Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ процесса влаготепловои обработки сои как объекта управления и постановка задачи исследования 13
1.1. Анализ аспектов и проблем построения систем управления сложными технологическими объектами 13
1.2. Технологические свойства продуктов кулинарной обработки бобовых 30
1.3. Особенности организации и ведения процесса инактивации антипитлтельных соединений, содержащихся в сое и соевых продуктах 36
1.4. Современное состояние технологии и исследований в области моделирования и управления процессом инактивации антипитательнбгх веществ в сое и соевых продуктах 43
1.5. Общая постановка задачи оптимального управления процессом инактивации антипитальных веществ в сое и соевых продуктах 59
1.6. Основные выводы и постановка задачи исследования 68
Глава 2. Формализация основных качественных показателей процессов автоклавирования и свч-обработки антипитательных веществ сои 72
2.1. Формализация качественных показателей инактивации антипитательных веществ сои при автоклавировании 72
2.2. Формализация качественных показателей инактивации аптипитательньгх веществ сои при свч-обработке 77
2.3. Формализация качествені іьіх показателей инактивации антипитательных веществ сои при комбинироваі ii юм способе 90
2.4. Выявление влияния содержания уреазы на содержание ингибитора трипсина при реализации различных процессов 93
Глава 3. Математическое описание основных процессов влаготепловой обработки сои с целью инактивации антипитательных веществ 98
3.1. Выявление зависимости величины уреазы от некоторых параметров процессов 98
3.2. Получение математической модели процессов автоклавирования и свч-обработки путем расчета многофакторного уравнения регрессии 101
3.3. Получение моделей процессов автоклавирования и свч-обработки методом линейно-кусочной аппроксимации 109
3.3.1. Математическая модель процесса автоклавирования (зависимость уреазы от температуры и времени) по
3.3.2. Математическая модель процесса свч-обработки (зависимость уреазы от частоты и времени) 114
3.3.3. Математическая модель процесса комбинированной обработки 118
Глава 4. Разработка системы управления процессом инактивации антипитательных веществ сои 124
4.1. Постановка задачи оптимального управления процессом влаготепловой обработки сои 124
4.2. Анализ основных проблем и выбор метода структурного синтеза системы управления процессом 125
4.3. Выбор варианта организации сар технологических параметров процесса влаготепловой обработки сои 139
4.4. Формирование и анализ вариантов структур су процессом инактивации антипитательных веществ сои 151
4.5. Формализация задачи определения оптимальных заданий локальным регуляторам су процесса влаготепловой обработки сои 157
4.6. Основные структурные решения при разработке су процессом инактивации антипитательных веществ сои 160
4.7. Алгоритм функционирования су процессом инактивации антипитательных веществ сои 165
Заключение 168
Список использованной литературы 171
- Анализ аспектов и проблем построения систем управления сложными технологическими объектами
- Формализация качественных показателей инактивации антипитательных веществ сои при автоклавировании
- Выявление зависимости величины уреазы от некоторых параметров процессов
- Постановка задачи оптимального управления процессом влаготепловой обработки сои
Введение к работе
Актуальность работы.
Рыночная экономика жестко диктует необходимость обновления ассортимента продуктов питания богатых белками, исключая дорогостоящие- В настоящее время разработана возможность их замены растительным протеином, в первую очередь, за счет соевого белка. Но использование соевого белка в питании сдерживается из-за содержания в нем ряда таких антипитательных веществ, как ингибитор трипсина, уреаза, гемагглютин, липоксидаза и другие.
Для решения этой проблемы сою и продукты ее переработки следует подвергать влаготепловой обработке. Судя по анализу литературных данных, существует множество способов инактивации антипитательных соединений соевых продуктов, которые сводятся к 3 основным; физическим, биохимическим и комбинированным. При этом каждый инактивационный фактор избирательно действует на отдельное антипитательное вещество.
До настоящего времени нет единой точки зрения на эффективность того или иного технологического способа тестирования сои, но при этом все шире стали использоваться комбинированные способы влаготепловой обработки, сочетающие действие 2-х и более инактивационных фактора. В частности, ещё в 1986 году XJ. Chen et.al. свидетельствуют о высоком качестве инактивации антипитательных веществ соевой муки под действием СВЧ- обработки в сочетании с пропариванием.
Одной из важнейших задач предприятий, работающих в жестких условиях рыночной экономики, является конкурентоспособность: стабильность высокого качества продукции, снижение себестоимости производства вследствие снижения, прежде всего, энергетических и трудовых затрат, и как следствие увеличение спроса, а следовательно и увеличение производительности.
Рост интенсивности технологических процессов пищевого производства, повышение требований к объему и качеству выпускаемой продукции и снижению затрат при производстве продуктов питания - все это определяет жесткие требования к системам управления соответствующими технологическими процессами и объектами в целом.
За последние 10-15 лет наблюдается быстрое изменение и усложнение технологических схем пищевого производства и их аппаратурного оформления, существенная интенсификация технологических процессов. Одновременно весьма ощутимо вырос уровень автоматизации производственных процессов и, как следствие, значительно усложнились проектные решения. Появление широкой номенклатуры приборов и средств автоматизации, быстродействующей вычислительной техники и совершенных математических методов переработки информации в корне изменили системы управления (СУ), Наиболее характерным стало построение многоуровневых иерархических систем, широкое использование в системах управления цифровых вычислительных машин, человеко-машинных комплексов, значительное повышение требований к эффективности и надежности СУ, Наряду с этим определилась тенденция к быстрому обновлению СУ, В этих условиях возникла необходимость использования новых подходов к их созданию, позволяющих комплексно решать проблему повышения уровня автоматизации с целью повышения эффективности реализуемых технологический процессов.
Все это определяет актуальность и необходимость поиска эффективных технологических решений и соответствующего аппаратурного оформления процессов, реализующих новые способы влаготепловой обработки сои на основе применения новых научных подходов к разработке современных методов термической обработки, базирующихся на основных положениях системного анализа, с использованием современных технологических способов, систем контроля, управления и высокоэффективных информационных технологий, обеспечивающих все необходимые и достаточные условия наблю-
даемости и управляемости реализуемых процессов в условиях накладываемых возмущений и управлений.
Проведенный анализ затронутой проблемы показал, что широкому внедрению эффективных систем управления указанными процессами препятствует отсутствие единого подхода к комплексной проблеме их разработки и реализации. Повышение эффективности создания таких систем связано, в первую очередь, с созданием и совершенствованием специализированных математических моделей технологических процессов. При создании таких систем возникают многочисленные задачи, требующие анализа поведения объекта в статических и динамических режимах. Поэтому одной из главных проблем становится исследование и разработка эффективных и легко реализуемых машинно-ориентированных методов и алгоритмов управления такими процессами, обеспечивающих необходимую точность и качество.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка математической модели, алгоритмов и автоматизированной системы оптимального управления процессом влаготепловой обработки сои комбинированным способом, сочетающим автоклавирование и СВЧ-обработку, для разрушения антипитательных веществ, с использованием оперативной информации об активности уреазы и ингибитора трипсина в продукте.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
1. Системный анализ проблем инактивации ант и питательных веществ сои; различных подходов и способов технологической реализации процессов инактивации антипитательных веществ; путей и методов повышения эффективности реализации аппаратурного оформления технологического процесса и системы управления им. Исследование и постановка задачи создания системы оптимального автоматизированного управления процессом инактивации анти питательных веществ в сое и соевых продуктах
Исследование и разработка комбинированного способа влаготепловой обработки сои, сочетающего автоклавирование и СВЧ-обработку. и системы оценки качества инактивации антипитательных веществ в сое.
Выбор методологической основы и разработка математической модели процесса влаготепловой обработки сои, ориентированной на использование ее при оптимизации режимов ведения технологических процессов; проведение исследований изменений параметров инактивизации антипитательных веществ в сое; экспериментальное исследование эффективности разработанной модели на основе данных, полученных на промышленном объекте.
Выбор системы основных показателей процесса, оценивающих эффективность управления и формирование системы технологических условий и ограничений, определяющих допустимость реализуемых технологических режимов.
Исследование статических и динамических режимов процесса влаготепловой обработки сои в широком диапазоне входных воздействий с целью выявления характерных особенностей процесса; постановка и формализация задачи управления; выбор метода и разработка машинно-ориентированных алгоритмов решение задачи оптимального управления процессом влаготепловой обработки сои комбинированным способом, сочетающим автоклавирование и СВЧ-обработку.
Формирование оптимальной структуры системы оптимального управления процессом влаготепловой обработки сои и выбор технических средств, обеспечивающих реализацию оптимальных режимов ведения процесса; разработка алгоритма функционирования СУ.
Методы исследования. Проводимые исследования базировались на положениях технической кибернетики, методах статистического анализа, методах математического моделирования статического и динамического поведения сложных технологических объектов, методах оптимизации, методах
синтеза и анализа САР технологических параметров, имитационного компьютерного моделирования функционирования сложных объектов и систем управления ими.
Научная новизна работы;
1. Проведен системный анализ процесса влаготепловои обработки сои как объекта управления, результаты которого позволили поставить и формализовать задачу оптимального управления и выявить основные задачи, решение которых необходимо для разработки системы оптимального управления процессом.
2-Предложен новый способ аппаратурной и технологической организации процесса влаготепловои обработки сои и соевых продуктов на базе комбинированного способа, сочетающего автоклавирование и СВЧ-обработку. Научная новизна разработанного способа обработки сои подтверждена патентом РФ № 2003123642/13(024983).
Разработаны и исследованы математические описания всех основных процессов, протекающих в технологической схеме комбинированной влаготепловои обработки сои, ориентированные на использование их при оптимальном управлении на базе современных программно-технических средств и информационных технологий.
Выбрана эффективная методология и разработана оптимальная структурная организация двухуровневой системы оптимального управления процессом влаготепловои обработки сои, удовлетворяющей всем необходимым требованиям структурной управляемости и наблюдаемости,
5. Поставлена и формализована задача определения оптимальных за
даний локальным САР параметров технологических процессов двухуровне
вой системы оптимального управления.
Практическая значимость работы:
1, На основании проведенного системного анализа проблем инактивации антипитательных веществ сои предложен новый эффективный и легко
реализуемый в производственных условиях подход к организации процесса влаготепловой обрабоїки сои и соевых продуктов с использованием автоматизированной системы управления, базирующейся на современных программно-технических средствах и информационных технологий.
Выбрана методологическая основа и разработана математическая модель технологического процесса влаготепловой обработки сои при комбинированного способе, сочетающем автоклавирование и СВЧ-обработку, ориентированная на использование ее при двухуровневом оптимальном управлении технологическим объектом,
Выбрана система основных показателей процесса, оценивающих эффективность управления, и сформирована система технологических условий и ограничений, определяющих допустимость реализуемых технологических режимов.
Выбран метод и разработаны универсальные машинно-ориентированные алгоритмы решения задачи оптимального управления процессом влаготепловой обработки сои комбинированным способом; разработана оптимальная структура двухуровневой системы оптимального управления процессом влаготепловой обработки сои, удовлетворяющей всем необходимым условиям структурной управляемости и наблюдаемости, и обеспечивающей повышение биологической и пищевой ценности, а также увеличение рентабельности производства соевых продуктов; разработай алгоритм функционирования СУ в условиях накладываемых возмущений и управлений.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при проектировании систем управления аналогичными объектами. Предложенные методы и алгоритмы используются в учебном процессе в СКГМИ (ГТУ) при подготовке специалистов в области технологической переработки пищевых продуктов.
Обоснованность и достоверность научных положении и выводов
подтверждается:
результатами экспериментальных исследований;
результатами вычислительных экспериментов;
соответствием теоретических и экспериментальных исследований;
работоспособностью предложенных методов и алгоритмов управления.
На защиту выносятся:
1. Разработанные математические модели всех основных процессов,
протекающих в технологической схеме комбинированной влаготепловой обработки сои,
Новый технологический способ влаготепловой обработки сои, сочетающий автоклавирование и СВЧ-обработку и основные структурные и аппаратурные решения его организации. Система основных показателей процесса, оценивающих эффективность управления, и система технологических условий и ограничений, определяющих допустимость реализуемых режимов ведения процесса,
Метод структурного синтеза систем управления, основанный на эволюционном принципе и обеспечивающий удовлетворение всех необходимых требований структурной наблюдаемости и управляемости объекта; машинно-ориентированные алгоритмы решение задачи оптимального управления процессом влаготепловой обработки сои комбинированным способом.
Структура и алгоритмы функционирования иерархической системы оптимального управления процессом влаготепловой обработки сои, обеспе-
чивающей повышение биологической и пищевой ценности, а также увеличение рентабельности производства соевых продуктов; результаты исследования эффективности разработанной системы оптимального управления.
Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты были доложены и обсуждены на III Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании, экономике» (Владикавказ, 2003), а также на конференциях: «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2003); «Новые и редкие растения Северного Кавказа» (Владикавказ, 2003); «Устойчивое развитие горных территорий : проблемы и перспективы интеграции науки и образования» (Владикавказ, 2004); «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2004); «Проблемы рационального использования растительных ресурсов» (Владикавказ, 2004).
Личный вклад автора, Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 1 патент РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 187 страниц машинописного текста, 25 рисунков, 22 таблицы и список литературы из 217 наименований.
Анализ аспектов и проблем построения систем управления сложными технологическими объектами
Проведенный предварительный анализ технологических особенностей технологических объектов, в которых реализуются процессы влаготепловой обработки сои и соевых продуктов показал, что они относятся к классу сложных химико-технологических систем, характеризующихся динамичностью, стохастичностью и сложностью, а также рядом специфических свойств, особенности которых рассмотрены ниже. Сложность решения задач создания эффективных систем управления (СУ) такими объектами в первую очередь обусловлена сложностью самого объекта управления.
За последние 10-15 лет наблюдается быстрое изменение и усложнение технологических схем производств и их аппаратурного оформления, существенная интенсификация технологических процессов. Одновременно весьма ощутимо вырос уровень автоматизации производственных процессов и3 как следствие, значительно усложнились проектные решения, возросли трудность и объем проектов, стоимость самих объектов проектирования; ужесточились требования монтажных организаций к объему и качеству документации.
В целом технологические системы (ТС) как объекты управления (подверженные различным внешним и внутренним воздействиям) требуют большого количества информации о состоянии технологического режима и необходимого количества управляющих воздействий, достаточного для перехода ТС с одного режима на другой и стабилизации последнего. Система управления ТС должна обеспечивать сбор, переработку и представление информации о состоянии ТС, автоматическую стабилизацию заданного технологического режима его оптимизацию, а также пуск и останов ТС,
При решении современных задач автоматизации ТС возникает сложный комплекс взаимосвязанных проблем. Прежде всего, это определяется значительно возрастающей в настоящее время сложностью самих объектов автоматизации, определяемой в первую очередь совершенствованием технологических процессов, и постоянно возрастающими требованиями к точности автоматического управления. Кроме того, в современных многоуровневых СУ осуществляется автоматизация сложных функций, связанных с принятием решений, исходя из цели управления в целом и критериев эффективности каждого уровня СУ, и выработкой воздействий на управляемую систему низшего иерархического уровня.
Многоуровневая структура современных СУ ТС диктует необходимость максимальной формализации решений задач автоматизации на всех иерархических уровнях. Эффективность построения таких систем во многом зависит от локальных систем автоматического управления нижнего уровня, осуществляющих функции измерения, регулирования и контроля технологических параметров, характеризующих протекание технологического процесса. Поэтому проблема комплектации создаваемых СУ эффективными средствами автоматизации на нижнем уровне управления я&тяется одной из важнейших, В последнее время значительное внимание уделяется созданию универсальных унифицированных систем управления переменной структуры (CYTIQ для автоматизации широкого круга технологических процессов в различных отраслях промышленности [1].
Разработка СУ сложными ТС сегодня относится к задачам, эффективное решение которых может основываться только на объединении теоретических представлениях о конкретной технологии, теории автоматического регулирования и управления, теории информации, теории оптимальности и теории систем [2-8].
Задачей инженерного проектирования СУ является, в общем, разработка систем (элементов, процессов), обеспечивающих оптимальное выполнение поставленной задачи при некоторых ограничениях, накладываемых на решение [9]. Первая группа ограничений относится к методу проектирования, вторая - к результату, т.е. проектируемой системе.
Одним из центральных моментов при проектировании СУ сложными технологическими объектами на этапах научных исследований и реализации технических проектов сегодня становится развитие системного подхода (системной методологии), заключающегося в изучении системы и её поведения в целом, как единого объекта, выполняющего определенную функцию в конкретных условиях.
В терминах теории множеств сущность системного подхода к проектированию заключается в том, что система проектирования (і)рассматривается, с одной стороны, как единая составная часть более общей системы (0}Л с которой она связана внешними связями (L є і), с другой стороны, эта система включает целый ряд задач и их комплексов (,) , тесно связанных между собой как потоками информации, так и общей целью функционирования: {L L2,....L ЛМі (1.1)
Целостность системы проектирования определяется в этом случае тем, что её внутренние связи сильнее внешних, а также отличием характеристик информационных потоков, проходящих по этим связям (управляющие - для связи с внешней системой и проектные - для внутренних связей самой системы проектирования). Внешние связи системы проектирования являются рекурсивными, т.е. необратимыми, а её внутренние связи могут быть обратимыми, рекурсивными или циклическими. При системном исследовании должны учитываться взаимодействие и взаимное влияние отдельных частей (подсистем) системы, существенные с точки зрения достижения системной заданной цели, воздействие окружающей среды и других систем, с которыми изучаемая система находится во взаимодействии или контакте.
Системный подход - это учет всего, что влияет на выполнение системой своих задач и достижение ею своих целей. При этом сама цель функционирования системы, решаемые ею задачи должны быть осмыслены и сформулированы с учетом влияния изучаемой системы на другие системы и, в первую очередь, на систему более высокого иерархического уровня. Неправильно или узко понятые и нечетко сформулированные цель и задачи функционирования системы сводят на нет эффект системного исследования.
Системные исследования и подход к проектированию СУ ТС привлекают в последние годы все большее внимание исследователей [10-17]. Системный анализ основывается на рациональном сочетании эвристических приемов, обобщающих опыт, интуицию и здравый смысл» с численными методами анализа и синтеза, ориентированными главным образом на применение современных ЭВМ,
Целесообразность применения системного подхода для анализа конкретной системы определяется её достаточной масштабностью (что позволяет ожидать значительный эффект по сравнению с исследованием системы по частям). Вместе с тем масштабы объекта системного исследования должны оставаться в рамках вычислительных возможностей ЭВМ и допускать достаточно точное её описание математическими методами [18],
Формализация качественных показателей инактивации антипитательных веществ сои при автоклавировании
Причиной снижение доступности аминокислот при термообработке служит реакция между аминокислотами и углеводами с образованием соединений с ферментоустойчивой связью. Эту реакцию, называют по имени Мейлларда, впервые описавшего химическое взаимодействие отдельных аминокислот и углеводов [102].
Считается, что в результате этой реакции большему разрушению подвергается лизин. Мартынов указывает на зависимость между показателем содержания растворимых фракций белка и лизина в протеине обрабатываемых кормов.
Химические свойства сои определяли статистическими методами по таким показателям как содержания сырого протеина, сырой клетчатки, сырого жира, активность уреазы, содержание ингибиторов трипсина и химотрип-сина, активность лектинов, перевариваемость белков, содержание лизина, определяемого на приборе «Техникой», содержание метионина, содержание витамина Е, определяемого методом тонкослойной хроматографии. Полный аминокислотный состав определяем на автоматическом аминокислотном анализаторе «Хромаспек», электрофорез белков проводили в 15-30%-ном по-лиакриламидном теле, содержащем 0,1% додецилсульфата Na при рН 8,3 в присутствии маркеров молекул массы.
Изучение изменения показателей качества зерна сои в процессе хранения проводили в лабораториях и производственных условиях.
Биологическую оценку эффективности влаготештовой обработки сои проводили общепринятым методом.
Давление пара оказывает существенное влияние на величину Кь, но при его постоянном значении физический смысл Kt сводится к характеристик ке термолабильных свойств ингибитора трипсина, что позволило получить формулу для корректировки продолжительности влаготепловой обработки зерна сои с различным содержанием ингибитора трипсина: где: ИТ[ - безопасное содержание ингибитора трипсина: (1-2 г/кг); Кп - коэффициент термолабильности ингибитора трипсина і-го сорта зерна сои (табл, 2Л).
Скорость разрушения ингибитора трипсина в процессе влаготепловой обработки, определяемая по формуле: VMT -ИТ0 - Kt е"к,т оказалась в прямо-пропорциональной зависимости от его содержания в исходном зерне. Содержание белка в процессе влаготепловой обработки зерна сои практически не изменяется, но его перевариваемость резко возрастает, при этом потери лизина меньше, чем при других способах тепловой обработки. Влаготепловая обработка сои способствует увеличению числа средне- и низкомолекулярных белков за счет разрыва L высокомолекулярных поли пептидных цепей, причем этот эффект усиливается при увеличении длительности обработки, как видно из электроформограммы.
Амурская 41 41,3 ; 0,265 J Аркадия j 34,7 f 0,300 Надднепрянская j 13,3 ] 0,170 і j ! Данные о содержании витамина Е в зерне сои, подвергнутых различным видам тепловой обработки, свидетельствует о том, что влаготепловая обработка наряду с разрушением ингибитора трипсина способствует наибольшей сохранности питательных веществ. Влаготепловая обработка способствует также наиболее существенному улучшению санитарного качества зерна сои, т.к. улучшается свойства микрофлоры зерна: погибают плесневелые микроорганизмы.
После обоснована технологии влаготепловой обработки сои была проведена оценка эффективности функционирования технологической линии влаготепловой обработки и использования зерна сои повышенной питательности.
Тепло- массоперенос при наличии внутренних источников тепла представляет комплексную задачу, сложность которой обусловлена рядом сопутствующих явлений; непостоянством электрофизических характеристик в процессе обработки, скоротечностью процесса термической обработки, объемным нагревом, селективностью диссипации энергии ЭМП СВЧ [181,192]. В [192,193] приводятся дифференциальные уравнения тепло- массопе-реноса, учитывающие концентрацию внутренних источников энергии и нелинейность эффектов высокоинтенсивных тепловых процессов:
В результате опытов была установлена значительная неравномерность плотности тепловой мощности в камере СВЧ-установки. На основе анализа данных из различных источников [170,176, 194, 195-197 ] был сделан вывод о целесообразности модификации рабочей камеры для микронизации бобов. Для подобной обработки в рабочей камере была коаксиально установлена диэлектрически прозрачная трубка (рис. 2.3), имеющая в верхней части отверстия для выравнивания давления внутри трубки с внутри камерным давлением.
Нижний конец трубки был оборудован воздушным клапаном Диаметр трубки 6 см не превышает половину длины волны основного вида излучений. Установка работает в периодическом режиме.
Выявление зависимости величины уреазы от некоторых параметров процессов
Известно, структура системы должна быть спроектирована из условий «заинтересованности» или «вынужденности» подсистем направлять свою деятельность в соответствии с глобальным критерием функционирования и основных ограничений, сформированных на стадии «формирование цели».
Генерация альтернативных вариантов декомпозиции сопровождается формированием локальных критериев оптимальности подсистем и анализом наблюдаемости и структурной управляемости их выходных переменных.
Формирование локальных критериев оптимальности подсистем ТС проводится исходя из условий координируемое последних. Под координи-руемостью относительно заданной глобальной задачи управления понимается обеспечение возможности влияния вышестоящей управляющей системы на нижестоящие решающие элементы так, чтобы их регулирующие воздействия на процесс в целом давали решение глобальной задачи[45].
Любая методология проектирования СУ для заданного технологического объекта должна включать в себя методологию выбора векторов управляющих и регулируемых переменных и их объединение в замкнутые контуры автоматического управления,
Ддя решения этих проблем в настоящей работе использовались достаточно эффективные процедуры построения логических деревьев подзадач управления. Построение логических деревьев основывалось на анализе причинных взаимосвязей переменных процесса, представляющихся с помощью ориентированного графа G(N,V); N - узлы графа, обозначающие переменные; V - ориентированные дуги, определяющие влияние причины. В общем случае 7-му узлу графа может быть инцидентна более чем одна дуга - это отражает различные влияния других узлов на і-ую переменную. Некоторые узлы, соответствующие так называемым фаничным переменным, не имеют инцидентных дуг. Цикл длиной / представляет собой упорядоченную последовательность различных вершин ц = (яря2),..,«м), таких, что п\ =и/+р(7л %-м)Е 5 A: = 1,2,...,/. Рассмотренный ориентированный граф G(N?V) называется причинно-следственным (сигнальным) графом процесса, отражает сущность установившихся материальных, энергетических и мо-ментных балансовых соотношений без необходимости в больших количествах данных. Кроме того, сигнальный граф систематически строится из причинно-следственных графовых моделей отдельных элементов процесса.
Выбор измеряемых и управляющих переменных. Этап включает прослеживание распространения влияния ограничивающих переменных (соответствующих целей управления в,) в сигнальном графе процесса. Выбор переменных определяется наличием датчика для измерения желаемой переменной, его стоимостью и надежностью, динамическими характеристиками и точностью измерения. Если ограничивающая переменная не может быть измерена непосредственно, её величину определяют косвенно - измерением других связанных с ней переменных. Может возникнуть проблема управления при неполной информации, вследствие невозможности обеспечения быстрого измерения переменных состояния. При этом для получения оценок неизмеряемых переменных может быть использована теория наблюдателя и теория фильтрации [203]. Сформированное в результате логического синтеза дерево структур регулирования показывает комбинацию контуров, потенциально позволяющих достичь специфическую цель регулирования.
Приведенный метод пригоден для широкого класса процессов и обеспечивает разработку некоторых альтернативных структур управления, число которых может быть уменьшено за счет инженерных эвристик. Оставшиеся должны быть тщательно исследованы с помощью динамических моделей при различных возмущениях для определения эффективности каждой из структур и выбора наилучшей.
Проведенные исследования особенностей традиционных подходов к проектированию САР и САУ сложных ТС, показал, что элементы эвристики при проектировании систем в общем случае неизбежны, и это обстоятельство не должно умалять значение этапов формального проектирования. Здесь уместно напомнить, что, например, традиционная структурная схема системы управления технологическим объектом не является следствием какой-либо теории, а представляет результат обобщения опыта.
Ниже рассмотрены основные особенности использования примененных логических и эвристических правил при выполнении отдельных этапов логического структурного синтеза САР параметров технологической системы влаготепловой обработки сои.
Выбор измеряемых переменных, реализуемый на этапе «Формирование исходного набора вариантов организации измерений из условия структурной наблюдаемости» осуществляется прослеживанием распространения цели регулирования Qi в сигнальном графе процесса. В некоторых случаях возможно выбрать ограничивающие переменные в качестве регистрируемых переменных. Выбор регистрируемых переменных определяется несколькими критериями: 1) наличием датчика для измерения желаемой переменной; 2) динамические характеристики датчика; 3) стоимость датчика; 4) надежность датчика; 5) точность измерения переменной.
Если ограничивающая переменная не может быть легко измерена непосредственно, её величину определяют с помощью косвенных измерений других переменных. Эти переменные идентифицируются при прослеживании распространения ограничивающей переменной в сигнальном графе процесса.
Постановка задачи оптимального управления процессом влаготепловой обработки сои
Задача проектирования СУ технологическим объектом связана с решением широкого круга взаимосвязанных проблем, таких как: классификация и распределение переменных, выбор рациональной иерархической структуры СУ, четкая формализация задач, решаемых на отдельных уровнях СУ, и соответствующих ограничений, рационального распределения функций человека и технических средств и других.
Эффективное решение перечисленных задач следует ожидать лишь при использовании системных методов исследования. В общем, весь процесс проектирования, как процесс принятия решения можно разбить на три этапа [199,200]: «внешнее» проектирование «формирование облика» технической системы и «внутреннее» проектирование.
Основной проблемой «внешнего» проектирования является конкретизация целей и задач, которые должна решать система и формирование требований к основным её характеристикам, обеспечивающим достижение этих целей
«Внутреннее» проектирование, по существу, является реализацией (в виде алгоритмического и программного обеспечения, комплекса технических средств, представляющих, собственно, вместе с элементами объекта самою систему) основных конструктивных параметров системы (облика), придающих её требуемые качества.
Наконец, «формирование облака» служит целям конкретной увязки требований «внешнего» проектирования с техническими и конструкторскими возможностями «внутреннего» проектирования.
Одной из основных задач «формирования облика» является генерирование (на уровне конструктивных параметров) множество альтернативных вариантов проектируемой системы, учитывающего, с одной стороны, возможности «внутреннего» проектирования и, с другой стороны, удовлетворяющего (в рамках этих возможностей) требованиям «внешнего» проектирования. Фактически, на этапе «формирование облика» строится корректное в вышеупомянутом смысле множество вариантов системы, среди которых следует искать вариант, обеспечивающий достижение целей, поставленных «внешним» проектированием. Следует отметить важность этого этапа при проектировании сложных систем, в частности, СУ многомерных объектов Изложенный подход к разбиению процесса проектирования на этапы представляется эффективным и в равной мере может быть отнесен к процессу проектирования всех иерархических уровней СУ, При этом результаты проектирования вышестоящего уровня являются исходными для проектирования примыкающего нижестоящего уровня иерархии СУ.
В соответствии с принятой терминологией первый этап (внешнее проектирование) предусматривает конкретизацию цели и задач создания СУ ТС.
В общем целью управления сложной ТС является достижение наиболее эффективного использования ресурсов при производстве продукции, удовлетворяющей определенным требованиям к качеству и совместимой с некоторыми ограничениями. Таким образом, управления ТС связано с широким спектром принятия решений и функций управления, обеспечивающих поддержание экстремального значения соответствующего критерия.
В общем случае этот этап предполагает выбор функции цели управления, под которой понимается мера эффективности ТС, усредненная подходящим образом по соответствующему интервалу времени и представляющая собой в общем виде функционал, зависящий от векторов входных переменных, управляемых входов и входных возмущений ТС. Выбор критерия оптимизации - самостоятельная и часто весьма сложная задача.
Критерии оптимизации могут быть самыми разнообразными. Ставится вопрос о сравнении возможных критериев и выборе из них наиболее выгодного на основе технико-экономического анализа состояния предприятия, места рассматриваемых ТС в общей производственной цепи предприятия, их взаимосвязей с поставщиками сырья и реагентов, с потребителями выпускаемой продукции, согласованности с критерием оптимальности управления предприятием в целом.
Таким образом, этап внешнего проектирования верхнего уровня завершается формированием наиболее приемлемого критерия управления ТС и системы накладываемых ограничений.
На этапе «формирование облика» прежде всего проводится анализ выбранного критерия и системы накладываемых ограничений с точки зрения их сложности и возможности использования при управлении ТС. При этом предполагается наличие адекватных математических моделей статики и динамики элементов ТС. Анализ проводится с рассмотрением следующих основных вопросов: 1. Размерность самой задачи оптимизации; 2. Сложность функциональных зависимостей выходных переменных от входных (математических моделей процессов ТС); 3. Анализ измеряемых, управляющих и возмущающих переменных, входящих в критерий и систему ограничений; 4. Предполагаемая частота решения задачи оптимизации; 5. Возможность сокращения числа управляемых переменных и возмущающих входов подавлением части их относительно задачи оптимизации путем замены отдельных групп параметров на соответствующие выходы локальных процессов, определяемых значениями этих параметров. Последние переходят в ранг управляемых задача регулирования которых перекладывается на нижний уровень СУ.
