автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация процесса получения биогумуса

г: и од

2 4 НОЯ <997

На правах рукописи

ПИОТРОВСКИМ ДМИТРИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИОГУМУСА

05. 13. 07 - Автоматизация технологических процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар 1997

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

М.П. Асмаев.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

E.H. Константинов кандидат технических наук, старший научный сотрудник Н.Ф. Сова

Ведущая организация: Кубанский филиал Всероссийского научно - исследовательского института зерна и продуктов его переработки Российской Академии сельскохозяйственных наук.

Защита диссертации состоится 23 декабря 1997 г. в \Ц,-Ш на заседании диссертационного совета К.063.40.06 Кубанского государственного технологического университета по адресу: г. Краснодар, ул. Красная 135, ауд. 80 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан /^ноября 1997 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, КубГТУ, ученому секретарю.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

В.И. Лойко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тоны. Концепция интенсификации сельскохозяйственного производства слабо учитывала на практике комплекс экологически?? проблем, еозникших в современном земледелии. Возрастание антропогенных нагрузок вызвано снижение плодородия почв. Мировой и отечественный опыт ведения сельского хозяйства свидетельствуют, что на повышение плодородия почв положительно влияют удобрения, особенно органические.

Одним из новых способов получения органического удобрения является технология переработки органических отходов при помощи заселения их земляным*, или навозными червями. Органические отходы при размножении в них червей быстро теряют неприятный запах и через короткий промежуток времени превращаются в высококачественное органическое удобрение биогумус. Однако технологический процесс производства биогумуса отличается низким уровнем механизации и автоматизации, что, с одной стороны, приводит к значительной доле ручного труда, а с другой стороны - ставит в зависимость от умений, навыков, опыта обслуживающего персонала, его психо - физического состояния точность ведения процесса, и, как следствие, качество продукции.

Диссертационная работа посвящена разработке установки для производства биогумуса и автоматизированной системы управления ею.

Цель исследования. Разработка установки для производства биогумуса, синтез и создание типовой системы управления этой установкой для снижения доли ручного труда и повышения качества удобрения.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решается следующие задачи:

- разработка установки для производства биогумуса;

- разработка математической модели процесса производства биогумуса:

- экспериментальное исследование свойств установки и про-

верка адекватности математической модели процесса производства биогумуса; х

• _ - выбор и обоснование структуры регулятора;

- выбор и обоснование комплекса технических средств для реализации разрабатываемой АСУ;

- разработка методики проведения и осуществление натурно - имитационных экспериментов с целью отработки управляющего алгоритма и испытаний АСУ в лабораторных условиях.

Методы исследования. Поставленные задачи решены с использованием планов Шеффе 8x5, методов аппроксимации, метода максимума Понгрягина, математического моделирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- осуществлена постановка и определены методы решения задач в автоматизированной системе управления процессом производства биогумуса;

- исследована зависимость количества производимого био- • гумуса от температуры и влажности субстрата;

- разработана кинетическая модель процесса производства биогумуса;

• - разработана адекватней математическая модель процесса производства биогумуса;

- показана возможность реализации дискретных управлений для процесса производства биогумуса.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- создан биореактор - установка для производства биогумуса;

- разработан программно-технический . комплекс для имитационного моделирования процесса производства биогумуса;

- осуществлен синтез оптимального управления процессом производства биогумуса;

- получена адекватная математическая модель изменения численности вермикультуры в течении технологического цикла.

Реализация результатов работы. Установка для производства биогумуса (биореактор) и система автоматического управле-

ния процессом производства биогумуса, разработанные в рамках настоящего исследования, пропили испытания в Департаменте сельскохозяйственной инженерии Королевского Ветеринарного и Сельскохозяйственного университета, г. Копенгаген, Дания.

На завдпу шлюсятся:

- устройство биореактора - установки для производства биогумуса;

- алгоритм оптимального управления процессом производства биогумуса;

- состав и структура системы автоматического управления

4

биореактором;

- технические решения, принятые при реализации системы управления.

.Апробация работа. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международной научной конференции " Рациональные - пути использования вторичных, ресурсов АПК " ( Краснодар, 1997г.).

Публикации. Йо теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. Из них 1 тезисы докладам 4 статьи. Подана 1 заявка на предполагаемое изобретение.

* Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, содержащего 123 наименования, двух приложений, написана на 164 страницах машинописного текста, включая 21 рисунок, 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

О

Во введении обоснована актуальность теш, -кратко изложены теоретические и практические результаты работы, представлена их научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ существующих в России и в странах ближнего и дальнего зарубежья установок и технологий для производства биогумуса. Отмечено, что все . рассмотренные

технологии и установки для приготовления биогумуса с помощью вермикулътуры имеют схожие недостатки, а именно - большой объем ручного труда, невозможность поддержания оптимального •температурного режима, отсутствие средств рыхления перерабатываемой массы. Эти факторы приводят к удорожанию себестоимости продукции, ухудшению ее качества, а также к сезонности работ по производству биогумуса. На основании изучения технологий и установок для производства биогумуса, сформулированы цель и задачи настоящей работы. . '

Во второй главе рассматривается разработанная, установка для производства биогумуса ( биореактор ).

В бкореакторе имеются открытая сверху емкость, выполненная цилиндрической в рабочей части и конусообразной - у основания, перемешивающий рабочий орган , закрепленный на валу и установленный в емкости, основное средство .аэрации и устройство для выгрузки биогумуса. Установка снабжена терморубашкой с патрубком для подачи еоды. Внутри емкости находится рабочий орган, выполненный г. виде затупленных граблей, на концах которых смонтированы колеса,' направляюще для которых размещены внутри емкости. При этом труба средства аэрации установлена в конусообразной части емкости, а отверстия ее перфорации выполнена е виде 2 - образных каналов. Поддержание оптимального температурного режима при переработке компоста в биогумус осуществляется благодаря терморубашке.

Установка для приготовления биогумуса, работает следующим образом. .

Компоненты загружают в виде основного материала внутрь емкости-в следующей очередности: слой компоста 5-10 см,содержащий червей, а затем компост, который необходимо переработать в биогумус. Загрузка осуществляется через открытый верх реактора. После этого массу раз в 2-3 дня рыхлят с помощью рабочего органа. Электродвигатель вращает вал со скоростью 2 -3 оборота/час, колеса передвигаются в направляющих и рабочий орган совершает вращательное движение, рыхля массу. Ежедневно в реактор подается в необходимом количестве воздух

для аэрации, а также осуществляется увлажнение компоста при помощи установки для увлажнения в целях создания оптимального режима по влажности для червей.

За го - 36 дней при условии поддержания оптимальных условий жизнедеятельности вермикультура перерабатывает компост, содержащийся в реакторе, в биогумус, при этом передвигаясь в верхнюю часть реактора, что значительно облегчает выгрузку биогумуса. После окончания процесса приводится в действие шиберная заслонка и в результате полученный биогумус выгружается из биореактора.

Преимуществами данной технологии перед имеющимися.в настоящее время являются:

- возможность производства биогумуса в течении всего года;

- значительное сокращение объемов ручного труда;

- более совершенный контроль и регулирование температуры в реакторе, что приводит к повышении производительности;

- более совершенная, научно обоснованная аэрация компоста, что приводит к облегчению рехима дыхания вермикультуры.

Общий вид биореактора и его устройство изображены на рис.1.

В третьей главе рассмотрены вопросы структурной идентификации объекта исследования и математического моделирования, а также предложен алгоритм управления биореактором. Для математического описания установки для производства биогумуса и системы управления ею, рассматриваемый объект можно представить в виде, изображенном на рис.2.

Причем, если в блоке 1 решается задача максимизации количества производимого биогумуса V/ в единицу времени-в зависимости "от плотности заселения0 субстрата вермикультурой Р, количества воздуха,подаваемого в реактор для аэрации А, типа навоза, выступающего за основу для применяемого субстрата и типа органических добавок N. изменения количества вермикультуры в течении технологического цикла (К,параметра субстрата рН, температуры субстрата Т и влажности субстрата Н, то в блоке 2 решается задача оптимизации перевода системы из начального состояния, в котором температура и влажность субст-

Общий вид биореактора и его устройство

1 - корпус. 2 - терморубашка. 3 - вал. А - рабочий орган. 5 -. раструб. 6 - кпзпан. 7 - шйберная заслонка. 8 - стойка

рис.1

Структурная идентификация биореактора, как обьекта исследования

рис. 2

рата не принадлежат оптимальному диапазону, в состояние, при котором температура и влажность субстрата являются оптимальными, причем эти оптимальные значения температуры и влажности определяются при решении задачи оптимизации в блоке 1.

Критерий оптимальности для решения задачи разработки оптимального режима для производства биогумуса имеет вид

W - f ( Р, N, A, dS, рН, Т, Н ) "-> max (1)

В результате проведенного анализа и упрощающих процедур, из переменных, входящих в выражение критерия оптимизации (1), приняты постоянными следующие переменные: плотность заселения субстрата вермикультурой Р; тип навоза, выступающего за основу для применяемого субстрата и тип органических добавок М; количество воздуха, подаваемого в биореактор для аэрации А; изменение численности вермикультуры в течении технологического цикла dS; параметр рН субстрата.

В итоге, критерий оптимизации (1) для технологии производства биогумуса принимает следующий вид:

W = f ( Т. Н ) -> шах, ( 2 )

где W' - количество производимого за единицу времени биогумуса. Инструментом для получения экспериментальных данных является "проба пятидесяти червей".

Для проведения эксперимента с целью оптимизации параметров САУ использовался двухфакторный эксперимент с планом Ше-ффе 8x5. После проверки удовлетворительности данных экспериментов, был проведен регрессионный анализ экспериментальных данных с целью определения регрессионного полинома, описывающего функцию ( 2 ). В результате проведения регрессионного анализа, получено выражение дЯя критерия ( 2 ):

W' = ( &.0102 * Н2 - 1.50573 * Н + 50-48512 ) * Т + , -I- ( - 0.21166 * Н2'+ 31.25336 * Н - 1048.5840^i:-* LnT + +■ 0.41177 * Н2 - 60.79783 * Н + 2039.33125 (3).

График функциональной зависимости W' = F (Т, Н) приведен на рис.3. .

График функции W * F (Н. Т). Н = const

9

см

7

» 6

W 5 4 3 2

ч к

/ ч X \ г-г

й К!

•

о

I

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 °с 28

рис. 3

Выражение, описывашее изменение температуры в биореакторе при подаче горячей воды в терморубашку, имеет вид: с12Ть сЗГь аУ1

аг *----Э1 *------ Ь1 *" —- + Ьо * VI, (4)

с! рг (ЗЬ <И

Выражение, описывающее изменение температуры в биореск-торе при подаче в терморубакку холодной воды, имеет вид: с12Ть с!Ть <1У2

аг*------+31** — +ао*Ть'=Ь1** — +Ьо'*Уг , (5)

(И2 й г

К полученным -^тенатическкм описаниям процесса на стадиях нагрева (4) и охлаждения (5) невозмозкно применить принцип максимума Л.С.Понтрягина, поскольку в их правых частях содержатся производные от управляющих сигналов. С этой целью, полггач XI = Ть для модели нагрева и XI = Ть* Для модели ох-ладцения/ получаем нормальные системы, соответствующие дифференциальным уравнениям (4) и (5)

XI = - * XI + Х2 + Ъг' * N

> . (6)

Х2 " 21' Л У1 >

XI «=..- бг" * XI + Х2 + * Уг >

Х2 = " * XI +' 21" * Уг 1

Задачу оптимального управления нагревом можно сформулировать следующим образом. Перевести объект, описываемый системой (6) из начальной точки ""

Ь = О , XI « То', XI хю з конечную .. -

Ь - А 1 XI « Tc.pt» XI - о при минимизации функционала

А Торг - То

I - Г (XI - То ----------* и сИ -> ш!п (8)

О : А

и ограничении на управляющее воздействие О < У С 1.

Гамильтониан с учетом явной зависимости функционала 05 времени и определенности интеграла (8) имеет вид 3 • Торь - То

НЕ * XI = Фо * (XI " То----------* + *

1-0 А ?

X! + хг + Ъг' * Уа)+ Фг * '* Уа + -Фэ, (9)

где хэ = Ь.

Закон изменения управляющего воздействия, доставляющей максимум функции Гамильтона, имеет вид г 1, ъ%' * + Ъ\'. * Фг? о X: = { '.; , ' СЮ)

Л о, 12'* Ф1 + 11' * Фг < о Сформулируем задачу оптимального управления при поддержании оптимальной температуры в биореакторе следующим образом.

Перевести объект, описываемый системой (6) из некоторой начальной точки .

XI - Х1н , XI"« Х1н в конечную за минимальное время при ограничении на управляющее воздействие 0 < У1 < 1. Гамильтониан для этого случая имеет вид

■ г г : -: '•■■'•'

Н « Е * XI » -1 + * (-ег' * XI + Х2/+ Ъг' * У1) +

1-0

+ Ф2 * 01' * У1 (11)

Задачу оптимального управления охлаждением можно сфсрму-лировать следующим образом. Перевести объект,описываемый системой (7) из начальной точки

I = О, XI « Т1, XI = хц , в конечную

I = В, XI = Торг. XI •» О , при минимизации функционала

В Ti - Topt

I - i (XI - Topt----------* t)2 dt -> min (12)

О В

и ограничении на управляющее воздействие 0 < Уг < 1

Гамильтониан для этого случая с учетом определенности интеграла и явной зависимости подынтегральной функции от времени имеет вид

3 • Ti - Topt

Н = 2 $i*Xi » -(xi - Topt---------- * t)2 + Фз +

i-o в

+ Ф1*(-бг" * xi + Х2 + 2г" * Y2) + Ф2"* (-6i•• * XI + + Zi" * Y2) (13)

Выделяя в выражении (12) члены, зависящие от Ys, получаем закон оптимального изменения управляющего воздействия ( 1, Zz" * Ф1 + Zi" * Ф-2 > О Y2 - < . (14)

О, Z2" * <®i + Zi" * Фг < О Проводя аналогичный анализ для решения задачи оптимального управления влажностью содержимого биореактора, наш получены законы оптимального тиетпяя управляющего воздействия для увеличения влажности содержимого биореактора

Г 1, bo" * ©1 > О ' '

= { (15)

> 0, Ьо" л < О и для уменьшения влажности содержимого биореактора /г, bo'" * > о

Y-1 - < (16)

v 0, bo'" * «1 < О

Исходной информацией для построения процедур^ идентификации являются наблюдения на стадиях подачи горячей или холодной воды в терморубашку биореактора (для регулирования температуры) , а также на стадиях подачи воды или воздуха в биореактор ( для регулирования влажности).

Для регулирования температуры в бкореакторе имеем наблю-. дения следующего вида

< тьао, ъао > , со < ^ < г) (17)

< тьао, у2а!) > , (о < и < т") , (18) где Т', Г" - интервалы времени наблюдении соответственно при подаче горячей и холодной воды в терморубашку биореактора.

Определение параметров бг'Дц'Омя модели нагрева) и ($1", &2". 21" (для модели охлаждения) возможно посредством минимизации функций невязки, представленных дискретной форме г1' <*2 Ты ' <1Тьд

а с ( —-----«..<32' * - 21' * Уц)2 ДЬ (19)"

' <1 Ь* ■ ■ Л п" йг Ты' <ЗТы

е с (------- + 62» * ----+ б1» * ТЬ1 -

б г2 йь

- г\" * У21)2 л г , (20)

где Л I - интервал времени .характеризующий базу наблюдений, п' - Т'/Д I, п" = Г"/Л

Начальные значения вспомогательных функций Фю, Ф20 определяются методом многомерной оптимизации Гаусса - Зейделя, при этом минимизируется критерий вида

• Г « Г Хх(А) - ТоР11 + I Х1(А)|

. , (21) Л" - I Хг(В) - Торг) + I Х1(В)1

Блок-схема предлагаемого алгоритма оптимального управления температурой при производстве биогумуса представлена на рис.4.

Для регулирования влажности в биореакторе процедура идентификации проводится аналогичным образом

В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с технической реализацией разрабатываемой АСУ. Приведено обоснование выбора микропроцессорного контроллера. Показано, что семейство модулей программируемого логического микропроцессорного контроллера МП59МикроДАГ,выпуск которых освоен АО "Краснодарский ЗИП", по своим потенциальным возможностям, архитектуре, конструктивному оформлению в значительной мере отвеча-

Блок-схема оптимального управления процессом произвопства биогумуса (по температуре)

рис 4

ет требованиям автоматизации сельскохозяйственных предприятий.

В связи с тем, что в структуре данного контроллера отсутствуют расширители ввода аналоговых сигналов от датчиков параметров процесса производства биогумуса - температуры и влажности, основная часть главы посвящена выбору блока ввода аналоговых сигналов,.

Список использованной литературы изложен в порядке упоминания в тексте.

В заключении обобщаются теоретические и практические результаты, полученные при выполнении диссертационной работы.

В прнюшэшшх приводится программа для проведения регрессионного анализа и заключение о полезности установки для про-' изводства биогумуса и системы управления его.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ

1. Анализ промышленных установок и технологий производства биогумуса указал на низкий уровень механизации и автоматизации процесса.

2. На основе детального изучения технологических требований и особенностей разработан биореактор - установка для производства биогумуса. Его применение позволяет значительно уменьшить объем ручного труда при производстве биогумуса, а также делает возможным круглогодичное производство биогумуса.

3. Получена обобщенная модель установки для производства биогумуса, основной частью которой являются кинетические характеристики биотехнологической системы.

4. Аналитически получены и экспериментально подтверждены условия оптимального функционирования биопроцессов в реакторе. ■ .

5. В результате постановки и решения задачи оптимального управления с применением метода максимума различными стадиями процесса, определено, что управляющие воздействия имеют кусочно - постоянный характер. Данное обстоятельство обуславливает возможность дискретного управления, процессом и мини-

мизации аппаратных затрат за счет исключения цифро - аналоговых преобразователей и применения запорной арматуры дискретного действия.

6. Разработан и реализован алгоритм автоматического управления процессом получения биогумуса, в основе которого использованы процедуры оптимизации режимов по двум основным параметрам.

7. Экспериментально 'проверена и подтверждена правильность научных исследований и практических рекомендаций в результате эксплуатации разработанного биореактора и системы автоматического управления им.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Койков В.И., Пиотровский Д.Л., Койков Д.В. Разработка нового метода промышленного вермикультивирования // Эффективность ветеринарных мероприятий в животноводстве Кубани: Сборник научных трудов // Кубан. гос. аграрн. ун-т. - Краснодар, 1995. - С. 4-6. .. .

2. Асмаев U.П., Пиотровский Д.Л. Автоматизированная уста-нобка по производству биогумуса П Автоматические системы управления и средства автоматики в пищевой промышленности Шорник научных трудов // Кубан. гос. технол. ун-т. - Краснодар, 1997. - С. 9-13. ■ .

3. Асмаев М.П., Пиотровский Д. Л., Койков В. И. Определение количества воздуха, необходимого для аэрации в процессе производства биогумуса в биореакторе // Изв. вузов. Пищезая технология/ 1297. H 2-3. С. 83. «

4. Асмаев И,П., Пиотровский Д.Л. Кинетическая модель процесса получения биогумуса с использованием вермикультуры // Кзв. вузов. Пищевая технология, 1997. N 2-3. С.-84.

5. Асмаев М.П.Пиотровский Д.Л. Автоматизированная установка по производству биогумуса. Международ, научн. конф. " Рациональные пути использования вторичных ресурсов АПК " : Тез. докл. - Краснодар, 1997. - С. 150.