Обоснование автоматизированной системы многосвязного управления процессом сушки зерна

УДК 631.563 Н.В. Цугленок, С.К. Манасян, В.Н. Цугленок,

Г.С. Манасян, Н.Н. Куликов

ОБОСНОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ МНОГОСВЯЗНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

СУШКИ ЗЕРНА

В статье дается обоснование автоматизированной системы управления (АСУ) процессом сушки зерна с доказательством ее устойчивости. Параметры АСУ, по мнению авторов, позволяют полностью удовлетворить существующие агротехнические и технологические требования.

Ключевые слова: сушка, модель, автоматизация, система управления, параметры, режимы, процесс, качество, интенсивность.

N.V. Tsuglenok, S.K. Manasyan, V.N. Tsuglenok, G.S. Manasyan, N.N. Kulikov

SUBSTANTIATION OF THE AUTOMATED SYSTEM OF THE GRAIN DRYING PROCESS MULTIVARIATE CONTROL

Substantiation of the automated control system (ACS) of the grain drying process with the proof of its stability is given in the article. According to the authors’opinion ACS parameters allow to satisfy existing agrotechnical and technological requirements completely.

Key words: drying, model, automation, control system, parameters, modes, process, quality, intensity.

Многочисленными исследованиями ученых и специалистов доказано, что качество высушенного зерна, технолого-эксплуатационные параметры и технико-экономические показатели зерносушилок (с заданными конструктивными характеристиками и элементами) в основном зависят от выбранного режима сушки и точности его соблюдения [1-2; 5-7].

Обоснование построения информационной модели технологического процесса сушки приведено ранее [2; 8-9]. Учитывая, что в производственных условиях параметры начальной влажности и начальной температуры зерна имеют случайный характер изменения, они отнесены к возмущающим воздействиям. Вместе с показателями назначения, степени зрелости и состояния они задают исходную информацию для выбора (задания) режима сушки.

К управляющим воздействиям отнесены четыре параметра:

- температура агента сушки на входе в зону сушки;

- степень открытия выпускного аппарата сушильной зоны (изменения которой обеспечивают требуемую экспозицию сушки в зоне);

- время работы агента сушки в сушильной зоне (задается включением и выключением вытяжного вентилятора);

- скорость подачи агента сушки в сушильную зону (зависит от критической скорости витания сыпучего сушимого материала, в свою очередь, определяемой культурой и сортом зерна и средней влажностью его в сушильной зоне).

Качество и интенсивность протекания процесса сушки оцениваются по температуре нагрева зерна и его влажности на выходе из зоны (или влагосъему в данной зоне сушильной камеры).

Ввиду сложности исследуемого объекта регулирования, включающего 24 канала связи (по восемь для каждой сушильной зоны), и с целью упрощения управления им была поставлена задача произвести синтез оптимальной системы. Проведенные ранее исследования [7-8] позволили обосновать выбор четырех каналов управления.

Известные способы ручного управления и существующие системы автоматического управления [3-4], применяемые для регулирования процессов сушки зерна, не соответствуют предъявляемым агротехническим требованиям. Согласно последним, отклонения влажности высушенного зерна не должны превышать ±1,0%, температуры нагрева зерна ±2,0% [5].

Причиной сложившейся ситуации является то обстоятельство, что существующие автоматизированные системы управления процессом сушки зерна, использующие релейно-контактные элементы, обладают повышенной инерционностью и малой надежностью, а также низким запасом устойчивости [6].

В настоящей работе была поставлена задача преодоления указанных недостатков за счет использования более адекватной математической модели управления процессом сушки зерна [7] и применения в разрабатываемой АСУ современных бесконтактных логических устройств (взамен обладающих значительной инерционностью релейно-контактных). Для этого в качестве элементной базы САУ использовали бесконтактные логические устройства (регуляторы).

Разработанная нами математическая модель системы многосвязного управления процессом сушки зерна [9-10] содержит для каждой зоны сушильной камеры четыре контура регулирования:

1-й канал управления - «температура сушильного агента на входе в зону» ^ «температура нагрева зерна на выходе из зоны»;

2-й канал управления - «экспозиция сушки в зоне» ^ «влагосъем в данной сушильной зоне»;

3-й канал управления - «время работы сушильного агента в зоне» ^ «относительная влажность отработавшего агента сушки»;

4-й канал управления <^о - ш» - «скорость подачи сушильного агента в зону» ^ «влажность зерна на выходе из зоны сушки».

Соответственно разработанная логическая схема АСУ процессом сушки зерна состоит из четырех взаимосвязанных подсистем, поддерживающих на необходимом уровне:

- температура агента сушки на входе в каждую сушильную зону;

- скорость движения зерна в сушильных зонах (экспозиция сушки);

- относительная влажность агента сушки на выходе из сушильных зон;

- скорость сушильного агента в зонах сушки.

А также устройств, осуществляющих контроль влажности и температуры высушиваемого материала.

При этом качество высушенного зерна в основном зависит от первых двух регулируемых параметров (¿а и и/), а показатели эффективности процесса сушки - от последних двух (ср и va).

Схема регулятора входной температуры сушильного агента (первая подсистема) для данной зоны сушки состоит из измерительной цепи, выходного усилителя и цепи переключения. Регулятор управляет электрокалорифером, предназначенным для нагрева агента сушки. Измерительная цепь состоит из задатчика (потенциометра Р п), датчика температуры (терморезистора Р2) и стрелочного прибора (микроамперметра). Задатчик Рп и датчик Р2 , включаемые в усилитель, образуют базовый делитель его первого

транзистора. С помощью этого делителя управляют всей схемой. Трехфазный тиристорный переключатель переменного тока позволяет управлять одновременно тремя нагревательными элементами электрокалорифера.

При отсутствии управляющего сигнала (отсутствие необходимости корректировки температуры агента сушки на входе в зону) через нагреватели проходит ток, равный току утечки тиристоров и определяемый напряжением сети и сопротивлениями нагревательных элементов.

Стабилитрон 01с фиксирует уровень (порог срабатывания) усилителя. С помощью резисторов р ,

Р2 на группу переключения из шести диодов ^ ,-,06 подается необходимое напряжение, а следующие три резистора р, р, р обеспечивают одновременность открывания тиристоров. Диоды 0,, 08, 09 блокируют тиристоры от переменных сигналов. Необходимая температура нагрева сушильного агента, подаваемого на вход данной зоны, устанавливается по стрелочному микроамперметру.

Если температура в сушильной камере ниже заданного значения, то сопротивление датчика-термистора велико и напряжение на нем равно напряжению на стабилитроне 01с или выше его, при этом

усилитель и тиристоры цепи переключения открыты, ток течет через нагреватели и температура сушильного агента увеличивается. Когда она превысит заданное значение, напряжение датчика уменьшается, усилитель закрывается и нагрев сушильного агента прекращается.

Вторая подсистема, регулирующая экспозицию сушки зерна в зоне, имеет аналогичную структуру и сходный принцип действия.

Приведем краткое описание третьей подсистемы. Схема регулятора относительной влажности отработавшего агента сушки, управляющего работой вытяжного вентилятора, состоит из измерительной цепи, выходного усилителя и цепи управления электродвигателем вентилятора.

Измерительная цепь включает в себя датчик влажности (гигристор Иг), выпрямительный мост (система из четырех диодов ^ ,-0 4), задающий потенциометр ^ и резистор И . На ее вход подается переменное напряжение 45 В. Сигнал от гигристора в виде переменного напряжения выпрямляется и поступает через задатчик (потенциометр ^) на электоролитический конденсатор С, напряжение которого обусловливает порог открывания усилителя. Резистор И предотвращает короткое замыкание при выходе из строя гигристора. В качестве цепи управления использованы тиристорные переключатели. Для сглаживания пиковых напряжений, возникающих на тиристорах, предусмотрены цепочки Сп И,, С;1 И1; , Ск ^.

Регулятор влажности данной подсистемы работает следующим образом. Когда относительная влажность ниже заданного значения, сопротивление датчика-гигристора велико, а напряжение на конденсаторе С1 мало и усилитель закрыт. В этом случае напряжение на обмотки электродвигателя не поступает и вытяжной вентилятор не работает. Если относительная влажность выше заданной, то сопротивление гигристора уменьшается, напряжение на потенциометре становится равным порогу открывания усилителя или

превышает его, в цепь управления подается напряжение и вентилятор начинает работать, удаляя влажный воздух из сушильной камеры.

Указанные четыре подсистемы многосвязной системы автоматического регулирования являются взаимозависимыми, но подбором компенсирующих связей можно достичь независимого регулирования управляемых параметров и тогда каждую подсистему можно рассматривать отдельно от других.

Составим уравнения, описывающие динамику системы автоматического регулирования управляемого параметра отдельной подсистемы регулирования (например, температуры сушильного агента на входе в определенную зону сушки):

х = х0 -х4,

*1 = /Лр)х,

х2 ^1!—х1з

Т21р +1 15

К3,е-’"

х, = —-------X, ,

Т3,р +1 2

х4=К41х3,

где х - регулируемый параметр (температура агента сушки ta); \t (р) - передаточная функция переключающих элементов в соответствующем канале регулирования; К2,, К3<, К4, - коэффициенты усиления исполнительных органов объекта регулирования и датчиков; Т2,, Т3< - постоянные времени исполнительных органов и объекта по соответствующему каналу регулирования; т(а - время чистого запаздывания объекта (по каналу - температура агента сушки); р - аргумент преобразования Лапласа, р=] со , (/' - мнимая единица, у2 =-1); со - частота автоколебаний переменной х.

Аналогичные уравнения составляются по трем другим каналам регулирования - относительной влажности сра, скорости движения зерна м и сушильного агента Vа.

При отсутствии возмущающих воздействий (х0 = 0) из системы (1) путем исключения переменных х , х , х , х получено уравнение системы автоматического регулирования для случая свободного движения (установившийся процесс сушки):

\2Т3р2 +

Уравнение (2) представлено в векторной форме (индексы ф, V, V( опущены). Передаточные функции переключающих элементов для рассматриваемых каналов регулирования являются нелинейными. В процессе регулирования выходные параметры нелинейных звеньев хи, х1(р, х1у, х^ изменяются скачкообразно и в установившемся состоянии имеют вид прямоугольной периодической функции. Наличие инерционных звеньев с большими значениями постоянных времени приводит к тому, что все остальные параметры в замкнутых системах управления изменяются непрерывно по кривым, близким к синусоидам. Это позволяет осуществить гармоническую линеаризацию нелинейных звеньев в виде:

/

И <4

где А0 и О)0 - амплитуда и частота автоколебаний; а и Ь - входные и выходные величины статической характеристики переключающих элементов в соответствующем регуляторе (индексы I ф, V, ^ при

величинах А, со , а, Ь опущены). При этом величина 2а определяет ширину петли гистерезиса характеристики соответствующего нелинейного звена, 2Ь - величину переключаемого напряжения.

Общий коэффициент усиления данной подсистемы регулирования равен:

К = К2К3К4.

Получим характеристическое уравнение подсистемы, подставив (3) в (2):

ЬТзР2 +

лА0 со0

С помощью выражения (5) можно определить параметры подсистемы САР А(,б) ,, аЬ0 А ,со , ар, Ь9, Ау1со у,ау,Ьу,иАу?,£У , а , Ь , соответствующие технологическим требованиям и условиям устойчивости АСУ. Для этого использовали уравнение Эйлера разложения экспоненциальной функции на гармонические составляющие, представление операторного аргумента р в виде произведения мнимой единицы на частоту и разложение передаточной функции на действительную и мнимую части.

В результате для каждой подсистемы получаем зависимость амплитуды от частоты автоколебаний. Решение полученных уравнений проводили при следующих значениях коэффициентов:

- для первой подсистемы (канал ?):

7"2 = 180с, 7"з=1500с, К=-0,02, а=0,2 В, Ь=120 В, Г =150 с;

-длятретьей подсистемы (канал ф)\

7~2 = 15 с, Т3 - 600 с, К=-0,12, а=0,2 В, Ь=120 В, Г=100 с.

В результате расчета получили:

Ап = 15,51 В, СО =0,006с-1; иг ог

А0 =18,39 В, (О =0,002 с"1.

^ о ф

Для перехода от полученных значений к величинам, оценивающим абсолютную погрешность температуры и относительной влажности, используем коэффициенты передачи термистора, гигристора и базового делителя:

Ап

к(кбд

А

а<р =-----—

* кгкбд

Расчет по формулам (6) показывает, что Cdt<VC, G)(p<3%, что соответствует агротехническим и

технологическим требованиям.

Полученные значения погрешностей регулирования будут соответствовать реальным автоколебаниям в системе в случае, если она устойчива. Оценка устойчивости каждого канала была доказана с использованием критерия Михайлова [11] в форме, приведенной Поповым и Бесекерским:

dReJV

дА дсо дсо дА

Таким образом, доказана устойчивость АСУ в целом.

Выводы

1. Предложена и обоснована система автоматического управления процессом сушки зерна, состоящая из четырех подсистем, которая позволяет устранить недостатки существующих АСУ, заключающиеся в повышенной инерционности, малой надежности и низком запасе устойчивости.

2. Разработанная система отличается малыми амплитудами автоколебаний регулируемых параметров, малой инерционностью и повышенной надежностью, а также позволяет добиться упрощения эксплуатации, уменьшения трудоемкости обслуживания и затрат на поддержание автоматизированного комплекса в работоспособном состоянии.

3. Путем подбора компенсирующих связей удалось достичь независимого регулирования по каждой из четырех подсистем предложенной системы.

4. Данная автоматизированная система управления обеспечивает необходимую точность соблюдения заданных режимов сушки зерна по параметрам: температура агента сушки на входе в сушильную зону; экспозиция сушки в зоне; относительная влажность агента сушки на выходе из сушильной зоны; скорость агента сушки на входе в зону сушки.

5. Обоснованные параметры, обеспечивающие устойчивость АСУ сушки зерна, позволяют полностью удовлетворить существующие агротехнические и технологические требования.

6. Внедрение системы позволит снизить затраты на электроэнергию на 20 %, повысить качество обработанного зерна и увеличить товарность зерна до 75 %.

7. Для управления процессом сушки зерна в пределах отдельно взятой сушильной зоны в САУ использованы запираемые тиристоры (тринисторы). Для управления процессом сушки в многозонной сушильной камере с учетом взаимосвязи и согласования параметров его состояния в отдельных зонах в разработанной многоконтурной многосвязной САУ на границах смежных сушильных зон использовали более сложные по сравнению с тринисторами тиристоры - симисторы, которые эквивалентны двум встречнопараллельным тиристорам и могут проводить электрический ток в обоих направлениях.

Литература

1. Григорян Ш.М., Мкртчян В.С., Давтян В.М. Управление температурой и влажностью теплоносителя в сушильной камере // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. - 1975.

- № 8.

2. Колесов Л.В., Андрианов Н.М. Исследование шахтной зерносушилки в условиях нормального функционирования // Интенсификация технологических процессов в растениеводстве. - Л.: ЛГАУ, 1991. -С. 47-55.

3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Исследование нелинейных автоматических систем. - М.: Физматгиз, 1986.

4. Бруфман С.С., Трофимов Н.А. Тиристорные переключатели переменного тока. - М.: Энергия, 1989.

5. Автоматизированное управление процессом сушки зерна / Л.В. Колесов, С.К. Манасян, Н.М. Андрианов [и др.]. - Л.; Пушкин: ЛСХИ, 1883. - 435 с.

6. Автоматизация процесса сушки зерна / Л.В. Колесов, С.К. Манасян, Н.М. Андрианов [и др.]. - М.: ВНИИЭлектропривод, 1985. - 269 с.

7. Колесов Л.В., Манасян С.К. Идентификация процесса сушки зерна. - Минск: БИМСХ, 1984. - 17 с.

B. А.с. СССР. Способ автоматического управления процессом сушки зерна и устройство для его осуще-

ствления I Л.В. Колесов, Н.М. Андрианов, С.К. Манасян, Е.Ф. Гришин, В.В. Иванов, В.И. Заборо, С.Г. Гусев. - М., 1989.

9. Цугленок Н.В., Манасян С.К. Методологические основы процесса повышения эффективности процесса сушки зерна. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2007.

10. Моделирование процесса сушки зерна в плотном слое I С.К. Манасян, Л.В. Колесов, ГА Коренькова [и др.] II Сб. науч. тр. ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 1984. - С. 144-152.

11. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления. - М.: Физматгиз, 2003. - 139 с.