Совершенствование систем управления аппаратурно – технологическими комплексами пищевой промышленности
УДК 664.03, 664.08, 637.2
Совершенствование систем управления аппаратурно – технологическими комплексами пищевой промышленности
Балюбаш В.А., Алѐшичев С.Е., Добряков В.А.
sergspbcprf@rambler.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики Институт холода и биотехнологий
Формирование качественных показателей готового продукта в потоке является одной из основных задач, решаемых с применением автоматизированных систем управления. В пищевой промышленности при разработке систем управления сложными комплексами необходимо учитывать их аппаратурно-технологические особенности. К таким особенностям может быть отнесено отсутствие возможности применения управляющих воздействий на финальной стадии процесса, наличие ограничений на их использование, возможность организации параллельно-последовательной работы каналов управления. Авторы анализируют вопросы применения многоканальных систем управления с учетом имеющихся особенностей.
Ключевые слова: технологические процессы, каналы управления, управляющие воздействия.
Perfection of control systems in hardware – technological
complexes of the food-processing industry
Balubash V.A., Aleshichev C.E., Dobryakov V.A.
sergspbcprf@rambler.ru
Saint-Petersburg national research university of information technologies, mechanics and optics
Institute of a cold and biotechnologies
Formation of quality indicators of a ready product in a stream is one of the primary goals solved with application of automated control systems. In the foodprocessing industry at system engineering management by difficult complexes it is necessary to take into account their hardware - technological features. To such features absence of an opportunity of application of managing influences at a final
1
stage of process, presence of restrictions on their use, an opportunity of the organization of parallel-serial work of channels of management can be referred. Authors analyze questions of application of multichannel control systems in view of available features.
Keywords: technological processes, channels of the controlling, controlling influences.
Аппаратурно-технологические комплексы (АТК) производства пищевых продуктов представляют функциональную структуру технологических объектов и систем управления, сочетающую непрерывные, непрерывнодискретные и дискретные режимы работы технологических объектов. Техническая организация и аппаратурное оформление отмеченных АТК связана, как правило, с использованием биотехнологических и тепломассообменных процессов, а также с наличием дискетных режимов, обеспечивающих промежуточную подготовку сырья и обуславливающих тем самым технологические операции очередности подключения отдельных объектов АТК. В ряде случаев аппаратурное оформление отдельных объектов структуры АТК не в полной мере конструктивно обеспечено каналами управления, использование которых могло бы повысить качественные показатели систем управления.
Отмеченные функциональные и аппаратурные особенности снижают динамические характеристики объектов АТК и, соответственно, качественные показатели систем управления. Так поочередное подключение отдельных объектов структуры АТК с отличающимися качественными параметрами продукта приводит к появлению скачкообразных возмущений как наиболее тяжелой формы возмущающих воздействий.
Для многофакторных АТК с последовательным включением технологических звеньев, разделенных аппаратурно-технологическими емкостями и сопротивлениями характерен переходный вид запаздывания. Этот вид запаздывания суммарно с «чистым» запаздыванием значительно превышает запаздывание в одноемкостных объектах. В объектах с распределенной емкостью время запаздывания ещѐ более возрастает, ухудшая тем самым динамические свойства объекта.
При совершенствовании систем управления необходимо также учитывать специфику технологической и аппаратурной организации АТК пищевых производств, связанную с нормированным временем переработки некоторых
2
видов пищевого сырья и высоким уровнем требований к качественным показателям готового продукта.
Применяемые одноконтурные системы управления не могут обеспечить повышение качественных показателей процесса управления с учетом отмеченных особенностей объектов управления в структурах АТК пищевых производств. Это связано с технологическими и аппаратурно-техническими ограничениями величины внесения управляющих воздействий и регулирующего воздействия регулятора.
Улучшение показателей качества переходного процесса регулирования объектов управления АТК может быть достигнуто повышением регулирующего воздействия регулятора, а также снижением времени запаздывания в системе управления. Известно, что степень воздействия регулятора характеризуется динамическим коэффициентом регулирования, величина которого для системы автоматического регулирования объекта с самовыравниванием и, соответственно, для объекта без самовыравнивания выражается уравнениями
Rд
А1 Kоб
(1)
RД
А1 зап / Та
,
(2)
где А1 – максимальное отклонение регулируемого параметра от заданного значения в переходном процессе регулирования;
Kоб – коэффициент передачи статического объекта; μ – величина возмущающего воздействия; τзап – время запаздывания; Та – время разгона астатического объекта. Таким образом, приведенные зависимости показывают, что улучшение качественных показателей переходного процесса регулирования можно обеспечить повышением Kоб и снижением соотношения τзап / Та. В структурах
3
АТК при использовании многоканальных систем управления повышение Kоб реализуется внесением регулирующих воздействий по нескольким каналам управления, функционально связанным с регулируемым параметром.
Повышение эффективности воздействия регулятора на динамическое отклонение А1 в переходном процессе можно обеспечить только снижением величины τзап, так как Та является постоянной характеристикой данного объекта. Снижение τзап уменьшает также величину остаточного (статического) отклонения при применении П-регулятора и диапазона регулирования в системах двухпозиционного регулирования. Снижение τзап можно обеспечить предвычислением величины и знака контролируемого, но нерегулируемого возмущающего воздействия, использованием системы управления с параллельно-последовательным внесением регулирующих воздействий.
Предложенные способы совершенствования систем управления реализованы в форме проектных решений функциональных схем автоматизации для аппаратурно-технологических комплексов производства сливочного масла способом преобразования высокожирных сливок и способом сбивания, производства творога и сухих молочных продуктов [1, 2, 3, 4].
Список литературы:
1. Стегаличев Ю.Г., Балюбаш В.А., Замарашкина В.Н. Технологические процессы пищевых производств. Структурно-параметрический анализ объектов управления: Учеб. пособие. – Ростов н/Д - СПб: Феникс, 2006. – 254 с.
2. Аппаратурно - технологический анализ процесса производства сливочного масла применительно к задачам стабилизации влажности. Алѐшичев С.Е. Проблемы техники и технологии пищевых производств. С.-Петербург. гос. ун-т низкотемператур. и пищ. технол. СПб, 2005, с. 9-16. Деп. в ВИНИТИ 07.04.2005. № 465- В2005.
3. Сборник технологических инструкций по производству сливочного и топленого масла / Под ред. Ф.А.Вышемирского – Углич: НПО «Углич», 1994. – 364 с.
4. Алѐшичев С.Е. Совершенствование процесса аппаратурно-технологической стабилизации влажности при производстве сливочного масла способом непрерывного сбивания : Автореф. дис. … канд. техн. наук // ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий». – СПб. – 2009. – 16 с.
4
Совершенствование систем управления аппаратурно – технологическими комплексами пищевой промышленности
Балюбаш В.А., Алѐшичев С.Е., Добряков В.А.
sergspbcprf@rambler.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики Институт холода и биотехнологий
Формирование качественных показателей готового продукта в потоке является одной из основных задач, решаемых с применением автоматизированных систем управления. В пищевой промышленности при разработке систем управления сложными комплексами необходимо учитывать их аппаратурно-технологические особенности. К таким особенностям может быть отнесено отсутствие возможности применения управляющих воздействий на финальной стадии процесса, наличие ограничений на их использование, возможность организации параллельно-последовательной работы каналов управления. Авторы анализируют вопросы применения многоканальных систем управления с учетом имеющихся особенностей.
Ключевые слова: технологические процессы, каналы управления, управляющие воздействия.
Perfection of control systems in hardware – technological
complexes of the food-processing industry
Balubash V.A., Aleshichev C.E., Dobryakov V.A.
sergspbcprf@rambler.ru
Saint-Petersburg national research university of information technologies, mechanics and optics
Institute of a cold and biotechnologies
Formation of quality indicators of a ready product in a stream is one of the primary goals solved with application of automated control systems. In the foodprocessing industry at system engineering management by difficult complexes it is necessary to take into account their hardware - technological features. To such features absence of an opportunity of application of managing influences at a final
1
stage of process, presence of restrictions on their use, an opportunity of the organization of parallel-serial work of channels of management can be referred. Authors analyze questions of application of multichannel control systems in view of available features.
Keywords: technological processes, channels of the controlling, controlling influences.
Аппаратурно-технологические комплексы (АТК) производства пищевых продуктов представляют функциональную структуру технологических объектов и систем управления, сочетающую непрерывные, непрерывнодискретные и дискретные режимы работы технологических объектов. Техническая организация и аппаратурное оформление отмеченных АТК связана, как правило, с использованием биотехнологических и тепломассообменных процессов, а также с наличием дискетных режимов, обеспечивающих промежуточную подготовку сырья и обуславливающих тем самым технологические операции очередности подключения отдельных объектов АТК. В ряде случаев аппаратурное оформление отдельных объектов структуры АТК не в полной мере конструктивно обеспечено каналами управления, использование которых могло бы повысить качественные показатели систем управления.
Отмеченные функциональные и аппаратурные особенности снижают динамические характеристики объектов АТК и, соответственно, качественные показатели систем управления. Так поочередное подключение отдельных объектов структуры АТК с отличающимися качественными параметрами продукта приводит к появлению скачкообразных возмущений как наиболее тяжелой формы возмущающих воздействий.
Для многофакторных АТК с последовательным включением технологических звеньев, разделенных аппаратурно-технологическими емкостями и сопротивлениями характерен переходный вид запаздывания. Этот вид запаздывания суммарно с «чистым» запаздыванием значительно превышает запаздывание в одноемкостных объектах. В объектах с распределенной емкостью время запаздывания ещѐ более возрастает, ухудшая тем самым динамические свойства объекта.
При совершенствовании систем управления необходимо также учитывать специфику технологической и аппаратурной организации АТК пищевых производств, связанную с нормированным временем переработки некоторых
2
видов пищевого сырья и высоким уровнем требований к качественным показателям готового продукта.
Применяемые одноконтурные системы управления не могут обеспечить повышение качественных показателей процесса управления с учетом отмеченных особенностей объектов управления в структурах АТК пищевых производств. Это связано с технологическими и аппаратурно-техническими ограничениями величины внесения управляющих воздействий и регулирующего воздействия регулятора.
Улучшение показателей качества переходного процесса регулирования объектов управления АТК может быть достигнуто повышением регулирующего воздействия регулятора, а также снижением времени запаздывания в системе управления. Известно, что степень воздействия регулятора характеризуется динамическим коэффициентом регулирования, величина которого для системы автоматического регулирования объекта с самовыравниванием и, соответственно, для объекта без самовыравнивания выражается уравнениями
Rд
А1 Kоб
(1)
RД
А1 зап / Та
,
(2)
где А1 – максимальное отклонение регулируемого параметра от заданного значения в переходном процессе регулирования;
Kоб – коэффициент передачи статического объекта; μ – величина возмущающего воздействия; τзап – время запаздывания; Та – время разгона астатического объекта. Таким образом, приведенные зависимости показывают, что улучшение качественных показателей переходного процесса регулирования можно обеспечить повышением Kоб и снижением соотношения τзап / Та. В структурах
3
АТК при использовании многоканальных систем управления повышение Kоб реализуется внесением регулирующих воздействий по нескольким каналам управления, функционально связанным с регулируемым параметром.
Повышение эффективности воздействия регулятора на динамическое отклонение А1 в переходном процессе можно обеспечить только снижением величины τзап, так как Та является постоянной характеристикой данного объекта. Снижение τзап уменьшает также величину остаточного (статического) отклонения при применении П-регулятора и диапазона регулирования в системах двухпозиционного регулирования. Снижение τзап можно обеспечить предвычислением величины и знака контролируемого, но нерегулируемого возмущающего воздействия, использованием системы управления с параллельно-последовательным внесением регулирующих воздействий.
Предложенные способы совершенствования систем управления реализованы в форме проектных решений функциональных схем автоматизации для аппаратурно-технологических комплексов производства сливочного масла способом преобразования высокожирных сливок и способом сбивания, производства творога и сухих молочных продуктов [1, 2, 3, 4].
Список литературы:
1. Стегаличев Ю.Г., Балюбаш В.А., Замарашкина В.Н. Технологические процессы пищевых производств. Структурно-параметрический анализ объектов управления: Учеб. пособие. – Ростов н/Д - СПб: Феникс, 2006. – 254 с.
2. Аппаратурно - технологический анализ процесса производства сливочного масла применительно к задачам стабилизации влажности. Алѐшичев С.Е. Проблемы техники и технологии пищевых производств. С.-Петербург. гос. ун-т низкотемператур. и пищ. технол. СПб, 2005, с. 9-16. Деп. в ВИНИТИ 07.04.2005. № 465- В2005.
3. Сборник технологических инструкций по производству сливочного и топленого масла / Под ред. Ф.А.Вышемирского – Углич: НПО «Углич», 1994. – 364 с.
4. Алѐшичев С.Е. Совершенствование процесса аппаратурно-технологической стабилизации влажности при производстве сливочного масла способом непрерывного сбивания : Автореф. дис. … канд. техн. наук // ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий». – СПб. – 2009. – 16 с.
4