Література………………………………………..…...150 додатки…………………………………………..…….151
ВСТУП
Сучасні технологічні процеси досить складні: вони діляться на неперервні, періодичні, непервно-періодичні.
Створення складних систем керування періодичними технологічними процесами базується на використанні нових ідей і сучасних методів аналізу; методів, в яких для оцінки якості системи використовується інтегрально-квадратична або середньоквадратична похибка; методів сучасної теорії керування, які враховують величезні можливості обчислювальної техніки.
У навчальному посібнику розглядають сучасні ідеї побудови систем автоматичного керування періодичними технологічними процесами нафтової, газової та харчової промисловості на базі мікропроцесорної техніки. Він призначений для студентів старших курсів спеціальності 7.092501 “Автоматизоване управління технологічними процесами”. Матеріал навчального посібника побудований таким чином, щоб зберігався логічний перехід від простих до більш складних задач.
Хоча для викладання теорії автоматичних систем керуванння періодичними технологічими процесами потрібні досить складні відомості з вищої математики, всі вони даються у навчальному посібнику у формі, яка доступна для студентів. Ця книга зручна тим, що в ній міститься послідовне викладання теорії і опис найбільш важливих систем автоматичного керування періодичними процесами.
Передбачається, що читач має необхідну підготовку в обсязі курсу теорії автоматичного керування, а також лінійної алгебри, диференціальних рівнянь, комп’ютерної техніки.
Автори висловлюють подяку студентам гр. АТП- 99-1 Сабат Н., Дарнобід Н., Фіняк І., Хромею Ю, Огороднику А., Пулику І., які надали допомогу при підготовці рукопису до комп’ютерного друку.
1 ПЕРІОДИЧНІ ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ В ХАРЧОВІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ ЯК ОБ’ЄКТИ АВТОМАТИЗАЦІЇ
1.1 Характеристика періодичних технологічних процесів як об’єктів керування
Класифікація технологічних процесів
Харчове виробництво відноситься до виробництв неперервного і неперервно-дискретного типу. Для першого типу виробництв при неперервному вводі сировини характерний випуск однорідної продукції, що представляє неперервний (в визначених границях) об’єм. Для другого типу виробництв готова продукція неоднорідна ,вона розділена на окремі види або вироби. Технологічні процеси, які відбуваються, класифікуються за рядом ознак, включаючи організаційно-технічні і фізико-хімічні. Найбільш загальною, однак весь час важливою для керування процесом, являється їх класифікація за степенями співпадання двох складових будь-якого технологічного процесу: механічного переміщення продукту або виробу і його перетворення.
В неперервно-поточних процесах ці дві складові нероздільні одна від другої, в циклічних − вони чергуються. Циклічні процеси дискретних виробництв здійснюється звичайно в наступній послідовності: переміщення виробів на робочу позицію. При неперервно-поточному процесі вироби, переміщуються послідовно, перебувають під впливами, які придають їм необхідні властивості. В неперервних виробництвах включаючи харчові і мікробіологічні б в залежності від вказаних організаційно технічних ознак , прийнята інша класифікація, зв’язана з поділом технологічних процесів на періодичні та неперервні. Перші характерні для апаратів періодичної і апаратів пів неперервної дії, другі для − неперервно діючої апаратури.
Періодичні процеси в неперервних виробництвах часто називаються циклічними, так як існує періодичне повторення ситуації і чергування операцій переміщення і перетворення. Другі здійснюються в машинах і представляють собою об’єкти тільки логіко-динамічного керування. Для них характерні порівняльно менша інерційність і менша кількість збурюючи впливів.
АНД мають ряд переваг перед АПД. Вони дають можливість отримати продукти збільш високими якісними характеристиками більш зручними для автоматизації, потребуючи менших експлуатаційних затрат. Зменшення капітальних затрат при застосуванні АПД зводиться до того що непотрібно встановлювати більші апарати для забезпечення тої ж продуктивності.
Однак в цих апаратах відбуваються періодичні процеси, так як періодично протікають процеси пуску і зупинки апаратів, їх чистка і.т.д. Це означає, що основна ознака АПД−циклічний режим роботи (проходження об’єктом в визначеній послідовності ряду повторюваних станів, включаючи вихідні ) на достатньо великому інтервалі часу характерний і для неперервно діючої апаратури, яку в цьому випадку можна віднести до апаратів, пів неперервної дії з тривалістю циклу, співпадаючим з їх міжремонтним пробігом.
В ряді галузей харчової промисловості основні технічні процеси здійснюються в АПД. До них відносяться вакуум-апарати і мішалки з охолодженням для кристалізації цукру, дрожерозмножуючі апарати для виробництва хлібопекарських дрожей, мішалки для приготування розчинів живильних солей, танки для бродіння і доброджування пива, автоклави для стерилізації консервів, ректифікаційні апарати для виробництва коньячного спирту, фільтри різних конструкцій, установки для дозування і змішування багатокомпонентного складу і др. Використання АПД в цих випадках викликано однією або кількома причинами, а особливо: небезпечністю швидкого накопичення побічних продуктів; необхідністю збільшити частоту періодично - виконуючих операцій; обробкою продукту по складній програмі; здійснення процесу від випадку до випадку, мало асортмиментного і мало масштабного виробництва.
Для угодженої роботи АПД неперервно функціонуючим виробництвом їх об’єднюють в технологічні комплекси, які при неперервній подачі сировини так само неперервно видають готовий продукт.
Для АПД нестаціонарний процес з періодично змінними характеристиками є штучним технологічним режимом. Причому багато із керуючих величин в період основної робочої стадії змінюються від початкового стану, який характеризується вектором x0 до кінцевого, визначаючого вектором xk. В загальному вигляді зміна однієї із таких змінних можна описати таким рівнянням
xk=x0
,
(1.1)
де τ-час; φ(τ) -неперервно-диференціююча функція переходу, задана траєкторіями руху змінної x із складових x0 в стан xk при τk .
Різниця між значенням змінної xм (рис1.1,а) для тих умов пропорційно рухомій силі процесу , яка в АПД часто постійна по всьому об’єму апарата, але змінюється з часом, неперервно до кінця процесу. Зміна рушійної сили процесу в АПД аналогічно зміні її напрямку руху основного потоку l від початкової l0 до кінцевої lk координати (рис1.1,б) в апаратах неперервної дії, працюючих по принципу повного витиснення. В апаратах повного змішування (рис1.1,в) рушійна сила постійна по всьому об’єму апарата .
Перераховані особливості реалізації технологічних процесів в апаратах періодичної і неперервної дії позволяють їх визначити наступнім чином. В АПД всі стадії технологічного процесу здійснюються в одному місці, але в різний час; в АНД ─ одночасно, але в різних місцях.
Режими з періодично змінними параметрами характерні не тільки для АПД. Вони виникають в нестаціонарних АНД, в яких з часом змінюються властивості апарату (наприклад, із-за накипо - або нагароутворення) або робочого середовища (наприклад, із-за накопичення паразитної мікрофлори в
х
х
хм хм
хк
хк
х0
х0
τ0 τк τ l0 lк l
а б
х
хм
хк
х0
l0
lк
l
в
а-періодичної дії; б-повного витіснення; в-повного змішування
Рисунок1.1 – Зміна керованої змінної в апараті
дріжджевирощуючих апаратах ), а також в стаціонарних апаратах), а також в стаціонарних АНД, в яких для інтенсифікації процесу по інших причинах створюють коливальний режим зміни основних параметрів.
Таким чином для визначення організаційно-технічного признаку, характеризуючого циклічність роботи технологічного апарата, необхідно визначити часовий інтервал, на якому пропонується розв'язати розглядувану задачу, в тому числі і задачу керування.
В часовому інтервалі роботи цих об’єктів виділяють час, на протязі якого процес протікає неперервно τнеп і час здійснення періодичного процесу τпер. Причому під неперервно протікаючим процесом в цьому випадку розуміють процес, який на відміну з технологічним регламентом здійснюється при неперервній подачі сировини і відвантаження готової продукції або продукту з постійними чи квазіпостійними якісними характеристиками. При періодичному процесі вигризка здійснюється однократно після визначення даної технологічної операції, при якій основні параметри процесу змінюються вспіввідношенні з технологічним регламентом в функції часу.
Циклічність роботи технологічної апаратури можна характеризувати з допомогою коефіцієнту періодичності
,
(1.2)
де τз- часовий інтервал, на якому рішається задача керування .
Значення коефіцієнту періодичності дозволяє класифікувати технологічні апарати наступнім чином η=1– АПД; 0<η<1–АПНД; η=0–АНД.
Існує і другий підхід, коли в якості класифікаційного признаку використовують степінь неперервності процесу τ/Δτ, де τ час тривалості процесу (від моменту завантаження вихідних матеріалів і кінчаючи вивантаженням готових продуктів ), а Δτ–період процесу (від початку завантаження вихідних матеріалів до початку завантаження вихідних матеріалів наступної партії). В цьому періодичний процес характеризується періодом процесу Δτ>0 і степеню неперервності τ/Δτ<1, а неперервний –Δτ→0 і τ/Δτ→∞. Однак тут забруднене визначення пів неперервних процесів і відсутній зв’язок з розв’язуванням задач керування.
На розв’язок задач керування АПД значний вплив мають, перш за все, режимні і організаційні признаки функціонування технологічної апаратури. Вказані признаки дають можливість класифікувати АПД і періодичні режими АПНД як об’єкти керування (табл.1.1).
Найбільше розповсюдження отримали однофункціональні АПД. Однак у багато асортиментних і мало масштабних виробництвах АПД можуть виконувати декілька функцій (багатофункціональні АПД), кожній із яких відповідає відповідний режим роботи. При переході з режиму на режим може змінюватись і число стадій роботи апарата. Найпростішим двох стадійним АПД являється, наприклад, об’ємний дозатор з операціями набору і випорожнення. Частіше всього використовують чотирьох стадійні АПД, які мають наступні стадії циклу: завантаження, основну стадію, розвантаження і чистку. В апаратах без живлення всі вихідні продукти вводять в апарати в період його завантаження.