Диссертация (Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом стерилизации консервов в промышленном автоклаве), страница 9

Особенностью математическоймодели процесса стерилизации консервов (рисунок 2.7) является то, что онасостоит из двух взаимосвязанных математических моделей отдельных процессов.Сложность математической модели требует разработки специальной методики ееидентификации.56PавтPпар-KStep12XпарGain28-KGain10sqrtgпарMathFunction-K-KProduct3uStep1Step23Gain26Gain4Integrator-KDivide1MathFunction1Gain1Gain13Divide3Gain11Scope1Step9Gain12-K--K-4d0u2Constant2-KGain27Step241s-KGain5Integrator1MathFunction8Step20Gain2PавтPхвGain29-KGain14Scope2gхв-KProduct4uStep3Gain61s-KGain24Sкл-K-Integrator2Step21-K-Product8Divide4Xmax-K-sqrtMathFunction2Xхв2Gain21-K-K-Step16MathFunction3Gain3Gain16Divide5Gain15-K-4Step41s-K-GainSкл-K-Product7XmaxStep22Step26uStep13-K-Step25Constant3d0Gain252Step22MathFunction10Xсл-KuStep52Divide6XmaxMathFunction91.2Gain18Gain17Gain30Step14-K-PавтMathFunction51Pвозs-K-Step18uStep721.2Gain31Divide8MathFunction11Gain204Divide9gвозMathFunction6Gain23-K-Step27DivideProduct6-K-Step10Product2Transfer Fcn1sqrtSклProduct10XmaxStep8Gain22-K-Product1Gain8Gain192XвозProductGain7-K-Constant4u-K-Product5Step15d0gслMathFunction4Divide74Step6sqrtSкл-K-Product9MinMaxDivide20Constant1maxGain90f(u)ConstantFcnStep19Constant5d0uStep172MathFunction7Рисунок 2.7 – Схема моделирования канала регулирования температуры и давления в SimulinkStep1157Таблица 2.2 – Входные и выходные параметры в модели (рисунок 2.7)ОбозначениеОписаниеблокаблокаStepГенераторступенчатогосигналаStep2Step3ГенераторступенчатогосигналаГенераторступенчатогосигналаStep4ГенераторступенчатогосигналаStep5ГенераторступенчатогосигналаStep6ГенераторступенчатогосигналаStep7ГенераторступенчатогосигналаStep8ГенераторступенчатогосигналаScope1ОсциллографScope2ОсциллографПередаваемый параметрПроцент открытиярегулирующего органа(клапана) паровоймагистралиПроцент закрытиярегулирующего клапанапаровой магистралиПроцент открытиярегулирующего клапанамагистрали подачихолодной водыПроцент закрытиярегулирующего клапанамагистрали подачихолодной водыПроцент открытиярегулирующего клапанамагистрали сливапаровоздушной смеси изавтоклаваПроцент закрытиярегулирующего клапанамагистрали сливапаровоздушной смеси изавтоклаваПроцент открытиярегулирующего клапанамагистрали подачи сжатоговоздухаПроцент закрытиярегулирующего клапанамагистрали подачи сжатоговоздухаОтображение температурыводы, банок и корпуса вавтоклавеОтображение температурыводы и полного давления вавтоклавеРазмерностьпараметра%%%%%%%%ooCC , кПа58Для имитационного исследования влияния режимных параметров и условийфункционирования на качественные показатели технологического процессастерилизации консервов, а также решения задач управления процессомстерилизации в широком спектре возмущающих воздействий, требуетсяматематическая модель процесса (рисунок 2.7), адекватная протекающим в немпроцессам во всем диапазоне возможных режимов работы.Так как схема моделирования канала регулирования температуры идавления в Simulink (рисунок 2.7) получилась довольно громоздкой и не удобнойдлядальнейшегоиспользованияприсинтезесистемырегулирования,предлагается объединить еѐ в подсистему Simulink.Подсистема — это фрагмент Simulink-модели, оформленный в видеотдельного блока.

Использование подсистем при составлении модели имеетследующие положительные стороны [84]:уменьшается количество одновременно отображаемых блоков наэкране монитора, что позволяет полностью отображать модель, облегчая еѐвосприятие;повышается технологичность модели за счѐт создания и отладки еѐфрагментов по отдельности;создаются пользовательские библиотеки с включением в модельсобственных справочных средств;появляется возможность синхронизировать параллельно работающиеподсистемы.Для создания в модели элемента в виде подсистемы выбирается фрагментмодели и объединяется в подсистему, а входы и выходы элемента снабжаютсясоответствующими портами. Модель технологического процесса регулированиятемпературы и давления в автоклаве, оформленная в виде подсистемы Simulink,приведена на рисунке 2.8. Назначение входных и выходных портов подсистемыописано в таблице 2.3.59In1Out1Step1MIM1In1Step2Out1Scope1In2In1Out1In3Step3MIM2Out2In4Scope2Step4SubsystemIn1Out1Step5MIM3Step6In1Out1Step7MIM4Step8Рисунок 2.8 – Модель технологического процесса регулирования температуры идавления в автоклаве в виде подсистемы Simulink (Subsystem)Таблица 2.3 – Входные и выходные параметры в подсистеме SubsystemОбозначение Описание портапортаIn1КаналнаборатемпературыIn2КаналохлажденияIn3In4Out1Out2Передаваемый параметрСигнал управления регулирующимклапаном паровой магистралиСигнал управления регулирующимклапаноммагистралиподачихолодной водыКаналсброса Сигнал управления регулирующимдавленияклапаноммагистралисливапаровоздушной смеси из автоклаваКаналподачи Сигнал управления регулирующимдавленияклапаноммагистралиподачисжатого воздухаКанал измерение Температура воды в автоклаветемпературыКанал измерение Давление в автоклаведавленияРазмерностьпараметра%%%%oCкПа60Для отражения полной модели технологического процесса регулированиятемпературы и давления в автоклаве с применением системы автоматическогоуправлениятребуетсяучестьдинамическиесвойстваисполнительныхмеханизмов, которыми в нашем случае являются мембранные исполнительныемеханизмы (МИМ) с электропневматическими позиционерами (ЭПП).Звено, отражающее динамические свойства исполнительных устройствпредлагается оформить так же в виде подсистемы (рисунок 2.9), и обозначим какMIM1, MIM2, MIM3 и MIM4.1In1-KGain11s+1s+1Transfer Fcn11Transfer Fcn2 TransportDelayOut1Рисунок 2.9 – Модель мембранного исполнительного механизма в видеподсистемы Simulink (MIM)Внашеймоделиисполнительныемеханизмыпредставленыпоследовательным соединением двух инерционных звеньев с единичнымзначением постоянной времени и коэффициента передачи, времячистогозапаздывания составляет 0,1 с.

В итоге исполнительный механизм будет иметь Sобразную динамическую характеристику с зоной нечувствительности.На динамику исполнительного механизма существенное влияние оказываюткачество смазки в узлах трения, величина затяжки сальника регулирующегооргана, и, кроме того, динамические свойства МИМ в процессе его эксплуатациимогут довольно существенно меняться по причине сжимаемости воздуха.Действительное время полного хода выходного органа исполнительногомеханизма равно времени, в течение которого выходной орган совершаетперемещение, равное значению полного хода регулирующего органа.612.3 Идентификация и проверка адекватности математической моделиНеобходимостьпримененияметодовсинтезасистемуправленияобъясняется тем, что наряду с достижением высокого качества работы системыуправлениянеобходимооптимальноераспределениефункциймеждуеепрограммной и аппаратной частями с целью минимизации аппаратных затрат, восновном определяющих стоимость системы.

Поэтому разработку алгоритмауправления часто проводят с применением имитационного моделирования,которое актуально к применению в тех объектах, аналитическое описаниекоторых затруднительно.Выделяют системы имитационного моделирования трех типов [19]:первыйтипопираетсянаиспользованиереальнойсистемыуправления и физическую модель объекта;второйтипопираетсянареальнуюсистемууправленияисистемыуправленияиматематическую модель объекта;третийтипопираетсянамодельматематическую модель объекта.Очевидно, что на первом этапе проектирования наиболее эффективнаимитационная модель третьего типа.

Эффективность применения данной моделиопределяется следующими особенностями:отображение состояния системы управления и объекта в ходепроцесса;масштабированиевовремени,котороепозволяетувеличитьинтенсивность исследований;гибкость, подразумевающая возможность изменения параметровсистемы управления и возмущающих воздействий при исследовании процессов,протекающих в модели.Однако стоит отметить, что в системе имитационного моделированиятретьего типа затруднительно учесть особенности работы системы управления врежимереальноговремени,которыеопределяютсятехническими62характеристикамипрограммно-аппаратнойчастисистемы,чтообусловитнеобходимость дополнительной отладки системы управления на объектеавтоматизации [58].Одним из основных достаточно простых и доступных способов оценкиимитационной модели является оценка еѐ адекватности, при которой с помощьюразличных критериев проверяется соответствие между поведением модели иреального объекта. Цель еѐ проведения - это убедиться, что модель ведет себятак,какпутемзадумано,сделатьмоделирования.выводыДляэтогонаосновенеобходимоданных,располагатьполученныхаприорнойинформацией о свойствах и поведении объекта или его составных частей.При оценке адекватности модели возникает необходимость в проведенииэкспериментальныхпроизводственныхиспытаний,чтодостаточнозатруднительно.

Кроме того, при оценке модели нужно учитывать, что уразличных автоклавов различны конструкции исполнительных механизмов идаже у клапанов одного типа статические и динамические характеристики могутсильно отличаться. Уровни давления в магистралях подачи пара, воды и воздуха,а также температуры греющего пара и охлаждающей воды могут существенноменяться.

Тепловая нагрузка автоклава изменчива из-за различных динамическихсвойств стерилизуемой продукции, степени загрузки аппарата, вида рабочейсреды в стерилизаторе и еѐ объема, зависящего от размера тары и способаукладки банок в корзины. Конструкции автоклавов так же разнообразны.Данное обстоятельство имеет значение, поскольку разрабатываемую набазе автоклава Б6-КАВ-2 систему автоматического управления процессомстерилизации предполагается распространить на ряд подобных технологическихобъектов.Для имитационной модели важным является функциональная полезность идостоверность[67].Поэтомупроверкаразработанноймоделибудетосуществляться посредством моделирования некоторых элементарных процессов, воспроизведение которых возможно на объекте в производственныхусловияхсминимальнымииздержками.Экспериментальнополученные63результатыбудутсравниватьсясрезультатамимоделирования.Принесовпадении результатов будет корректироваться как структура, так ипараметры имитационной модели.Экспериментальные данные были получены с автоклава марки Б6-КАВ-2 напищекомбинате «Росинка» (г.

Яранск, Кировская область). На представленныхграфиках данные, полученные экспериментально, отмечены символами точки «°».Результаты моделирования отображены сплошными линиями.На рисунке 2.10 представлен график изменения температуры в автоклавепри подаче управляющих воздействий по каналу подачи пара и холодной водыдля случая, когда в автоклав загружены 2 сетки, наполненные банками СКОѐмкостью 0,5 л (в эксперименте использовался брак). В экспериментеиспользовались консервы «Икра баклажанная».