mass transfer. Control systems based on MPC, PID, LQR, and Fuzzy Logic regulators have been implemented using the three-phase mathematical model of the granulation process in a fluidized bed. Additionally, a control system with an MPC regulator has been developed based on the granulometric composition mathematical model. This system accelerates the formation of granules of the specified size during the granulation process in the fluidized bed. The fourth chapter begins with the development of a protection system for critical resources in mineral fertilizer production, which divides the production process into zones: from a segregated zone with access through a demilitarized zone to a restricted zone for the most critical resources. The system ensures controlled access and minimizes potential threats to critical resources. A mathematical model for countering threats within the critical resource protection system has been proposed. This model allows calculating the probabilities of the system being in one of six states: a state of calm; threat 1 received but not realized; threat 2 received but not realized; threat 1 realized; threat 2 realized; threat neutralized. An information technology system for managing mineral fertilizer production has been developed. Its main components include the following technical, software, and organizational-methodological tools: mathematical models of the mineral fertilizer production process, production management systems, a protection system for critical resources, and a mathematical model for countering threats in the critical resource protection system. The application of this information technology in mineral fertilizer production has resulted in a 7% reduction in energy consumption due to the development of a chaos management system, which increased the intensity of heat and mass transfer in the fluidized bed. A methodology for applying the information technology system to manage mineral fertilizer production has also been developed. The conclusions summarize the main results of the dissertation research, reflecting the achievement of the tasks set for the creation of the information technology system for managing mineral fertilizer production. Scientific novelty of the obtained results Based on the theoretical and practical research conducted in the dissertation: for the first time - a three-phase mathematical model of the granulation process in a fluidized bed was developed, taking into account the hydrodynamics of the fluidized bed, transfer of kinetic energy, energy dissipation, compression of droplets with particles, their adhesion to the surface, kinetics of drying of the solution on the surface of particles, dissipation of energy during collision and transfer of kinetic energy from the solid phase to liquid to check the presence of deterministic chaos; - a chaos control system for the granulation process in a fluidized bed with prediction time determination to ensure effective heat and mass exchange was developed; received further developed - the mathematical model of granulometric composition, which now accounts for the conditions for particle growth, temperature increase from the center to the edges in the wetting zone, uniformity of the heat carrier temperature in the isothermal zone, a sharp drop in heat carrier temperature in the heat exchange zone, and particle agglomeration; improved - a mathematical model of countermeasures against threats in the system of protection of critical resources, which takes into account the possibility of two threats entering the system for setting up the system of protection of critical resources of mineral fertilizer production; - information technology of mineral fertilizer production management, the main components of which are the following tools: mathematical models of the mineral fertilizer production process, mineral fertilizer production management systems, a system for protecting critical resources of mineral fertilizer production, a mathematical model for countering threats in the critical resource protection system. The practical significance of the results The mathematical models and management systems developed in this dissertation formed the foundation for creating an information technology system for managing mineral fertilizer production. This system ensures reduced energy consumption by implementing a chaos management system that increases the intensity of heat and mass transfer in the fluidized bed. The following results are considered practically significant: - a three-phase mathematical model of the granulation process in a fluidized bed; - a chaos management system for the mineral fertilizer production process in a fluidized bed granulator; - an information technology system for managing mineral fertilizer production. The results of the dissertation were tested and utilized in the following organizations and institutions: - in the educational process of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" during the teaching of courses such as "Programming. Part 2. Data Structures and Algorithms" and "Algorithms and Mathematical Methods of Information Security"; - as part of the state-funded research project "Information Technology for Critical Resource Protection" (No. 0121U110809) in the educational process at the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" during the teaching of courses such as "Information System Design" and "Project Management"; - at the V.M. Glushkov Institute of Cybernetics of the National Academy of Sciences of Ukraine for integration into the "AGROTEP" information-analytical system. The implementation of these results has been confirmed by relevant documentation. | |
| dc.format.extent | 173 с. | |
| dc.identifier.citation | Нестерук, А. О. Інформаційна технологія управління виробництвом мінеральних добрив : дис. … д-ра філософії : 126 Інформаційні системи та технології / Нестерук Андрій Олександрович. – Київ, 2025. – 173 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/73799 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | інформаційна технологія | |
| dc.subject | математична модель | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | модель | |
| dc.subject | система управління | |
| dc.subject | оптимальне керування | |
| dc.subject | система | |
| dc.subject | керування | |
| dc.subject | регулятори | |
| dc.subject | маніпулятори | |
| dc.subject | мультиплікація сили | |
| dc.subject | багатокритеріальність | |
| dc.subject | система захисту інформації | |
| dc.subject | захист інформації | |
| dc.subject | параметри | |
| dc.subject | information technology | |
| dc.subject | mathematical model | |
| dc.subject | modeling | |
| dc.subject | model | |
| dc.subject | control system | |
| dc.subject | optimal control | |
| dc.subject | system | |
| dc.subject | control | |
| dc.subject | regulators | |
| dc.subject | manipulators | |
| dc.subject | force multiplication | |
| dc.subject | multicriteria | |
| dc.subject | information protection system | |
| dc.subject | information protection | |
| dc.subject | parameters | |
| dc.subject.udc | 004.94:661.152.012(043.3) | |
| dc.title | Інформаційна технологія управління виробництвом мінеральних добрив | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: