Введение к работе
Актуальность работы.
На современном этапе экономического развития Российской Федерации на первый план выходят проблемы повышения эффективности различных отраслей пищевой промышленности. Все более возрастают требования к повышению качества и конкурентоспособности готовых отечественных продуктов питания на мировом рынке. Решение данных проблем в условиях ограниченности материальных и финансовых ресурсов невозможно без неуклонного наращивания научно-технического потенциала пищевых отраслей Агропромышленного комплекса (АПК), для чего необходимо создание и широкое использования инновационных наукоемких технологий как источника достижения стратегических целей, позволяющих добиться конкурентных преимуществ.
В основе пищевых технологий лежит сложный комплекс физико- химических, биохимических и микробиологических процессов, основанных на явлениях и закономерностях преобразования пищевых сред, который проводится на оборудовании, предназначенном для ведения механических и гидродинамических процессов, а также на оборудовании для ведения тепло-, массообменных и биотехнологических процессов.
Гидромеханические системы (ГС), широко используемые в пищевой промышленности, отличаются большим разнообразием, вытекающим из назначения конкретных производств, видов и типов пищевых масс, условий протекания процессов. В структуре таких ГС можно выделить аппараты и устройства, в которых происходит собственно процесс обработки (нагрева, смешения, сепарирования, экстрагирования, аэрации, и т.д.) пищевых масс; системы предварительной фильтрации компонентов и ввода рабочих тел в зоны обработки, насосы и напорные баки, объединенные разветвленной системой проточных каналов и трубопроводов с установленной на них запорно-клапанной и другой регулирующей арматурой. Протяженность продуктопроводов с учетом межцеховых и межоперационных переходов, трубопроводных систем водоподготовки, котельного, нагревательного и вспомогательного оборудования, составляющего параллельную локальную разветвленную структуру, может составлять сотни метров. Обработка пищевых масс и течение рабочих жидкостей в ГС пищевых производств сопровождаются тепло- и массообменными процессами, приводящими к формированию двухфазных газожидкостных смесей. К ним относятся:
процессы водоподготовки и водоочистки в пищевых производствах, включающие этапы озонирования и аэрирования;
процессы газификации минеральных вод, карбонирования пива, кваса, шампанских вин; сатурации фруктовых напитков;
процессы производства пористого шоколада и конфет на основе пористого суфле;
технологические схемы с тепло- и массообменными процессами, включающие образование паро-газовых фракций в потоке пищевых масс при их обработке;
процессы ультразвуковой кавитации и гидродинамическое кавитационное воздействие на поток продукта при его высокоскоростном продавливании через специальные роторные и роторно-пульсационные аппараты;
процессы экстрагирования в пульсационных газожидкостных экстракторах;
процессы в аппаратах с течением двухфазной смеси по пространственно периодическим каналам в виде соединений диффузоров и конфузоров;
процессы промывки магистралей и емкостей гидросистем пищевых производств с использованием кавитационных процессов и газожидкостных смесей.
Проведенный в этой области обзор и анализ различных источников информации показал, что имеются многочисленные математические модели, ориентированные на описание сложных и разнообразных тепло- и массообменных процессов обработки пищевых масс, физического и химического взаимодействия их компонентов в конкретных агрегатах и аппаратах. Большое внимание уделено описанию работы самих технологических устройств, взаимодействию различного вида оборудования с пищевыми массами, а также способам и средствам воздействия на них для получения продукции с необходимыми свойствами и качеством. Как правило, такие модели имеют конкретную привязку к конструкции агрегатов и режимным технологическим параметрам обработки. Результатом применения таких математических моделей в практике пищевых производств являются, в том числе, расчеты полей скоростей, температур и концентраций компонентов в объеме пищевых масс на разных этапах обработки при заданном режиме их течения, позволяющие выявить оптимальные режимы работы оборудования, минимизировать потери продукции, улучшить ее качество.
Вместе с тем, ряд вопросов качества обработки продуктов, а также стабильности и безопасности работы технологического оборудования могут быть решены только из рассмотрения устойчивости работы всей гидромеханической системы и отдельных ее контуров, как связанной динамической системы. Все большую актуальность решение этих задач приобретает в последнее время в связи с ростом энергонапряженности применяемого оборудования; режимов обработки пищевых масс; включением в существующие схемы и сложившуюся инфраструктуру производства новых, автономно разработанных и действующих независимо систем и агрегатов; внедрением инновационных технологий с использованием вибраций оборудования и пульсаций потока; формированием двухфазных газожидкостных смесей; применением автоматизированных систем контроля, регулирования и управления производством. В этом случае важными характеристиками гидросистем будут являться спектр собственных частот, формы колебаний, амплитудно- и фазочастотные характеристики, запас устойчивости и качество переходных процессов.
Поэтому разработка моделей и алгоритмов гидродинамических процессов пищевых производств является чрезвычайно актуальной задачей, решение которой позволяет автоматизировать и оптимизировать технологические процессы пищевой промышленности; разрабатывать новые интеллектуальные автоматические системы контроля, регулирования и управления. Широкое использование созданных моделей и алгоритмов гидродинамических процессов пищевых производств также дает возможность детально изучить структуру ГС, найти общие закономерности, относящиеся к широкому кругу конкретных ситуаций систем обработки; а также диагностировать оборудование технологических линий для более эффективного и интенсивного их использования и решения практических задач автоматизации и управления ими.
Достоверность определения динамических характеристик гидросистем самым существенным образом зависит от представительности и адекватности используемых математических моделей. При этом значительное количество коэффициентов и констант, входящих в математическое описание отдельных элементов ГС пищевых производств, а также гидравлических характеристик устройств и агрегатов, свойств потока, влияющих на динамические характеристики, либо имеют неопределенный диапазон применимости, либо задаются приближенно, либо могут быть найдены только по результатам специальных экспериментальных исследований, что является весьма трудоемким и затратным способом. В этой связи в число важнейших научно- технических задач выдвигаются работы, направленные на решения задач настройки проектных параметров математической модели по данным собственных динамических характеристик.
Так как информация о формах колебаний объекта зачастую отсутствует или является существенно неполной, для практических целей можно использовать данные расчета спектра собственных частот колебаний системы. Задача в данном случае ставится как обратная спектральная задача, связанная с поиском вектора переменных управления, при котором первые собственных частот модели должны совпадать с составляющими некоторого заданного (экспериментально полученного) ограниченного спектра или близки к ним. На основе того же подхода могут решаться задачи диагностирования гидросистем пищевого производства в части идентификации свойств потока пищевых масс и выявления аномалий функционирования оборудования по параметрам, непосредственно влияющих на динамические характеристики, а также оптимизации спектра собственных частот.
Следует отметить, что в рассматриваемых обратных спектральных задачах критериальные функции в общем случае не являются всюду дифференцируемыми по переменным управления. Возможная недифференцируемость, а также многоэкстремальность критериальных функций могут быть обусловлены появлением кратных собственных частот и неполнотой экспериментальных данных, другими причинами. Как следствие, найденные решения могут оказаться оптимальными или наилучшими из некоторого множества локально оптимальных решений. Значительная трудоемкость решения обратных спектральных задач обусловлена их некорректностью, которая чаще всего проявляется в неустойчивости решения относительно погрешностей входных данных. Это требует применения в решении данных задач специальных регуляризирующих методов и разработки эффективных численных алгоритмов счета.
Цель и задачи исследования
Цель работы заключается в создании научной концепции и методологии разработки математических моделей гидродинамических процессов пищевых производств, обосновании и внедрении целостной системы инновационных высокоэффективных методов, программ оптимизации и диагностирования для решения задач автоматизации.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
проведение анализа, обобщение и систематизация физических механизмов динамических процессов в ГС пищевых производств как связанных динамических системах; выбор методов и способов расчета основных динамических характеристик ГС пищевых производств и их элементов, а также исследования влияния на эти характеристики физических свойств и структуры потоков в гидролиниях ГС;
научное обоснование и учет влияния разных форм продольного неоднородного распределения сжимаемости рабочих жидкостей в гидролиниях пищевых производств, как основного связующего звена ГС, на динамические характеристики: значения собственных частот и форм колебаний, амплитудно- и фазочастотные характеристики, другие особенности нестационарных волновых процессов, в том числе с учетом двухфазности потока;
разработка методологических основ создания математических моделей, алгоритмов и проведение экспериментальных исследований с анализом динамики пульсационных течений в гидролиниях с ограниченной искусственной газовой каверной для использования их в технологиях пищевых производств;
разработку и обоснование гибридных методов глобальной оптимизации с целью решения задач настройки проектных параметров модели, оптимизации и диагностирования гидромеханических систем пищевых производств по их динамическим характеристикам;
создание алгоритмов и методов численного расчета математических моделей и программ оптимизации и диагностирования;
проведение экспериментальных исследований на гидродинамическом стенде, направленных на проверку адекватности разработанных математических моделей;
проведение модельной отработки способов и алгоритмов создания пульсирующих потоков на основе автоколебаний ограниченной искусственной газовой каверны для их использования в технологиях пищевых производств;
создание модельных схем автоматизации технологических процессов на основе разработанных моделей и алгоритмов гидродинамических процессов.
Научные положения, защищаемые в работе:
обоснована актуальность и необходимость создания математических моделей и алгоритмов гидродинамических процессов в ГС, разработанных на основе анализа физических механизмов этих процессов, как фундаментальной основы для решения широкого круга задач автоматизации, оптимизации и диагностирования технологических процессов пищевой промышленности;
на базе теоретических обобщений и системного анализа разработана методология разработки, исследования и совершенствования математических моделей гидродинамических процессов пищевых производств;
теоретически обоснованы, разработаны и использованы математические модели трубопроводов и проточных каналов ГС, как основных элементов, объединяющих аппараты и агрегаты пищевых производств в единую связанную систему, с учетом продольной неоднородности распределения свойств потока (плотности, сжимаемости, объемного газосодержания и т.д.), обусловленной самим процессом обработки и структурой ГС;
обоснована принципиальная возможность демпфирования периодических возмущений в ГС пищевых производств путем создания волн объемной концентрации свободной газовой фазы в двухфазном потоке (с появлением зон непрозрачности);
теоретически обоснован эффективный способ создания пульсаций потока в магистралях ГС пищевых производств для интенсификации технологических процессов с использованием течений с ограниченной искусственной газовой каверной;
выявлены, обобщены и систематизированы подходы к настройке проектных параметров математических моделей динамических процессов в ГС пищевых производств, их оптимизации и диагностированию на основе решения обратных спектральных задач с применением методов глобальной оптимизации;
установлена целесообразность и принципиальная возможность применения новых методов глобальной оптимизации с гибридными алгоритмами и эффективными численными методами реализации расчетов для задач настройки проектных параметров, оптимизации и диагностирования ГС пищевых производств по динамическим характеристикам, относящимся к задачам недифференцируемой оптимизации;
созданные модели и алгоритмы динамических процессов на основе анализа их физических механизмов, позволяют эффективно автоматизировать технологические процессы пищевых производств.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
создана методология разработки моделей и алгоритмов гидродинамических процессов пищевой промышленности на основе анализа их физических механизмов;
разработаны теоретические основы общего подхода к автоматизации гидродинамических процессов пищевых производств по разработанным математическим моделям;
впервые разработаны математические модели и выявлены особенности динамических характеристик гидролиний ГС пищевых производств с учетом продольной неоднородности распределения свойства сжимаемости рабочей жидкости при монотонном и периодическом характере этого изменения; установлена возможность постоянной настройки системы на центр полосы непрозрачности путем регулирования создания в потоке волн объемной концентрации газа;
впервые создана математическая модель ограниченной искусственной газовой каверны в форме дифференциального уравнения с запаздывающим аргументом; найдены границы областей устойчивости данного локального кавитационного образования и гидролинии с ограниченной искусственной газовой каверны на выходе магистрали;
выявлены основные динамические и структурные особенности развития ограниченной искусственной газовой каверны в трубопроводе при колебаниях на специально разработанном гидродинамическом стенде, проведено комплексное исследование динамики гидролиний с ограниченной искусственной газовой каверной в потоке;
раскрыт механизм автоколебаний и релаксационных колебаний в гидролинии с ограниченной искусственной газовой каверной; получены зависимости для амплитуд и частот автоколебаний; предложено использовать этот механизм для создании пульсаций потока в технологических процессах пищевых производств;
разработаны и предложены новые гибридные методы глобальной оптимизации как основного инструмента решения обратных спектральных задач динамики для гидромеханических систем пищевых производств;
разработаны и применены эффективные алгоритмы и новые численные методы реализации расчетов для целей настройки проектных параметров математических моделей, оптимизации и диагностирования гидромеханических систем пищевых производств по их динамическим характеристикам;
разработаны теоретические основы общего подхода к автоматизации гидродинамических процессов, реализованные в новых схемах автоматизации процессов создания пульсаций потока и демпфирования колебаний в гидролиниях пищевых производств на основе алгоритмов, разработанных по динамическим моделям процессов;
построена архитектура реализующего комплекса системы контроля и регулирования гидродинамическими процессами с применением новых технических решений.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
создана и апробирована методология разработки математических моделей гидродинамических процессов пищевых производств;
разработано, обосновано и использовано математическое и алгоритмическое обеспечение для задач автоматизации гидродинамических процессов пищевых производств;
разработаны рекомендации по организации процесса получения газожидкостных смесей при производстве пористого шоколада и конфет на основе пористого суфле, которые используются на кондитерской фабрике «Рот Фронт» и концерне «Бабаевский»; проведены оптимизационные расчеты спектра частот участка карбонации пива на ОАО «МПБК Очаково»;
предложен способ и разработано устройство гашения колебаний в гидросистеме путем создания волн объемной концентрации газовой фазы в потоке жидкого компонента, включая схему автоматизации этого процесса; рекомендованы к использованию для организации смешения газовой и жидкой фаз на динамически нагруженных участках гидросистем пищевых производств;
разработан и использован для исследований модельный гидродинамический стенд для проведения испытаний гидромеханических систем на двухфазных газожидкостных смесях с визуализацией течений;
получен обширный экспериментальный материал, положенный в основу математического моделирования, и проведено комплексное исследование самовозбуждающихся колебаний в ГС с ограниченной газовой каверной;
разработаны способ и устройство, а также схема автоматизации создания пульсаций потока в ГС на основе автоколебаний ограниченной искусственной газовой каверны (получен патент); рекомендованы к использованию для целей интенсификации технологических процессов обработки пищевых масс; внедрено на кондитерской фабрике «Рот Фронт», концерне «Бабаевский», в ООО «Очаковский пивзавод» для целей промывки участков и тупиковых отводов в магистралях гидросистем пищевых производств; получены акты о внедрении;
разработан комплексы прикладных программ с новыми алгоритмами и численными методами для расчета, оптимизации и диагностирования ГС по их динамическим характеристикам (3 программы зарегистрирован в едином государственном реестре);
сформулированы предложения для обеспечения широкого использования методологии, теоретических и экспериментальных результатов работы для дальнейшего совершенствования действующих и разрабатываемых перспективных гидромеханических систем и технологических процессов в пищевой промышленности, а также при решении подобных вопросов для гидромеханических систем производств в химической, энергетической, отраслях промышленности и жилищно- коммунальном хозяйстве;
полученные в рамках настоящего исследования научные и практические результаты внедрены в учебном процессе МГУПБ на кафедре «Автоматизация биотехнических систем» для студентов направлений «Автоматика и управление» и «Управление и информатика в технических системах», а также специальности «Автоматизация технологических процессов и производств», на что оформлены соответствующие акты внедрения.
Результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, были использованы при проведении научных исследований по грантам и заданиям Министерства образования и науки Российской Федерации и Федерального агентства по образованию:
по проекту «Снижение риска получения некачественной продукции за счет научно-обоснованных методов, приборов и систем автоматического контроля безопасности сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов питания» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (код ГРНТИ – 65.01.85, регистрационный номер – 7242).
по проекту «Организация и проведение научно-методической конференции по проблемам комплексной автоматизации и управления производственными процессами для обеспечения выпуска продукции заданного уровня качества на пищевых предприятиях города Москвы»
по Госконтракту №02.445.11.7314 от 24.06.2006 г. на выполнение работ в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» по теме «Динамика механических и гидромеханических систем, их оптимизация и диагностирование»;
по гранту по поддержке фундаментальных исследований (Е02-4.0-6, 2002-2004 г.г.) по теме «Разработка математических моделей, расчет и оптимизация динамических характеристик гидромеханических систем».
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось в период с 1988 по 2010 г.г. с участием автора и публикацией трудов и тезисов докладов на следующих научных форумах: Всесоюзное совещание «Кавитационные автоколебания и динамика гидросистем», 1988. – Днепропетровск; Всесоюзное совещание «Пневмо- гидроавтоматика и пневмопривод", 1990г. – Суздаль; Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы динамики пневмогидравлических систем", 1990г. – Куйбышев; Межотраслевой научный семинар "Техническая диагностика и неразрушающий контроль", 1990г. – Москва; Межотраслевая научно-техническая конференция "Проблемы динамики пневмогидравлических систем", 1992. – Самара; Second Russian - Chinese symposium on astronautical science and technique, feb.1992.– Samara; Международная конференция "Современные проблемы применения СВЧ-энергии", 1993. – Саратов; Международная научная конференция "Электрофизические методы в перерабатывающих отраслях", 1994. – Воронеж; Общероссийский научный семинар "Методы и технические средства диагностирования ЯЭУ" 1994. – Обнинск; Международная конференция "Гидромеханика, гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика", 1994г. – Москва; Х-я Юбилейная международной конференция “Вычислительная механика и современные прикладные программные системы”, 1999. – Переславль-Залесский; 15-я Российская научно-техническая конференция ”Неразрушающий контроль и диагностика”,1999. – Москва; Международная конференция «Образование через науку», 2005. – Москва; IX-й Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, 2006. – Н.Новгород; XXVII-я Российская школа «Наука и технологии», 2007. – Миасс; VI-я Международная научно-техническая конференция «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (МНТК-2008), 2008. – Москва; V-я и VIII-я Всероссийская научная конференция «Нелинейные колебания механических систем», 1993, 2008. – Н.Новгород; XIV-я Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: экология, надежность, безопасность», 2008. – Томск; International Summer School — Conference “Advanced Problems in Mechanics”(AMP-2008, AMP-2009, AMP-2010), Russia, St.Petersburg (Repino); III-я, IV-я и V-я Всероссийские конференции «Необратимые процессы в природе и технике (НП-2005, НП-2007, НП-2009)», – Москва; IX-я, X-я и XI-я Международные научно-техническая конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI века (C&T-2008, C&T-2009 C&T-2010)», Воронеж; VI-я и VII-я Всероссийские конференции «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ - (ММ-2009, ММ-2010)», – Самара; XXI-я, XXII-я и XXIII-я Международные научные конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21, ММТТ-22, ММТТ-23)», 2008 Саратов, 2009 Псков, 2010 – Саратов; XVII-я Международная научно-методическая конференция «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке», 2010 С.- Петербург.
Результаты работы неоднократно обсуждалась на кафедре автоматизации биотехнических систем МГУПБ (зав. кафедрой д.т.н., проф. Благовещенская М.М.) на научном семинаре по математическому моделированию процессов в пищевой промышленности (руководитель академик РАСХН Рогов И.А.), на научном семинаре по динамике гидромеханических систем в МГТУ им. Н.Э. Баумана (руководитель академик РАН Колесников К.С.), на Общемосковском научно-методическом семинаре кафедры теоретической механики МГТУ им. Н.Э.Баумана (руководители зав. кафедрой Дубинин В.В. и д.ф.-м.н., проф. Лапшин В.В.).
Публикации. По материалам диссертации имеется более 60 публикаций, в том числе: 12 в журналах, рекомендуемых ВАК, 1 патент, 3 зарегистрированные программы для ЭВМ
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Общий объём работы 250 стр., включая 57 рис., 2 табл. Список литературы содержит 176 наименований.
