Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ И
МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ АГРЕГАТОВ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ 16
Л1 Проблемы управления динамикой и математического моделирования процессов дозирования и непрерывного смесеприготовления 16
1.1.1 Основы представлений о способах оценки качества смесей 16
1.1.2 Методы математического описания динамики процессов непрерывного смесеприготовления 18
1.1.3 Проблемы математического моделирования смесеприготовительных процессов 20
1.2 Проблема не стационарности в описании процессов непрерывного смесеприготовления 26
1.2.1 Причины возникновения не стационарности сигнала смесеприготовления 26
1.2.2 Влияние флуктуации питающих потоков на процесс непрерывного смесеобразования 28
1.2.3 Методы спектрального представления нестационарных сигналов 33
1.3 Выводы и обоснование актуальности математического моделирования методами системного анализа и автоматизированного управления динамикой агрегатов непрерывного действия 37
ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА С ПОМОЩЬЮ СТРУКТУРНО-ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ И МЕТОДА ПРОСТРАНСТВА СОСТОЯНИЙ 39
2.1 Характеристика общей структурно-функциональной схемы смесеприготовительного комплекса, ее описание, исследование и анализ 39
2.1.1 Топологический способ анализа смесительной системы на основе сигнальных графов 42
2.1.2 Разработка и формирование расчетной блочной структурной схемы агрегата 44
2.1.3 Модели дозирующих воздействий в смесительном агрегате и их параметризация 46
2.2 Формирование моделей дозирующих потоков 47
2.2.1 Модели дозирующих устройств по формируемым ими материалопотокам в дозаторах непрерывного действия 47
2.2.1.1 Описание дозирующего сигнала спирального дозатора 47
2.2.1.2 Дозирующий сигнал шнекового дозатора 50
2.2.2 Разработка модели сигнала мгновенной производительности
порционных дозаторов 51
2.3 Описание технологического процесса смесеприготовления в терминах пространства состояний смесительного агрегата 60
23 А Основы построения моделей фрагментов СМПА в пространстве состояний 60
2.3.2 Векторно-матричные модели дозирующих устройств 68
2.3.2.1 Спиральный дозатор 68
2.3.2.2 Шнековый дозатор 70
2.3.2.3 Порционный дозатор 71
2.4 Концепция синтезирования модели смесительного агрегата в терминах пространства состояний 75
2.4.1 Синтез системы путем размещения полюсов 75
2.4.2 Оценка состояния 78
2.4.3 Синтез наблюдателя 81
2.4.4 Наблюдатели пониженного порядка 82
2.5 Выводы 86
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ...87
3.1 Описание лабораторно-исследовательского стенда 87
3.2 Дозировочное оборудование 89
3.3 Центробежный смеситель непрерывного действия 94
3.4 Физико-механические свойства исследованных материалов 96
3.5 Частотно-индуктивный преобразователь для измерения концентрации ключевого компонента в смеси сыпучих материалов 97
3.6 Аппаратно-программный управляющий мониторинговый комплекс для регистрации, обработки материалопотоковых сигналов и управления смесеприготовительным агрегатом 101
3.6.1 Блок-схема управляющего мониторингового комплекса 101
3.6.2 Первичные измерительные преобразователи для регистрации материалопотоковых сигналов 105
3.6.2.1 Тензометрические преобразователи 106
3.6.2.2 Пьезоэлектрические преобразователи 107
3.6.3 Система минимизации уровня пульсаций материалопотока на предсмесительной стадии 108
3.6.4 Система управления исполнительными механизмами дозирующих устройств 111
3.6.5 Методика определения качества смесей 112
3.7 Выводы 112
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И МАШИННЫЙ АНАЛИЗ ПРОТЕКАЮЩИХ В НЕМ ПРОЦЕССОВ 114
ч 4.1 Исследование работы дозирующих устройств 114
4.2 Расчет агрегата в технологическом пространстве состояний
при непрерывном дозировании 118
4.3 Моделирование сглаживания флуктуации материальных потоков!25
4.4 Функционирование каналов преобразования материалопотоков в смесительном устройстве 135
4.5 Исследование возможностей асинфазно-синхронного режима дозирования 144
4.6 Фильтрующие свойства смесителей и оценка качества смешивания 151
4.6.1 Влияние параметров смесеприготовительного агрегата на сглаживающую способность смесительного устройства 152
4.6.2 Определение рациональных параметров смесеприготовительного агрегата 159
4.6.3 Оценка степени интенсификации смесеприготовления 162
4.7 Выводы 165
ГЛАВА 5. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СРЕДСТВАМИ СПЕКТРАЛЬНЫХ И ВЕЙВЛЕТ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ 168
5.1 Причины возникновения не стационарности 168
5.2 Методы спектрального представления нестационарных сигналов материалопотоков 170
5.3 Возможности анализа многокомпонентных сигналов средствами преобразований Фурье 177
5.4 Математические основы теории вейвлет-анализа 179
5.4.1 Гильбертово пространство L2(R) 179
5.4.2 Характеристики функций в гильбертовом пространстве 180
5.5 Непрерывное вейвлет-преобразование 184
5.5.1 Масштабирование вейвлет-функций 186
5.5.2 Вычисление непрерывного вейвлет-преобразования 187
5.5.3 Время частотное разрешение 192
5.5.4 Вейвлет-восстановление 193
5.5.5 Дискретизация непрерывного вейвлет-преобразования 194
5.6 Выводы 196
ГЛАВА 6. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ВЕЙВЛЕТ-ПОИСКА СООТВЕТСТВИЯ И ДВУМЕРНЫХ КВАДРАТИЧНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ДЛЯ АНАЛИЗА НЕСТАЦИОНАРНЫХ
СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ 198
6.1 Метод вейвлет-поиска соответствия 198
6.2 Класс квадратичных время-частотных распределений для отображения динамических спектров материалопотоков 201
6.3 Вейвлет-поиск соответствия в конечных пространствах 209
6.4 Поиск соответствия при использовании время-частотных словарей 211
6.5 Дискретный поиск соответствия в словаре Габора 216
6.6 Численный алгоритм вейвлет-поиска соответствия с избыточным вещественным словарем Габора 219
6.7 Выводы 222
ГЛАВА 7. МОНИТОРИНГ И УПРАВЛЕНИЕ ДИНАМИКОЙ СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВЕЙВЛЕТ СРЕДЕ 224
7.1 Спектральная идентификация сигналов и коррекция режимов
работы смесеприготовительного агрегата 224
7.1.1 Время-частотное распределение Вигнера 224
7.1.2 Технология и методика реализации алгоритма адаптивной вейвлет-аппроксимации сигналов смесеприготовительной системы дискретным словарем Габора 226
7.2 Мониторинг и управление режимами работы
смесеприготовительного агрегата на базе вейвлет преобразований 231
7.2.1 Идентификация режимов дозирующего оборудования посредством время-частотных распределений 231
7.2.2 Фильтрация время-частотного распределения смесительным устройством 236
7.2.3 Процедуры обработки материалопотоковых сигналов и процесса управления смесительным агрегатом 239
7.2.4 Формирование управляющих воздействий в формате двумерных модифицированных сигналов 242
7.3 Выводы 249
ГЛАВА 8. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГОВОГО УПРАВЛЕНИЯ 251
8.1 Аппаратурное оформление процесса смешивания при витаминизации пищевых продуктов 251
8.2 Разработка аппаратурного оформления процесса смешивания в производстве сухого мороженого 252
8.3 Подготовка пряно-солевых смесей при приготовлении рыбных пресервов 255
8.4 Практическое использование смесеприготовительного агрегата с управляемыми режимами рециркуляции и дозирования при получении смесей сыпучих компонентов в производстве печенья...256
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ 264
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 270
ПРИЛОЖЕНИЯ 297
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 298
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 302
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 303
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 311
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 312
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 318
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 325
ПРИЛОЖЕНИЕ 8 334
ПРИЛОЖЕНИЕ 9 338
ПРИЛОЖЕНИЕ 10 339
ПРИЛОЖЕНИЕ 11 345
ПРИЛОЖЕНИЕМ 359
ПРИЛОЖЕНИЕ 13 3
Введение к работе
Важное место в производствах пищеперерабаты-вающих отраслей, связанных с реализацией удовлетворения продуктовых потребностей населения, занимают процессы переработки сухих сыпучих материалов.
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов получения смесей на основе сыпучих компонентов, проведенных в России и за рубежом, показывает значительное преимущество смесеприготовительных агрегатов непрерывного действия в сравнении с периодическими, что представляет широкие возможности по автоматизации процесса смесеприготовления, резкого повышения производительности при одновременном снижении энергопотребления, металлоемкости и себестоимости готового продукта, улучшения условий труда и оздоровления экологической обстановки.
Однако до последнего времени непрерывно-действующие смесительные аппараты не получили широкого применения в промышленности из-за нерешенности ряда вопросов. В частности, недостаточно изучена проблема влияния входных сигналов, формируемых дозаторами различного типа, на структурные параметры выходных потоков, а также совместное влияние этих факторов и динамических характеристик смесителей непрерывного действия (СНД) на качество готовой смеси.
Несмотря на то, что в последние годы рядом российских и зарубежных ученых (Александровский А.А., Ахмадиев Ф.Г., Зайцев А.И., Иванец В.Н., Макаров Ю.И., Gibilaro R.G. и др.) опубликованы исследования в области разработки теории и практики непрерывного смешивания, перечисленным вопросам, тем не менее, посвящено сравнительно небольшое количество работ. Поэтому незавершенность подобных исследований сдерживает разработку новых, более универсальных, разновидностей смесеприготовительных агрегатов, которые бы полнее удовлетворяли постоянно растущие требования к качеству готовых продуктов и условиям конкретного производства.
Кроме того, в настоящее время отсутствует системный подход к изучению процессов получения сыпучих смесей, который бы увязывал в единую цепочку процессы дозирования и смешивания с точки зрения кибернетических представлений о динамических системах.
Поскольку процессы смесеприготовления, в силу системно-технологических причин, являются нестационарными, время-частотно-зависимыми, традиционные методы анализа и выработка на их основе соответствующих способов управления рабочими режимами агрегата не могут быть применимы в данной ситуации. Вейвлет-управление в условиях автоматизированного агрегата, осуществляемое посредством импульсов сброса со стороны мониторингового комплекса для установки начальных (номинальных) условий, позволяет избежать возникновения неблагоприятных условий для смешивания.
Поэтому решение вопросов интенсификации и совершенствования смесеприготовительных процессов в непрерывно-действующих агрегатах с центробежными и вибрационными смесителями для переработки сухих дисперсных материалов на базе теоретических и экспериментальных исследований, создания теории и методик их расчета с использованием математических моделей процесса смесеприготовления, реализуемых на компьютерной основе, является актуальной задачей, представляющей значительный практический интерес для ряда ведущих отраслей экономики.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами трех программ: 1) научно-технической программы 0.38.06 «Создать и освоить производство продуктов детского питания и витаминизированных пищевых продуктов на основе научных принципов рационального и сбалансированного питания», утвержденной Постановлением ГКТН СССР №555 от 30.10.85 г. - тема 01.04.11 «Разработать и испытать опытно-промышленный комплект оборудования для дозирования и смешения микродобавок витаминов; 2) комплексной научно-технической программы «Продовольствие» (приказ Минвуза РСФСР №190 от 30.06.85 г.) - тема 06.63 «Разработка непрерывно-действующих смесительных агрегатов для приготовления высококачественных продуктов питания»; 3) целевой региональной научно-технической программы «Кузбасс» - тема 4.2.3 «Интенсификация процесса смешивания высокодисперсных материалов и разработка его аппаратурного оформления».
Для выполнения представленной работы использованы субсидии, выделенные по: 1) международному индивидуальному гранту на 2002 г. (IREX) «Информационные технологии и функции управления в дистанционном образовании и технических системах» на проведение научной работы в США, шт. Огайо и Вашингтон, адм. округ Колумбия (грантодержатель - Федосенков Б.А.); 2) гранту Минобразования РФ на 2003-2004 гг. «Система технологического мониторинга и автоматизированного управления динамикой непрерывных технологических процессов в агрегатах для производства пищевых дисперсных композиций на базе всплесковых преобразований», шифр гранта - Т02-03.2-2440, завоеванному по результатам проведения конкурса 2002 года по фундаментальным исследованиям в области технических наук (грантодержатель - Федосенков Б.А.).
Похожие диссертации на Научно-технические основы создания и моделирования автоматизированных систем управления непрерывными смесеприготовительными процессами
