автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка системы прямого цифрового управления многокомпонентным дозированием и смешением жидких полуфабрикатов в производстве плодово-ягодных соков

Введение. ^

Глава I. Анализ процессов дозирования и смешения жидких полуфабрикатов как объекта управления. Постановка задачи управления.

1.1. Дозирование и смешение плодово-ягодных соков как объект управления. Постановка задачи.

1.2. Анализ управлений процессами дозирования и смешения.

Глава 2. Оптимальное управление дозированием и смешением жидких полуфабрикатов.

2.1. Дополнения к постановке задачи.

2.2. Формализация задачи управления.

2.3. Синтез фильтра Калмана-Бью си. /ц

2.4. Оптимальное управление составом смзси щм критерии наибольшего быстродействия. Стохастическая модель.

2.5. Оптимальное управление составом смеси при критерии мишщума квадрата ошибки управления с учетом точности достижения цели и оптимизацией расходов компонентов. Стохастическая модель.

2.6. Оптимальное управление ооставом смеси при критерии наибольшего быстродействия. Детерминированная модель.

2.7. Оптимальное управление составом смеси при критерии минимума квадрата ошибки управления. Детерминированная модель.

2.8. Оптимальное управление ооставом смеси при критерии минимума интеграла квадрата ошибки управления. Детерминированная модель.

2.9. Оптимальное управление оо ставом смзсй при критерии минимума интеграла квадрата ошибки управления с учетом точности достижения дели и оптимизацией расходов компонентов. Детерминированная модель.

Глава 3. Экспериментальное исследование алгоритмов управления составом смеси при смесеприготовлении жидких полуфабрикатов.

3.1. Цель и методология исследования.

3.2. Моделирование управления стохастическим процессом смешивания жидких полуфабрикатов.

3.3. Моделирование управления детерминированным процессом смешивания жидких полуфабрикатов.

Глава 4. Синтез системы прямого цифрового управления многокомпонентным дозированием и смешением плодово-ягодных соков.

4.1. Особенности задачи смесецриготовления для плодово-ягодных соков.

4.2. Описание установки дозирования и смешения соков

4.3. Математическая модель дозатора.

4.4. Математическая модель смесителя.

4.5. Информационное и программное обеспечение.

4.6. Анализ результатов испытаний.

4.7. Технико-экономическое обоснование.

Продовольственной программой СССР на период до 1990 года предусматривается дальнейшее повышение количества, расширение ассортимента и улучшение качества продуктов питания.

Промышленной основой для решения этой задачи, в числе прочих, служит создание высокопроизводительных технологических линий, управление которыми осуществляется сложными автоматическими системами. Высокие требования, предъявляемые к таким системам, обуславливают использование средств вычислительной техники, позволяющих реализовать новейшие способы управления.

В пищевой промышленности, равно как и в других отраслях народного хозяйства /консервной промышленности, производстве стройматериалов, химии, биологии и др./, широко используется процесс многокомпонентного дозирования и смешения /процесс смесеприготов-ления/ жидких полуфабрикатов, не вступающих в химическую реакцию в смесителе.

Увеличение экономической эффективности цроизводства обуславливается повышением качества готового продукта и рациональным использованием компонентов, что во многом зависит от организации управления процессом смесеприготовления.

Необходимость получения смесей в массовом количестве, обеспечение их высокого качества и однородности обуславливают применение непрерывного смесеприготовления.

Поступление на переработку сырья, различного как по наименованию, так и по качеству, приводит к нестабильности состава и величин, описывающих физико-химические свойства компонентов. Физико-химический состав смеси, как правило, не шжет быть полностью проконтролирован с помощью автоматических приборов. Методы экспресс анализа не пригодны для формирования оперативных управлений

-5в силу своей инерционности, т.е. управление качеством смеси не-обходимэ осуществлять при неполноте информации о ее свойствах.

При производстве смесей необходим) учитывать конструктивные ограничения по пропускной способности дозирующего и смесительного оборудования при широком изменении количества и качественного состава компонентов в различных случаях смешивания.

Существующие алгоритмы управления непрерывным дозированием и смешением жидких полуфабрикатов не полностью учитывают реальные особенности процесса смесеприготовления и не позволяют рационально организовать управление им.

Поэтому представляется актуальной и практически значимой работа, посвященная созданию системы автоматизации многокомпонентного дозирования и смешения жидких полуфабрикатов.

Целью работы является разработка теоретических основ и получение алгоритшв оптимального управления в системах ИДУ многокомпонентным дозированием и смешением жидких полуфабрикатов, а также синтез системы пряшго цифрового управления смесеприготов-лением применительно к плодово-ягодным сокам.

Научная новизна:

- теоретически установлена и экспериментально подтверждена связь между физико-химическими показателями, однозначно описывающими свойства смеси, и необходимым количеством дозирующих устройств, обеспечивающих возможность получения требуемого качества смеси;

- аналитически установлена связь между числовыми значениями физико-химических показателей смешиваемых компонентов и областью допустимых управлений качеством смеси;

- разработан метод определения области допустимых управлений, учитывающий изменения во времени показателей физико-химических свойств компонентов /смеси/ и ограничения по пропускной способности дозирующего и смесительного оборудования;

- разработана вероятностная математическая модель процесса смесеприготовления для жидких пищевых полуфабрикатов при условии, что изменения показателей физико-химических свойств компонентов описываются нормальным марковским процессом, а созданный на основе этой модели алгоритм оптимального управления с использованием фильтра Калмана-Быоси позволил улучшить качественные показатели готового продукта;

- для процесса производства плодово-ягодных соков установлено соответствие критерия минигдума интеграла квадрата ошибки управления критерию оптимального быстродействия при достижении заданной цели управления.

Практическая ценность работы:

- разработаны алгоритмы оптимального управления процессом многокомпонентного смесеприготовления при производстве плодово-ягодных соков, пригодных к использованию в производстве жидких пищевых продуктов /вин, безалкогольных напитков и др./;

- разработана номограмма определения управляющих воздействий по измеренным качественным показателям смеси при производстве соков с мякотью и сахарным сиропом.

Реализация работы в промышленности. Результаты проведенных исследований были использованы во ВНИПКИ "Консервпромкомплекс" Минплодовощхоза СССР при разработке системы автоматизации многокомпонентного дозирования и смешения плодово-ягодных соков как подсистемы АСУ ТП консервного предприятия.

Система прошла испытания и принята в эксплуатацию на Измаильском консервном комбинате. Гарантируемый экономический эффект от внедрения системы управления на одной установке составляет 56 тыс.руб. в год.

Эксперименталъная часть. Проверка основных научных выводов и положений работы осуществлена на экспериментальной установке многокомпонентного дозирования и смешения плодово-ягодных соков на Измаильском консервном комбинате.

В первой главе рассштрен процесс смесеприготовления жидких полуфабрикатов как объекта управления. Проведен обзор литературы, на основании которого установлено отсутствие работ посвященных оптимальному управлению многокомпонентным дозированием и смешением, обеспечивающему высокую точность, оперативность, экономное расходование компонентов при условиях:

- разнообразных как по составу, так и по количеству физико-химических свойствах компонентов;

- изменяющихся случайным образом во времени значений /показателей/ физико-химических свойств компонентов /смеси/;

- неполноте информации о составе смеси;

- учете ограничений по пропускной способности дозирующего и смесительного оборудования.

Кроме того не исследован вопрос условий физической реализуемости тех или иных управлений. Исходя из сказанного, сформулирована общая постановка задачи оптимального управления смесе-приготовлением жидких пищевых полуфабрикатов, в которой выделено два уровня: верхний - управление качеством смеси, нижний -управление расходами компонентов. задача верхнего уровня - стохастическая и состоит из двух частей: определения области допустимых управлений с учетом оговоренных условий и поиска управлений из этой области, оптимизирующих критерии качества.

Задача нижнего уровня должна обеспечить оптимальную по точности и оперативности отработку и поддержание заданных расходов компонентов /управлений/.

Решение задачи нижнего уровня может быть получено только для конкретной конструкции дозаторов.

Во второй главе рассмотрено решение задачи верхнего уровня. Для формализации задачи физико-химические свойства каждого компонента и смеси описываются их числовыми характеристиками - физико-химическими показателями /ФХП/. Формализация получена введением векторного пространства, описывающего изменения ЖП компонентов /смеси/ в предположении, что вектор ФХП в любой момент времени имеет нормальное распределение, а эволюция вектора во времени - марковский процесс.

С учетом сказанного, с использованием оценок, описывающих наиболее вероятные состояния ФХП компонентов и оценок ФХП смеси, выработанных методом фильтрации Калмана-Бью си, с учетом ограничений, присущих смесеприготовлению, получено аналитическое соотношение для определения области допустимых управлений. Анализ существования решения этого соотношения позволил определить взаимосвязь между количеством дозаторов и размерностью векторного пространства, описывающего свойства компонентов /смеси/, а также установить возможность определения области допустимых управлений в зависимости от численных значений ФХП компонентов.

Векторы и матрицы, входящие в состав соотношения для определения области допустимых управлений, имеют своими элементами неслучайные величины /оценки/. Оценка детерминированной величины равна самой этой величине. Поэтог^у при детерминированном описании структура соотношения для определения области допустимых управлений и общий порядок решения останутся такими же как в стохастическом случае, с заменой оценок величин на их текущие значения.

Фильтр Калмана-Бьюси, построенный на основе разработанной стохастической математической модели смешивания, обеспечивает несмещенную, эффективную оценку соответствующим изменениям ФХП смеси.

Требования к динамике процесса смешивания обусловили анализ двух стохастических критериев различной сложности, обеспечивающих высокую точность достижения цели, оперативность, экономное расходование компонентов. Первый критерий оптимизирует оперативность управления составом смеси, второй - представляет из себя математическое ожидание от интеграла квадратичного выражения.

Для детерминированной модели требования к динамике процесса смешивания приводят к анализу сложного интегрального квадратичного критерия, дающего громоздкий в реализации алгоритм. Поэтому получены решения и для частных случаев этого критерия, дающие простые в реализации алгоритмы управления.

В третьей главе проведено экспериментальное исследование решения задачи верхнего уровня. Для определения работоспособности полученных в главе 2 алгоритмов и их численной проверки осуществляется моделирование управления процессом смешивания. Рассматривается как детерминированное, так и стохастическое описания процесса. Моделирование проведено для всех критериев управления и их частных случаев, разобранных в главе 2.

В четвертой главе проведен синтез системы прямого цифрового управления плодово-ягодными соками. Последние имеют сложный состав и не вступают в химическую реакцию в смесителе. Согласно ГОСТам дизико-химический состав соков можно описать тремя Ш1: содержанием сухих веществ /СВ/, содержанием спирта, кислотностью. При правильном хранении соков в танках кислотность практически не меняется. Содержание СВ и спирта меняется по высотам танков, что обуславливает вариации этих Ш1 в компонентах при поступлении сока на смешивание. Исследования показывают, что изменения во времени содержания СВ и спирта в компонентах имеют случайную co ставляющую.

Различают два вида смешивания плодово-ягодных соков: смешивание соков между собой и смешивание соков с сахарными сиропами. Цель смешивания в первом случае - получение заданных значений СВ, спирта и кислотности в смеси, цель смешивания во втором случае -получение заданных значений СВ смеси.

Для организации прямого цифрового управления дозированием и смешиванием разработана установка /станция купажирования/, управляемая от УВК СМ-2.

Установка обеспечивает возможность непрерывного смесеприготовления плодово-ягодных соков с контролем содержания СВ в смеси и управлением качеством смеси перераспределением расходов компонентов. Конструкция установки разработана с учетом требований по управляемости объекта.

Задача нижнего уровня /управление расходами компонентов/ решена применительно к конструкции дозирующего устройства станции купажирования и позволяет получать оптимальную по быстродействию отработку и поддержание задания по расходу каждого компонента со статической ошибкой теоретически равной нулю /практически до класса точности расходомера/. Задание по расходам выдает задача верхнего уровня, которая поддерживает установленное содержание СВ и обеспечивает нахождение содержания спирта в регламентированном диапазоне. При этом выполняются ограничения на дозирующее и смесительное оборудование.

В качестве критерия оптимизации выбрано оптимальное быстродействие. Этот критерий, для смесеприготовления плодово-ягодных соков, обеспечивает минищум интеграла квадрата текущей ошибки при достижении заданной цели управления.

Задача верхнего уровня испытывалась для детерминированной и стохастической моделей смешивания. Испытания показали лучшие результаты при стохастическом управлении.

Смесеприготовление соков с сахарными сиропами - простейший случай смешивания плодово-ягодных соков, поскольку сахарные сиропы имеют стабильные заданные ФХП - содержание СВ. На случай отказа УВК, при производстве соков с мякотью, разработана номограмма, позволяющая определить необходимые управления по изменениям содержания СВ в смеси.

ОСНОВНЫЕ вывода

Выполненная работа позволяет сделать следующие выводы:

1. Для процесса дозирования и смешения, без химических реакций в смесителе, предложен способ формального описания физико-химических свойств компонентов. Способ позволил подойти с единых позиций к изучению задач управления смесеприготовлением с различными по составу компонентами.

2. Для детерминированной и вероятностной постановки задачи управления сме сеприготовлением разработан способ определения области допустимых управлений, позволяющий получить конечное время достижения цели управления с учетом ограничений на дозирующее и смесительное оборудование, на изменения во времени свойств компонентов и смеси.

3. Установлено, что для физической реализации предлагаемых оптимальных управлений составом смеси, количество дозаторов должно быть на единицу больше количества показателей, описывающих свойства смеси /управляемость объекта/.

4. Установлена аналитическая связь, описывающая возможность получения области допустимых управлений с фдзико-химическими свойствами компонентов.

5. Разработана вероятностная математическая модель процесса смесеприготовления для жидких полуфабрикатов при условии, что изменение Ш1 компонентов описывается нормальным марковским процессом.

6. На основании вероятностной математической модели получен фильтр Калмана-Быоси задачи оптимального смесеприготовления жидкими полуфабрикатами.

7. На основании формализации технологических требований к про-, цессу смесеприготовления решена задача оптимального управления составом смеси для детерминированного и стохастического случаев.

8. Установлено, что, для задачи оптимального смесеприготовления плодово-ягодных соков, интегральный квадратичный критерий качества управления обеспечивает оптимальное быстродействие.

9. Получена номограмма, позволяющая расчитать изменения управляющих воздействий по изменениям качества смеси при смешении сока с мякотью и сахарным сиропом.

10. .Идя предлагаемой установки дозирования и смешения плодово-ягодных соков получены разностные уравнения, описывающие алгоритм регулятора расходов компонентов и обеспечивающие наибольшее быстродействие в отработке ошибки управления и статическую ошибку теоретически равную нулю.

11. Разработано математическое и программное обеспечения, позволившие, на установке дозирования и смешения плодово-ягодных соков, смонтированной на Измаильском консервном комбинате, реализовать разработанные способы управления. Годовой экономический эффект составит 56 тыс.руб. на одной установке.

1. Абдоаев A.A., Алиев P.A., Уланов Г.М. Принципы построения автоматизированных систем управления промышленными предприятиями.1. М.: Энергия, 1975.- 440с.

2. Алексеев В.М., Тихомиров В.М., Фомин C.B. Оптимальное управление. M.: Наука, 1979. - 425с.

3. Аркоф Р., Сасаени М. Основы исследования операции. М.: Мир, 1971. - 533с.

4. Архангельский A.B. Конечномерные векторные пространства. М. : Из-во МГУ, 1982. - 248 с.

5. Ахиезер Н.й. Вариационное исчисление. Харьков: Вшца школа, 1981. - 168с.

6. Ашманов С.А. Линейное программирование. М. : Наука, 1981.- 304с.

7. A.c. 729245 /СССР/. Устройство для регулирования процесса купажирования вин и соков /Коробов В.М. Опубл. в Б .И.,1980 10.

8. A.c. 582456 /СССР/ Устройство одновременного дозирования по крайней мере двух жидкостей /Доронин В.А. Опубл. в Б.И.,1981,й 24.

9. A.c. 533167 /Япония/. Дозатор жидкости /Того Мисааки.- Опубл. в Б.И. ,1978, £ 18.

10. Бабунашвили Т.Г. Синтез линейных оптимальных систем. Докл. АН СССР,1964, т.155, № 2, с.295-298.

11. Бугров Я.С., Никольский С.М. Элементы линейной алгебры и аналитической геометрии. М. : Наука, 1980. - 175с.

12. Белман Р. Динамическое программирование. М. : из-во иностранной лит-ры, i960. - 400с.

13. Барбашин Е.А. Введение в теорию устойчивости. М. : Наука,1967.-224с.

14. Васильев А.Я. О необходимых условиях оптимальности регулируемых систем.- Автоматика и телемеханика, 1964,т.25, Jf> Ю,с.

15. Венцель Е.С., Овчаров Л.А. Прикладные задачи теории вероятностей. М.: Радио и связь, 1983.- 416с.

16. Венцель А.Д., Фрейдлин М.И. Флуктуации в динамических системах под воздействием малых случайных возмущений. М.: Наука,1979.-424с.

17. Верещагин В.П., Малыгин Л.Н., Федоров В.Н. Автоматическое дозирование жидких компонентов. Механизация и автоматизация производства, 1979, №2, с.6-8.

18. Вольфовиц Дж. Теоремы кодирования теории информации. М.: Мир, 1967. - 248с.

19. Воробьев В.А., Гревнин Д.А., Дорф В.А. Повышение качества бетона. Механизация и автоматизация производства, 1979, № I, с.8-9.

20. Воронин Г.В. Математические методы планирования и управления в пищевой промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1977. -232с.

21. Воронов В.Г., Шмелев A.C. 0 математическом моделировании газожидкостных процессов в химической технологии. В кн.: Математические методы в химии. Материалы 3-й В се с. конф. М., 1980,с.17-22.

22. Габасов Р. Об одной задаче теории оптимальных процессов. Автоматика и телемеханика, 1967, ifc 8, с.5-15.

23. Гарбарчук В.И. Функциональный подход к оптимизации управления уровнем многономенклатурных запасов. Механизация и автоматизация управления, 1982, №2, с. 15-17.

24. Гонтарь В.Г. Востановление механизма равновесных процессов по данным рН-метрии. Заводская лаборатория, 1983, № I, с.27-30.

25. ГОСТ 657-70, ГОСТ 16366-70. Соки плодовые иягодные.

26. ГОСТ 656-70. Соки плодовые и ягодные натуральные.27,28,29