Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор и постановка задачи исследования 11
Глава 2 Теоретическое и экспериментальное исследование высокочастотной сушижи для древесины как объекта управления 24
2.1 Технологическая схема высокочастотной установки для сушки пиломатериалов 24
2.2 Математическая модель процесса сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле 27
2.3 Высокочастотная сушилка для пиломатериалов как объект управления 43
Глава 3 Оптимизация процесса сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле 52
3.1 Оптимизация процесса сушки хвойной древесины в высокочастотной сушилке периодического действия 52
3.2 Алгоритм автоматического поиска экстремума целевой функции на объекте регулирования 65
Глава 4 Разработка автоматизированной системы управления оптимальным режимом сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле 78
4.1 Алгоритм управления оптимальным режимом высокочастотной сушки хвойной древесины 78
4.2 Разработка и исследование автоматизированной системы управления оптимальным режимом высокочастотной сушки хвойной древесины 90
4.3 Оценка эффективности применения автоматизированной системы управления в процессе высокочастотной сушки хвойной древесины 96
Выводы 103
Условные обозначения 105
Литература 109
- Технологическая схема высокочастотной установки для сушки пиломатериалов
- Оптимизация процесса сушки хвойной древесины в высокочастотной сушилке периодического действия
- Алгоритм автоматического поиска экстремума целевой функции на объекте регулирования
- Алгоритм управления оптимальным режимом высокочастотной сушки хвойной древесины
Введение к работе
Актуальность проблемы. Нагрев внутренними источниками тепла -высокочастотный (ВЧ) и сверхвысокочастотный (СВЧ) диэлектрический нагрев - в настоящее время относят к энергосберегающим видам энергетики. Это обусловлено сравнительно меньшими, чем при использовании традиционных энергоносителей, тепловыми потерями в окружающую среду - теплота выделяется непосредственно в обрабатываемом материале. Другое важное преимущество ВЧ- и СВЧ-энергетики - экологическая безопасность созданного на их основе технологического оборудования. Последнее особенно актуально для технического перевооружения производства, так как традиционным для экономики СССР и России является сравнительно низкая (~20%) доля электроэнергии в совокупном энергопотреблении.
Снижение энергоемкости валового национального продукта за счет применения новых энергосберегающих технологий является важнейшей задачей экономики и, в первую очередь, таких ее энергоемких отраслей как химическая и деревообрабатывающая. Физические особенности методов ВЧ- и СВЧ-нагрева (быстрый и управляемый нагрев во всем объеме материала вне зависимости от его формы, геометрических размеров и коэффициента теплопроводности, отсутствие тепловой инерции нагревателя, безынерционность регулировки мощности) перспективны для применения в технологии сушки. Однако до настоящего времени сушка с использованием ВЧ- и СВЧ-нагрева расценивается как экономически выгодная технология только для ценных пород древесины. В действительности недостаточная эффективность сушки древесины при внутренних источниках тепла обусловлена не столько высокой стоимостью энергии, сколько сравнительно низкой интенсивностью процесса, которая не может быть увеличена без ухудшения качества продукции - растрескивания или коробления древесины под действием характерного для процессов этого вида градиента давления пара. В случае древесины - материала с низкой (при больших влагосодержаниях - с очень низкой) паропроницаемостью - градиент давления является фактором, тормозящим электрофизические возможности ВЧ- и СВЧ-нагрева. Для ускорения сушки древесину необходимо сначала пропаривать, не допуская быстрого влагосъема из поверхностных слоев. В условиях ВЧ- и СВЧ-
ЗНСрГОПОДБОДа СТаДИИ ПрОПйрйБйНйЯ и Сушки МОЖНО совместить.
Тепловлажностная обработка способствует размягчению древесной массы и увеличению ее пластичности. Пропаренная древесина сохнет значительно быстрее, чем непропаренная, и гораздо меньше растрескивается. Пропаривание позволяет свести к минимуму внутренние механические напряжения в пиломатериале даже при интенсивной сушке. Однако оптимальные режимы сушки и пропаривания до сих пор не найдены и физически не обоснованы. В результате технология ВЧ- и СВЧ-сушки древесины все еще находится в стадии опытно-промышленной проработки. Соответственно нерешенными являются и вопросы автоматизации и, в частности, автоматической
оптимизации ВЧ- и СВЧ-сутпилок для древесины.
Диссертационная работа выполнялась в рамках внутривузовской программы исследований «Физические методы воздействия на химические реакции и процессы химической технологий», которые в течение ряда лет ведутся в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) в соответствии с одноименной Программой исследований РАН по важнейшим фундаментальным проблемам.
Цель работы. Разработка автоматизированной системы управления оптимальным режимом сушки хвойной древесины.
Защищаемые положения:
- математическая модель сушки древесины в ВЧ-электрическом поле,
описывающая сушку как фильтрационный перенос пара под действием
градиента давления и учитывающая распределенный характер изменения
давления пара по толщине пиломатериала, а также зависимости коэффициента
паропроницаемости от температуры и влагосодержания;
методология оптимизации процесса скоростной сушки хвойной древесины в ВЧ-электрическом поле, в соответствии с которой сушка осуществляется при максимальном значении коэффициента паропроницаемости древесины;
статические и динамические характеристики ВЧ-сушилки для древесины по каналам, связывающим интенсивность сушки с показателем качества готовой продукции: «мощность внутренних источников тепла — избыточное давление пара», «мощность внутренних источников тепла — интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности»;
- алгоритм и структура АСУ оптимальным режимом сушки хвойной
древесины в ВЧ-электрическом поле, включающая автомат оптимизации с
переменным шагом регулирования и обеспечивающая поиск и поддержание
экстремума целевой функции в условиях ускоренного дрейфа статической
характеристики объекта.
Научная новизна. Разработана математическая модель сушки древесины в ВЧ-электрическом поле. Модель описывает сушку как фильтрационный перенос пара под действием градиента давления и учитывает распределенный характер изменения давления пара по толщине пиломатериала, а также зависимости коэффициента паропроницаемости от температуры и влагосодержания.
Показано, что динамика ВЧ-сушилки по каналам «мощность внутренних источников тепла - избыточное давление пара в древесине», «мощность внутренних источников тепла - интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности» описывается уравнениями апериодического звена с непременными коэффициентами.
Предложена методология оптимизации высокочастотной сушки хвойной древесины, предусматривающая реализацию процесса в режимах, соответствующих максимальному мгновенному значению коэффициента паропроницаемости. В качестве целевой функции предложен критерий:
«минимум прироста давления пара на единицу прироста мощности». Разработан алгоритм автоматического поиска экстремума целевой функции на объекте управления.
Разработаны алгоритм и структура АСУ оптимальным режимом сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле. Система определяет и поддерживает оптимальный по заданному критерию режим сушки хвойной древесины в условиях неконтролируемых возмущений.
Практическая ценность. Разработана методика определения зависимости коэффициента паропроницаемости древесины от влагосодержания непосредственно в процессе сушки. Показана эффективность применения АСУ оптимальным режимом сушки, обеспечивающей скоростную сушку при минимальных внутренних механических напряжениях в древесине. Предложенная методология оптимизации режимов сушки и АСУ процессом эффективны для использования на предприятиях деревообрабатывающей промышленности для сушки хвойных лесоматериалов большого сечения.
Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 21 Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21)» - Саратов: Саратов, гос. техн. ун-т, 2008 и на научных семинарах кафедры общей физики Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).
Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре работы.
Реализация результатов. Предложенная технологическая схема установки и методология оптимизации режима сушки рекомендованы ООО "Профиль Лайн" (г. Приозерск) к использованию для сушки лесоматериалов из хвойной древесины до транспортной влажности 18 - 20 %.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 127 с, состоит из четырех глав, содержит 21 рис., 21 табл., список литературы насчитывает 76 наименований.
Технологическая схема высокочастотной установки для сушки пиломатериалов
Продолжая описание физических явлений, сопровождающих сушку при внутреннем генерировании тепла, Т. Кудра [26] отмечает: «... в результате возникшего локального поглощения ЭМ-энергии начинается локальное испарение влаги, которое приводит к ограничению количества выделившегося тепла - образовавшийся пар перестает поглощать ЭМ-энергию. Часть пара конденсируется на поверхности жидкости, содержащейся в порах и капиллярах, что приводит к релаксации внутреннего давления системы. Вода, образовавшаяся в результате конденсации, вновь поглощает ЭМ-энергию и вновь испаряется. Таким образом скорость конвективного движения жидкости и пара, хотя и обусловлена процессами испарения и конденсации, но привязана к мгновенной величине внутреннего давления и может быть формально определена в быстропротекающем периоде сушки как величина, пропорциональная градиенту давления. По мере дальнейшего протекания процесса доля конвективного движения жидкой влаги уменьшается. При определенной влажности жидкость в капиллярах перестает существовать в виде непрерывной фазы, и удаление влаги происходит за счет конвекции пара. В этот период сушки малые капилляры еще заполнены водой, а в крупных капиллярах влага присутствует в виде пленки, прилегающей к стенкам. Силы, действующие в этой пленке, сильно ограничивают возможность ротации диполей воды, которая по существу переходит в связанное капиллярными силами состояние. Это влечет за собой уменьшение интенсивности поглощения ЭМ-энергии и снижение скорости сушки за счет все более преобладающей роли диффузионного влагопереноса».
Таким образом, согласно [26] определяющее значение на интенсивность сушки оказывают изменяющиеся из-за чередующегося перехода влаги из свободного состояния в связанное электрофизические свойства диэлектрика. Заметим, что сушка древесины до транспортной или эксплуатационной влажности протекает, как правило, в первом периоде — периоде постоянной скорости [33].
Второй вывод, следующий из [26], состоит в том, что скорость сушки пропорциональна градиенту давления.
В работах [30, 31] изучали механизм сушки различных материалов в интенсивных режимах при внутренних источниках тепла. Установлено, что хотя скорость переноса пара тем больше, чем: больше градиент давления, величина давления пара на интенсивность сушки не влияет. В подтверждение данного вывода в [30, 31] приводятся численные значения параметров - скорости сушки и избыточного давления пара Ризб . Отмечается, что в легкопроницаемом теле скорость сушки достигает очень больших значений, в то время как Ризб ничтожно мало; в труднопроницаемом теле - древесине - наоборот, значительная величина Ризв обнаруживается уже в режимах сравнительно низкой интенсивности.
Процитированных выдержек достаточно, чтобы заключить, что механизм сушки древесины в интенсивных режимах при внутренних источниках тепла до конца не изучен, а полученные экспериментальные результаты противоречивы. Вместе с тем: математическое описание процесса в самом общем виде можно считать известным. По этому поводу следует заметить, что в литературе отсутствуют сведения об исследовании оптимальных режимов ВЧ или СВЧ-сушки древесины. Так, в [30, 31], хотя и рассматривали возможность сушки при максимально возможном давлении пара, делали это сугубо теоретически, без привлечения результатов оценки качества готового продукта. В работах В. А. Бирюкова [4, 6] и Н. Н. Долгополова [6, 32] говорится о «правильном подборе» режима ВЧ-сушки толстых пиломатериалов. Последний заключался в выборе «условного» градиента температуры, под которым понималась разность между температурой в центре материала и температурой окружающей среды. Градиент давления при этом не рассматривался, так как сушку проводили при температурах внутри материала, не превышающих 100С. Понятно, что в таких условиях сушка древесины занимает десятки часов, а возможности ВЧ-нагрева и преимущества механизма сушки не используются в должной степени.
Д. П. Буртовой [15] изучал конвективно-микроволновую сушку древесины. Оптимальными, согласно автору, являются режимы, обеспечивающие выравнивание скоростей миграции влаги из внутренних слоев древесины к наружным и ее удаление с поверхности пиломатериалов. Достигается названное выравнивание скоростей чередованием стадий сушки, принудительного пропаривания (осуществляемого от парогенератора) и откачки влажного воздуха. Надо полагать, подбор режима выполнен сугубо эмпирически хотя бы потому, что скорость миграции влаги из внутренних слоев материала к наружным не может быть измерена. Кроме того, в этой публикации, так же как и в ряде других исследований [34, 35], термин «оптимальный» никаким физически содержательным критерием (например, минимум расхода электроэнергии, максимум производительности, максимум скорости сушки и пр.) не подтвержден.
Из специальной литературы по сушке древесины и практики эксплуатации сушилок хорошо известен технологический прием искусственного пропаривания, когда стадии пропаривания чередуются со стадиями сушки [11, 12]. Пропаривание (увлажнение влажным воздухом) предотвращает наружные слои древесины от слишком быстрой сушки, опережающей сушку изнутри. Несколько удивительно, что в технологии ВЧ- и СВЧ-сушки древесины лишь один коллектив исследователей изучал влияние самопропаривания на интенсивность сушки и качество готовой продукции [36, 37]. Действительно, при ВЧ- и СВЧ-нагреве технически несложно реализовать самопропаривание в закрытом объеме камеры, т.е. увлажнение древесины паром, выделяющимся непосредственно в процессе ее интенсивной сушки. Согласно [36,37] стадии пропаривания и сушки отделены друг от друга, а между ними следует стадия выдержки фиксированной продолжительности. Таким путем удается значительно увеличить скорость сушки, предотвратив разрушительное действие градиента давления пара. ВЧ-сушка древесины в закрытых камерах по своей физической сущности близка к технологии сушки перегретым паром [38, 39]. Согласно этой технологии влажный материал нагревают насыщенным или перегретым водяным паром, в процессе которого одновременно происходит его сушка. Пропаривание обеспечивает малый градиент влагосодержания внутри тела. Интенсификация процесса достигается путем увеличения температуры пара. Согласно [39, 40], сушка древесины в среде перегретого пара в закрытом аппарате со сбросом давления обеспечивает среднюю скорость испарения (- —) = 0,4-Ю-4 1/с (при изменении влажности (1% в пределах й = 0,95 0,02 кг/кг).
Оптимизация процесса сушки хвойной древесины в высокочастотной сушилке периодического действия
Сушильная камера 1 изготовлена из двухслойного диэлектрического материала. Наружный слой, выполненный из поликарбоната, призван обеспечить необходимую механическую и электрическую прочность камеры. Внутренний, теплоизоляционный слой, служит для предотвращения конденсации пара на стенках камеры. Боковые поверхности камеры (по поликарбонату) облицованы перфорированными металлическими электродами 2. По отверстиям перфорации в камере выполнены сквозные отверстия. Такими же отверстиями снабжены верхняя и нижняя поверхности сушильной камеры. Тем самым создаются условия для беспрепятственного выхода пара, образующегося при сушке, за пределы камеры. С лицевой и тыльной стороны камера оборудована дверями для загрузки и выгрузки штабеля, которые также выполнены перфорированными.
В сушильную камеру встроены электроды 3 рабочего конденсатора (сетчатой или перфорированной конструкции). Электроды 3 соединены между собой и с облицовочными электродами 2 медными шинами 4. В крыше сушильной камеры выполнено круглое окно 5, расположенное напротив штабеля 6. ИК - излучение от поверхности пиломатериала через окно 5 посредством оптоволоконного фидера 7 попадает на чувствительный элемент (датчик) ИК - термометра 8.
В своём основании сушильная камера снабжена катками 9, опирающимися на рабочую платформу 10. В платформе выполнены направляющие пазы, соответствующие расстоянию между катками и их размеру. Таким образом сушильная камера имеет возможность въезжать на платформу, фиксируя своё положение. Рабочая платформа 10 опирается на платформу электронных весов 11. Электронные весы размещены под фальшполом 12 на бетонном основании 13 и герметизированы от водяных паров заземлённой металлической камерой и эластичными диафрагмами.
После загрузки штабеля пиломатериалом сушильная камера закатывается в металлический ангар — экран 14 - на арретированную рабочую платформу. Внутри ангара, установленного на металлическом фалып-полу, смонтированы заземлённый и высокопотенциальный подсоединительные электроды (позиции 15 и 16 на рис. 2.1). Электроды 15 и 16 установлены параллельно облицовочным электродам 2. Для электрического соединения сушильной камеры (электродов 15 и 16) с ВЧ - генератором служит фидер 17.
Расстояние между электродами 15, 16 и 2 составляет 5 мм. Конструктивное исполнение электродной системы с ёмкостной связью между облицовочными и подсоединительными электродами обеспечивает возможность непрерывного контроля текущего влагосодержания путём непрерывного измерения массы сушильной камеры с материалом с помощью электронных весов.
В существующем виде сушильная установка не автоматизирована. Вместе с тем в установке предусмотрено измерение двух текущих параметров процесса — влагосодержания и температуры поверхности материала (бесконтактным способом). Вопрос о дальнейшем оснащении объекта средствами контроля будет решён на основании анализа физического механизма процесса и разработки его математической модели, а также исследования сушилки как объекта управления.
Выше отмечалось, что недостаточная эффективность сушки древесины при внутренних источниках тепла обусловлена не столько высокой стоимостью энергии, сколько сравнительно низкой скоростью процесса (недостаточной производительностью сушилок этого типа), которая не может быть увеличена из-за опасности растрескивания или коробления древесины под действием сопровождающего сушку внутреннего давления пара. Характерной особенностью массопереноса при внутренних источниках тепла является наличие внутри материала градиента общего давления паро-газовой смеси, обусловленного значительной скоростью фазового превращения: скорость фазового превращения больше скорости переноса [8,39]. В [31] отмечается, что в случае сушки древесины — материала с низкой паропронициемостью — градиент давления является фактором, тормозящим электрофизические возможности ВЧ- и СВЧ-нагрева. Термовлажностная обработка (пропаривание) способствует размягчению древесной массы и увеличению ее пластичности. Согласно [63] пропаренная древесина сохнет значительно быстрее, чем непропаренная, и гораздо меньше растрескивается. При пропаривании (или самопропаривании в закрытом объеме) снижается интенсивность испарения с поверхности и существенно уменьшается перепад влажности. Это позволяет свести к минимуму внутренние механические напряжения даже при интенсивной сушке. Можно полагать, что эффект ускорения сушки - обусловлен увеличением коэффициента паропроницаемости пропаренной горячей древесины, однородным ее прогревом, а также более равномерным распределением в ней влаги [54]. Однако оптимальные режимы пропаривания и сушки даже в сушилках, использующих традиционные способы подвода тепла, до настоящего времени не найдены, если не считать отдельных публикаций сугубо экспериментального характера [36, 64]. Между тем оптимальные режимы термовлажностной обработки и сушки древесины могут быть определены на основе физически строгого математического описания. Рассмотрим сначала решение этой задачи. Будем ориентироваться на сушку древесины хвойных пород.
Алгоритм автоматического поиска экстремума целевой функции на объекте регулирования
Общим результатом диссертационной работы является комплексное решение задачи повышения качества сушки хвойной древесины, включающее математическое моделирование и оптимизацию процесса высокочастотной сушки, а также разработку автоматизированной системы управления сушилкой, осуществляющей поиск и стабилизацию оптимального режима на объекте управления. 1. В основу синтеза АСУ положена математическая модель процесса сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле, описывающая сушку как фильтрационный перенос пара под действием градиента давления и учитывающая распределённость давления по толщине пиломатериала, а также зависимости коэффициента паропроницаемости от температуры и влагосодержания. 2. Теоретическим и экспериментальным путем исследованы статические и динамические характеристики высокочастотной сушилки для древесины — объекта с переменными во времени параметрами — по каналам, связывающим интенсивность сушки с показателем качества готовой продукции: «мощность внутренних источников тепла — избыточное давление пара в пиломатериале», «мощность внутренних источников тепла - интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности». 3. Разработана методология оптимизации сушильного процесса. В качестве целевой функции предложен критерий «минимум прироста давления пара на единицу прироста мощности», формирующийся непосредственно на объекте управления и обеспечивающий минимальные внутренние механические напряжения в древесине при скоростной сушке. 4. Разработан алгоритм автоматического поиска оптимального режима сушки на объекте управления, в соответствии с которым экстремальный регулятор шагового типа осуществляет поиск удельной мощности внутренних источников тепла, обеспечивающей минимум целевой функции. 5. Разработаны алгоритм и структура автоматизированной системы управления оптимальным режимом сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле. Входящая в состав АСУ система экстремального регулирования с переменным шагом поиска определяет и поддерживает оптимальный по заданному критерию режим сушки в условиях неконтролируемых возмущений. 6. Рассчитаны технические характеристики системы экстремального регулирования в составе АСУ — размеры шагов поискового движения в функции от текущего влагосодержания, интервал регулирования, максимальное время поиска экстремума, потеря на поиск. Работоспособность АСУ исследована в условиях воздействия параметрических возмущений, вызывающих ускоренный дрейф статической характеристики объекта. Размеры шагов управляющего воздействия в тактах регулирования рассчитаны с учетом опережения дрейфа статической характеристики объекта. 7. Показаны эффективность и высокое качество сушки лесоматериалов в оптимальном режиме — скоростная сушка при минимальных внутренних механических напряжениях в древесине. 8. Высокочастотная сушилка для древесины, реализующая оптимальный в отношении качества готовой продукции режим процесса, рекомендована к практическому использованию для сушки лесо- и пиломатериалов большого сечения из хвойных пород древесины. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ А о, а], а2, аз, Ь/, Ьг, Ьз, — коэффициенты аппроксимационных выражений; л ат - коэффициент потенциалопроводноети переноса массы, м /с; л аТ - коэффициент температуропроводности, м /с; л ар - коэффициент конвективной диффузии, м /с; Ь — кинетический коэффициент : Ъ = —, кг/(Па-м3); йР св удельная пароёмкость древесины, 1/Па; ср - удельная теплоёмкость древесины, Дж/(кг-К); С - электрическая ёмкость, Ф; йзаз - толщина диэлектрического (воздушного) зазора, м; 4 - толщина материала, м; Е — напряжённость электрического поля в материале, В/м; Еа - постоянное анодное напряжение, В; Еупр управляющее напряжение, В; /- частота ЭМ-поля, Гц; Ро - критерий Фурье; g - число экспериментальных точек; Оо - постоянная времени объекта, с; г - номер интервала регулирования; /до - постоянная составляющая анодного тока генератора, А; 1а1 - амплитуда первой гармоники анодного тока генератора, А; ко - волновое число для вакуума, 1/м; квч коэффициент передачи ВЧ-генератора; ко, к0, ки к2 - коэффициенты усиления звеньев; Кр - коэффициент паропроницаемости древесины, с; / - линейный размер тела; текущая координата, м; 1т — термоградиентный коэффициент переноса массы, 1/К; т, тр — пористость материала; Мо — масса сухого материала, кг; Мв - масса влаги в пиломатериале, кг; ТУ-скорость сушки, 1/с; п — число тактов (шагов регулирования); р - удельная мощность, Вт/м ; Р - локальное давление, Па; Ризб локальное избыточное давление, Па; Р изб оптимальное значение давления в центре тела, Па; Р0 - атмосферное давление, Па; Роо - давление, устанавливающееся за бесконечное время, Па; Р изб избыточное давление в центре тела, устанавливающееся за бесконечное время, Па; С - интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности, Па-м3/Вт; qp - источник тепла, связанный с фазовыми превращениями (скорость испарения влаги внутри материала), Па/с; с]р - скорость испарения влаги внутри материала при начальном условии (3.17), Па/с; г - удельная теплота парообразования, Дж/кг; Г1 — активное сопротивление, Ом; 5 - параметр парообразования Лапласа; Т- средняя температура материала, К, С; Тц - температура в центре тела, К, С; ир - действующее значение напряжения на рабочем конденсаторе, В; и - локальное влагосодержание, кг/кг, %; й, Ж- среднее влагосодержание, кг/кг, %; о л; — вертикальная координата, м; хсв - реактивное сопротивление элемента связи, Ом; У— передаточная функция звена; гп - потеря на поиск ("рысканье"), %; а - коэффициент затухания ЭМ-волны, 1/м; ао, аі — коэффициенты разложения в ряд импульса анодного тока.
Алгоритм управления оптимальным режимом высокочастотной сушки хвойной древесины
Значение мощности рн в стадии нагрева выбирается равным или большим, чем значение мощности в начале стадии сушки рн. При достижении высушиваемым материалом температуры Тпов = Т0 = 100С (с заданной точностью !Ру) регулятору мощности автоматически задается новая уставка: р\ = р н, причем р н = Ропт При й = й0 ( „= 0,0102 МВт/м3). В этот же момент (когда Т0 =Тпов) производится задание шага Ар; поискового движения, после чего начинает работать СЭР, осуществляющая автоматический поиск экстремума целевой функции по измеренным значениям Тц в контрольном образце. Алгоритм автоматического поиска экстремума целевой функции при постоянном шаге поиска уже был рассмотрен - рис. 3.5. В блок-схеме на рис. 4.3 шаг регулирования изменяется трижды и поиск осуществляется вновь при каждом новом изменении размера шага. Процедура поиска экстремума заключается в опросе термодатчика (Гг/=Гг//), задержке расчета Рпзо. / на время туо, расчете Ризб.1 и запоминании этого значения, повторении тех же операций для значений ТЦ2 и Ризб.2 (при задержке расчета на время ту/ ) и дальнейшем вычислении и запоминании первого значения целевой функции С) = СЬ. Аналогичным образом (по двум соседним значениям Ризбл и Ризбл-д формируется значение целевой функции С), в г-том такте:
Дальнейшее направление поискового движения определяется знаком приращения целевой функции и знаком предыдущего приращения регулирующего воздействия. Одновременно с поиском функции 3„1(„ осуществляется расчет текущего влагосодержания пиломатериала РГ,-Здесь / - номер интервала регулирования. Поиск и поддержание СЪш при заданном первом шаге Др; продолжаются до тех пор, пока текущее влагосодержание не достигнет первого критического значения IV/ = 0,5 кг/кг. В момент, когда IV = Ж/,автоматически задается новый (увеличенный) размер шага Ар2, после чего СЭР начинает новый поиск экстремума при одновременном вычислении влаго содержания Ж/. При достижении пиломатериалом второго критического влагосодержания (Ж2 0,4 кг/кг) размер шага автоматически увеличивается в третий раз: Ар = Дрз (табл. 4.2).
В начале своей работы (при й = й0) СЭР осуществляет быстрый поиск экстремума, так что начальное влагосодержание пиломатериала не успевает измениться. В системе устанавливается режим автоколебаний вокруг экстремума.
Поиск и поддержание экстремума продолжаются до того момента, при котором Ж, не достигнет требуемого конечного значения влагосодержания 1к. В момент, когда IV,- = Жк (с заданной точностью ВЧ-нагрев автоматически отключается и начинается стадия естественного охлаждения высушенного пиломатериала до температуры Тк = 65С, которая осуществляется за пределами ВЧ-установки — сушильная камера с готовым пиломатериалом выкатывается из зоны нагрева - рис. 2.1. Стадия медленного охлаждения является необходимой, так как предохраняет пиломатериал от коробления. Температура пиломатериала в стадии охлаждения также контролируется дистанционно. При достижении температуры Тпов = Тк (с заданной точностью 4 3) оператор производит выгрузку высушенного пиломатериала из сушильной камеры.
Разработка и исследование автоматизированной системы управления оптимальным режимом высокочастотной сушки хвойной древесины
Структурная схема АСУ процессом ВЧ-сушки пиломатериалов из хвойной древесины разработана в соответствии с рассмотренным выше алгоритмом и представлена на рис.4.4.
Оператор измеряет начальное влагосодержание древесины, вводит исходные данные в микроконтроллер, осуществляет загрузку сушильной камеры пиломатериалом (вместе с пиломатериалом устанавливается контрольный образец) и производит пуск АСУ.
Пуск АСУ соответствует заданию начального значения мощности р,„ при котором начинается стадия нагрева. Текущее значение мощности р(т) по измеренным сигналам /а0б(т), 1ао(у) рассчитывается микроконтроллером по уравнению (2.31) и поступает на вход регулятора мощности. Уставками
