Введение к работе
Актуальность. В пищевых производствах большинство технологических процессов связано с тепловой обработкой сырья и материальных потоков на всех стадиях получения конечного продукта. Процессы теплообмена протекают как в специальных теплообменных аппаратах, так и в теплообменниках, которые конструктивно являются частью технологического аппарата Динамические параметры как теплообменников, так и ряда других аппаратов подвержены существенным изменениям в ходе технологических процессов Причинами этих изменений могут быть изменения свойств потоков сырья или энергии, колебания нагрузок, временной дрейф характеристик теплообменников, связанный с отложениями на стенках тех или иных веществ и пр.
Для поддержания требуемого качества продукта и сокращения энергозатрат требуется автоматическое поддержание заданных температурных режимов
При синтезе автоматических систем регулирования (АСР) объектов с изменяющимися характеристиками значительные трудности вызывает выбор настроечных параметров регулятора Существующие в настоящее время инженерные методы расчета настроек часто не обеспечивают удовлетворительного качества регулирования в случаях, когда динамические параметры объекта имеют существенный временной дрейф
При регулировании объектов с изменяющимися динамическими параметрами наиболее важной задачей является обеспечение робастности, то есть сохранение устойчивости замкнутой системы в ходе всего технологического процесса С этой точки зрения один из возможных подходов — выбор настроек регуляторов по критерию предельной степени устойчивости в системе Я 3 Цыпкиным впервые введено понятие степени устойчивости и получены аналитические выражения для настроек регуляторов, обеспечивающих предельную степень устойчивости для некоторых простых систем регулирования В дальнейшем многое в этом направлении сделано А.М Шубладзе А.В Татариновым и А М Цирлиным определены необходимые условия оптимальности решения задачи о достижении предельной степени устойчивости линейной системы с запаздыванием Ими получены для типовых систем регулирования с запаздыванием аналитические выражения для предельной степени
устойчивости и соответствующих настроек регуляторов в функции динамических параметров модели объекта
Другой подход к регулированию объектов с изменяющимися в широком диапазоне характеристиками связан с автоподстройкой регулятора в ходе процесса Однако в современных условиях на действующем предприятии выполнение автоподстройки может быть произведено достаточно редко в связи с возможными экономическими потерями, вызванными введением испытательных воздействий в процессе идентификации объекта Таким образом, в промежутках между моментами включения автоподстройки настройки регулятора должны обеспечивать робастность замкнутой системы
Тепловые объекты регулирования пищевых производств зачастую обладают распределенными параметрами, а также запаздыванием, возмущающие воздействия могут поступать по различным каналам Для таких объектов во многих случаях целесообразно применение двухконтурных систем регулирования Аналогично сказанному выше, их настройка также должна обеспечивать робастность систем Однако рекомендации по расчету двухконтурных систем в соответствии с требованием предельной степени устойчивости в настоящее время не разработаны
Для построения систем управления необходимо знать математическую модель динамики объекта Однако в литературе практически отсутствуют математические модели теплообменников, учитывающие распределенность параметров таких объектов управления и в тоже время пригодные для расчета систем регулирования методами классической теории автоматического управления
Цель работы.
Целью работы является разработка алгоритмов для решения комплекса задач автоматического регулирования технологических объектов с изменяющимися динамическими свойствами и распределенными параметрами, включая вопросы расчета настроечных параметров регуляторов, обеспечивающих робастность систем
Объектом исследования в данной работе являются системы регулирования теплообменных процессов в пищевых производствах,
динамические параметры которых меняются в процессе эксплуатации
Предметом исследования являются методы построения замкнутых
систем регулирования, обеспечивающие робастность системы при изменении
динамических параметров объекта.
Основные задачи исследования
получение аналитическим методом математических моделей
тепловых объектов с распределенными параметрами и перехода к их
передаточным функциям, исходя из задачи синтеза регуляторов;
- исследование предельных возможностей типовых регуляторов для
одноконтурных систем, содержащих объекты с сосредоточенными
параметрами и запаздыванием и рассчитанных по условию максимальной
степени апериодической устойчивости;
получение аналитических расчетных соотношений для выбора настроек регуляторов в двухконтурных системах по условию максимальной степени апериодической устойчивости,
исследование возможности применения двухконтурных систем регулирования в зависимости от динамики объектов по вспомогательному и основному каналам регулирования,
исследование работоспособности и эффективности предложенных подходов для некоторых типовых объектов пищевых производств.
Результаты решения перечисленных задач изложены в диссертации и выносятся автором на защиту
Методы исследования. Для решения поставленных задач были
использованы следующие методы исследования математическое
моделирование объектов и систем регулирования, теория автоматического управления, теория робастных систем
Научная новизна работы заключается в следующем-
разработана общая методика получения передаточных функций объектов, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных с двумя независимыми аргументами,
выведены для теплообменных аппаратов типа «труба в кожухе» и «труба в трубе» передаточные функции, параметры которых определяют по конструктивно- технологическим характеристикам аппаратов,
- получена сравнительная оценка быстродействия типовых регуляторов
в одноконтурных системах с запаздыванием,
- получены выражения, позволяющие оценить без проведения
моделирования максимальное отклонение и время переходного процесса в
замкнутых системах,
- выведены аналитические соотношения, позволяющие рассчитать без
итерационных процедур настройки регуляторов в двухконтурных системах,
обеспечивающие максимальную апериодическую степень устойчивости в
каждом контуре,
- предложен алгоритм, позволяющий сравнить быстродействие
одноконтурной и каскадной систем регулирования и дать рекомендации по
целесообразности применения каскадных систем в зависимости от динамики
вспомогательного и основного контуров системы
Практическая ценность полученных в работе результатов состоит в следующем
разработаны для теплообменных аппаратов передаточные функции, динамические параметры которых рассчитывают на этапе проектирования аппарата по его конструктивно-технологическим характеристикам, что дает возможность рассчитать настройки регуляторов и встроить их в программное обеспечение микропроцессорных управляющих устройств, поставляемых комплектно с оборудованием;
предложен метод оценки качества регулирования в одноконтурных системах по параметрам объекта и регулятора, позволяющий в производственных условиях определить работоспособность системы регулирования на этапе проектирования;
разработан комплекс инженерных расчетных соотношений для определения параметров настройки типовых регуляторов для двухконтурных систем (каскадной и с дифференцированием промежуточного сигнала) и метод оценки целесообразности применения каскадных систем;
предложена система автоматизации цилиндроконических танков пивоваренного производства, обеспечивающая малую чувствительность регуляторов к временному дрейфу динамических характеристик объектов
Результаты, полученные в диссертационной работе, переданы в ЗАО «Московский пивобезалкогольный комбинат Очаково» и приняты к практическому применению.
Разработанные математические модели и комплексы расчетных соотношений используются в учебном процессе кафедры «Автоматика и
электротехника» ГОУ ВПО МГУПП
Апробация работы и публикации по теме работы.
Основные положения работы докладывались и обсуждались на IV Международной конференции—выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации», Москва, МГУПП 2006
По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Объем и структура работы.
Похожие диссертации на Алгоритмическое обеспечение робастных систем регулирования процессов теплообмена в пищевых производствах
