автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Математическое моделирование режимов стадий процесса непрерывного приготовления дисперсных композиций

На правах рукописи

ШЕБУКОВ АНДРЕЙ ВИТАЛЬЕВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ СТАДИЙ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Специальности: 05.18.12- Процессы и аппараты пищевых производств 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово - 2004

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности

Научные руководители:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Иванец Виталий Николаевич

кандидат технических наук, профессор Федосенков Борис Андреевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Попов Анатолий Михайлович

доктор технических наук, профессор Моисеев Лев Львович

Ведущая организация - государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кемеровский государственный университет

Защита состоится «23» декабря 2004 г. в 15° на заседании диссертационного совета К212.089.01 при Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности (650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47). Факс: +(3842) 73-41-03

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кемеровского технологического института пищевой промышленности

Автореферат разослан « 20 » ноября 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

Бакин И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка аппаратурного оформления процессов производства пищевых продуктов, основанных на переработке сухих сыпучих материалов, и его совершенствование является важным условием решения задач, определенных «Концепцией государственной политики в области здорового питания населения РФ до 2005 года».

Перспективными направлениями при переработке сухих дисперсных материалов являются: а) переход на аппаратурное оформление стадии смешивания по непрерывной схеме; б) разработка принципиально нового поколения аппаратов, в которых процесс смешивания осуществляется в тонких или разреженных слоях для обеспечения наибольшей поверхности контакта между частицами; в) возможность совмещения в одном аппарате нескольких процессов; г) организация направленного движения материальных потоков за счет использования различных рециклов.

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов получения смесей на основе сыпучих компонентов, проведенных в России и за рубежом, показывает значительное преимущество смесеприготови-тельных агрегатов непрерывного действия по сравнению с периодическими аналогами.

Однако в настоящее время применение в промышленности непрерывно действующих смесительных аппаратов не получило широкого распространения в силу нерешенности ряда вопросов. В частности, недостаточно полно изучено влияние каналов направленной организации потоков в смесителях непрерывного действия (СНД) на их динамические характеристики и на структурные параметры выходных потоков, а также совместное влияние этих факторов на качество готовой смеси.

Математическое моделирование, по сравнению с физическим, обладает более универсальными и менее затратными инструментами для исследования объекта. Традиционные средства анализа не позволяют адекватно и оперативно описывать реальные материалопотоковые процессы в условиях несогласованной работы как внутри отдельных фрагментов смесительного агрегата, так и между оборудованием, формирующим соответствующие технологические операции на определенных стадиях процесса смесеприготовления. Применение метода многомерного пространства состояний системы и математических моделей в векторно-матричной форме позволяет анализировать текущее состояние всех узлов агрегата одномоментно, посредством определения в них мгновенных расходов материальных потоков. При невозможности технической регистрации тех или иных переменных состояния агрегата необходимо определить их посредством специализированных подсистем наблюдения за состоянием.

Использование время-частотных математических методов (в основе которых лежит преобразование материалопотоковых сигналов - одномерных переменных - в многомерные координаты на одномерных сигналов в вейвлет-пространстве) позвдщд^эд^дарно »писывать и

! о/^щ

моделировать возникающие в агрегате нестационарные (особенно частотно-времязависимые) режимы на отдельных стадиях смесеприготовления, а также создавать формализованные средства, позволяющие поддерживать и / или корректировать текущие режимы отдельных фрагментов агрегата.

Таким образом, решение вопросов моделирования и исследования режимов стадий непрерывного смесеприготовления на базе теоретических и экспериментальных исследований является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес для целого ряда отраслей народного хозяйства.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР по грантам Министерства образования РФ на 2003-2004 гг.:

1) ТО2-06.7-1238 «Научно-практические основы разработки непрерывно действующих смесителей центробежного типа с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов», научный руководитель - Иванец В.Н.;

2) ТО2-03.2-2440 «Система технологического мониторинга и автоматизированного управления динамикой непрерывных технологических процессов в агрегатах для производства пищевых дисперсных композиций на базе всплесковых преобразований», научный руководитель - Федосенков Б.А.

Цель работы. Разработка и исследование математических моделей непрерывно действующего агрегата и создание методов их реализации при решении проблемы приготовления дисперсных композиций высокого качества.

Задачи исследований. В соответствие с поставленной целью в данной диссертационной работе решались следующие задачи:

• разработка структурного описания смесеприготовительного агрегата и определение топологическим способом его операторной функции;

• исследование влияния режимно-конструктивных параметров агрегата на структуру материалопотока;

• создание математической модели агрегата в пространстве состояний и разработка на ее основе метода управления им с целью повышения эффективности процесса смесеприготовления;

• разработка математической модели для формализации мгновенного вектора состояния смесительной системы при отсутствии возможности технического измерения определенных переменных;

• создание способов и аппаратно-программной основы для отображения и идентификации текущих режимов работы технологических стадий процесса смесеприготовления на основе вейвлет-преобразований.

Научная новизна. Для описания процесса непрерывного смесеприготов-ления продуктов на основе сухих дисперсных ингредиентов, созданы математические модели режимов его стадий с применением структурно-топологического описания. С их помощью исследовано влияние режимных и конструктивных параметров агрегата на структурные характеристики материа-лопотоков. Разработаны векторно-матричные математические модели в многомерном пространстве состояний, позволяющие рассчитывать материалопотоки

в любых узлах агрегата, в том числе в условиях неполного измерения переменных. Созданы методы минимизации флуктуационных характеристик материа-лопотока на предсмесительной стадии, дающие возможность опосредованно способствовать снижению коэффициента неоднородности получаемых смесей. На базе вейвлет-преобразований, посредством алгоритма вейвлет-поиска соответствия, создан способ текущего мониторинга и управления динамикой режимов технологических стадий процесса смесеприготовления.

Практическая ценность и реализация результатов. Концепции и модели, использованные при описании флуктуационных характеристик материало-потоков на предсмесительной стадии, а также результаты сглаживания входных потоков смесительным устройством, носят принципиальный характер и могут использоваться при решении задач оптимизации режимов стадий процесса приготовления комбинированных продуктов в агрегатах различного типа действия функционального и отраслевого назначения. Разработаны технические решения, позволяющие минимизировать неоднородности структуры потока в питающем устройстве — посредством буферного выравнивающего дозатора, а также дополнительного рецикл-канала, выводящего часть смеси за пределы внутриаппаратной среды. Математические законы формирования экстракорпорального потока являются общими для аппаратов, работающих с материальными средами широкого спектра (жидкостными, сухими дисперсными, псевдо-ожиженными, пылегазовыми и др.) - вентиляторов, спирально--шнековых систем типа «гибкий вал», насосов, циклонов. Создан комплекс алгоритмов и программ, на основе которого предложены технические рекомендации по стабилизации рациональных режимов работы стадий дозирования, питания и смешивания. В вычислительной среде Linux реализован алгоритм отображения текущих режимов работы стадий смесеприготовления на многомерной основе в вейвлет-базисе.

Разработка и исследование теоретических и экспериментальных особенностей непрерывного смесеприготовления в условиях управляемой рециркуляции позволили повысить качество получаемых смесей; предложен способ производства песочных десертов с приготовлением теста из смеси, полученной в смесительном агрегате непрерывного действия, на техническую новизну которого подана заявка на патент РФ; приведенные в диссертационной работе материалы внедрены в научно-учебные комплексы кафедр «Процессы и аппараты пищевых производств» и «Автоматизация производственных процессов и АСУ» Кемеровского технологического института пищевой промышленности и используются при подготовке бакалавров, инженеров и магистров.

Автор защищает:

• методы схемного математического моделирования режимов стадий смесе-приготовления;

• комплексные модели процессов в агрегатах непрерывного действия в терминах технологического пространства состояний, составленные с учетом невозможности регистрации ряда переменных;

• аналитические зависимости флуктуационных характеристик материалопото-ков на различных стадиях смесеприготовления и сглаживающих свойств смесительного комплекса от режимно-конструктивньгх параметров фрагментов агрегата;

• способы отображения и идентификации текущих режимов стадий смесепри-готовления, использующие модели и алгоритмы в вейвлет-пространстве, и техническую реализацию мониторингового комплекса, обеспечивающего поддержание рационального функционирования фрагментов агрегата и его структуры в целом.

Апробация работы: Результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на семинаре математического факультета Кемеровского государственного университета (КемГУ), проведенного на базе кафедры ЮНЕСКО по новым информационным технологиям 11.11.2004; на 9-ти международных научных, научно-технических и научно-практических конференциях: «Инженерная защита окружающей среды», (Москва, 2001), «Теплофизические измерения в начале 21 века» (Тамбов, 2001), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-15» (Тамбов, 2002), «Школа молодых ученых ШМУ-7» (Тамбов, 2002), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-16» (Ангарск, 2003), «Пища. Экология Качество» (Новосибирск, 2003), «Пища. Экология. Человек» (Москва, 2003), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-17» (Ангарск, 2004), «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2004);. всероссийской научно-технической конференции «Л8'2001 Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2001); ежегодной региональной аспирантско-студенческой конференции «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2003); всероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодые ученые Сибири» (Улан-Удэ, 2003); региональной научно-практической конференции «Информационные недра Кузбасса 2004» (Кемерово, 2004).

Публикации: Основные положения диссертации изложены в 19 публикациях, в том числе 2 статьях в специальных журналах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений; включает 67 рисунков и 10 таблиц. Основной текст работы изложен на 149 страницах машинописного текста, приложения - на 12. Библиографический список включает 122 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель работы, приведена ее общая характеристика.

В первой главе проанализированы вопросы теории и описания систем непрерывного смесеприготовления и обоснована актуальность их математического моделирования. Показано, что в данных системах происходят сложныетмно-гостадийные процессы, изучение которых следует осуществлять комплексно, с учетом всех стадий. В результате рассмотрения методов моделирования про-

цессов непрерывного приготовления смесей показана целесообразность исследования их динамики с применением метода пространства состояний, время-частотного вейвлет-анализа и способов, позволяющих описать смесеприготови-тельный агрегат как управляемую динамическую систему.

Выполнен анализ способов повышения эффективности процесса непрерывного смесеприготовления, на основе которого выбран метод формирования направленной организации движения материальных потоков внутри и вне рабочего объема смесительного устройства, а также создание системы управления рециркуляционными материалопотоками в агрегате.

Рассмотрена проблема возникновения нестационарностей в процессе непрерывного смесеприготовления, а также их влияния на качество готовых продуктов.

Во второй главе рассмотрены методы математического описания и исследования систем непрерывного приготовления дисперсных композиций, базирующихся на концепциях структурно-топологического моделирования, метода пространства состояний и время-частотного анализа на базе адаптивной вейв-лет-аппроксимации с применением время-частотных распределений.

При изучении принципа действия системы рассматривается ее функциональная схема, в которой она разбивается на звенья, исходя из их назначения. Структурное описание процесса смешивания для конкретного аппарата состоит из типовых идеализированных структур, отражающих тот или иной вид движения и описываемых определенным уравнением. Подобрав комбинацию элементарных моделей, можно составить результирующую, которая достаточно точно отражает внутреннюю структуру реальной системы.

При функциональном описании (рис.1) системы непрерывного смесеприготовления последняя разбивается на следующие звенья: блок дозирующих устройств И^о, / = - номер ДУ (БДУ), питающе-формирующий узел (ПФУ-Й^) и центробежный смеситель непрерывного действия (ЦСНД).

Рис.1. Структурно-функциональная схема смесеприготовительной системы

Кроме того, для интенсификации процесса смесеприготовления система снабжена глобальным рециркуляционным каналом (й^). Дозаторы создают входные загрузочные воздействия в виде весовых расходов питающих

потоков, приложенные через суммирующий элемент (СЭ) и ПФУ к ЦСНД. В структурной модели смеситель разбивается на директивные каналы (каналы

направленной организации материалопотоков): прямоточный согласно-

параллельный (Ц^ и локальный рециркуляционный (Ж/,.).

С целью повышения адекватности и достоверности расчетов и результатов моделирования, а также создания более оперативных условий для получения итоговой информации о функционировании различных узлов СМПА, был разработан подход, заключающийся в формировании вектора технологических состояний агрегата под которым понимается, в частности, совокупность сигналов в различных его узлах как функций времени. Зная вектор входных воздействий, заданных в виде временных функций, всегда можно рассчитать векторы технологических состояний выходных сигналов анализируемой смесепригото-вительной системы, т.к. все они связаны посредством векторно-матричных дифференциального уравнения состояния и алгебраического уравнения выхода системы:

где А, В, С, Б - соответственно матрицы состояния, управления, выхода по состоянию и выхода по управлению СМПА, элементы которых функционально зависят от его режимно-конструктивных параметров.

Несомненным достоинством такой модели является то, что за один акт моделирования можно рассчитать практически все сигналы, в то время как, используя структурно-топологические подходы, приходится производить расчеты многократно, каждый раз внося изменения в базовую модель. Также необходимо отметить оперативность векторной модели СМПА при переконфигурировании блока ДУ, что может иметь место при переходе на иную рецептуру смесе-вой композиции, при замене ДУ одного типа другим и т.д. В данном случае изменяется лишь вектор входных воздействий, а не сама модель.

При моделировании смесеприготовительного агрегата в пространстве состояний на основе операторных функций звеньев составляется система дифференциальных уравнений, которая затем преобразуются в систему дифференциальных уравнений состояния первого порядка, записанных в нормальной форме Коши, и линейное алгебраическое уравнение выхода, выражающих выходной сигнал системы через комбинацию переменных состояния и входа. При этом производные первого и выше порядков записываются в виде фазовых переменных состояния, а транспортное запаздывание аппроксимируется полиномиально-степенной дробью Паде либо емкостным запаздыванием, возникающем в цепочке из десяти апериодических звеньев. Представляя набор переменных в виде векторов, а набор параметров в виде соответствующих матриц, получаем векторно-матричную модель агрегата в пространстве состояний вида (2).

Методика проведения расчета модели смесеприготовительного агрегата в технологическом пространстве состояний сводится к поэтапному определению временных сигналов на выходе каждого из дозаторов, их суммированию, и расчету потока (потоков) на выходе из СНД и других основных узлов.

Следует отметить, что такого рода модели по сравнению со структурно-топологическими имеют кроме преимуществ и некоторые недостатки: во-

первых, для их описания используется аппарат дифференциальных уравнений, порядок которых определяется порядком модели, что связано с определенными трудностями на уровне проведения расчетов; во-вторых, по данной модели невозможно определять частотные характеристики в их привычной форме, что создает известные неудобства при анализе; в-третьих, имеет место существенная чувствительность модели к конфигурации рассчитываемого агрегата - введение в схему новых конструктивно-технологических дополнений обязывает перестраивать модель полностью.

С целью повышения эффективности при смесеприготовлении сформирована математическая модель агрегата в пространстве состояний при возможности технического измерения одной из его переменных. Данная модель использует систему наблюдения (наблюдатель) (п-1) порядка (см. рис.2).

Рис.2. К синтезу модели агрегата на основе наблюдателя состояния («-1)-го порядка: ИМ - измерительное устройство; БДУ - блок дозирующих устройств; х(/) - вектор оцениваемых переменных состояния; БФНР - блок формирования номинальных режимов работы дозаторов

В этом случае для восстановления неизмеряемых переменных требуется определить уравнение наблюдателя полного порядка (когда оцениваются все переменные состояния).

Формируем желаемый характеристический полином модели Вс (А) = А" + (1, Л"-1 +... + й{А + ¿?01,

где А - матрица состояния объекта (см. ф.1), I — единичная матрица.

Тогда уравнение наблюдателя запишем в виде:

= + + (3)

где Б, О и Н - соответственно матрицы состояния, выхода и управления наблюдателя. Матрицы наблюдателя выбираются таким образом, чтобы давал точную оценку х(г). Тогда в системе управления вектор^пользуется для формирования сигнала обратной связи

Преобразуя по Лапласу уравнение наблюдателя, путем группировки членов, получим в конечном итоге

(Л - А)"' В = [Л - Е - вС]4 Н (4)

Это уравнение удовлетворяется, если положить Н = В и Р + вС = А. Следовательно, матрицы наблюдателя состояния определяются в виде:

р-л-ое, Н = В.

На основании (3) и (5) представим уравнение наблюдателя состояния так: ¿(г) = (А-СС)^/) + Ви(^) + С>'(<), (6)

Производная вектора ошибки оценки переменных состояния равна:

Отсюда видно, что ошиб^ Оценки ^оет^яОия имеет ту же самую динамику, что и наблюдатель состояния, т.к. характеристический полином, соответствующий дифференциальному уравнению (6), имеет тот же вид, что и характеристический полином набх | д,

■[Ô(s)! = |sI-(A-GC)| = 0

Для синтеза наблюд?^™ ипгттптттл\и>мг<1 Агшлллюй Аккермана:

г л Го1

G = Z>e(A)

С СА

Данное выражение позволяет вычислить матрицу О по заданному характеристическому полиному наблюдателя и известным матрицам А и С.

В качестве регистрируемой переменной выберем функцию потока на выходе прямоточного канала смесительного аппарата - как наиболее диступ-ную для измерения. Тогда уравнение выхода всегда будет иметь вид:

Разделим вектор состояния на составляющие:

0]ж(г).

(7)

х

ы*у

■ оцениваемый вектор состояния.

где хе(<)

Уравнения состояния объекта и наблюдателя:

ап Аи 4_ V

А(0. _Ав1 Ам_ Л(<). Л.

(8)

Здесь Х|(г) (измеряемый поток) и ы(/) (сигнал разгрузки блока дозаторов) -известны, а хе (г) требуется оценить. Используя зависимости (6) и (8), получим уравнение наблюдателя (и-1)-го порядка:

*.(0=С-с А.):* (0 •+ +ъ.и(0+с< 0(0 -«I#(0 ■-■Ь»(0]. (9)

где Сс - матрица коэффициентов наблюдателя (и-1)-го порядка.

Следовательно, характеристический полином для наблюдателя и ошибок оценки имеет вид:

А(Д) = |Л-Аж+С,Аи|.

Отсюда получим выражение для синтеза наблюдателя пониженного порядка:

" А,е ■ -1 О"

А1сАя 0

А А"-2 „1й ее _

(10)

(П)

К (0 = (К - С АеК, (0 + (А., - СЛ1 + АиСе - СеАе1Се)у (0 +

+(В.-СА)И(0

где хв1 (г) - новая переменная.

Это дифференциальное уравнение решается относительно переменных х£1 (¿), после чего находятся оцениваемые переменные:

Сигнал, поступающий на вход объекта,

и (0 = -К.х,(<) = о - Кг [х„ (0 + Ссу(1)], (12)

где матрица коэффициентов разделена на две части

К = [*, Ке],<ИтК, = 1х(Я-1).

Для анализа явлений нестационарности материалопотоковых сигналов, а также идентификации режимов работы смесеприготовительного агрегата в целом и его узлов в реальном времени предложен метод вейвлет-преобразований. В данной работе использовался метод вейвлет-поиска соответствия (ВПС), блок-схема которого представлена на рис.3.

Считывание шизируем сигнала

I

Задание номера итерации

Выбор вейвлета

Вычисление остатка

сление ос

¿'Я')

Вейвлет-восста-новление сигнала

Расчет время-частотного отображения восстановленного сигнала

В основе метода лежит выбор базисных вейвлет-функций, наилучшим образом соответствующих анализируемым сигналам, из специализированных баз данных в виде время-частотных словарей. В качестве рабочей базы данных использовался избыточный словарь вейвлет-функций Габора. В соответствии с алгоритмом, на основе базисной вейвлет-функции путем смещения масштабирования и модуляции генерируется семейство вейвлет-

функций. Полученное семейство представляет собой функции в виде время-частотных атомов (ВЧА). Материалопотоковый сигнал в соответствии с алгоритмом вейвлет-поиска раскладывается на сумму выбранных в вейвлет-словаре ВЧА, оптимально соответствующих его остаткам на определенных итерациях: = (В)

Рис.3. Блок-схема алгоритма ВПС и расчета время-частотных отображений

где =

г-т.

¿и

= 0Г. " остаточный

сигнал на и-й итерации проецирования переменной х(г) на вейвлет-функцию в словаре О.

Первое слагаемое в выражении (13) сходится к х(/) При /я->оо, где т - число итераций, в ходе которых сигнал проецируется на определенную вейвлет-функцию из словаря Б. Критерием оптимальности соответствия оста-

точного сигнала ^„¿ф) и выбранной из тезауруса вейвлет-функции служит условие максимума модуля их скалярного произведения:

Результатом работы такого алгоритма является возможность высокой частотно-временной локализации различных составляющих анализируемых сигналов материалопотока в виде их двумерных время-частотных отображений (карт

Вигнера)

Вигнера соответствующего время-частотного атома, характеризующее распределение его плотности энергии. Карта Вигнера представляет собой взаимно

корреляционную функцию сигнала с время-частотными атомами вейвлет-словаря при его временном и частотном смещении относительно них.

В третьей главе рассмотрены вопросы аппаратурного и методического обеспечения экспериментальных исследований смесеприготовительного агрегата непрерывного действия для получения дисперсных композиций.

Для изучения режимов работы стадий непрерывного приготовления смесей разработан и создан лабораторно-исследовательский стенд. Исследования проводились с использованием мелкозернистых и дисперсных материалов с различными физико-механическими характеристиками, широко используемых в целом ряде отраслей промышленности (пищевой, химической, строительной и т.д.).

С целью контроля за режимами работы смесеприготовительного агрегата в различных его узлах, а также в целях управления динамикой смесеприготови-тельных процессов разработан управляющий мониторинговый аппаратно-программный комплекс на платформе ЭВМ IBM PC P-IV 2,8 Гц, включающий интерфейсный узел, блок внешних преобразователей, систему фильтрации и интегрированное программное обеспечение.

Для формирования максимально равномерного расхода материала на пред-смесительной стадии была разработана система минимизации уровня пульсаций мгновенного расхода материала, включающая БДУ, ПФУ, дополнительный дозатор-выравниватель и систему управления последним.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований процессов непрерывного смесеприготовления.

Для проведения оперативного анализа материалопотоковых сигналов одновременно в различных точках агрегата при изменении его режимно-конструктивных параметров была сформирована его модель в технологическом пространстве состояний.

Результаты исследования сглаживающей функции смесительного устройства от режимно-конструктивных параметров агрегата (рис.6), показывают, что для увеличения степени сглаживания и повышения качества смешивания необходимо увеличивать частоту сигнала предсмесительного материалопотока и уменьшать амплитуду его низкочастотных составляющих, а также уменьшать поток материала через байпасный канал смесителя, т.е. коэффициент передачи байпасного канала смесителя Kf, и увеличивать материалопоток в рециркуляционных каналах (повышать коэффициенты передачи локального и глобального К„ рециклов).

Рис 6 Зависимость сглаживающей способности смесительного устройства от параметров агрегата

В целях мониторинга рациональных режимов работы блока дозаторов и каналов рециркуляции осуществлялась идентификация режимов работы отдельных узлов и агрегата в целом на основе непрерывно пересчитываемых время-частотных карт Вигнера смесеприготовительного процесса. Карта Вигнера рассчитывается по результатам разложения анализируемого сигнала материалопотока на время-частотные атомы (ВЧА) с помощью вейвлет-преобразования При изменении структуры спектра временного вектора какой-либо сигнальной компоненты меняется время-частотная локализация соответствующих атомов, дрейф которых отслеживается по время-частотной карте.

С целью контроля параметра сглаживания флуктуации материало-потоков на предсмесительной стадии (что является важным с точки зрения возможности управления процессом получения смесей высокого качества) были получены время-частотные карты (ВЧК) на входе и выходе смесительного аппарата (рис.8, а, б- соответственно). Анализ карт показывает, что СНД эффек-

те

о 10 20 1,с

Рис.7. Осциллограммы материалопотоко-вых сигналов и их карты Вигнера для одного порционного, двух спиральных, работающих непрерывно, с рабочими частотами 0,20Гц, 3,23Гц и 4,02Гц и спирального дозатора, функционирующего дискретно во времени с частотой 6,89Гц

тивно сглаживает флуктуации входного материалопотока частота которых составляет не менее 4 Гц.

.1 II I I1..J ,1 I , г , .. ,,

¿I ' 'нЧ ' I1'

ii n i| q II 1 i i|V|"1

'.с

; ь1 'ihwH^wi^iiiiipiiffirr, 'íwww -1, u|V|,r| 'CiVl"

i I

0 10 Й - ■ ■ - 1U Рис 8. Сигнал расхода, восстановленный по ВПС-алгоритму сигнал, ошибка адаптивной аппроксимации и его ВЧК: а — на предсмесительной стадии; б — после смесителя

Алгоритм вейвлет-поиска соответствия позволяет закрепить за номинальными режимами работы дозаторов (определяющими требуемую рецептуру и оптимальные флуктуации материалопотоков на выходе БДУ) время-частотные образования (эллипсы) на время-частотной плоскости. Контроль их перемещений на время-частотной плоскости позволяет управлять динамикой смесеприготовительного агрегата и стабилизировать режимы его работы (рис.9).

На основании теоретических предпосылок и полученных экспериментальных данных разработан способ приготовления сахарного печенья, сущность которого заключается в приготовлении теста с использованием смеси сыпучих компонентов, полученной в смесеприготовительном агрегате с управляемыми режимами рециркуляции и дозирования, что позволило повысить качество готовых изделий. Апробация способа проведена в условиях пекарни учебно-производственного центра КемТИПП.

Рис 9 Схема обработки материало-потокового сигнала и поддержания рациональных режимов работы агрегата

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 .Разработана комплексная структурно-топологическая математическая модель непрерывного смесеприготовительного агрегата, описывающая его как совокупность дозаторов, питающе-формирующего узла, глобального рециркуляционного канала и смесителя с каналами направленной организации потоков.

2.Получена зависимость неравномерности сигнала блока дозаторов в виде коэффициента пульсации от параметров блока, показывающая, что варьирование начальных фаз дозирования позволяет уменьшить величину пульсаций без нарушения рецептурного соотношения дозируемых ингредиентов.

3.Выявлен характер зависимости сглаживающих свойств смесительного устройства от его параметров, показывающий, что для повышения величины сглаживания и эффективности смешивания рекомендуется уменьшать поток материала через байпасный канал смесителя и увеличивать материалопотоки в рециркуляционных каналах.

4.Разработан и программно реализован в универсальном пакете Matlab / Linux алгоритм для определения вектора рациональных параметров смесепри-готовительного комплекса, обеспечивающий максимальный уровень равномерности сигнала как на предсмесительной стадии, так и на выходе агрегата.

5.Сформирована модель агрегата в терминах технологического пространства состояний, обеспечивающая оперативную поверку текущих режимов его работы - в условиях неполного измерения вектора переменных состояния. На основе этой модели разработан метод управления смесеприготовительным агрегатом через рецикл-каналы, позволяющий эффективно сглаживать флуктуации входных потоков.

6.Разработан способ непрерывных вейвлет-идентификации и коррекции текущих процессов смесеприготовления, позволяющий рационализировать качественные и количественные характеристики получаемых смесевых композиций.

7.Разработан способ производства сахарного печенья с использованием смеси сыпучих компонентов, полученной в смесеприготовительном агрегате непрерывного действия, функционирующего в режиме управляемой рециркуляции и дозирования. Коэффициенты неоднородности по ключевым компонентам (питьевая сода и пищевая поваренная соль) в готовых смесях составили 3% и 4,5% соответственно.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СМПА - смесеприготовительный агрегат

ВПС - алгоритм вейвлет-поиска соответствия

ВЧА - время-частотный атом

ВЧК - время-частотная карта

ИМД - исполнительные механизмы дозаторов

ИМ КНОП - исполнительные механизмы каналов направленной организации потоков

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Федосенков Б.А. Управление смесеприготовительным агрегатом на базе вейвлет-преобразований / Федосенков Б.А., Назимов А.С., Шебуков А.В. // Автоматизация и" современные технологии. Автоматизация научно-

исследовательских и производственных процессов. - 2004. №8. с. 7-13.

2. Федосенков Б.А., Шебуков А.В. Управление смесительным комплексом по двумерным время-частотным переменным на базе вейвлет-преобразований / Федосенков Б.А., Шебуков А.В. // Моделирование. Теория, методы и средства: сб, науч. тр. межд. науч.-практ. конф. / Новочеркасск. ЮРГТУ (НПУ). - Новочеркасск, 2004.

3. Федосенков Б.А., Шебуков А.В., Камалдинов А.В. Анализ процессов с времязависимыми частотами средствами вейвлет-преобразований / Федосенков БА., Шебуков А.В., Камалдинов А.В. // Информационные недра Кузбасса 2004: сб. науч. тр. регион, науч.-практ. конф. / Кемерово. КемГУ. - Кемерово, 2004. -С. 281. -Библиогр.: с. 275-277.

4. Федосенков Б.А., Назимов А.С., Шебуков А.В. Аппаратно-аналитическая обработка сигналов при управлении динамикой смесительной системы / Федосенков Б.А., Назимов А.С., Шебуков А.В. // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-17: сб. науч. тр. межд. науч. конф. / Ангарск. АГТА. - Ангарск, 2004. - С. 243. -Библиогр.: с. 23-27.

5. Федосенков Б.А., Камалдинов А.В., Шебуков А.В. Процедуры обработки осциллограмм материалопотоковых сигналов смесительной системы / Федо-сенков Б.А., Камалдинов А.В., Шебуков А.В. // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-17: сб. науч. тр. межд. науч. конф. / Ангарск. АГТА. акад. - Ангарск, 2004. - С. 243. - Библиогр.: с. 32-35.

6. Иванец В.Н. Управление смесеприготовительным агрегатом на базе вейв-лет-преобразований / Иванец В.Н., Федосенков Б.А., Назимов А.С., Шебуков А.В.; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - М., 2004: Депонированные рукописи. - с. 19. - Деп. в ВИНИТИ, №2182-В2003.

7. Федосенков Б.А. Управление смесеприготовительным агрегатом / Федосенков Б.А., Шебуков А.В. // Технология и техника пищевых производств. КемТИПП. -Кемерово, 2004. №1. - С. 243. - Библиогр.: с. 177-181.

8. Федосенков БА., Шебуков А.В., Назимов А.С. Контроль режимов работы и управления динамикой смесеприготовительного агрегата / Федосенков Б.А., Ше-буков А.В., Назимов А.С. // Пища. Экология. Человек: сб. науч. тр. межд. науч.-техн конф./Москва.МГУПБ.-Москва,2003.-С. 335.-Библиогр.: с. 176-177.

9. Федосенков Б.А., Шебуков А.В., Назимов А.С. Программно-аппаратный комплекс в производстве сыпучих многокомпонентных смесей / Федосенков Б.А., Шебуков А.В., Назимов А.С. // Пища. Экология. Человек: сб. науч. тр. межд. науч.-техн. конф. / Москва. МГУПБ. - Москва, 2003. - С. 335. - Библиогр.: с. 188-189.

10. Федосенков Б.А., Назимов А.С., Шебуков А.В. Контроль режимов и управление динамикой процесса смесеприготовления методами вейвлет-преобразований / Федосенков Б.А., Назимов А.С, Шебуков А.В. // Молодые ученые Сибири: сб. науч. тр. молодежи, науч.-техн. конф. / Улан-Удэ. ВСГТУ. -Улан-Удэ, 2003. - С. 264. - Библиогр.: с. 211-216.

11. Федосенков Б.А., Шебуков А.В. Управление смесеприготовительным агрегатом / Федосенков Б.А., Шебуков А.В. // Пища. Экология. Качество: сб. науч. тр. межд. науч.-практ. конф. / Новосибирск. СибНИПТИП. - Новосибирск, 2003,—

12. Федосенков Б.А., Шебуков А.В. Концепция управления смесительным агрегатом средствами направленной организации материалопотоков / Федосенков

Б.А., Шебуков А.В. // Пищевые продукты и здоровье человека: сб. науч. тр. ежегодн. регион, аспирантско-студен. конф. / Кемерово. КемТИПП. - Кемерово, 2003. - С. 124. - Библиогр.: с. 81.

13. Федосенков Б.А., Назимов А.С., Шебуков А.В. Управление режимами смесеприготовления посредством алгоритма вейвлет-поиска соответствия / Федосенков Б.А., Назимов А.С., Шебуков А.В. // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-16: сб. науч. тр. межд. науч. конф. / Ангарск. АГТА. -Ангарск, 2003. - Библиогр.: с. 75-78.

14. Шебуков А.В., Федосенков Б.А. Формирование модели блока дозаторов в терминах пространства состояний / Шебуков А.В., Федосенков Б.А. // Школа молодых ученых ШМУ-7: сб. науч. тр. межд. науч. конф. / Тамбов. ТГТУ. -Тамбов, 2002. - С. 212. - Библиогр.: с. 135-137.

15. Федосенков Б.А., Назимов А.С., Шебуков А.В. Вейвлет-управление в среде смесеприготовительного агрегата / Федосенков Б.А., Назимов А.С., Шебуков А.В. // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-15: сб. науч. тр. межд. науч. конф. / Тамбов. ТГТУ. - Тамбов, 2002. - С. 212. -Библиогр.: с. 140-141.

16. Федосенков Б.А., Назимов А.С., Шебуков А.В. Направленное формирование структуры материалопотока на предсмесительной стадии / Федосенков Б.А., Назимов А.С., Шебуков А.В. // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве AS'2001: сб. науч. тр. всерос. науч.-техн. конф. / Новокузнецк. СибГИУ. - Новокузнецк, 2001. - Библиогр.: с. 200-202. /

17. Федосенков Б.А., Шебуков А.В., Назимов А.С. Способ оптимизации процесса управления смесеприготовительным агрегатом в условиях мультидиск-ретного дозирования на основе всплесковых преобразований / Федосенков Б.А., Шебуков А.В., Назимов А.С. // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве AS'2001: сб. науч. тр. всерос. науч.-техн. конф. / Новокузнецк. СибГИУ. - Новокузнецк, 2001. - Библиогр.: с. 195-197.

18. Федосенков Б.А., Шебуков А.В., Назимов А.С. Гармонизация материало-потоков в смесеприготовительном агрегате непрерывного действия / Федосен-ков Б.А., Шебуков А.В., Назимов А.С. // Теплофизические измерения в начале 21 века: сб. науч. тр. межд. науч.-техн. конф. / Тамбов. ТГТУ. - Тамбов, 2001. -Библиогр.: с. 100-101.

19. Федосенков Б.А., Шебуков А.В. Формирование модели дозирующего фрагмента смесеприготовительного комплекса для производства многокомпонентных смесей в терминах технологического состояния агрегата / Федосенков Б.А., Шебуков А.В. // Инженерная защита окружающей среды: сб. науч. тр. межд. науч.-техн. конф. / Москва. МГУИЭ. - Москва, 2001.

Подписано к печати V. О^ . Формат 60x90/16. Объем 1,12 п.л. Тираж 100 экз. Заказ . Отпечатано на ризографе.

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47. Лаборатория множительной техники КемТИППа, 650010, г. Кемерово, ул. Красноармейская, 52

»2549?

ВВЕДЕНИЕ и ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ СМЕШЕНИЯ В

СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ.

1.1 Основные вопросы в изучении процесса смешивания сыпучих материалов

1.2 Обоснование выбора объекта исследования.

1.3 Моделирование процессов непрерывного смешивания.

W 1.4 Влияние флуктуаций питающих потоков на процесс непрерывного смешивания.

1.5 Проблема нестационарности в описании процессов непрерывного смесеприготовления.

1.6 Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ

СТАДИЙ СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ.

2.1 Структурно-топологические модели смесеприготовительной системы.

2.1.1 Описание системы с помощью аппарата передаточных функций.

2.1.2 Формирование структурной схемы системы. ф 2.1.3 Топологическое описание системы.

2.2 Частотный анализ смесеприготовительной системы.

2.3 Временной анализ смесеприготовительной системы.

2.4 Разработка математических моделей смесеприготовительного агрегата методом пространства состояний.

2.5 Концепция синтезирования модели смесительного агрегата в терминах пространства состояний.

2.5.1 Синтез системы путем размещения полюсов.

2.5.2 Оценка состояния.

2.5.3 Синтез наблюдателя. 2.5.4 Наблюдатели пониженного порядка.

2.6 Время-частотный анализ и модели на базе вейвлет-преобразований.

2.6.1 Основы теории вейвлет-анализа. 2.6.2 Дискретное вейвлет-преобразование.

2.6.3 Алгоритм вейвлет-поиска соответствия.

2.7 Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА И

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ.

3.1 Описание лабораторно-исследовательского стенда.

3.2 Дозировочное оборудование.

3.2.1 Шнековый дозатор.

3.2.2 Спиральный дозатор.

3.2.3 Порционный дозатор.

3.3 Центробежный смеситель непрерывного действия.

3.4 Физико-механические свойства исследованных материалов.

3.5 Частотно-индуктивный преобразователь для измерения концентрации ключевого компонента в смеси сыпучих материалов.

3.6 Аппаратно-программный управляющий мониторинговый комплекс для регистрации, обработки материалопотоковых сигналов и управления смесеприготовительным агрегатом.

3.6. li Первичные измерительные преобразователи для регистрации материалопотоковых сигналов.

3.6.1.1 Тензометрические преобразователи.

3.6.1.2 Пьезоэлектрические преобразователи.

3.6.2 Система минимизации уровня пульсаций материалопотока на пред смесительной стадии.

3.6.3 Система управления исполнительными механизмами дозирующих устройств.

3.7 Методика определения качества смесей.

3.8 Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ.

4.1 Расчетная электронная структурная схема агрегата.

4.2 Временной анализ смесеприготовительной системы в пространстве состояний.

4.3 Результаты частотного исследования смесеприготовительного агрегата.

4.3.1 Исследование зависимости коэффициента пульсации сигнала совокупного предсмесительного материалопотока от параметров блока дозирующих устройств.

4.3.2 Исследование зависимости сглаживающей способности смесительного устройства от параметров смесеприготовительного агрегата.

4.3.3 Определение рациональных параметров смесеприготовительного агрегата

4.4 Мониторинг и управление режимами работы смесеприготовительного агрегата на базе вейвлет-преобразований.

4.5 Практическое использование смесеприготовительного агрегата с управляемыми режимами рециркуляции и дозирования при получении смесей сыпучих компонентов в производстве печенья.

4.6 Выводы по четвертой главе.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Актуальность работы. Разработка аппаратурного оформления процессов производства пищевых продуктов, основанных на переработке сухих сыпучих материалов, и его совершенствование является важным условием решения задач, определенных «Концепцией государственной политики в области здорового питания населения РФ до 2005 года».

Перспективными направлениями при переработке сухих дисперсных материалов являются: а) переход на аппаратурное оформление стадии смешивания по непрерывной схеме; б) разработка принципиально нового поколения аппаратов, в которых процесс смешивания осуществляется в тонких или разреженных слоях для обеспечения наибольшей поверхности контакта между частицами; в) возможность совмещения в одном аппарате нескольких процессов; г) организация направленного движения материальных потоков за счет использования различных рециклов.

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов получения смесей на основе сыпучих компонентов, проведенных в России и за рубежом, показывает значительное преимущество смесеприготовительных агрегатов непрерывного действия по сравнению с периодическими аналогами.

Однако в настоящее время применение в промышленности непрерывно действующих смесительных аппаратов не получило широкого распространения в силу нерешенности ряда вопросов. В частности, недостаточно полно изучено влияние каналов направленной организации потоков в смесителях непрерывного действия (СНД) на их динамические характеристики и на структурные параметры выходных потоков, а также совместное влияние этих факторов на качество готовой смеси.

Математическое моделирование, по сравнению с физическим, обладает более универсальными и менее затратными инструментами для исследования объекта. Традиционные средства анализа не позволяют адекватно и оперативно описывать реальные материалопотоковые процессы в условиях несогласованной работы как внутри отдельных фрагментов смесительного агрегата, так и между оборудованием, формирующим соответствующие технологические операции на определенных стадиях процесса смесеприготовления. Применение метода многомерного пространства состояний системы и математических моделей в векторно-матричной форме позволяет анализировать текущее состояние всех узлов агрегата одномоментно, посредством определения в них мгновенных расходов материальных потоков. При невозможности технической регистрации тех или иных переменных состояния агрегата необходимо определить их посредством специализированных подсистехМ наблюдения за состоянием.

Использование время-частотных математических методов (в основе которых лежит преобразование материалопотоковых сигналов — одномерных переменных - в многомерные координаты на базе адаптивной аппроксимации одномерных сигналов в вейвлет-пространстве) позволяет адекватно описывать и моделировать возникающие в агрегате нестационарные (особенно частотно-времязависимые) режимы на отдельных стадиях смесеприготовления, а также создавать формализованные средства, позволяющие поддерживать и / или корректировать текущие режимы отдельных фрагментов агрегата.

Таким образом, решение вопросов моделирования и исследования режимов стадий непрерывного смесеприготовления на базе теоретических и экспериментальных исследований является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес для целого ряда отраслей народного хозяйства.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР по грантам Министерства образования РФ на 2003-2004 гг.:

1) Т02-06.7-1238 «Научно-практические основы разработки непрерывно действующих смесителей центробежного типа с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов», научный руководитель - Иванец В.Н.;

2) Т02-03.2-2440 «Система технологического мониторинга и автоматизированного управления динамикой непрерывных технологических процессов в агрегатах для производства пищевых дисперсных композиций на базе всплесковых преобразований», научный руководитель - Федосенков Б.А.

Цель работы. Разработка и исследование математических моделей непрерывно действующего агрегата и создание методов их реализации при решении проблемы приготовления дисперсных композиций высокого качества.

Задачи исследований. В соответствие с поставленной целью в данной диссертационной работе решались следующие задачи:

• разработка структурного описания смесеприготовительного агрегата и определение топологическим способом его операторной функции;

• исследование влияния режимно-конструктивных параметров агрегата на структуру материалопотока;

• создание математической модели агрегата в пространстве состояний и разработка на ее основе метода управления им с целью повышения эффективности процесса смесеприготовления;

• разработка математической модели для формализации мгновенного вектора состояния смесительной системы при отсутствии возможности технического измерения определенных переменных;

• создание способов и аппаратно-программной основы для отображения и идентификации текущих режимов работы технологических стадий процесса смесеприготовления на основе вейвлет-преобразований.

Научная новизна. Для описания процесса непрерывного смесеприготовления продуктов на основе сухих дисперсных ингредиентов, созданы математические модели режимов его стадий с применением структурно-топологического описания. С их помощью исследовано влияние режимных и конструктивных параметров агрегата на структурные характеристики материалопотоков. Разработаны векторно-матричные математические модели в многомерном пространстве состояний, позволяющие рассчитывать материалопотоки в любых узлах агрегата, в том числе в условиях неполного измерения переменных. Созданы методы минимизации флуктуационных характеристик материалопотока на иредсмесительной стадии, дающие возможность опосредованно способствовать снижению коэффициента неоднородности получаемых смесей. На базе вейвлет-преобразований, посредством алгоритма вейвлет-поиска соответствия, создан способ текущего мониторинга и управления динамикой режимов технологических стадий процесса смесеприготовления.

Практическая ценность и реализация результатов. Концепции и модели, использованные при описании флуктуационных характеристик материалопотоков на предсмесительной стадии, а также результаты сглаживания входных потоков смесительным устройством, носят принципиальный характер и могут использоваться при решении задач оптимизации режимов стадий процесса приготовления комбинированных продуктов в агрегатах различного типа действия функционального и отраслевого назначения. Разработаны технические решения, позволяющие минимизировать неоднородности структуры потока в питающем устройстве — посредством буферного выравнивающего дозатора, а также дополнительного рецикл-канала, выводящего часть смеси за пределы внутриаппаратной среды. Математические законы формирования экстракорпорального потока являются общими для аппаратов, работающих с материальными средами широкого спектра (жидкостными, сухими дисперсными, псевдоожиженными, пылегазовыми и др.) — вентиляторов, спирально-шнековых систем типа «гибкий вал», насосов, циклонов. Создан комплекс алгоритмов и программ, на основе которого предложены технические рекомендации по стабилизации рациональных режимов работы стадий дозирования, питания и смешивания. В вычислительной среде Linux реализован алгоритм отображения текущих режимов работы стадий смесеприготовления на многомерной основе в вейвлет-базисе.

Разработка и исследование теоретических и экспериментальных особенностей непрерывного смесеприготовления в условиях управляемой рециркуляции позволили повысить качество получаемых смесей; предложен способ производства песочных десертов с приготовлением теста из смеси, полученной в смесительном агрегате непрерывного действия, на техническую новизну которого подана заявка на патент РФ; приведенные в диссертационной работе материалы внедрены в научно-учебные комплексы кафедр «Процессы и аппараты пищевых производств» и «Автоматизация производственных процессов и АСУ» Кемеровского технологического института пищевой промышленности и используются при подготовке бакалавров, инженеров и магистров.

Автор защищает: методы схемного математического моделирования режимов стадий смесеприготовления; комплексные модели процессов в агрегатах непрерывного действия в терминах технологического пространства состояний, составленные с учетом невозможности регистрации ряда переменных; аналитические зависимости флуктуационных характеристик материалопото-ков на различных стадиях смесеприготовления и сглаживающих свойств смесительного комплекса от режимно-конструктивных параметров фрагментов агрегата; способы отображения и идентификации текущих режимов стадий смесеприготовления, использующие модели и алгоритмы в вейвлет-пространстве, и техническую реализацию мониторингового комплекса, обеспечивающего поддержание рационального функционирования фрагментов агрегата и его структуры в целом.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

3. Разработана комплексная структурно-топологическая математическая модель непрерывного смесеприготовительного агрегата, описывающая его как совокупность дозаторов, питающе-формирующего узла, глобального рециркуляционного канала и смесителя с каналами направленной организации потоков.

4. Получена зависимость неравномерности сигнала блока дозаторов в виде коэффициента пульсации от параметров блока, показывающая, что варьирование начальных фаз дозирования позволяет уменьшить величину пульсаций без нарушения рецептурного соотношения дозируемых ингредиентов.

5. Выявлен характер зависимости сглаживающих свойств смесительного устройства от его параметров, показывающий, что для повышения величины сглаживания и эффективности смешивания рекомендуется уменьшать поток материала через байпасный канал смесителя и увеличивать материалопотоки в рециркуляционных каналах.

6. Разработан и программно реализован в универсальном пакете Matlab / Linux алгоритм для определения вектора рациональных параметров смесеприготовительного комплекса, обеспечивающий максимальный уровень равномерности сигнала как на предсмесительной стадии, так и на выходе агрегата.

7. Сформирована модель агрегата в терминах технологического пространства состояний, обеспечивающая оперативную поверку текущих режимов его работы — в условиях неполного измерения вектора переменных состояния. На основе этой модели разработан метод управления Схмеееприготовительным агрегатом через рецикл-каналы, позволяющий эффективно сглаживать флуктуации входных потоков.

8. Разработан способ непрерывных вейвлет-идентификации и коррекции текущих процессов смесеприготовления, позволяющий рационализировать качественные и количественные характеристики получаемых смесевых композиций.

9. Разработан способ производства сахарного печенья с использованием смеси сыпучих компонентов, полученной в смесеприготовительном агрегате непрерывного действия, функционирующего в режиме управляемой рециркуляции и дозирования. Коэффициенты неоднородности по ключевым компонентам (питьевая сода и пищевая поваренная соль) в готовых смесях составили 3% и 4,5% соответственно.

1. А.с. 1546120 СССР, МКИ В01 F7/26 Центробежный смеситель порошкообразных материалов. / Г.Г. Саломатин (СССР) Опубл. в Б.И., 1990, №8.

2. А.с. 2132725 Россия, МКИ В01 F7/26 Центробежный смеситель. / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, Б.А. Федосенков. (Россия) Опубл. в Б.И., 1999, №19.

3. Автоматизация технологических процессов пищевых производств / под ред. Е.Б. Карпина- 2-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1985. 536 с.

4. Александровский А.А. Исследование процесса смешивания и разработка аппаратуры для приготовления композиций, содержащих твердую фазу: Автореф. дисс. . д-ра. техн. наук. Казань, 1976. - 48с.

5. Александровский А.А., Галиакбеков З.К. Кинетика смешения бинарной композиции при сопутствующем измельчении твердой фазы. // Теоретические основы химической технологии. 1976, т.15, №2. - С.227-331.

6. Арутюнов С.Ю. Моделирование и оптимизация процесса измельчения зернистых материалов: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. — М, 1982. — 24 с.

7. Арутюнов С.Ю., Дорохов И.И. Системный анализ процессов измельчения и смешивания сыпучих материалов. // В сб. тез. докл. 1-ой Всесоюз. конф. «КХТП-1».-М., 1984.-С.47.

8. Ахмадиев Ф.Г. Исследование процесса смешивания композиций, содержащих твердую фазу, в ротационном смесителе: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Казань, 1975. - 24с.

9. Ахмадиев Ф.Г. Моделирование кинетики процессов смешения композиций, содержащих твердую фазу. // Изв. ВУЗов «Химия и химическая технология». 1984,1.21, №9. - С.1096-1098.

10. Ахмадиев Ф.Г., Александровский А.А. Дорохов И.И. О моделировании процесса массообмена с учетом флуктуаций физико-химических параметров. // Инженерно-физический журнал. 1982, т.43, №2. - С.274-280.

11. Ахмадиев Ф.Г., Александровский А.А. Моделирование и реализация способов приготовления смесей. // Журн. Всесоюз. хим. общ-ва. им. Д.И. Менделеева. 1988, т.ЗЗ, №4. - С.448.

12. Ахмадиев Ф.Г., Александровский А.А. Современное состояние и проблемы математического моделирования процессов смешения сыпучих материалов. // В сб. «Интенсификация процессов механической переработки сыпучих материалов». Иваново, 1987. - С.3-6.

13. Ахназарова C.JI., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа, 1978.

14. Багринцев И.И., Лебедев JI.M., Филин В.Я. Смесительное оборудование для сыпучих и пастообразных материалов: Обзорная информация. М: ЦИНТИхимнефтемаш, 1986.-35с.

15. Бакин И.А. Разработка смесительного агрегата для переработки сыпучих материалов с небольшими добавками жидкости: Дисс. . канд. техн. наук. Кемерово: КемТИПП, 1998.-214с.

16. Батунер JI.M., Позин М.Е. Математические методы в химической технологии. Л.: Химия, 1979. - 248с.

17. Богданов В.В., Тонер Р.В., Красовский В.Н., Регер Э.О. Смешивание полимеров. Л.: Химия, 1979. - 499с.

18. Бытев Д.О., Зайцев А.И., Макаров Ю.И. и др. Расчет движения сыпучих материалов в аппаратах со сложным движения рабочего органа. // Изв. ВУЗов «Химия и химическая технология». 1981, т.24, №3. - С.372-377.

19. Видинеев Ю.Д. Дозаторы непрерывного действия. М.: Энергия, 1981. — 273с.

20. Видинеев Ю.Д. Современные методы оценки качества непрерывного дозирования. // Журн. Всесоюз. хим. общ-ва. им. Д.И. Менделеева. 1988, т.ЗЗ, №4 -С.397-404.

21. Гордеев JI.C. и др. Анализ структуры потоков в каскаде аппаратов идеального смешения с дополнительным потоком в каждый аппарат. // Изв. ВУЗов «Химия и химическая технология». 1981, т.24, №4. - С.503-509.

22. Дейч A.M. Методы идентификации динамических объектов. М.: Энергия, 1979.-204с.

23. Джинджихадзе С.Р., Макаров Ю.И., Цирлин A.M. Структурный подход к анализу процесса смешения сыпучих материалов в циркуляционных смесителях. // Теоретические основы химической технологии. 1975, т.21, №2. - С.425-429.

24. Дорф Р. Современные системы управления / Р. Дорф, Р. Бишоп. Пер. с англ. Б.И. Копылова. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. - 832с.: ил.

25. Дьяконов В., Круглов В. Matlab. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. — 448 е.: ил.

26. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике. — М.: Солон-Р, 2002. -448с.: ил.

27. Займан Дж. Модели беспорядка. М.: Мир, 1982. - 208с.

28. Зайцев А.И., Бытев Д.О., Северцев В.А. и др. Современные конструкции и основы расчета смесительных аппаратов с тонкослойным движением сыпучих материалов. // Обзорная информация. Серия: Хим-фарм. пром. — М: Изд-во. ЦБНТИ Мед. пром., 1984.-23с.

29. Зайцев А.И., Бытев Д.О., Сидоров В.Н. Теория и практика переработки сыпучих материалов. // Журн. Всесоюз. хим. общ-ва. им. Д.И. Менделеева. 1988, т. 33, №4. - С.390.

30. Иванец В.Н. Интенсификация процесса смешивания высокодисперсных материалов направленной организацией потоков: Автореф. дисс. . д-ра. техн. наук. Одесса, 1989. - 32с.

31. Иванец В.Н. Смесители порошкообразных материалов для витаминизации пищевых и кормовых продуктов. // Изв. ВУЗов «Пищевая технология». 1988, №1. - С.89-97.

32. Иванец В.Н., Бакин И.А., Бородулин Д.М. Разработка новых конструкций центробежных смесителей непрерывного действия для переработки дисперсных материалов / Изв. ВУЗов. Пищевая технология. 2003. №4. - С.94-98.

33. Иванец В.Н., Курочкин А.С. Моделирование процесса непрерывного смешивания порошкообразных материалов. Изв. вузов. Пищевая технология, №1, 1987, с.91-95.

34. Иванец В.Н., Курочкин А.С. Реализация и анализ моделей систем смешивания на ЭВМ. Изв. вузов. Пищевая технология, №2, 1988, с. 97-100.

35. Иванец В.Н., Федосенков Б.А. Методы интерактивного машинного моделирования смесительных систем. В сб.: Технология сыпучих материалов — Хим-техника 86: Тез. докл. Всесоюзн. конф. - Белгород, 1986. 4.2. С.15-17.

36. Иванец В.Н., Федосенков Б.А. Методы моделирования процессов смешивания дисперсных материалов при непрерывной и дискретной загрузке смесительного агрегата. // Изв. ВУЗов «Пищевая технология». — 1988, №5. — С.68-72.

37. Иванец Г.Е. и др. Исследование непрерывно действующих смесителей с рециклом для переработки сыпучих материалов. // Сб. науч. трудов. КемТИПП, Кемерово, 1994.

38. Иванец Г.Е. Разработка вибрационных смесителей с прямым и обратным контурами рециклов смешиваемых материалов: Дисс. . канд. техн. наук. М.: МИХМ, 1990.-204с.

39. Иванец Г.Е., Коршиков Ю.А., Макаров Ю.И. Смешивание сыпучих материалов в вибрационном смесителе с опережающим движением материальных потоков. // Изв. ВУЗов «Пищевая технология». 1989, №5. - С.94-95.

40. Иванец Г.Е., Шушпанников А.Б., Коршиков Ю.А. Математическое моделирование непрерывно действующего смесительного агрегата // Технология сыпучих материалов. Тез. докл. Всесоюзн. конф. Ярославль, 1989. Т.2. С. 33-34.

41. Ивановский Р.И. Компьютерные технологии в науке и образовании. Практика применения системы MathCAD Pro: Учеб. пособие / Р.И. Ивановский. М.: Высш. шк., 2003.-431 е.: ил.

42. Исследование и расчет систем управления с применением комплекса программ «АРДИС» / Г.Д. Горшков, В.Н. Иванец, Н.Н. Кузьмин и др.: под ред. Кузьмина Н.Н. Ленинград: ЛЭИ, 1986, 64с.

43. Калиткин Н.Н. Численные методы / Под ред. А.А. Самарского. М.: Наука, 1978.-512с.: ил.

44. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. — 3-е изд. перераб. и доп. М.: Химия, 1976. - 464с.

45. Кафаров В.В., Александровский А.А. Дорохов И.Н. и др. Кинетика смешения бинарных композиций, содержащих твердую фазу. // Теоретические основы химической технологии. 1976, т. 10, №1. - С.149-153.

46. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств: Учеб. Пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1991.-400с.

47. Кафаров В.В., Гордин И.В., Петров B.JL, Теоретические пределы усреднения состава потока в аппаратах непрерывного действия. // Теоретические основы химической технологии. 1984, т. 12, №2. - С.219-226.

48. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химических технологий. М.: Наука, 1976. - 499с.

49. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Арутюнов С.Ю. Системный анализ процессов химических технологий. Процессы измельчения и смешивания сыпучих материалов. М.: Наука, 1985. - 440с.

50. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Арутюнов С.Ю. Состояние и перспективы комплексных системных исследований процессов измельчения сыпучих материалов. // Журн. Всесоюз. хим. общ-ва. им. Д.И. Менделеева. 1988, т. 33, №4. -С.362-373.

51. Кафаров В.В., Иванов В.А., Бродский С.Я. Рециклические процессы в химической технологии. // В кн. «Итоги науки и техники. Процессы и аппараты химической технологии». М.: ВИНИТИ, 1982, т. 10. - С.87.

52. Кафаров В.В., Петров B.JL, Мешалкин В.Г. Принципы математического моделирования химико-технологических систем. М.: Химия, 1974. - 344с.

53. Кембелл Д.П. Динамика процессов в химической технологии. — М.: Гос-" химиздат,1962.

54. Кокс Д., Снелл Э. Прикладная статистика. М.: Мир, 1984.

55. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1977. - 832 с.

56. Костромин В.А. Самоучитель Linux для пользователя. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. — 672 е.: ил.

57. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973. —215с.

58. Макаров Ю.И. Основы расчета процесса смешивания сыпучих материалов. Исследование и разработка смесительных аппаратов: Автореф. дисс. . д-ра. техн. наук. М.: 1975.-35с.

59. Макаров Ю.И. Проблемы смешивания сыпучих материалов. // Журн. Всесоюз. хим. общ-ва. им. Д.И. Менделеева. 1988, т. 33, №4. - С.384.

60. Макаров Ю.И. Энтропийные оценки качества смешивания сыпучих материалов. / Процессы и аппараты химической технологии. Системно-информационный подход. М.: МИХМ, 1977. - С. 143-148.

61. Макаров Ю.И., Зайцев А.И. Классификация оборудования для переработки сыпучих материалов. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1981, №6. -С.33-35.

62. Макаров Ю.И., Зайцев А.И. Новые типы машин и аппаратов для переработки сыпучих материалов. М.: МИХМ, 1982. - 75с.

63. Математическое моделирование / Под ред. Дж. Эндрюса и Р. Мак-Лоуна. -М.: Мир, 1979.

64. Медведев B.C., Потемкин В.Г. Control System Toolbox. MATLAB 5 для студентов / Под общ. ред. к.т.н. В.Г. Потемкина. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999.

65. Новобратский В.Л. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов в лопастном каскадном смесителе: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. -М.: 1971. — 18с.

66. Патент 2000125641 РФ, ВО 1F15/04. Способ дозирования сыпучих материалов. / В.Н. Иванец, Б.А. Федосенков, Г.Е. Иванец, Д.Л. Поздняков, Е.В. Антипов. -2003.

67. Плотников В.А. Разработка и исследование новых смесительных агрегатов непрерывного действия для мелкодисперсных твердых материалов: Дисс. . канд. техн. наук. -М.: МИХМ, 1981. 189с.

68. Поздняков Д. Л. Исследование процессов дозирования в агрегатах непрерывного действия с целью интенсификации смесеприготовления: Дисс. . канд. техн. наук. Кемерово: КемТИПП, 2000, - 192с.

69. Построение математических моделей технологических объектов. Жданова Т.О., Карпенко Т.В., Федосенков Б.А., и др./ под ред. Яковлева В.Б. Д.: ЛЭТИ, 1986.-64с.

70. Рецептуры на печенье / ВНШКП. М.: Пищевая промышленность, 1986. — 240с.

71. Рогинский Г.А. Дозирование сыпучих материалов. М.: Химия, 1978. -176с.

72. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973.

73. Сулеин Г.С. и др. Об интенсификации процесса непрерывного получения смесей сыпучих материалов. // Применение методов и аппаратов порошковой технологии в народном хозяйстве. Тез. докл. второго научно-практ. семинара. — Томск. 1983.-С.35-36.

74. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов / С.Е. Душин, Н.С. Зотов, Д.Х. Имаев и др.; Под ред. В.Б. Яковлева. М.: Высшая школа, 2003. -567с.: ил.

75. Тимашев В.В. Сумиленко Л.М. и др. Агломерация порошкообразных силикатных материалов. М.: Стройиздат, 1978. - 232с.

76. Товбин Л.М. Машины и агрегаты для дозирования и смешивания зерновых и жидких продуктов // Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна / Под ред. А.Я. Соколова-М.: Колос, 1984. С.193-215.

77. Урьев Н.Б. Физико-химическая механика в технологии дисперсных систем. -М.: Знание, 1975.-64с.

78. Федосенков Б.А. Разработка технологических способов и исследование процесса приготовления сухих пищевых композиций в смесительных агрегатах непрерывного действия. Дисс. . канд. техн. наук. - Кемерово, 1996. - 242с.

79. Федосенков Б.А., Иванец В.Н. Методы частотно-временной локализации при анализе процессов приготовления сыпучих пищевых смесей // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 1999, №4. - с. 75-78.

80. Федосенков Б.А., Иванец В.Н. Процессы дозирования сыпучих материалов в смесеприготовительных агрегатах непрерывного действия обобщенная теория и анализ (кибернетический подход). - Кемерово, КемТИПП, 2002. - 211с.

81. Федосенков Б.А., Поздняков Д.Л. Динамика смесеприготовительного процесса при комбинированных режимах дозирования // В сб.: «Проблемы переработки пищевых продуктов»: Междунар. науч.-техн. конф.: Тез. докл. / Астрахан. гос. техн. ун.-т. Астрахань, 1997.

82. Филлипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. - 616 с.: ил.

83. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами: Пер. с англ. М.: Мир, 1973. - 957с.

84. Шушпанников А.Б., Иванец В.Н. Моделирование процесса непрерывного смешивания дисперсных материалов. // Разработка комбинированных продуктов питания. Тез. докл. четвертой Всесоюзн. конф. Кемерово, 1991, КемТИПП. С. 16-18.

85. Щупов Л.П. Математические модели усреднения. М.: Недра, 1978. -225с.

86. Akiyama Т., Kurimoto Н. Compressible Gas Model of Vibrated Particale Beds./ Chem. Eng. Scien., 1988, vol.43, p.2645-2653.

87. Baker G.A., Jr., Gammel J.L. The Pade Approximant in Theoretical Physics, Academic Press, New York, 1970.

88. Baker G.A., Tr. Essentials of Pade Approximations, Academi Press, New York, 1975.

89. Berruti F., Liden A.G., Scott D.S. Measuring and Modeling Residence Time Distribution of Low Density Solid in a Fluidized Bed Reator of Sand Particles./ Chem. Eng. Scien., 1988, vol.43, p.739-748.

90. Carmona R., Hwang W., Torresani B. Practical Time-Frequency Analysis: Ga-bor and Wavelet Transforms with an Implementation in S. Academic Press, 1998.

91. Chui Charles K. A Tutorial in Theory and Applications (Wavelet Analysis and Its Applications, Vol. 2). Academic Press; ISBN: 0121745902; January 1992; 723 pages.

92. Chui Charles K. An Introduction to Wavelets (Wavelet Analysis and Its Applications, Vol. 1. Academic Press; ISBN: 0121745848; January 1992; 264p.

93. Cohen Albert. Wavelets and Multiscale Signal Processing (Applied Mathematics and Mathematical Computation). CRC Press; ASIN: 0412575906; December 1995; 248p.

94. Daubechies Ingrid. Ten lectures on wavelets. Society for Industrial and Applied Mathematics Press, vol.61 of CBMS-NSF Regional Conference Series in Applied Mathematics, Philadelphia, 1992.

95. F.L.Lewis and Y.L.Syrmos. Optimal Control, 2nd ed. New York: Wiley, 1996.

96. Fan W., Fan L., Keith D. Optimum Particale Size in a Gas-Liquid-Solid Fluidized Bed Catalytic Reactor./ Chem. Eng. Scien., 1988, vol.43, p.2741-2750

97. G.F.Franclin, J.D.Powell, and M.Workman. Digital Control for Dynamic Systems, 3rd ed. Reading, MA: Addison-Wesley, 1998.

98. Hoffman Meredith. Wavelet Analysis: Revolutionary tool for Data Analysis and Signal Processing, SciTech Journal, Volume 6, #9. September/October 1996, pp. 19-22.

99. IEEE Trans. Signal proc. 1993. - 41. - P.3397-3415.

100. In Wavelets: time-frequency methods and phase space. N.Y.: Springer - Ver-lag, 1989-1990.-P.2-20.

101. J.E. Ackermann. «Der Entwurf Linearer regelungs Systems in Zustandstraum», Regelungstech Process-Datenverarb, 7 (1972): 297-300.

102. Mallat S. and Zhang Z. Matching pursuits with time-frequency dictionaries. IEEE Transactions on Signal Processing, 41(12):3397-3415, December 1993.

103. Mallat S., Multiresolution approximation and wavelet orthonormal basis of L2(R) // J. de Math. Pures et App. Vol. 67. 1988. P. 227-263.

104. Mallat Stephane G. A Wavelet Tour of Signal Processing. Academic Press; ISBN: 012466606X; 2nd edition; September 1999; 637p.

105. Newland D.E. An Indroduction to Random Vibrations, Spectral and Wavelet Analysis. New York, John Wiley. 1993.

106. P.S.Maybeck. Stochastic Models, Estimation, and Control, vol.3. Orlando, FL: Academic Press, 1979.

107. Qian S., Chen D. Signal representation via adaptive normalized Gaussian functions. IEEE Transactions on Signal Processing, 36 (1), January 1994.

108. Rioul Oliver, Martin Vetterli. Wavelets and signal processing, IEEE Signal Processing Magazine, October 1991, p. 14-38.

109. S.D.Conte and C.deBoor. Elementary Numerical Analysis: An Algorithmic Approach. New York: McGraw-Hill, 1982.

110. Vance F.P. Statistical Properties of Dry Blends. // Eng. Chem., 1986, v.58, p.37.

111. W.L.Brogan. Modern Control Theory, 3rd ed. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1991.

112. Wickerhauser Victor. Adapted Wavelet Analysis from Theory to Software. AK Peters, Boston, 1994.

113. Yudeii L. Kuke. Mathematical functions and their approximations. Academic Press Inc., 1975.