автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка алгоритмов управления сушкой изделий из капиллярно-пористых материалов в поточных линиях с встроенными электродными парогенераторами

На правах рукописи

САФРОНОВА Наталья Анатольевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ СУШКОЙ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПОТОЧНЫХ ЛИНИЯХ С ВСТРОЕННЫМИ ЭЛЕКТРОДНЫМИ ПАРОГЕНЕРАТОРАМИ.

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел-2011

3 1 МДР 2011

4841568

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор Суздальцев Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Загрядцкий Владимир Иванович

- кандидат технических наук Лихачев Денис Валерьевич

Ведущая организация:

- Институт проблем информатики РАН (Орловский филиал)

Защита состоится «12» апреля 2011 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д212.182.01 в ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» по адресу. 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, ауд.212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»

Автореферат разослан » ЛУР/^ТС) 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д212.182.01 к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Проблема автоматизированного управления процессами сушки капиллярно-пористых материалов (КПМ) касается многих отраслей и активно разрабатывается как в нашей стране, так и за рубежом, однако решение многих задач в этой области по-прежнему остается актуальным. В первую очередь, это относится к КПМ, сушка которых осуществляется в процессе их перемещения с входа на выход сушильного агрегата (макароны, печенье, керамика, полимеры, кальцит и .д.). Здесь наряду с основными параметрами (температура и влажность окружающего воздуха, температура и влажность высушиваемого изделия) важное значение приобретает параметр длительности мертвого транспортного запаздывания (ТРЗ), оторый во многих технологических процессах (металлургия, нефтехимические роцессы, производство бараночно-сушечных изделий и т.д.) связан с невозможно-тью регулятора вернуть процесс регулирования назад и соответственно с невоз-ожностью исправить брак готовой продукции. Качество готового изделия после "ушки КПМ определяется многими параметрами. Один из самых важных - влажность самого изделия, измерять и контролировать которую в процессе сушки крайне атруднительно. Например, в макаронном производстве (изделия из КПМ пищевого назначения) отсутствие контроля влажности изделия в процессе сушки и наличие мертвого ТРЗ по исследованиям Тинякова С.Е. предопределяет большой процент брака готовых изделий (от 1 до 20 % ), а время сушки составляет более 5 часов.

Особый класс изделий из КПМ пищевого назначения представляют бараноч-но-сушечные изделия (БСИ), в котором время сушки от момента формирования сырых изделий до конца выпечки занимает не более одного часа, обеспечивая высокую производительность за счет автоматизированной поточной линии, где широко используется пар и соответственно парогенераторы, причем преимущественно элек-рические электродные (ЭЭП). Основные их преимущества заключаются в том, что они не подлежат госнадзору, экологичны и безопасны, время разгона не превышает 10 минут, что особенно важно для малых предприятий этого профиля. ЭЭП выпускаются с системами управления, регулирующими потребляемую мощность или давление пара на выходе путем изменения уровня подаваемой воды, однако при использовании в объектах промышленного назначения требуется дополнительная подстройка параметров пара под требования потребителя, у которого, как правило, параметры изделия изменяются случайным образом. Эта часть в ЭЭП не решается. Другим недостатком ЭЭП является то, что на датчиках уровня любой физической структуры образуется налет из солей, содержащихся в воде и ее парах, приводящий к медленному изменению параметров датчиков уровня, что приводит систему управления параметрами пара у потребителя в неустойчивое состояние (например, систему управления температурой пара в камере ошпаривания при производстве БСИ, когда температура выходит из заданного допуска, в результате чего образуется невозвратный брак изделий, который из-за постепенно нарастающей потери устойчивости системы управления обнаруживается только спустя целую рабочую смену). Налет на датчиках уровня и накипь в ЭЭП существенно влияют на время межремонтного и профилактического обслуживания (по данным ООО "Воплощение» через каждые две недели работы ЭЭП с известными датчиками уровня необходимо останавливать поточную линию и не менее суток размонтировать котел, удалять на-

кипь, заменять датчики уровня на новые, а затем снова монтировать, соблюдая тонкие моменты сборки, завинчивание гаек, установки прокладок и т.п.). Всё вышеприведенное позволяет констатировать, что для оптимального управления параметрами пара у потребителя, осуществляющего сушку КПМ на поточных линиях, в частности в КО в поточной линии производства БСИ, требуются новые алгоритмы управления и, во-вторых, необходимо исключить (уменьшить) влияние накипи на устойчивость системы управления уровнем воды в ЭЭП.

Объектом исследования в настоящей работе являются технологические процессы сушки изделий из капиллярно-пористых материалов пищевого назначения на основе паровоздушных смесей.

Предмет исследования: алгоритмы, модели и средства управления температурой паровоздушной смеси в камере ошпаривания поточной линии производства БСИ.

Целью настоящего исследования является повышение качества управления температурой паровоздушной смеси, сокращение брака, трудоемкости и сроков ре-монтно-профилактических работ в поточном производстве изделий из КПМ

Для реализации указанной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:

- проведение системного анализа процессов сушки изделий из КПМ пищевого назначения;

- разработка нового подхода к управлению температурой паровоздушной смеси в комплексах сушки изделий из КПМ со встроенными ЭЭП;

- разработка и исследование косвенного метода контроля уровня воды в ЭЭП;

- разработка алгоритма управления подачи воды в ЭЭП на основе косвенного метода контроля уровня;

- разработка системы и алгоритмов управления температурой паровоздушной смеси в камере ошпаривания с использованием моделей регрессионного анализа и оптимизации целевой функции квадратичного программирования;

- разработка методики оценки качества функционирования поточной линии производства БСИ с СУ парообразованием на основе разработанных алгоритмов управления;

- разработка методик проведения экспериментального исследования СУ и проведение экспериментальных исследований СУ в производственных условиях.

Методы средства исследования. В ходе исследования были использованы методы вероятностного, численного, корреляционного и регрессионного анализа, матричного решения дифференциальных уравнений, методы системного анализа, математической статистики и теории нечетких множеств, методы измерения электрических величин и теории регулирования с обратными связями.

Научная новизна заключается в следующем:

- предложен новый подход к управлению температурой паровоздушной смеси, подаваемой к объекту сушки от ЭЭП, заключающийся в формировании двух взаимосвязанных алгоритмов управления по принципу ведущий-ведомый, при этом ведущий включает модель текущего регрессионного анализа температуры пара в объекте сушки и уровня (объема) воды в ЭЭП или упреждающую нечеткую модель, связывающую температуру пара в объекте сушки, давление пара на выходе ЭЭП и уровень подаваемой воды в ЭЭП, а ведомый алгоритм включает модель зависимо-

ти тока электродов от уровня (объема) воды в ЭЭП, причем последовательность аботы алгоритмов регламентируется регулятором управления уровнем воды в •ЭП;

-установлена экспериментальная зависимость тока, протекающего через элек-роды, от уровня воды в парогенераторе, на основе которой разработан ведомый ал-оритм управления подачей воды в ЭЭП;

- разработан алгоритм управления температурой паровоздушной смеси на объ-кте сушки, включающий упомянутую модель регрессионного анализа и оптимиза-ор целевой функции задачи квадратичного программирования, решаемой с поморю неопределенных множителей Лагранжа;

- разработаны способ и система управления температурой пара на объекте суши (в камере ошпаривания при производстве БСИ), основанные на циклическом ключении - выключении клапана подачи воды по алгоритму управления с задан-ой уставкой тока, протекающего через электроды, соответствующей заданному

■ ровню, при заданной температуре пара в камере ошпаривания, и вводом новой ус-гавки в указанный алгоритм при выходе из заданного температурного допуска;

- разработаны методики экспериментальных исследований и определения пара-етров ведущего и ведомого алгоритмов управления процессом парообразования в ЭП в составе поточной линии производства БСИ;

- разработана методика оценки качества поточной линии по производству из-елий из КПМ, основанная на теории квалиметрии с использованием аддитивного

метода объединения относительных разнородных показателей качества единичных свойств системы в обобщенный показатель качества, отличающийся минимизацией целевой функции обобщенного показателя качества и использованием весовых коэффициентов и экспертных оценок для определения значимости единичных свойств СУ.

Практическую ценность работы составляют:

- разработанный способ и система управления температурой пара на объекте сушки, позволяющие поддерживать заданный режим температуры пара в камере ошпаривания продолжительное время без остановки на ремонт поточной линии при заданном качестве изделий на выходе (заявка № 2010140757/06 от 05.10.2010 г. на изобретение;

- алгоритм управления подачей воды в ЭЭП, включающий модель экспериментальной зависимости протекающего через электроды тока от уровня (объема) воды в ЭЭП, что позволяет обходиться без датчиков уровня в системе регулирования подачи воды в ЭЭП (патент на полезную модель «Электрический парогенератор № 100182, опубл. 10.12.2010 г. Бюл. № 34).

- методики экспериментальных исследований.

Положения, выносимые на защиту:

- новый подход к управлению температурой паровоздушной смеси, подаваемой к объекту сушки от ЭЭП, заключающийся в формировании двух взаимосвязанных алгоритмов управления по принципу ведущий-ведомый, при этом ведущий включает модель текущего регрессионного анализа температуры пара в объекте сушки и уровня (объема) воды в ЭЭП;

- экспериментальная зависимость тока, протекающего через электроды, от уровня воды в парогенераторе, на основе которой разработан ведомый алгоритм управления подачей воды в ЭЭП;

- алгоритм управления температурой паровоздушной смеси на объекте сушки, включающий упомянутую модель регрессионного анализа и оптимизатор целевой функции задачи квадратичного программирования, решаемой с помощью неопределенных множителей Лагранжа;

- способ и система управления температурой пара на объекте сушки (в камере ошпаривания при производстве БСИ);

- методика оценки качества поточной линии

Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, доложены на IV Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, образовании и производстве». Орел, 2223 апреля 2010 г.; X международной научно-практической конференции Интеллект и наука. Железногорск, 28-29 апреля 2010 г.; XI международной научно-практической конференции «Робототехника как образовательная технология». Железногорск, 3 декабря 2010 г.; межвузовской научно-практической конференции «опыт использования информационных технологий в различных областях человеческой деятельности» - Орел: ОФ СГА, декабрь 2010 г., ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и аспирантов кафедры ЭВТ ИБ. Орел-ГТУ. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе получены два патента РФ, зарегистрированы две программы.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 33 рисунка, 14 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 105 наименований, 10 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, приведены научные положения и результаты, выносимые на защиту, а также сведения об апробации и реализации результатов работы.

В первой главе показано, что большинство научных исследований по сушке изделий из КПМ направлено на выяснение физико-химических процессов и их математического описания, предопределяющие изменение (упрощение) технологии, сокращение времени и повышение качества изделий из КПМ, однако практическая реализация осуществляется очень скромно. В области управления производством изделий из КПМ пищевого назначения на этапах сушки известны работы В.А. Ма-лышкиной, 2005; A.M. Иглицкого, 2006; A.A. Горяинова, 2000; А.И.Суздальцева 2002; С.Е. Тинякова, 2006; В.М. Арапова, д.т.н. 2003; A.B. Лыкова. В области синтеза моделей тепломассобмена в ЭЭП работали такие ученые как: C.B. Коган, 2003; О.И. Иванченко, 2007; Т.И. Жук, 2006; A.A. Левин, 2008; Л.Г. Гальперин, д.т.н., 2004; В. Станиславски, д.т.н, 2002; Г.А. Пикина, д.т.н, 2007. В тоже время существующие комплексы, поточные линии и отдельное оборудование не исчерпали своих возможностей развития в направлении: повышения уровня автоматизации, повышения долговечности и безопасности, повышения оптимальности алгоритмов управления и устойчивости систем управления, увеличения времени межремонтных работ и уменьшения времени самих ремонтных работ. Особый класс изделий из КПМ пред-

ставляют изделия пищевого назначения и, в частности, класс БСИ, в котором время сушки от момента формирования сырых изделий до конца выпечки занимает не более одного часа, обеспечивая высокую производительность за счет автоматизированной поточной линии, где широко используется пар и соответственно парогенераторы. На рис.1,2,3 приведены поточная линия производства БСИ и диаграммы сушки двух разновидностей изделий из КПМ пищевого назначения.

1 - делительно-закаточные машины; 2- конвейер; 3 - участок расстойки;

4 - участок ошпарки; 5 - печь Рисунок 1. Структура поточной линии формовки и сушки бараночно сушечных

изделий

Основной качественный параметр сушки (содержание влаги) в процессе сушки трудно контролируем, поэтому контроль осуществляют по внешним воздействующим параметрам технологического оборудования, в частности по температуре сушильного агента. На самой краткосрочной операции ошпаривания при производстве БСИ температура пара имеет определяющее значение. Показано, что для данной операции подходящими парогенераторами являются электрические (тэновые, электродные, индукционные), причем преимущественно электродные (ЭЭП).

2 3 Воемя сушки, час.

Рисунок 2. Диаграмма сушки макаронных изделий по технологии «Турботерматик»

фирмы ВиНЬЕЯ

Основные преимущества заключаются в том, что они не подлежат госнадзору, экологичны и безопасны, время разгона не превышает 10 минут, что особенно важно для малых предприятий этого профиля.

ЭЭП выпускаются с системами управления, регулирующими потребляемую мощность или давление пара на выходе путем изменения уровня подаваемой воды, однако при использовании в объектах промышленного назначения требуется дополнительная подстройка параметров пара под требования потребителя, у которого, как правило, параметры изделия изменяются случайным образом. Эта часть в ЭЭП не решается. Т°ш___________

-30%

10%

и мин

расстойка

ошпаривание

Рисунок 3. Диаграмма изменения влажности БСИ при их выпечке Другим недостатком ЭЭП является то, что на датчиках уровня любой физической структуры образуется налет из солей, содержащихся в воде, приводящий к медленному изменению параметров датчиков уровня, что вводит систему управления параметрами пара у потребителя в неустойчивое состояние (например, систему управления температурой пара в камере ошпаривания при производстве БСИ, когда температура выходит из заданного допуска, в результате чего образуется невозвратный брак изделий). Налет на датчиках уровня и накипь в ЭЭП существенно влияют на время межремонтного и профилактического обслуживания (по данным ООО "Воплощение» через каждые две недели работы ЭЭП в поточной линии по производству БСИ необходимо останавливать поточную линию и не менее суток размонтировать котел, удалять накипь, заменять датчики уровня на новые, а затем снова монтировать, соблюдая тонкие моменты сборки, завинчивание гаек, установки прокладок и т.п.). Попытки устранить недостатки ЭЭП путем предварительного омаг-ничивания воды, путем добавки дополнительных компонентов в воду, организации частых продувок котла частично решают задачу, но требуют дополнительных, неоправданных для малых предприятий затрат. В главе сделаны выводы, что для оптимального управления параметрами пара у потребителя, осуществляющего сушку КПМ на поточных линиях, в частности в КО в поточной линии производства БСИ, требуются новые алгоритмы управления и, во-вторых, необходимо исключить (уменьшить) влияние накипи на систему управления уровнем воды в ЭЭП

Во второй главе в соответствии с поставленными задачами предложен и рассмотрен новый подход к управлению температурой паровоздушной смеси, подаваемой к объекту сушки от ЭЭП. Он заключается в формировании двух взаимосвязан-

8

ных алгоритмов по принципу ведущий-ведомый, при этом ведущий включает модель текущего регрессионного анализа температуры пара в объекте сушки и уровня (объема) воды в ЭЭП или упреждающую нечеткую модель, связывающую температуру пара в объекте сушки, давление пара на выходе ЭЭП и уровень подаваемой воды в ЭЭП, а ведомый алгоритм включает модель зависимости тока электродов от уровня (объема) воды в ЭЭП, причем последовательность работы алгоритмов регламентируется регулятором управления уровнем воды в ЭЭП. На рис.4 приведена структурная схема, иллюстрирующая новый подход.

Н,У=/(Т)

Регламент

1 2

Н, ¥=/(!)

(¡0 □

5/

МП с

%2.

а

я,У=М \

I - модель текущего регрессионного анализа (МТРА); 2 - регулятор управления уровнем (объемом) воды; 3 - объект сушки с ЭЭП: 3.1 - датчик температуры; 3.2 - измеритель тока в электродах ЭЭП; 4 - модель теоретической или экспериментальной зависимости тока электродов от уровня

воды в ЭЭП.

Рисунок 4. Структурная схема, иллюстрирующая новый подход к управлению

температурой пара, подаваемого к объекту сушки от ЭЭП Математически процесс управления уровнем воды в парогенераторе в зависимости от температуры пара в КО (блок 1 на рис.4) можно свести к следующей модели. Пусть Н, и Т, требуемые уровень (объем) воды в котле и температура в КО, а Я и Т их текущие (измеряемые) значения. Для решения задачи оптимизации сформулируем целевую функцию вида:

Р(Т,Н) = (1121)2 + (1[^К)2, (1)

Т[ Н(

которую следует минимизировать с учетом ограничения Н=Ь;Т+Ьц, определяемого уравнением регрессии. Сформулированную задачу квадратичного программирования (задача минимизации квадратичной функции) можно решить с помощью неопределенных множителей Лагранжа [2]. Для существования оптимальной точки Н по условию Куна-Такера необходимо и достаточно, чтобы существовала такая точка Т, что пара (Т, Н) образовывала седло функции Лагранжа ЦН,Т,к), которая при линейных ограничениях имеет вид:

Т —Т

ЦН,Т,Х) = (^-

н

)2+Х(Н-Ь,Т-Ъ0)-

(2)

т, ' н,

Седловая точка определится при взятии частных производных следующими соотношениями: < •

дн' 3к-

ЪТ~~

дЬ

ЭА

:-2

---г

н,-н

Т.-Т

+ А = 0,

-Ь.Х = О,

(3)

= Н-Ь,Т~Ь„ =0.

Найдем линейные ограничения. Требуется получить такие значения коэффициентов Ь,, и при которых концентрация точек (Г, ,Я;) вблизи прямой была набольшей, т.е. сумма квадратов ошибок являлась минимальной. Графически ошибка для каждой экспериментальной точки определяется как расстояние от этой точки до линии регрессии по вертикали.

Имеем /Г, =ь0 + ь]тп при ¡=1,2,...,п, где п-число возможных вариантов параметра ТП, тогда выражение для ошибок и функция ошибки, которую надо минимизировать, будут иметь вид: и 2

/=1

щ = Н1-Щ=Ьо+ЪхТ1-Щ

(4)

Для получения коэффициентов ЬоиЬ} применим условие минимума :

^ = 0, ^ = 0 дЬ0 ЭА|

Дифференцируя (4), получим:

Щ

3*0

л -

«АО+'Ч Е^-ХЯ/ 1=1 1=1

(5)

-=2*0 1Г/+»127? -2р'/Я,=0

ы /=1 ¿=1

Решая систему линейных алгебраических уравнений (5), получаем значения Ь(> и Ь/. В матричном представлении уравнения имеют вид:

(6)

« ±Т, /=| 6„ п м

±Т,2 ¡=2 /=| Ь, ±Т,Н, /=1

откуда получим: ^^ _ £ 7; £ у; //

А = _21__И_

'-'о

Г,/

/=1 /•!

(7)

Мерой ошибки регрессионной модели служит среднеквадратическое отклоне-

ние:

с. =

2>.2

£(¿„+6,7;-я,.)2

v,

(8)

Решением системы (3) с подставленными коэффициентами Ъп и Ь; , полученными из выражения (7), будут Т* и Н*. Если Т* находится в заданном пределе изме-

ю

нения температуры, то фиксируются верхнее Н*в и нижнее значение Н*„ полученного уровня воды, и в следующем цикле управления подача воды будет осуществляться в этих пределах. Если Т* вышла из заданного предела изменения температуры, то перед началом очередного цикла подачи воды регрессионная модель выдаст новые значения уровня (Н*„ и #*„) на очередной цикл управления подачей воды. После изменения температуры и выбора новой уставки уровня строится новая регрессионная зависимость и рассчитывается новое значение уровня воды в котле парогенератора. После многократной коррекции находят такие значения уставки уровня, которые соответствуют заданному значению температуры паровоздушной смеси в КО и решению задачи управления уровнем воды в рассматриваемом ТП.

В данной главе представлен анализ конструкции и параметров ЭЭП, в результате которого получена зависимость тока, протекающего через электроды, от уровня (объема) воды в котле, которая представлена выражением (9):

V,, = Ара+/{V - 2 ЯЛ) (9)

А = (.го,+О)2к2/3 ,

где : и - напряжение на электродах, J¡ - измеренное значение тока, проходящего через электроды при измеренном значении объема воды Ук , г„, г, - радиусы границ водного столба между электродами, ра — удельное электрическое сопротивление воды, Л,, - электрическое сопротивление электродов, / - длина слоя воды, а - ширина электрода, Н, - уровень воды в котле. Выражения (9) говорит о том, что при известном удельном электрическом сопротивлении воды объем (уровень) воды в ЭЭП можно рассчитывать по (9), измеряя ток в электродах, а значит и регулировать подачу воды без каких либо датчиков уровня. Если обозначить действия электромагнита подачи воды через Z, то получим:

1, если [К,, =/М)]- К3„ = 0 1 = 0, если [V,. =/Ц)]-У„ = 0, (10)

На выражении (10) построен ведомый алгоритм в составе общего алгоритма управления температурой пара в КО. Во второй главе рассматривается предложенные автором способ и система управления температурой пара в КО как один из вариантов реализации подхода рис.4. На рис.5 приведена структурная схема системы управления по предложенному способу, а на рис.6 - структурная схема алгоритма работы указанной системы.

Контроллер 7 после ввода токовых уставок и заданных температур (поз. 1 Осуществляет выбор токовой уставки (например, У А,)) со своими значениями токов /„,- и /„/ (поз.2 рис 6),включает в работу насос 8 через цепь питания 10 и открывает электромагнитный клапан подачи воды 9 через цепь управления 11. В корпус парогенератора 1 начинает поступать вода через обратный клапан 16, отчего изменяется уровень воды в направлении Ъ„, увеличивая ток, протекающий через электроды 3 (поз.З). В этот период происходит измерение тока в измерителе 4 и сравнение с заданным /,„ в уставке (поз.4). При достижении тока /„,, что означает достижение уровня /?,„, контроллер 7 выключает из работы насос 8 и электромагнитный клапан подачи воды 9 (поз.5). За счет протекания электрического тока через электроды в области проводящей воды вода нагревается и испаряется, уменьшаясь в объеме в направлении И,„ отчего уменьшается ток, проходящий через электроды.

1 - котел с герметично установленной крышкой; 2 - вода; 3 - электроды; 4 - измеритель тока; 5 -электромагнитный пускатель напряжения; 6 - стрелочный указатель тока с левой С1, правой СЗ неподвижно установленными стрелками с электрическими контактами и со средней С2 подвижной стрелкой с электрическим двусторонним контактом; 6' - токовые клещи; 7 - схема управления насосом и электромагнитным клапаном; 8 - насос; 9 - электромагнитный клапан; 10, 11 - цепи питания соответственно насоса и электромагнитного клапана; 12 - предохранительный клапан; 13 - реле давления с электрическим контактом шп; 14 - вентиль для выпуска пара; 15 - сливной вентиль; 16 - обратный клапан; Ь1 и Ь2 - соответственно верхний и нижний уровни воды в котле

Рисунок 5. Структурная схема система управления температурой пара в камере ошпаривания при производстве бараночно-сушечных изделий

Рисунок 6. Структурная схема алгоритма работы системы

В этот период также измеряется ток в измерителе 4, и в контроллере 7 происходит сравнение с заданным /„/ в данной уставке (поз.6). При достижении тока /„,, что означает достижение уровня Л,„, измеряют температуру в камере ошпаривания б датчиком 17 и в контроллере 7 вычисляют разность между заданной Т3 и измеренной в камере ошпаривания температурой Тк„ и сравнивают с заданным значением этой разности ДТ3 по модулю (поз.7,8,9 рис.6). Если разность находится в заданном допуске, то контроллер 7 вновь включает насос 8 и электромагнитный клапан подачи воды 9 и операции повторяются (поз.3-6 алгоритма). Если разность температур вышла из допуска, то с помощью контроллера 7 определяют знак разности, при этом если знак отрицательный, то выбирают новую уставку с номером на единицу больше У(0+, если знак положительный, то выбирают уставку с номером на единицу меньше У((). После выбора новой уставки периодически выполняются операции 3-6 рис.6, но с новыми значениями /„ и /„, а значит и с новыми значениями уровня воды й„.и /¡„. Операции (поз.8-12) выполняются контроллером 7 в соответствие с выражением:

У(0, если |Г,„ - Г, | = ДГ < ДГ,

К(0= У(0\ если \ТЮ-Т.1\ = АТ>АТ1 при sign(^Г)<0, , (11)

Г(0", если |Г,„-Г,| = ДГ>ДГ, при sign(&T) > О

где: У(1) - текущая уставка со своим верхним и нижним значениями тока. На основе материалов главы 2 сделаны следующие выводы:

- для функционирования модели текущего регрессионного анализа в ведущем алгоритме управления необходимы численные значения коэффициентов Ь0 и ¿у, которые в соответствии с выражением (9) могут быть определены только экспериментально на комплексе, включающим камеру сушки и ЭЭП;

- полученная зависимость тока в электродах от объема (уровня) воды в ЭЭП носит сложный характер, но при постоянстве конструктивных параметров ЭЭП должно быть экспериментально определено для конкретных условий конкретного производства;

- разработанный автором способ, алгоритм и система управления температурой в КО в поточной линии производства БСИ требуют их реализации и экспериментального подтверждения.;

- ведущий алгоритм на основе нечеткой модели находится в стадии моделирования и из-за своей специфики и большого объема экспериментов требует отдельного рассмотрения и здесь не приводится.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям задач, поставленных в выводах главы 2. По разработанному методическому обеспечению и специальным методикам были проведены эксперименты в реальных условиях производства БСИ на поточной линии с встроенным экспериментальным образцом ЭЭП, подающего пар в КО. Эксперименты проводились на трех видах БСИ (сушки молочные, сушки простые, баранки сдобные) в автоматическом режиме работы ЭЭП с разработанной системой управления.

Определены временные характеристики парообразования (изменения тока в электродах) на различных уровнях воды в ЭЭП (рис.7), что позволило в следующих экспериментах установить диапазоны изменения тока для поддержания заданных температур пара в КО для трех видов БСИ.

Рисунок 8 Зависимости изменения удельного электрического сопротивления воды и тока в электродах от уровня (объема) воды и принцип выделения уровней (объемов) воды в ЭЭП в зависимости от вида БСИ.

Получены зависимости изменения удельного электрического сопротивления воды и тока в электродах от уровня (объема) воды (рис.8).

В процессе экспериментов была произведена оценка погрешности регулирования температуры в сравнении со средними текущими показаниями и с заданными температурами для каждого вида БСИ. Во всех случаях абсолютная погрешность температуры пара находилась в заданных пределах, относительная погрешность - в пределах 1,6-1,9%, а среднее квадратическое отклонение составило соответственно 0,94°С, 0,98°С и 1,19°С. Экспериментальный образец ЭЭП приведен на рис. 11.

Для подтверждения возможности использования регрессионной модели в ведущем алгоритме управления температурой пара в КО в процессе экспериментов определялись коэффициенты Ь0ч bj. Для трех различных групп экспериментальных данных получены коэффициенты прямой выборочной регрессии, в частности для первой группы: Ьа =-16,0618 и ¿>,=0,19846. С использованием системы Mathcad, version 13.0 (О 1986-2005 Mathsoft Engineering & Education, Inc.) были проведены следующие модельные эксперименты. По задаваемым исходным парам Г и Я и запомненным значениям Ь0 и 6/, средним значениям температур трех видов БСИ и их погрешностям отклонений программа запускалась в работу, в результате которой фиксировались текущие значения Т* и Н*. Результаты работы регрессионной модели и алгоритм представлены на рис.9,10. Эксперименты подтвердили реальность предложенного подхода и реализуемость моделей в ведущем и ведомом алгоритмах управления температурой пара в КО путем изменения уровня (объема) воды в ЭЭП за счет контроля его пределов косвенным методом (измерением тока в электродах парогенератора).

----Тв Тз -ДТ

Рисунок 9 Иллюстрация работы модели регрессионного анализа с задачей квадратичного программирования

Рисунок 10 Алгоритм работы модели поиска решения задачи квадратичного программирования при линейных ограничениях

Рисунок 11 Экспериментальный стенд ЭЭП

В четвертый главе приведен общий анализ результатов работы. Была предложена методика сравнительной оценки по обобщенному показателю качества поточной линии со старой системой управления и с новой системой управления парообразованием в ЭЭП. Эта методика базируется на теории квалиметрии с использованием обобщенного показателя качества системы в виде аддитивного критерия,

объединяющего относительные разнородные групповые показатели качества единичных свойств системы путем минимизации целевой функции, а также на использовании экспертных оценок для определения весовых коэффициентов значимости единичных свойств системы, что соответствует математическому выражению:

к° =£л:,-<т, =»щ (12)

которое в развернутом виде выглядит следующим образом:

+G2^K2iii .g2,„ +0,£а:.„ ■.g„,.+ .... + GrJjKr, -g„ ^min, (13)

где K° - обобщенный показатель (критерий) качества, численные значения которого находятся в пределах 0 < К° < 1; Gi - вес значимости / -той группы групповых относительных показателей качества; К, - относительный групповой показатель качества /' -той группы из множества г групп; Кч - относительный у'-тый единичный показатель качества в первой группе; gyi - вес значимости у'-того единичного показателя качества в первой группе; К1т - относительный от-тый единичный показатель качества во второй группе; g2m - вес значимости т-того единичного показателя качества во второй группе; К,„ - относительный п -ый единичный показатель качества в третьей группе; g,„ - вес значимости п -го относительного единичного показателя качества в третьей группе;

Кп - относительный s-тый единичный показатель качества в /-той группе; grs - вес значимости i-того относительного единичного показателя качества в r-той группе, при этом:

/ = 1 ... г ; у = 1,2 .... ; т = 1.2 .... „• и = 1. 2 ....; s = 1,2 ,...; О <сг ,■ (1 ,■ J а / = 1 ;

0<il у<1; I s 1 j = 1; o(g2m <1.- I i?2 т = 0<г3и Z хЪп = 1.' o(gn (1,1 g „ = l

Особенностью методики является то, что численные значения относительных показателей качества представляют ориентированными в одном направлении, тем самым получают вектор однонаправленных относительных показателей качества единичных свойств системы, что позволяет производить с ними математические действия, не нарушая физических основ изменения единичных свойств в процессе функционирования системы. При этом должен быть выполнен ряд условий. Для оценки К0 было использовано 16 параметров (со своими весами значимости), поделенные на четыре группы: технологическая (/ =5), энергетическая (т=4'), динамическая (п=3 ) и эксплуатационная (s=4). Подсчитанные значения К° для поточной линии со старой системой управления ЭЭП и новой системой управления ЭЭП соответственно равны 0,415 и 0,387, что говорит о 7% разнице в сторону улучшения качества поточной линии с новой системой управления температурой пара в КО. Отдельные составляющие критерия, влияющие непосредственно на экономические показатели, приведены в таблице, по которым подсчитана ориентировочная годовая экономическая выгода, составляющая 6,13536 млн. рублей.

Таблица Оценочные данные экономических показателей

Наименование параметра Поточная линия с известной схемой управления ЭЭП Поточная линия производства БСИ с новой схемой управления ЭЭП Ориентировочная экономическая выгода, млн.руб. Примечание

I. Погрешность управления температурой в КО 6% 2% 1,728 Невозвратный брак

2. Количество нерегламенти-рованных ремонтно - профилактических работ (простоев линии) в год 24 - 4,32 Недобор объемов выпуска за счет простоев

3. Время на единицу нерегла-ментироваиных ремонтно -профилактических работ 20 часов 2 часа (регламент!) 0,07488 Стоимость обслуживания нерегламентиро-ванных ремонтно-профилактических работ

4. Время между нерегламенти-рованными ремонтно - профилактическими работами 336 часов 1 в год - -

5. Время переустановки датчиков контроля уровня воды в ЭЭП при смене вида БСИ (20 видов в течение года) 80 часов в год 0,8 часа в год 0,01248 Стоимость переустановки датчиков уровня при смене вида БСИ

Общая экономическая выгода 6,135360

Основные результаты работы

На основе важности поставленных проблем в рамках сформулированных задач проведены исследования, в результате которых получены следующие результаты:

- на основе предложенного подхода теоретически обоснована и экспериментально подтверждена работоспособность ведущего и ведомого алгоритмов управления температурой пара в КО поточной линии производства БСИ;

- установлена экспериментальная зависимость тока, протекающего через электроды, от уровня (объема) воды в парогенераторе, на основе которой разработан ведомый алгоритм управления подачей воды в ЭЭП;

- разработан алгоритм управления температурой паровоздушной смеси на объекте сушки, включающий упомянутую модель регрессионного анализа и оптимизатор целевой функции задачи квадратичного программирования, решаемой с помощью неопределенных множителей Лагранжа;

- экспериментально исследована регрессионная математическая модель в составе ведущего алгоритма управления, получены исходные параметры регрессии для трех видов БСИ, а с помощью модели квадратичного программирования получены оценочные данные погрешности регулирования температуры в КО;

- разработаны способ и система управления температурой пара на объекте сушки (в камере ошпаривания при производстве БСИ), основанные на циклическом включении - выключении клапана подачи воды по алгоритму управления с заданной уставкой тока, протекающего через электроды, соответствующей заданному уровню, при заданной температуре пара в камере ошпаривания, и вводом новой уставки в указанный алгоритм при выходе из заданного температурного допуска;

- разработаны методики экспериментальных исследований и определения параметров ведущего и ведомого алгоритмов управления процессом парообразования в ЭЭП в составе поточной линии производства БСИ;

- разработана методика оценки качества поточной линии по производству изделий из КПМ, по которой произведена оценка поточной линии производства БСИ с системой (прототипом) управления и с новой системой управления ЭЭП;

- разработанная система управления введена в эксплуатацию в составе поточной линии производства БСИ на ООО «Воплощение, в результате чего исключены нерег-ламентированные простои, исключены из системы управления датчики уровня с ориентировочной годовой экономической выгодой свыше шести млн. рублей;

- результаты исследований защищены патентами на изобретения и полезные модели и зарегистрированными программами.

Публикации по теме диссертации Публикации в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ

1. Сафронова, H.A. Управление температурой паровоздушной смеси при производстве бараночно-сушечных изделий (БСИ) на основе текущего регрессионного анализа [Текст] / H.A. Сафронова // Информационные системы и технологии. -Орел: ОрелГТУ, 2011. - № 1. - С.86-90

2. Суздальцев, А.И. Об одном методе оценки качества технических систем характеризирующихся разнородными свойствами и показателями качества [Текст] / А.И. Суздальцев, С.П. Петров, H.A. Сафронова // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел: ОрелГТУ, 2010. - № 1. - С. 119-123 (Личное участие 1 с.)

3. Суздальцев, А.И. Нечеткая модель в алгоритмах управления пиковыми подогревателями в подсистемах теплоснабжения 4.1 [Текст] / А.И. Суздальцев, С.П. Петров, H.A. Загородних, H.A. Сафронова // Информационные системы и технологии. - Орел: ОрелГТУ, 2010. - № 1. - С. 93-100 (Личное участие 2 с.)

4. Суздальцев, А.И. Нечеткая модель в алгоритмах управления пиковыми подогревателями в подсистемах теплоснабжения 4.2 [Текст] / А.И. Суздальцев, С.П. Петров, H.A. Загородних, H.A. Сафронова // Информационные системы и технологии. - Орел: ОрелГТУ, 2010. - № 2. - С. 104-109 (Личноеучастие 1 с.)

Патенты и зарегистрированные программы для ЭВМ

5. Патент РФ № 100182 МПК F24D 3/02 на полезную модель. Электрический парогенератор [Текст] / А.И. Суздальцев, В.О. Андреев, Вал.О. Андреев, H.A. Сафронова - Опубл. 10.12.2010.Бюл .№ 34 (Личное участие 25%)

6. Патент РФ МПК F24D 3/02 на полезную модель. Устройство управления подачей газа в пиковой теплоисточник системы централизованного теплоснабжения [Текст] / А.И. Суздальцев, В.О. Андреев, H.A. Сафронова - Заявка №2010102913/22 с положительным решением от 25.02.2010 т.(Личноеучастие 33%)

7. Программа оптимизации режимов технологических операций термовлажно-стной обработки для ассортимента бараночно-сушечных изделий № 2010611809 [Текст] / А.И. Суздальцев, В.О. Андреев, Вал.О. Андреев, H.A. Сафронова - Зарег. в Реестре программ для ЭВМ 09.03.2010

8. Программа регулирования тепловых и гидравлических режимов в когенера-ционной системе теплоснабжения на основе нечеткой логики № 2010612291 [Текст] / А.И. Суздальцев, В.О. Андреев, H.A. Сафронова - Зарег. в Реестре программ для ЭВМ 26.03.2010

Публикации в рецензируемых журналах и сборниках международных и всероссийских конференций

9. Сафронова, H.A. Новый способ управления подачей воды в электрическом парогенераторе [Текст] / H.A. Сафронова // ИТНОП Материалы IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве». - Орел: ОрелГТУ, 2010. - том 3. - С. 288-291

10. Сафронова, H.A. Классификация структур тепло-влажностных процессов (ТВП) бытового и производственного назначения [Текст] / H.A. Сафронова // Материалы межвузовской научно-практической конференции «опыт использования информационных технологий в различных областях человеческой деятельности» -Орел: ОФ СГА, 2010. - С.100-104.

11. Суздальцев, А.И. Методика оценки качества технических систем характе-ризирующихся разнородными свойствами и показателями качества [Текст] / А.И. Суздальцев, С.П. Петров, H.A. Сафронова И ИТНОП Материалы IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве». - Орел: ОрелГТУ, 2010. - том 5. - С. 108-113 {Личноеучастие 2 с.)

12. Суздальцев, А.И. Энергоэффективный автоматизированный комплекс производства пищевых изделий [Текст] / А.И. Суздальцев, В.О. Андреев, H.A. Сафронова // Интеллект и наука: труды X международной научно-практической конференции (г. Железногорск, 28-29 апреля 2010 г.) - Красноярск: ИПК СФУ, 2010. - С. 110-111 (Личное участие 0,7 с.)

13. Суздальцев, А.И. Робототехнические принципы автоматизации поточного производства бараночно-сушечных изделий [Текст] / А.И. Суздальцев, H.A. Сафронова, Вал.О. Андреев // Труды XI международной научно-практической конференции «Робототехника как образовательная технология». Железногорск, декабрь 2010 г./отв. за выпуск А.В.Хныкин, - Красноярск: ИПК СФУ, 2011 - С.59-62(Личноеучастие 1,5 с.)

ЛРИДМ<> 00670 от 05.01.2000 Подписано к печати « 4 » марта 2011 г. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Усл.печ.л.1 Тираж 100 экз. Заказ № 135

Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфической базе ФГОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» 302025, Орел, ул. Московская, 65.

Введение.

Глава 1 Системный анализ процесса сушки капиллярно-пористых материалов (КПМ) пищевого назначения с использованием паровоздушных смесей.

1.1 Классификация структур тепло-влажностных процессов (ТВП) бытового и производственного назначения

1.2 Историко-технологическое представление сушки КПМ на примере производства изделий пищевого назначения.

1.3 Физико-математическое представление процесса сушки КПМ.

1.4 Робототехнические принципы автоматизации поточного производства изделий из КПМ.

1.4.1 Структура поточной линии для производства изделий из КПМ на примере изготовления БСИ.

1.4.2 Процесс ошпаривания и анализ технологического оборудования

1.5 Патентно-технический анализ систем управления парообразованием в ЭПГ.

Выводы.

Глава 2 Теоретические основы управления температурой паровоздушной смеси на операциях предварительной сушки изделий из КПМ.

2.1 Решение задачи управления температурой паровоздушной смеси в объекте сушки КПМ с помощью квадратичного программирования и линейной регрессии в качестве ограничений при анализе технологического процесса (на примере управления температурой пара в камере ошпаривания (КО)).

2.2 Анализ процесса регулирования уровня воды в электрическом электродном парогенераторе (ЭЭП) с косвенным методом контроля уровня.

2.3 Синтез алгоритмов управления температурой паровоздушной смеси в объекте сушки с использованием ЭЭП.

2.3.1 Формулирование нового подхода к управлению температурой пара, подаваемого к объекту сушки от ЭЭП.

2.3.2 Разработка ведомого алгоритма управления механизмом подачи воды в ЭЭП на основе метода косвенного контроля уровня

2.3.3 Разработка ведущего алгоритма управления температурой пара в объекте сушки изделий из КПМ.

2.4 Разработка способа управления температурой пара в КО, поступающего от ЭЭП, на основе нового подхода.

2.5 Синтез модели управления температурой паровоздушной смеси в камере ошпаривания на основе нечеткой логики.

Выводы.

Глава 3 Экспериментальные исследования.

3.1 Цели и задачи экспериментальных исследований.

3.2 Методическое обеспечение экспериментов.

3.3 Экспериментальное определение удельного электрического сопротивления воды в условиях ООО «Воплощение» и установление экспериментальной зависимости тока в электродах ЭЭП от уровня (объема) воды в парогенераторе.

3.4 Экспериментальные исследования зависимости температуры пара в камере ошпаривания от тока в электродах ЭЭП.

3.5 Проверка функционирования регрессионной математической модели в составе ведущего алгоритма управления температурой пара в КО

Выводы.

Глава 4. Технико-экономический анализ результатов исследований

4.1 Методика оценки качества поточной линии производства БСИ.

4.2 Оценка качества поточной линии по обобщенному критерию.

4.3 Оценка ориентировочных экономических показателей поточной линии производства БСИ с новой системой управления парообразованием в ЭЭП в составе поточной линии.

Выводы.

Актуальность темы. Проблема автоматизированного управления процессами сушки капиллярно-пористых материалов (КПМ) касается многих отраслей и активно разрабатывается как в нашей стране, так и за рубежом, однако решение многих задач в этой области по-прежнему остается актуальным. В первую очередь, это относится к КПМ, сушка которых осуществляется в процессе их перемещения с входа на выход сушильного агрегата (макароны, печенье, керамика, полимеры, кальцит и т.д.). Здесь наряду с основными параметрами (температура и влажность окружающего воздуха, температура и влажность высушиваемого изделия) важное значение приобретает параметр длительности мертвого транспортного запаздывания (ТРЗ), который во многих технологических процессах (металлургия, нефтехимические процессы, производство бара-ночно-сушечных изделий и т.д.) связан с невозможностью регулятора вернуть процесс регулирования назад и соответственно с невозможностью исправить брак готовой продукции. Качество готового изделия после сушки КПМ определяется многими параметрами. Один из самых важных — влажность самого изделия, измерять и контролировать которую в процессе сушки крайне затруднительно. Например, в макаронном производстве (изделия из КПМ пищевого назначения) отсутствие контроля влажности изделия в процессе сушки и наличие мертвого ТРЗ по исследованиям Тинякова С.Е. предопределяет большой процент брака готовых изделий (от 1 до 20 %), а время сушки составляет более 5 часов.

Особый класс изделий из КПМ пищевого назначения представляют бара-ночно-сушечные изделия (БСИ), в котором время сушки от момента формирования сырых изделий до конца выпечки занимает не более одного часа, обеспечивая высокую производительность за счет автоматизированной поточной линии, где широко используется пар и соответственно парогенераторы, причем преимущественно электрические электродные (ЭЭП). Основные их преимущества заключаются в том, что они не подлежат госнадзору, экологичны н безопасны, время разгона не превышает 10 минут, что особенно важно для малых предприятий этого профиля. ЭЭП выпускаются с системами управления, регулирующими потребляемую мощность или давление пара на выходе путем изменения уровня подаваемой воды, однако при использовании в объектах промышленного назначения требуется дополнительная подстройка параметров пара под требования потребителя, у которого, как правило, параметры изделия изменяются случайным образом. Эта часть в ЭЭП не решается. Другим недостатком ЭЭП является то, что на датчиках уровня любой физической структуры образуется налет из солей, содержащихся в парах воды, приводящий к медленному изменению параметров датчиков уровня, что приводит систему управления параметрами пара у потребителя в неустойчивое состояние (например, систему управления температурой пара в камере ошпаривания при производстве БСИ, когда температура выходит из заданного допуска, в результате чего образуется невозвратный брак изделий, который из-за постепенно нарастающей потери устойчивости системы управления обнаруживается только спустя целую рабочую смену). Налет на датчиках уровня и накипь в ЭЭП существенно влияют на время межремонтного и профилактического обслуживания (по данным ООО "Воплощение» через каждые две недели работы ЭЭП (с известными датчиками уровня) необходимо останавливать поточную линию и не менее суток размонтировать котел, удалять накипь, заменять датчики уровня на новые, а затем снова монтировать, соблюдая тонкие моменты сборки, завинчивание гаек, установки прокладок и т.п.).

Всё вышеприведенное позволяет констатировать, что для оптимального управления параметрами пара у потребителя, осуществляющего сушку КПМ на поточных линиях, в частности в КО в поточной линии производства БСИ, требуются новые алгоритмы управления и, во-вторых, необходимо исключить (уменьшить) влияние накипи на устойчивость системы управления уровнем воды в ЭЭП.

Объектом исследования в настоящей работе являются технологические процессы сушки изделий из капиллярно-пористых материалов пищевого назначения на основе паровоздушных смесей.

Предмет исследования: алгоритмы, модели и средства управления температурой паровоздушной смеси в камере ошпаривания поточной линии производства БСИ.

Целью настоящего исследования является повышение надежности и качества управления температурой паровоздушной смеси, сокращение брака, трудоемкости и сроков ремонтно-профилактических работ в поточном производстве изделий из КПМ

Для реализации указанной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:

- проведение системного анализа процессов сушки изделий из КПМ пищевого назначения;

- разработка нового подхода к управлению температурой паровоздушной смеси в комплексах сушки изделий из КПМ со встроенными ЭЭП;

- разработка и исследование косвенного метода контроля уровня воды в ЭЭП;

- разработка алгоритма управления подачи воды в ЭЭП на основе косвенного метода контроля уровня;

- разработка системы и алгоритмов управления температурой паровоздушной смеси в камере ошпаривания с использованием моделей регрессионного анализа и оптимизации целевой функции квадратичного программирования;

- разработка методики оценки качества функционирования поточной линии производства БСИ с СУ парообразованием на основе разработанных алгоритмов управления;

- разработка методик проведение экспериментального исследования СУ и проведение экспериментальных исследований СУ в производственных условиях.

Методы средства исследования. В ходе исследования были использованы методы вероятностного, численного, корреляционного и регрессионного анализа, матричного решения дифференциальных уравнений, методы системного анализа, математической статистики и теории нечетких множеств, методы измерения электрических величин и теории регулирования с обратными связями.

Научная новизна заключается в следующем:

- предложен новый подход к управлению температурой паровоздушной смеси, подаваемой к объекту сушки от ЭЭП, заключающийся в формировании двух взаимосвязанных алгоритмов управления по принципу ведущий-ведомый, при этом ведущий включает модель текущего регрессионного анализа температуры пара в объекте сушки и уровня (объема) воды в ЭЭП или упреждающую нечеткую модель, связывающую температуру пара в объекте сушки, давление пара на выходе ЭЭП и уровень подаваемой воды в ЭЭП, а ведомый алгоритм включает модель зависимости тока электродов от уровня (объема) воды в ЭЭП, причем последовательность работы алгоритмов регламентируется регулятором управления уровнем воды в ЭЭП;

-установлена экспериментальная зависимость тока, протекающего через электроды, от уровня воды в парогенераторе, на основе которой разработан ведомый алгоритм управления подачей воды в ЭЭП ;

- разработан алгоритм управления температурой паровоздушной смеси на объекте сушки, включающий упомянутую модель регрессионного анализа и оптимизатор целевой функции задачи квадратичного программирования, решаемой с помощью неопределенных множителей Лагранжа;

- разработаны способ и система управления температурой пара на объекте сушки (в камере ошпаривания при производстве БСИ), основанные на циклическом включении - выключении клапана подачи воды по алгоритму управления с заданной уставкой тока, протекающего через электроды, соответствующей заданному уровню, при заданной температуре пара в камере ошпаривания, и вводом новой уставки в указанный алгоритм при выходе из заданного температурного допуска;

- разработаны методики экспериментальных исследований и определения параметров ведущего и ведомого алгоритмов управления процессом парообразования в ЭЭП в составе поточной линии производства БСИ;

- разработана методика оценки качества поточной линии по производству изделий из КПМ, основанная на теории квалиметрии с использованием аддитивного метода объединения относительных разнородных показателей качества единичных свойств системы в обобщенный показатель качества, отличающийся минимизацией целевой функции обобщенного показателя качества и использованием весовых коэффициентов и экспертных оценок для определения значимости единичных свойств СУ.

Практическую ценность работы составляют:

- разработанный способ и система управления температурой пара на объекте сушки, позволяющие поддерживать заданный режим температуры пара в камере ошпаривания продолжительное время без остановки на ремонт поточной линии при заданном качестве изделий на выходе (заявка № 2010140757/06 от 05.10.2010 г.на изобретение;

- алгоритм управления подачей воды в ЭЭП, включающий модель экспериментальной зависимости протекающего через электроды тока от уровня (объема) воды в ЭЭП, что позволяет обходиться без датчиков уровня в системе регулирования подачи воды в ЭЭП (патент на полезную модель «Электрический парогенератор № 100182, опубл. 10.12.2010 г. Бюл. №34).

- методики экспериментальных исследований.

Положения, выносимые на защиту:

- новый подход к управлению температурой паровоздушной смеси, подаваемой к объекту сушки от ЭЭП, заключающийся в формировании двух взаимосвязанных алгоритмов управления по принципу ведущий-ведомый, при этом ведущий включает модель текущего регрессионного анализа температуры пара в объекте сушки и уровня (объема) воды в ЭЭП; и

- экспериментальная зависимость тока, протекающего через электроды, от уровня воды в парогенераторе, на основе которой разработан ведомый алгоритм управления подачей воды в ЭЭП;

- алгоритм управления температурой паровоздушной смеси на объекте сушки, включающий упомянутую модель регрессионного анализа и оптимизатор целевой функции задачи квадратичного программирования, решаемой с помощью неопределенных множителей Лагранжа;

- способ и система управления температурой пара на объекте сушки (в камере ошпаривания при производстве БСИ);

- методика оценки качества поточной линии

Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, доложены на IV Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, образовании и производстве». Орел, 22-23 апреля 2010 г.; X международной научно-практической конференции Интеллект и наука. Железногорск, 28-29 апреля 2010 г.; XI международной научно-практической конференции «Робототехника как образовательная технология». Железногорск, 3 декабря 2010 г.; межвузовской научно-практической конференции «опыт использования информационных технологий в различных областях человеческой деятельности» - Орел: ОФ СГА, декабрь 2010 г., ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и аспирантов кафедры ЭВТ ИБ. ОрелГТУ. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе получены два патента РФ, зарегистрированы две программы.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 33 рисунка, 14 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 105 наименований, 10 приложений.

Выводы

- Предложенная методика оценки качества по обобщенному критерию позволяет учитывать множество разнородных параметров технической системы и давать более объективную сравнительную оценку сложных систем, находящихся как в стадии разработки, так и в стадии эксплуатации.

- Полученные оценочные экономические показатели позволяют констатировать, что поставленные в работе задачи решены и цели достигнуты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В связи с актуальностью поставленных проблем в рамках сформулированных задач проведены исследования, в результате которых получены следующие результаты:

- на основе предложенного подхода теоретически обоснована и экспериментально подтверждена работоспособность ведущего и ведомого алгоритмов управления температурой пара в КО поточной линии производства БСИ;

- установлена экспериментальная зависимость тока, протекающего через электроды, от уровня (объема) воды в парогенераторе, на основе которой разработан ведомый алгоритм управления подачей воды в ЭЭП;

- разработан алгоритм управления температурой паровоздушной смеси на объекте сушки, включающий упомянутую модель регрессионного анализа и оптимизатор целевой функции задачи квадратичного программирования, решаемой с помощью неопределенных множителей Лагранжа;

- экспериментально исследована регрессионная математическая модель в составе ведущего алгоритма управления, получены исходные параметры регрессии для трех видов БСИ, а с помощью модели квадратичного программирования получены оценочные данные погрешности регулирования температуры в КО;

- разработаны способ и система управления температурой пара на объекте сушки (в камере ошпаривания при производстве БСИ), основанные на циклическом включении - выключении клапана подачи воды по алгоритму управления с заданной уставкой тока, протекающего через электроды, соответствующей заданному уровню, при заданной температуре пара в камере ошпаривания, и вводом новой уставки в указанный алгоритм при выходе из заданного температурного допуска;

- разработаны методики экспериментальных исследований и определения параметров ведущего и ведомого алгоритмов управления процессом парообразования в ЭЭП в составе поточной линии производства БСИ;

- разработана методика оценки качества поточной линии по производству изделий из КПМ, по которой произведена оценка поточной линии производства БСИ с системой (прототипом) управления и с новой системой управления ЭЭП;

- разработанная система управления введена в эксплуатацию в составе поточной линии производства БСИ на ООО «Воплощение, в результате чего исключены нерегламентированные простои, исключены из системы управления датчики уровня с ориентировочной годовой экономической выгодой свыше шести млн. рублей;

- результаты исследований защищены патентами на изобретения и полезные модели и зарегистрированными программами.

1. Азгальдов, Г.Г. Квалиметрия: прошлое, настоящее, будущее. Текст. / Г.Г. Азгальдов. // Стандарты и качество. 1994. — № 1. - С. 45-49.

2. Анисимов, Д.Н. Использование нечеткой логики в системах автоматического управления. Текст. / Д.Н. Анисимов // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. 2001. № 8. - С. 39-42

3. Анодные электрические парогенераторы. Электронный ресурс. — Режим доступа: www.novadigital.com.ua/index2.php

4. Арапов, B.M. Моделирование конвективной сушки мелкодисперсных материалов. Текст. / В.М. Арапов // Материалы I всероссийской научно-технической конференции «Теория конфликта и ее приложения». Воронеж: ВГТА. 2000. - с.45 - 46.

5. Абомелик, Т.П. Управление качеством электронных средств./ Текст.: Учебное пособие для вузов. / Т.П. Абомелик. Ульяновск: 2007. - 127 с.

6. Благовещенская, М.Н. Автоматика и автоматизация пищевых производств. Текст.: Учебник для вузов./ М.Н. Благовещенская, М.О. Ворошина и др. М.: Агропромиздат, 1991. - 239 с.

7. Буров, Л.А., Медведев Г.М. Технологическое оборудование макаронных предприятий. Текст. / Л.А.Буров, Г.М.Медведев. М.: Пищевая промышленность. - 1980. - 248 с.

8. Воинов, Б.С. Информационные технологии и системы Текст.: монография/ Б.С. Воинов // Книга 1. Методология синтеза новых решений. Нижний Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2001. - 404 с.

9. Волков, A.B. Повышение эффективности сушки длительносохнущих пиломатериалов в камерах периодического действия. Текст.: автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.21.05 / Алексей Владимирович Волков; Архангельск. — 2003.

10. Волкова, В.Н. Основы теории систем и системного анализа Текст.: учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Системный анализ вуправлении» / В.Н. Волкова, A.A. Денисов. — СПб.: Издательство СПбГТУ, 1997.-510 с.

11. Гальперин, Л.Г. Разработка физико-математических моделей теплоэнергетических процессов и их практическое использование. Текст.: дис. . докт. техн. наук: 01.04.14, 05.04.14 / Гальперин Леонид Гдалевич; Екатеринбург,I2004.-225 с.

12. Гинзбург, A.C. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. Текст. / A.C. Гинзбург —М.: Агропромиздат, 1985. — 336 с.

13. Гличев, A.B. Прикладные вопросы квалиметрии Текст. / A.B. Гличев и др. М.: Издательство стандартов, 1983. - 136 с.

14. Гмурман, В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Текст.: Учеб. пособие для вузов / В.Е. Гмурман. — 9-е изд., стер. — М.: Высш. шк., 2003.-479 с.

15. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия, термины и определения Текст. М.: Изд-во стандартов, 1979. — 20 с.

16. ГОСТ 7128.91 Изделия хлебобулочные бараночные. Технические условия, процесс производства бараночных изделий. Текст. — М.: Изд-во стандартов, 1993.-23 с.

17. Грановский, В.А. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях Текст. / В.А. Грановский, Т.Н. Сырая. Л: Энергоатомиздат, 1990. — 287 с.

18. Глудкин О.П. Всеобщее Управление качеством. Текст.: Учебник для вузов / О.П. Глудкин, Н.М. Горбунов, А.И. Гуров, Ю.В. Зорин. / ред. О.П. Глуд-кина—М.: Горячая линия — Телеком, 2001.- 600с.

19. Делительно-закаточная машина Преимущества и оригинальные решения. КБ ЗАО Невская сушка. Электронный ресурс. Режим доступа: www.kb.fírmanevsushka.spb.ru/pre.html

20. Дрейпер, Н. Прикладной регрессионный анализ. Текст.: в 2-х кн. / Н. Дрейпер, Г. Смит, пер. с англ. — М.: Финансы и статистика, 1986.- 366 с.

21. Жук, Т.И. Разработка и анализ распределенных математических моделей тепловых процессов. Текст.: автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.13.06 / Татьяна Игоревна Жук; Моск. энергет. ин-т. Москва. - 2006.

22. Заде, JI. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. Текст. / JL Заде. М.: Мир, 1976. - 224 с.

23. Иванченко, О.И. Автоматическая система непрерывного дистанционного контроля влажности и температуры воздуха. Текст.: диссертация . кандидата технических наук : 05.11.13: Санкт-Петербург. 2007. - 108 с.

24. Клюев, A.C. Оптимальная структура технологии и автоматического управления производства пара и горячей воды. Текст. / A.C. Клюев. М.: «Экспо-Сервис», 2000.

25. Колмогоров, А.Н. Основные понятия теории вероятностей. Текст. / А.Н. Колмогоров. -М.: Наука, 1974. 120 с.

26. Контроллер управления парогенератором. Электронный ресурс. — Режим доступа: http://mx-omsk.ru/content/view/l 5/243/

27. Корячко, В.П. Микропроцессоры и микроЭВМ в радиоэлектронных средствах: учебник для вузов по спец. «Конструрирование и производство радиоэлектронных средств» Текст. / В.П. Корячко. М.: Высшая школа, 1990. - 407 с.

28. Котел электрический паровой электродный. Электронный ресурс. . — Режим доступа: www.prom22.ru/katalog/kotel kep.html

29. Кофман, А. Введение в теорию нечетких множеств. Текст. / А. Кофман. — М.: Радио и связь, 1982.- 432 с.

30. Крамер, Г. Математические методы статистики. Текст. / Г. Крамер,— М.: Мир, 1975.-648 с.

31. Кудинов, Ю.И. Нечеткие регуляторы и системы управления. Текст. / Ю.И. Кудинов, И.Н. Дорохов, Ф.Ф. Пащенко. // Проблемы управления. 2004. № 3.-С.2-20

32. Лаптев, С. В. Синергетический метод синтеза нелинейных систем иерархического управления теплоэнергетическими процессами. Текст.: автореферат дис . канд. техн. наук: 05.13.01 / Сергей Владимирович Лаптев; Таганрог. -2004.

33. Летягин, И.Г. Измерительно-вычислительная система определения влажности капиллярно-пористых материалов. Текст.: автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.11.16 / Игорь Георгиевич Летягин; Липецк, 2000. - 18 с.

34. Липов, Ю.М., Третьяков Ю.М. Котельные установки и парогенераторы. Текст. / Ю.М. Липов, Ю.М. Третьяков. // НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». Москва-Ижевск, 2003.

35. Лукомский, Я.И. Теория корреляции и её применение к анализу производства. Текст. /Я.И. Лукомский. -М.: Госстатиздат, 1961. 375 с.

36. Лыков, A.B. Теория сушки. Текст.: 2-е изд. перераб. / A.B. Лыков.-М.: Энергия, 1968-471 с.

37. Малышкина, В.А. Анализ процесса сушки макаронных изделий в инфракрасных сушилках. Текст. / В.А. Малышкина, A.M. Пишухин, В.П. Попов. // Вестник Оренбургского государственного университета. 2004. — 115с.

38. Малышкина, В.А. Оптимальное управление технологическим процессом сушки макаронных изделий. Текст.: диссертация . кандидата технических наук: 05.13.06: Оренбург. 2005. - 180 с.

39. Масалович, А. Нечеткая логика в бизнесе и финансах. Электронный ресурс. — Режим доступа: http:// www.tora-centre.ru/library/fuzzy/fuzzv-.htm

40. Мэтьюз, Д. Г., Финк К. Д. Численные методы, использование MATHCAD. Текст. / Д. Г. Мэтьюз, К. Д. Финк. М.: Издательский дом "Вильяме", 2001.

41. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта. Текст. : / ред. Д.А.Поспелова. — М.: Недра, 1986.

42. Парогенератор электродный. Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.valley.ru/~td/info/generator.html

43. Парогенератор электродный. Электронный ресурс. Режим доступа: http ://w ww. in versiya. с от/ elp aro gen er .php

44. Парогенераторы ПЭЭ. Электронный ресурс. — Режим доступа: www.propar.ru/catalog/sect/18

45. Парогенераторы электрические промышленные: электродные и теновые. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.strela.punkt.ru /site.xp/051051048.html

46. Парогенераторы электрические электродные. Электронный ресурс. -Режим доступа: www.progress57.rn/mainl .php

47. Парогенераторы ЭЭП. Электронный ресурс. Режим доступа: www, torson-auto/ paro generator у

48. Патент RU № 2013687, МПК F 22 В 1/30 на изобретение. Электродный котел. Текст. / П.Л. Нелюбов, В.А. Куличенко; патентообл. Нелюбов Павел Леонидович.-№4924453/06, 03.04.1991. Опубл. 30.05.1994. Бюл.17.

49. Патент RU № 2140609, МПК F 22 В 1/30 на изобретение. Электропарогенератор саморегулируемый. Текст. / А. В. Ларев. № 98107013/06, 15.04.1998. - Опубл. 27.10.1999. Бюл. 33.

50. Патент RU № 2145399, МПК F 22 В 1/30 на изобретение. Парогенератор. Текст. / П.Л. Нелюбов, В.А. Куличенко; патентообл. ОАО "Орловский опытно-экспериментальный завод "Легмаш". № 98107403/06, 14.04.1998. -Опубл. 10.02.2000. Бюл. 4.

51. Патент RU № 2169310, МПК F 22 В 1/30 на изобретение. Электродный парогенератор. Текст. / Ю. М. Мамедов. № 99116928/06, 02.08.1999. - Опубл. 20.06.2001. Бюл. 19.

52. Патент RU № 2262038, МПК F 22 В 1/30 на изобретение. Парогенератор. Текст. / В.А. Куличенко. № 2003122757/06, 21.07.2003. - Опубл. 10.10.2005. Бюл 30.

53. Патент RU № 2315232, МПК F 22 В 1/30 на изобретение. Парогенератор электрический электродный. Текст. / A.A. Кудрявцев, А.К. Безотосов, А.Г. Ба-лачков. № 2006103049/06, 03.02.2006. - Опубл. 20.01.2008. Бюл. 2.

54. Патент RU № 2378562, МПК F 16 L 58/00 на изобретение. Способ защиты внутренней поверхности парового котла. Текст. / О.Н. Поляков, Н.П. Ковалев, А.П. Ковалев, Л.В. Аксенова. № 2008123682/06, 30.05.2008. - Опубл. 10.01.2010. Бюл. 1.

55. Патент RU № 100182 МПК F 24 D 3/02 на полезную модель. Электрический парогенератор. Текст. / А.И. Суздальцев, В.О. Андреев, Вал.О. Андреев, H.A. Сафронова. -№ 2010101721, 21.01.2010.-Опубл. 10.12.2010. Бюл. 34

56. Патент RU № 90167, МПК F22 В1/30 на полезную модель. Котел электродный водогрейный «Пар». Текст. / А.Г. Балачков. № 2009133232, 07.09.2009. - Опубл. 27.12.2009. Бюл. 36.

57. Пашков, Л.Т. Математические модели процессов в паровых котлах. Текст. / Л.Т. Пашков. — Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002.

58. Петров, С.П. Автоматизация когенерационных систем теплоснабжения с распределенными пиковыми нагрузками. Текст.: Монография/ С.П.Петров; под общей редакцией д.т.н., проф. А.И.Суздальцева. — М.: Машиностроение — 1. 2007. 304с.

59. Пикина, Г.А. Математические модели технологических объектов. Текст.: Учебное пособие. / Г.А. Пикина. М.: Изд-во МЭИ, 2000.

60. Пикина, Г.А. Методологические основы построения аналитических моделей теплоэнергетических процессов. Текст.: автореферат дис. . доктора техн. наук: 05.13.06 / Галина Алексеевна Пикина; Моск. энергет. ин-т. Москва, 2007.-39 с.

61. Пикина, Г.А. Математические модели противоточного конвективного пароперегревателя котла в системе регулирования температуры. Текст. / Г.А. Пикина, О.М. Чикунова // Теплоэнергетика. 2002. - № 8. - с. 25-33.

62. Пикина, Г.А. Сравнительный анализ линейных моделей противоточного конвективного пароперегревателя котла в системе регулирования температуры.

63. Текст. / Г.А. Пикина, О.М. Чикунова // Теплоэнергетика. 2002. — № 10. - с. 22-25.

64. Полак, Э. Численные методы оптимизации. Единый подход. Текст.: пер. с англ. / Э. Полак. М: Мир, 1974. - 376 с.

65. Прикладные нечеткие системы Текст.: пер. с япон. / К. Асаи, Д. Ватада, С. Иваи и др.: под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугено. М.: Мир, 1993 - 368 с.

66. Прокопенко, М.Н. Автоматизация технологического процесса сушки керамического кирпича на основе многосвязных однотипных систем управления. Текст.: автореферат дис. . канд. техн. наук: 05.13.06 / Михаил Николаевич Прокопенко; Тамбов, 2007. 20 с.

67. Промышленные роботы в России. Сайт компании ЕВРОСИВ. Электронный ресурс. Режим доступа: http:// www.rb.ru/blog/3254

68. Промышленные роботы. Электронный ресурс. — Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/

69. Пучкова, Л.И. Лабораторный практикум по технологии хлебопекарного производстваТекст.: Зе изд. / Л.И. Пучкова. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 232 с.

70. Пучкова, Л.И. Органолептическая оценка качества хлебобулочных изделий. Текст.: Обзорн. инф. / Л.И. Пучкова, Н.Г. Еникеева, H.H. Смирнова. -М.: ЦНИИТЭИМинхлебопродуктов, 1987. 32 с.

71. Расчет промышленного парогенератора: ПЭЭ, теновый. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.kordinata.ru/informrg

72. Редин, И.В. Оптимизация управления процессом сушки строительных материалов и изделий из древесины. Текст.: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.13.06 / Иван Васильевич Редин; М. RuMoELAR, 2004. - 21 с.

73. Рущинский, В.М. Математические модели процесса генерации пара в котлоагрегатах и возможности их применения в системах контроля и управления. Текст.: автореферат дис. докт. техн. наук/В.М. Рущинский, 1970.

74. Сажин, Б.С. Основы техники сушки. Текст. / Б.С. Сажин. М.: Химия, 1994.-320 с.

75. Самарский, A.A. Математическое регулирование и вычислительный эксперимент. Текст. / A.A. Самарский // Вестн. АН СССР. 1979. - № 5. - с. 3849.

76. Себер, Дж. Линейный регрессионный анализ. Текст. / Дж. Себер. М.: Мир, 1980.-456 с.

77. Советов, Б.Я. Моделирование систем: учебник для вузов по спец. «Автоматизированные системы управления» Текст. / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. — М.: Высшая школа, 1985. 271 с.

78. Современная прикладная теория управления: Новые классы регуляторов технических систем. Текст. / ред. A.A. Колесникова. — Москва-Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. ч. III.

79. Соколов, В.А. Автоматизация технологических процессов пищевой промышленности. Текст. / В.А. Соколов. М.: Агропромиздат, 1991. - 445 с.

80. Станиславски, В. Разработка иерархических агрегативных моделей и анализ путей улучшения динамических характеристик прямоточных парогенераторов как объектов управления. Текст.: диссертация . доктора технических наук: 05.13.06: Ополе. 2002. - 435 с.

81. Степура, А.И. Система автоматического управления и регулирования процессом сушки древесины в камерах периодического действия. Текст.: автореферат дис. . канд. техн. наук: 05.13.07 / Алексей Иванович Степура; М. — 1983.

82. Суздальцев, А.И. Автоматизация технологических комплексов с объектами управления, функционально связанными постоянным и переменным транспортными запаздываниями. Текст.: диссертация .доктора технических наук: 05.13.06: Орел. 2002. - 345 с.

83. Теория тепломассобмена. Текст.: Изд-е 2-е. / ред. акад. РАН А.И. Леонтьева. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 683 с.

84. Тиняков, С.Е. Синтез алгоритмов управления сушкой капиллярно-пористых материалов с прогнозируемой моделью финальной влажности и регулируемым транспортным запаздыванием. Текст.: диссертация .канд. техн. наук: 05.13.06. ОрелГТУ. - 2006.

85. Электрические электродные парогенераторы. Электронный ресурс. -Режим доступа: http://upak.ansite.ru

86. Эрвин, А. Технология и линия производства макарон «Турботерматик» фирмы Бюлер. Текст. / Альбрехт Эрвин. // Информационные материалы симпозиума «Макароны-снеки». Уцвиль (Швейцария). — 1991.

87. Kosko, В. Fuzzy systems as universal approximators // IEEE Transactions on Computers, vol. 43, No. 11, November 1994. P. 1329-1333.