Определение содержания лигнина в целлюлозе

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного

 бюджетного  образовательного учреждения высшего  профессионального

образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический

университет имени С. М. Кирова»

(СЛИ)

 

Кафедра информационных систем

 

Определение содержания лигнина в целлюлозе

 

Пояснительная записка курсовой работы по информатике

 

КР.ТФ.О.230201.1.120001.ПЗ

 

Зав. кафедрой, доцент     И. И. Лавреш

Руководитель работы, к.т.н., доц. Н. М. Третьякова

Исполнитель    С. А. Гарабинский

 

Работа  допущена к защите

Дата_____________________

Работа защищена

с оценкой_________________

дата_____________________

 

 

Сыктывкар 2013

Оглавление

 

 

 

Введение

 

Темой данной курсовой работы является разработка программы для вычислений зависимости содержания лигнина в целлюлозе от длительности процесса делигнификации.

Лигнин (от лат. lignum – дерево)  - сложный (сетчатый) ароматический природный  полимер  входящий  в состав наземных растений, продукт биосинтеза. После целлюлозы, лигнин самый распространенный полимер  на земле, играющий важную роль в природном круговороте углерода.

Лигнин прочно физически и химически инкорпорирован в структуре растительной ткани и эффективное выделение его оттуда промышленными методами представляет весьма сложную задачу.

Данная программа необходима для получения эмпирических зависимостей, благодаря которым появляется возможность вычисления времени делигнификации до определенного момента, зависящего от содержания лигнина в целлюлозе.

Программа будет выполнена в среде программирования Delphi 7, основанном на языке программирования Object Pascal. 

Результаты вычислений будут выводиться в виде графиков полученных эмпирических зависимостей.

 

1. Теоретические сведения
1. Классификация языков программирования

 

Прогресс компьютерных технологий определил процесс появления новых разнообразных знаковых систем для записи алгоритмов – языков программирования. Существуют различные классификации языков программирования.

По наиболее распространенной классификации все языки программирования, в соответствии с тем, в каких терминах необходимо описать задачу, делят на языки низкого и высокого уровня.

Если язык близок к естественному языку программирования, то он называется языком высокого уровня, если ближе к машинным командам, – языком низкого уровня.

В группу языков низкого уровня входят машинные языки и языки символического кодирования: Автокод, Ассемблер. Операторы этого языка – это те же машинные команды, но записанные мнемоническими кодами, а в качестве операндов используются не конкретные адреса, а символические имена. Все языки низкого уровня ориентированы на определенный тип компьютера, т. е. являются машинно-зависимыми.

Машинно-ориентированные языки – это языки, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.).

Особенности машинно-ориентированных языков:

• высокое качество создаваемых программ (компактность и скорость выполнения);

• возможность использования конкретных аппаратных ресурсов;

• предсказуемость объектного кода и заказов памяти;

• для составления эффективных программ необходимо знать систему команд и особенности функционирования данной ЭВМ;

• трудоемкость процесса составления программ;

• низкая скорость программирования;

• невозможность непосредственного использования программ, составленных на этих языках, на ЭВМ других типов.

К языкам программирования высокого уровня относят Фортран (переводчик формул – был разработан в середине 50-х годов программистами фирмы IBM и в основном используется для программ, выполняющих научные и математические расчеты), Алгол, Кобол (коммерческий язык – используется, в первую очередь, для программирования экономических задач), Паскаль, Бейсик (был разработан профессорами Дармутского колледжа Джоном Кемени и Томасом Курцом.), Си (Деннис Ритч – 1972 году), Пролог (в основе языка лежит аппарат математической логики) и т.д.

Эти языки машинно-независимы, т.к. они ориентированы не на систему команд той или иной ЭВМ, а на систему операндов, характерных для записи определенного класса алгоритмов. Однако программы, написанные на языках высокого уровня, занимают больше памяти и медленнее выполняются, чем программы на машинных языках.

Программу, написанную на языке программирования высокого уровня, ЭВМ не понимает, поскольку ей доступен только машинный язык. Поэтому для перевода программы с языка программирования на язык машинных кодов используют специальные программы – трансляторы.

Существует три вида транслятора: интерпретаторы (это транслятор, который производит пооператорную обработку и выполнение исходного кода программы), компиляторы (преобразует всю программу в модуль на машинном языке, после чего программа записывается в память компьютера и лишь потом исполняется) и ассемблеры (переводят программу, записанную на языке ассемблера, в программу на машинном языке).

Языки программирования также можно разделять на поколения:

– языки первого поколения: машинно-ориентированные с ручным управлением памяти на компьютерах первого поколения;

– языки второго поколения: с мнемоническим представлением команд, так называемые автокоды;

– языки третьего поколения: общего назначения, используемые для создания прикладных программ любого типа. Например, Бейсик, Кобол, Си и Паскаль;

– языки четвертого поколения: усовершенствованные, разработанные для создания специальных прикладных программ, для управления базами данных;

– языки программирования пятого поколения: языки декларативные, объектно-ориентированные и визуальные. Например, Пролог, ЛИСП (используется для построения программ с использованием методов искусственного интеллекта), Си++, Visual Basic, Delphi.

Можно выделить еще один класс языков программирования – объектно-ориентированные языки высокого уровня. На таких языках не описывают подробной последовательности действий для решения задачи, хотя они содержат элементы процедурного программирования. Объектно–ориентированные языки, благодаря богатому пользовательскому интерфейсу, предлагают человеку решить задачу в удобной для него форме. Первый объектно-ориентированный язык программирования Simula был создан в 1960-х годах Нигаардом и Далом.

 

2. Декларативное программирование

 

Языки программирования также можно классифицировать на процедурные и непроцедурные.

В процедурных языках программа явно описывает действия, которые необходимо выполнить, а результат задается только способом получения его при помощи некоторой процедуры, которая представляет собой определенную последовательность действий.

Среди процедурных языков выделяют в свою очередь структурные и операционные языки. В структурных языках одним оператором записываются целые алгоритмические структуры: ветвления, циклы и т.д. В операционных языках для этого используются несколько операций. Широко распространены следующие структурные языки: Паскаль, Си, Ада, ПЛ/1. Среди операционных известны Фортран, Бейсик, Фокал.

Непроцедурное (декларативное) программирование появилось в начале 70-х годов 20 века. Особое внимание в декларативном программировании уделяется тому, что нужно сделать, а не тому как это нужно сделать. К непроцедурному программированию относятся: функциональное, основанное на математическом понятии функции, которая не изменяет свое окружение, в отличии от функций в процедурных языках, допускающих побочные эффекты, и логическое, в котором программы выражены в виде формул математической логики и компьютер для решения задачи пытается вывести логические следствия из них.

Функциональная программа состоит из совокупности определений функций, которые в свою очередь представляют собой вызовы других функций и предложений, управляющих последовательностью вызовов. При этом функции часто либо прямо, либо опосредованно вызывают сами себя (рекурсия).

Каждая функция возвращает некоторое значение в вызвавшую его функцию, вычисление которой после этого продолжается; этот процесс повторяется до тех пор, пока начавшая процесс вычислений функция не вернет конечный результат пользователю.

"Чистое" функциональное  программирование не содержит  оператора присваивания, в нем  вычисление любой функции не  приводит ни к каким побочным эффектам, отличным от собственно вычисления ее значения. Разветвление вычислений основано на механизме обработке аргументов условного предложения, а циклические вычисления реализуются с помощью рекурсии.

Оператора присваивания и циклов в классических функциональных языках нет. Отсутствие оператора присваивания делает переменные, используемые в функциональных языках программирования, очень похожими на переменные в математике - получив однажды свои значения, они больше никогда их не меняют. Отсутствие побочных эффектов в процессе вычисления функций приводит к тому, что порядок выполнения отдельных фрагментов программы не существенен - итоговое значение в любом случае будет одинаковым.

Функциональное программирование весьма красиво и иногда в качестве первого языка программирования, изучаемого студентами, выбирается Haskell или Lisp. Для успешного овладения данным стилем программирования, впрочем, необходимо весьма глубокое понимание многих разделов математики.

Еще одной реализацией декларативного стиля является логическое программирование.

В логическом программировании основное внимание уделяется описанию структуры прикладной задачи, а не выработке предписаний компьютеру, что ему следует делать. Prolog (от французского PROgrammation LOGique) – это наиболее известный язык логического программирования. Этот язык (наряду с функциональным языком Lisp) часто называют языком искусственного интеллекта – с его помощью решаются задачи создания экспертных систем и систем обработки естественных языков.

В логических языках программа вообще не описывает действий. Она задает данные и соотношения между ними. После этого системе можно задавать вопросы. Машина перебирает известные и заданные в программе данные и находит ответ на вопрос. Порядок перебора не описывается в программе, а неявно задается самим языком.

 

2. Постановка задачи

 

Необходимо решить задачи линейной и квадратичной аппроксимации для всех точек, т. е. найти коэффициенты a, b и c в функциях вида L = a + bt и L = a + bt + сt2.

Предполагается, что аналитическое выражение указанной зависимости неизвестно. Тогда возникает практически важная задача аппроксимации, которая заключается в том, чтобы найти такую простую аналитическую функцию L=j(x), значения которой в известных точках xi по возможности мало бы отличалось от опытных данных.

Введем величины Di = j(xi) – yi , которые назовем уклонениями. Это - расстояние по вертикальной оси от кривой j(x) до точек (xi, yi), взятые со знаком «+» или «–».

При решении задачи аппроксимации по методу наименьших квадратов полагают, что погрешность аппроксимации минимальна, если сумма квадратов уклонений d  является наименьшей, т. е.

При аппроксимации эмпирической линейной функцией следует подставить в зависимость (1) выражение линейной функции. Получим

Величины а и в неизвестны. Их надо подобрать так, чтобы величина d приняла наименьшее значение. Известно, что в точке минимума частные производные функции обращаются в ноль, т. е. ¶d/¶a = 0 и ¶d/¶в = 0.

Найдя выражение для частных производных и приравняв их нулю, получим систему двух уравнений с двумя неизвестными а и в. После упрощения получим

Решая эту систему уравнений методом Крамера, находим а и в.

Определитель системы:

 

Определитель а:

 

Определитель в:

 

Неизвестные a = Da/D, b = Db/D.

При аппроксимации эмпирической квадратичной функцией следует подставить в зависимость (1) выражение квадратичной функции. Получим

 

Величины а, в и с неизвестны. Найдя выражение для частных производных и приравняв их нулю, получим систему трех уравнений с тремя неизвестными а, в и с. После упрощения получим:

 

Решая эту систему уравнений методом Крамера, находим а, в и с.

Определитель системы

Определитель а

Определитель в

Определитель с

Неизвестные a = Da/D, b = Db/D, c = Dc/D.

По результатам экспериментальных исследований на экране монитора построить точечную диаграмму. В том же масштабе другим цветом изобразить полученные прямую и параболу.

Произвести оценку полученных линейной и квадратичной зависимостей методом наименьших квадратов и сделать рекомендацию описания зависимости содержания лигнина в целлюлозе в процессе отбелки ее пeроксидом водорода функциями вида L=a+bt или L=a+bt+сt2 .

В таблице 1 приведены экспериментальные данные.

Таблица 1 – Экспериментальные данные

Время t, с	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55
L, %	76,3	72	69,2	64,9	59,2	56,3	55	53,4	52,1	51	50,4	48,2