MATLAB/SIMULINK. w programie. dla studentów wydziału chemicznego. Wydział Chemiczny Politechniki Łódzkiej 11 kwiecień 12 czerwiec 2017

Transkrypt

1 w programie MATLAB/SIMULINK dla studentów wydziału chemicznego Wydział Chemiczny Politechniki Łódzkiej 11 kwiecień 12 czerwiec 2017 Zapisy w dziekanacie do dnia 10 kwietnia Liczba miejsc ograniczona Prowadzący : Stanisław Sypniewski Przemysław Trzeciak Kurs realizowany z wykorzystaniem infrastruktury projektu PLATON w Centrum Komputerowym Politechnik Łódzkiej

2 Cel i zakres Celem warsztatów jest nauka wykorzystania programu MATLAB jako narzędzia programistycznego do rozwiązywania ważnej klasy zagadnień w technologii chemicznej związanych z modelowaniem i symulacją procesów. MATLAB jest uniwersalnym programem przeznaczonym do wykonywania wydajnych obliczeń numerycznych: naukowych i inżynierskich oraz wizualizacji wyników. Jest dzisiaj jednym z najczęściej wykorzystywanych narzędzi matematycznych w środowisku akademickim oraz w dyscyplinach technicznych (m.in. w inżynierii chemicznej i procesowej). Stale rozwijane i wzbogacane środowisko programu MATLAB liczy dzisiaj ponad milion zarejestrowanych użytkowników. Druga edycja warsztatów, została wzbogacona o nowe zagadnienia i przykłady czyniąc je bardziej spójne i łatwiejsze w odbiorze. Zostaną one przeprowadzone w formie praktycznych zajęć laboratoryjnych. Kurs nie wymaga znajomości programu MATLAB i umiejętności programowania. Przykłady obliczeń zostały wzbogacone bogatym zestawem zadań do samodzielnego rozwiązania, które umożliwią lepiej utrwalić materiał kursu. Warsztaty skierowane są do studentów Wydziału Chemicznego kierunku technologia chemiczna, jak również studentów innych kierunków pragnących podnieść swoje umiejętności wykorzystania programu MATLAB do obliczeń inżynierskich. Od uczestników kursu wymagana jest dobra znajomość podstaw z przedmiotów technologia chemiczna i matematyka. Warsztaty zostaną przeprowadzone w oparciu o infrastrukturę informatyczną projektu PLATON w Centrum Komputerowym Politechniki Łódzkiej. Agenda wtorek, 11 kwietnia, godz I. Powitanie uczestników i rozpoczęcie warsztatów. 1. Wprowadzenie do usługi obliczeń kampusowych PLATON U3. 2. Przegląd dostępnego oprogramowania. 3. Rejestracja do usługi PLATON U3. poniedziałek, 24 kwietnia, godz II. Podstawy programowania w środowisku MATLAB. 1. Środowisko programu. Język programowania MATLAB. Podstawowe elementy języka: typy zmiennych, instrukcje warunkowe i iteracyjne, instrukcje sterujące. Skrypty i funkcje. Algorytmy iteracyjne i rekurencyjne. Obsługa wyjątków. Funkcje zagnieżdżone. Operacje na plikach. Wprowadzanie i formatowanie danych. 2. Dwuwymiarowe wykresy funkcji. Wykresy siatkowe i powierzchniowe. Interpolowane wykresy powierzchniowe. Zaawansowane technik tworzenia wykresów (handle graphics). Techniki animacji. 3. Obliczenia symboliczne w programie MATLAB z użyciem narzędzi Symbolic Math Toolbox. Deklaracja zmiennych i funkcji. Wyrażenia algebraiczne i operatory. Przykłady wykorzystania operatorów różniczkowych i całkowych. 4. Przykłady obliczeń wybranych zagadnień z termodynamiki procesowej. Zapraszamy do udziału 2

3 wtorek, 25 kwietnia, godz III. Algebraiczne metody bilansowania procesu technologicznego. 1. Aksjomaty bilansowania procesów ustalonych i nieustalonych. 2. Rozwiązywanie układów równań liniowych. 3. Stechiometria procesowa. 4. Reakcje niezależne poniedziałek, 8 maja, godz IV. Bilans materiałowy. 1. Analiza bilansu materiałowego. Zasady tworzenia bilansu materiałowego. 2. Bilans materiałowy układów z reakcją chemiczną. 3. Obliczenia projektowe w SIMULINK. 4. Symulacje procesów w układzie kaskady reaktorów izotermicznych. wtorek, 9 maja, godz V. Metody badań operacyjnych i optymalizacji procesów technologicznych. 1. Programowanie matematyczne. 2. Rozwiązanie optymalne. 3. Programowanie liniowe i kwadratowe. 4. Algorytm sympleksowy. 5. Wybrane zagadnienia technologiczne: optymalny wybór procesu, problem mieszanek, zagadnienia transportowe, analiza wrażliwości poniedziałek, 15 maja, godz VI. Analiza danych doświadczalnych metodą liniowej regresji. 1. Ogólne modele regresji. Klasyfikacja modeli. 2. Metoda najmniejszych kwadratów. 3. Weryfikacja modelu. Analiza reszt 4. Metody bootstrapowe. Walidacja krzyżowa. 5. Statistics and Machine Learning Toolbox narzędzia do modelowania i analizy statystycznej. 6. Przykłady modelowania i optymalizacji procesów metodą regresji powierzchni odpowiedzi. wtorek, 16 maja, godz VII. Modelowanie i analiza kinetyczna procesów z zastosowaniem teorii równań różniczkowych zwyczajnych ODE. 1. Typy równań i warunków brzegowych. Numeryczne rozwiązywanie ODE. Integratory numeryczne w programie MATLAB. Zagadnienia początkowe dla procesów ustalonych i nieustalonych. Modele kinetyczne reakcji prostych i złożonych. 2. Modelowanie i symulacja kinetyki reakcji w reaktorach okresowych i przepływowych. Symulacje wybranych procesów w kaskadzie reaktorów przepływowych. 3. Reakcje oscylacyjne. Symulacja kinetyki reakcji Biełousowa- Żabotyńskiego. 3

4 poniedziałek, 22 maja godz VIII. Metody rozwiązywania zagadnień odwrotnych. 1. Sformułowanie problemu identyfikacji parametrów. 2. Analiza kinetycznych równań całkowych. 3. Gradientowe metody optymalizacji funkcji nieliniowych bez ograniczeń. 4. Uogólniona metoda identyfikacji parametrów modelu określonego równaniem różniczkowym zwyczajnym. 5. Analiza wrażliwości wtorek, 23 maja godz IX. Stochastyczne modele kinetyki reakcji chemicznych. 1. Stochastyczna kinetyka chemiczna. 2. Algorytm losowego próbkowania Monte Carlo (MC) oraz za pomocą łańcuchów Markowa. Całkowanie metodami MC. 3. Stochastyczny model reakcji chemicznej. Równanie Master. 4. Procesy Markowa. Procesy Markowa z czasem ciągłym. 5. Algorytm kinetycznej Monte Carlo (kmc). 6. Symulacje reakcji złożonych. Algorytm Gillespiego. poniedziałek, 29 maja godz X. Modelowanie procesów powierzchniowych. 1. Mechanizm i kinetyka katalitycznych reakcji heterogenicznych. 2. Modelowanie przemian fazowych. Model Isinga. 3. Model gazu sieciowego dla powierzchni katalitycznej. wtorek, 30 maja godz XI. Symulacja reakcji kontaktowych metodą kmc. 1. Implementacja algorytmu kmc dla procesów powierzchniowych. 2. Symulacja przemian fizycznych. 3. Model Ziff-Gulari-Barshada katalitycznego utleniania CO. poniedziałek, 5 czerwca godz XII. Obliczenia naukowo-inżynierskie na klastrach komputerowych. Przemysław Trzeciak, Centrum Komputerowe PŁ 1. Wprowadzenie do obliczeń w systemach komputerowych dużej wydajności (HPC). Rodzaje i architektura systemów HPC. Przegląd dostępnych rozwiązań i możliwości. 2. Klaster Blueocean - środowisko dla wielkiej skali obliczeń w zasobach Politechniki Łódzkiej. Analiza procesu obliczeniowego w oparciu o system Linux. Narzędzia wspierające: vmstat, dstat, top, iotop. 3. Projektowanie obliczeń na klastrach HPC w systemie kolejkowym. Optymalizacja procesu obliczeniowego, metody tworzenia i uruchamiania kontenerów zadań. Przykłady wykonywania obliczeń w systemach jedno i wieloprocesorowych oraz hybrydowym CPU-GPU. wtorek, 6 czerwca godz XIII. Obliczenia równoległe i rozproszone w programie MATLAB. 1. MATLAB w systemach uniksowych. 4

5 2. Podstawowe modele obliczeń równoległych. 3. Narzędzia i metody akceleracji obliczeń w programie MATLAB. Przyspieszanie obliczeń z wykorzystaniem Parallel Computing Toolbox. 4. Interaktywne i wsadowe obliczenia równoległe. 5. Podstawowe konstrukcje i struktury danych w programowaniu równoległym. 6. Obliczenia na procesorach GPU w środowisku MATLAB 7. Zrównoleglanie obliczeń w algorytmach Monte Carlo. Symulacja kmc z wykorzystaniem algorytmów równoległych. poniedziałek, 12 czerwca godz XIV. Zakończenie warsztatów Polecana literatura Kurs nie wymaga znajomości żadnych podręczników jak również umiejętności programowania w języku MATLAB. Zagadnienia teoretyczne oraz praktyczne sposoby rozwiązywania problemów zostaną przedstawione od podstaw. Istnieje jednak obszerna literatura oraz wiele doskonałych podręczników. Niektóre pozycje z tej kolekcji dostępne są w katalogu Biblioteki Głównej PŁ oraz w Internecie. W warsztatach wykorzystano również wybrane materiały z poniższej listy książek: Podstawy teoretyczne technologii chemicznej Józef Szarawara, Jerzy Piotrowski WNT 2010 Podstawy MATLABa w inżynierii procesowej Zdzisław Pakowski, Robert Adamski Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej 2014 MATLAB Numerical Methods with Chemical Engineering Applications Kamal I. M. Al-Malah McGraw-Hill Education 2014 An Introduction to Kinetic Monte Carlo Simulations of Surface Reactions A.P.J. Jansen Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012 Numerical Computing with MATLAB 1 Cleve B. Moler SIAM 2004 FAQ Kto może wziąć udział w warsztatach? Warsztaty skierowane są wyłącznie do studentów Wydziału Chemicznego PŁ z dobrą znajomością podstaw z przedmiotów technologia chemiczna i matematyka. Uczestnik kursu musi posiadać aktywne konto oraz dostęp do Internetu w domu. Jakie są koszty uczestnictwa? Udział w warsztatach jest bezpłatny. 1 wersja elektroniczna dostępna na stronie MathWorks 5

6 FAQ cd. Jak się zarejestrować na warsztaty? Należy wypełnić formularz rejestracyjny znajdujący się w dziekanacie do dnia 10 kwietnia. Liczba miejsc jest ograniczona (15 miejsc). Lista uczestników warsztatów będzie podana do wiadomości w dniu rozpoczęcia. Czy uczestnicy warsztatów otrzymają certyfikat ukończenia? Tak. Wszyscy uczestnicy, którzy wykażą co najmniej 80% -ową frekwencję oraz uzyskają zaliczenie ponad 70% samodzielnych zadań otrzymają świadectwo ukończenia warsztatów asygnowane przez Dziekana Wydziału Chemicznego oraz osobę prowadzącą. Uczestnicy którzy osiągną wynik ponad 90% -owy uzyskają świadectwo ukończenia z wyróżnieniem. Czy uzyskany certyfikat będzie honorowany podczas studiów? Nie. Świadectwo ukończenia kursu nie może być podstawą do zaliczenia przedmiotu oraz jednostkowych zajęć na Wydziale Chemicznym Politechniki Łódzkiej. 6