Warsztaty z modelowania i symulacji procesów chemicznych w programie MATLAB/SIMULINK dla studentów wydziału chemicznego Goście specjalni Jadwiga Horoszkiewicz-Kurnyta Rafał Rabenda Przemysław Trzeciak Wydział Chemiczny Politechniki Łódzkiej 11 kwiecień 10 czerwiec 2016 Zapisy w dziekanacie do dnia 7 kwietnia 2016 r. Liczba miejsc ograniczona Warsztaty prowadzi Stanisław Sypniewski Kurs realizowany z wykorzystaniem infrastruktury projektu PLATON w Centrum Komputerowym Politechnik Łódzkiej
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. Ramowy program warsztatów obejmuje dziesięć bloków tematycznych. 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. Zapraszamy do udziału Agenda 11.04 poniedziałek, godz. 15.00 18.00 I Obliczenia inżynierskie i naukowe 15.00-15.10 Powitanie uczestników i rozpoczęcie warsztatów 15.10-15.55 Rafał Rabenda inżynier aplikacji Oprogramowanie Naukowo-Techniczne, Kraków Wprowadzenie do programu MATLAB 15.55-16.10 Jadwiga Horoszkiewicz-Kurnyta sprzedawca - obszar akademicki Oprogramowanie Naukowo-Techniczne, Kraków Zastosowanie programu MATLAB w chemii 16.10-16.30 Przemysław Trzeciak Centrum Komputerowe, Politechnika Łódzka Obliczenia inżynierskie i naukowe w systemach rozproszonych 15.30-16.50 Stanisław Sypniewski Instytut Chemii Ogólnej i Ekologicznej, Politechnika Łódzka Modelowanie matematyczne jako sztuka i nauka skalowania chemicznych procesów 16.50-17.00 Usługi obliczeń kampusowych PLATON rejestracja użytkowników 17.00-17.30 Przerwa kawowa 17.30-18.00 Pierwsza sesja obliczenia interaktywne w programie MATLAB
18.04 poniedziałek, godz. 15.00 18.00, II Podstawy programowania w środowisku MATLAB. Przetwarzanie tekstu. 1. Skrypty i funkcje. Język programowania MATLAB: typy danych, jawna i niejawna konwersja typów, instrukcje warunkowe i iteracyjne, instrukcje sterujące, algorytmy iteracyjne i rekurencyjne, obsługa wyjątków. Operacje na plikach. Wprowadzanie i formatowanie danych. Funkcje zagnieżdżone. 2. Praca z debuggerem, kompilacja i sposoby dystrybucji własnych programów. 3. Standardowe funkcje przetwarzania tekstu. Analiza składniowa tekstu w języku wyrażeń regularnych. Składnia wyrażeń regularnych. Tokeny i parsery. Tworzenie parsera napisów, chemicznych wzorów empirycznych oraz danych pomiarowych. Przykład przetwarzania semistrukturalnych danych dokumentów sieciowych bazy danych NIST Chemistry WebBook. 25.04 poniedziałek, godz. 15.00 18.00, III Tworzenie wykresów i grafiki naukowo-technicznej. Obliczenia symboliczne. 1. Dwuwymiarowe wykresy funkcji. Grafika rastrowa. Wykresy trójwymiarowe: siatkowe i powierzchniowe. Interpolowane wykresy powierzchniowe. Zaawansowane technik tworzenia wykresów (handle graphics). Techniki animacji. 2. Tworzenie graficznego interfejsu użytkownika (GUI). Obsługa zdarzeń. 3. Modelowanie krzywych i powierzchni w przestrzeni 3D. Modele parametryczne. Wykorzystanie kamer i oświetlenie w grafice 3D. 4. Obliczenia symboliczne w programie MATLAB z użyciem narzędzi Symbolic Math Toolbox. Deklaracja zmiennych i funkcji. Wyrażenia algebraiczne i operatory. Przykłady użycia operatorów różniczkowych i całkowych w rozwiązywaniu wybranych zagadnień z termodynamiki procesowej. Wykresy funkcji. Obliczenia numeryczne z użyciem wyrażeń symbolicznych. 9.05, 16.05 poniedziałek, godz. 15.00 18.00, IV Algebraiczne metody bilansowania procesu technologicznego 1. Aksjomaty bilansowania procesów ustalonych i nieustalonych. 2. Rozwiązywanie układów równań liniowych. 3. Stechiometria procesowa. 4. Reakcje niezależne. 5. Bilans materiałowy i cieplny procesów jednostkowych i ich ciągów. 17.05 wtorek, godz. 15.00 18.00 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: optymalny wybór procesu, problem mieszanek, zagadnienia transportowe, analiza wrażliwości. 23.05 poniedziałek, godz. 15.00 18.00 VI Analiza danych doświadczalnych. Optymalizacja 1. Regresja wieloraka. Metoda najmniejszych kwadratów Statystyczna ocena modelu. Metoda krzyżowej walidacji.
2. Wielowymiarowa regresja nieliniowa. Przykłady zastosowania modeli NLR do modelowania przemian fazowych gaz-ciecz dla układów jedno- i wieloskładnikowych. 3. Elementy optymalizacji nieliniowej. Algorytmy programowania nieliniowego. Optymalizacja bez i z ograniczeniami. Procesowa optymalizacja wielokryterialna. Minimalizacji energii Gibbsa dla procesu syntezy metanolu w reaktorze przepływowym. Funkcje i narzędzia Optimization Toolbox. 24.05 wtorek, godz. 15.00 18.00 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. 30.05 poniedziałek, 31 wtorek, godz. 15.00 18.00 VIII Modelowanie procesów wymiany ciepła i masy 1. Podstawowe pojęcia i prawa. 2. Rozwiązywanie równań różniczkowych cząstkowych. Zagadnienia początkowe i brzegowe. Metoda elementów skończonych. 3. Ustalony i nieustalony przepływ ciepła. Jedno i dwuwymiarowe przewodzenie i przenikanie ciepła. Rozkład pola temperatur podczas przenikania ciepła przez jedno- i wielowarstwową przegrodę płaską i cylindryczną. Analiza procesów wymiany ciepła w wymiennikach ciepła. 4. Równanie dyfuzji. Nieustalona dyfuzja wieloskładnikowa. Modelowanie reakcji nieodwracalnej w reaktorze rurowym z dyspersją wzdłużną. 6.06 poniedziałek, godz. 15.00 18.00, IX Wybrane metody sztucznej inteligencji. Obliczenia rozproszone w programie MATLAB 1. Metody obliczeniowe oparte na sztucznej inteligencji. 2. Algorytmy genetyczne. 3. Model jednokierunkowej sieci neuronowej. 4. Podstawy systemu Linuks. Zasady użytkowania kastra obliczeniowego Blueocean. Praca z programem MATLAB w systemach unixsowych. Obliczenia w systemie kolejkowym. 7.06 wtorek, godz. 15.00 18.00 X Projektowanie reaktorów chemicznych w środowisku graficznym SIMULINK 1. Wprowadzenie do teorii sterowania. Układy otwarte i zamknięte. Sprzężenie zwrotne. Przekształcenie Laplace a. 2. Tworzenie schematów blokowych w SIMULINK. Rysowanie schematów blokowych równań różniczkowych. Bilans masy zbiornika przepływowego i jego ciągów z przepływem swobodnym i wymuszonym. Mieszanie roztworów. 3. Równanie projektowe. Przykłady obliczeń i symulacji procesów bez i z wymianą ciepła. 4. Miniprojet kontrola i sterowanie procesem neutralizacji ścieków. 10.06 piątek, godz. 11.00 11.30 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 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 poczty @edu.p.lodz.pl oraz dostęp do Internetu w domu. Jakie są koszty uczestnictwa? Udział w warsztatach jest bezpłatny. Jak się zarejestrować na warsztaty? Należy wypełnić formularz rejestracyjny znajdujący się w dziekanacie do dnia 7 kwietnia. Liczba miejsc jest ograniczona (15 miejsc). Lista uczestników warsztatów będzie podana do wiadomości w dniu 8 kwietnia na tablicy ogłoszeń. 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. 1 wersja elelktroniczna na stronie MathWorks