Сравнительный анализ одноконтурной и каскадной систем автоматического регулирования температуры масла в паромасляной печи

УДК 681.526.4

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОДНОКОНТУРНОЙ И КАСКАДНОЙ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МАСЛА

В ПАРОМАСЛЯНОЙ ПЕЧИ

Н. С. Будченко, Н. А. Долгий

COMPARATIVE ANALYSIS OF SINGLE CIRCUIT AND CASCADE AUTOMATIC OIL TEMPERATURE CONTROL SYSTEMS IN A STEAM-OIL

OVEN

N. S. Budchenko, N. A. Dolgiy

Задачу управления температурой масла можно разделить на подзадачи: определение рационального диапазона температуры масла с точки зрения качества и расхода масла на единицу массы получаемого продукта; коррекция температуры масла для обеспечения желаемого процента ужаривания рыбы при изменяющихся свойствах сырья и фиксированном времени обжаривания. Результаты исследований показывают, что обжаривание рыбы рационально проводить при температуре масла 140-150°С. Коррекция управляющих воздействий (давление насыщенного пара и соответствующая температура активного слоя масла) должна быть направлена на достижение требуемой потери массы при изменении свойств сырья. Решалась задача повышения качества управления температурой масла в печи с помощью каскадной системы автоматического регулирования (САР). Давление пара поддерживается вспомогательным регулятором, а основной регулятор решает задачу стабилизации температуры масла в паромасляной печи. Для поддержания основной выходной координаты (температуры масла) на заданном значении без статической ошибки закон регулирования основного регулятора должен включать интегральную составляющую (И). При использовании пропорционального и пропорционально-интегрального регуляторов условие оптимальной настройки решаем, рассматривая три параметра настройки. В принятой структуре системы управления регулятор давления пара обеспечивает быстрый выход печи на рабочий режим с последующей стабилизацией давления в течение первого цикла обжаривания, а в квазиустановившемся режиме регулятор температуры масла меняет задание регулятору давления так, чтобы стабилизировать температуру масла на выходе из печи на желаемом уровне. Каскадная САР эффективна, так как инерционности по каналам основного и вспомогательного параметров значительно отличаются друг от друга. Разработанная двухконтурная система управления температурой масла в паромасляной рыбообжарочной печи обеспечивает ускорение времени выхода ее на рабочий режим и снижает чувствительность системы к основным возмущающим воздействиям.

паромасляная рыбообжарочная печь, система автоматического регулирования (САР), давление пара, температура масла, одноконтурная САР,

каскадная САР, регулятор, объект управления, возмущение, управляющие воздействия

The task of controlling oil temperature can be divided into the following subtasks: determination of a rational range of oil temperature in terms of quality and oil consumption per unit mass of the product; correction of the oil temperature to ensure the desired percentage of fish roasting losses with varying raw material properties and fixed frying time. The results of the studies show that fish frying is rationally performed at an oil temperature of 140-150 °C. Correction of control actions (saturated steam pressure and the corresponding temperature of the active layer of oil) should be aimed at achieving the required mass loss when the properties of the raw material change. The task was to improve the quality of oil temperature control in the furnace with the help of a cascade automatic control system (ACS). The vapor pressure is maintained by the auxiliary regulator. Main regulator solves the problem of stabilizing the temperature of the oil in the steam-oil furnace. To maintain the main output coordinate (oil temperature) at a given value without a static error, the main controller regulation law must include the integral component (I). When using proportional and proportionalintegral regulator, the optimal tuning condition is solved by considering 3 tuning parameters. In the adopted structure of the control system, the steam pressure regulator ensures a quick outlet of the furnace to the operating mode. It is followed by a stabilization of the pressure during the first frying cycle, and in the quasi-steady state, the oil temperature regulator changes the setting to the pressure regulator so as to stabilize the oil temperature at the output of the furnace at the desired level. Cascade ACS is effective, because the inertia along the channels of the main and auxiliary parameters is significantly different from each other. The developed two-circuit oil temperature control system in the steam-oil frying oven ensures acceleration of the furnace exit time to the operating mode and reduces the sensitivity of the system to the main disturbing effects.

steam-oil frying oven, automatic control system, steam pressure, oil temperature, single-circuit ACS, cascade ACS, regulator, control object, disturbance, control actions

ВВЕДЕНИЕ

Обжаривание рыбы производится в паромасляной печи при температуре масла 145-160°С.

Разработка эффективной системы управления рыбообжарочной печью позволит повысить качество консервов из обжаренной рыбы и снизить их себестоимость.

Для поддержания необходимой величины процента ужаривания -основного показателя качества обжариваемой рыбы - в печи должна быть обеспечена возможность изменения температуры масла или продолжительности обжаривания.

По окончании обжаривания на поверхности рыбы образуется равномерно поджаренная золотистая корочка, а при разламывании кусков мясо свободно

отделяется от костей. Температура внутри обжаренной до готовности рыбы должна быть не менее 75°С [1, 2].

Исследование процесса обжаривания рыбы показывает [3-5], что температура обжаривания в пределах 145±5°С обеспечивает приемлемое качество готового продукта, включая консистенцию, впитываемость масла и срок его службы.

Рыбообжарочная печь имеет следующие технические параметры: средняя производительность печи по сырью 800, расход пара в период обжаривания -330 кг/ч, рабочее избыточное давление греющего пара - 1 МПа, объем масла в ванне - 1,4, объем воды в ванне - 0,9 м ; поверхность двух теплообменников -36,8 м2 [6].

При автоматизации паромасляных печей основные регулируемые параметры - температура, уровень масла, продолжительность обжаривания рыбы, температура и уровень воды в ванне печи.

Время обжаривания , расход и энтальпия пара являются основными управляющими воздействиями, позволяющими достичь необходимый процент ужаривания рыбы .

Анализ результатов моделирования и обследование рыбоконсервных производств показывают, что основными возмущениями, влияющими на качество процесса регулирования, являются изменения массового расхода сырья , подаваемого в рыбообжарочную печь, доливка масла и нестабильность

давления пара .

Способы управления, минимизирующие время переходного процесса по температуре масла, должны учитывать ограничения на основное управляющее воздействие (давление пара в теплообменнике) и достижение технологически необходимой температуры на выходе печи к моменту загрузки рольганга рыбой [7].

В системах автоматического регулирования температуры масла в печи в основном применяются позиционные регуляторы. Проведенные исследования показывают, что для паромасляных печей позиционный регулятор не может обеспечить необходимое качество процесса регулирования [8]. Полученные значения динамических параметров печи

х

показывают отношение - = 0 . 3 , что доказывает непригодность позиционного регулирования и необходимость использования для стабилизации температуры масла в печи пропорционального (П) и пропорционально-интегрального (ПИ) законов регулирования.

Повышение качества процесса регулирования температуры обеспечивается разработанной каскадной системой регулирования температуры масла со стабилизирующим регулятором.

Система управления печью должна минимизировать время запуска печи при ограниченной температуре теплообменника; обеспечить отсутствие локальных перегревов масла, независимость выходной переменной (температуры масла) до допустимого значения по отношению к главным возмущающим воздействиям (изменения массового расхода сырья и нестабильность

давления пара Д Рп) [9].

МЕТОДЫ

Выбор структуры системы автоматического регулирования температуры в печи и параметров настройки регуляторов проведен методом моделирования с использованием пакета прикладных программ VisSim v6.0A.

Для исследования влияния изменений расхода рыбы, параметров пара на динамику изменения температуры масла и, соответственно, процента ужаривания рыбы математическая модель рыбообжарочной печи как объекта управления была представлена системой уравнений материального и энергетического баланса для пара, теплопередающих стенок теплообменника и масла.

Gn = Kv- V ( Pi-Pi)-

Iп ( ln ¡К) dn _ с Fc ( tn t^),

mc ' сс~^С = ^n ' rn — Cc _M ' Fc '

CM_p ' ^р ' '

ilm д.

где расход пара, м3/ч; Ку - пропускная способность клапана, м3/ч; - входное давление пара, бар; Р2 - выходное давление пара, бар; ¥„ - объем, занимаемый паром, м3; р„ - плотность пара, кг/м3; 0„ - расход пара, кг/с; Ок - расход конденсата, кг/с; 1„ - энтальпия пара, Дж/кг; 1к - энтальпия конденсата, Дж/кг; а„-с- коэффициент теплоотдачи от пара к стенке теплообменника, Вт/(м2*К); ¥с - площадь теплообменника, м2; 1„ - температура

пара, °С; 1с - температура стенки теплообменника, °С; сс - теплоемкость

теплообменника, Дж/(кг*К); тс - масса теплообменника, кг; ас -м - коэффициент

2*

теплоотдачи от стенки теплообменника к маслу, Вт/(м2 К); г„ - удельная теплота конденсации пара, Дж/кг; Ьм — температура масла, °С; см - теплоемкость масла, Дж/(кг*К); тм - масса масла в печи, кг; тр - масса рыбы в печи, кг; кр= ¥р/тр; тр - масса рыбы, кг; ам-р - коэффициент теплоотдачи от масла к рыбе, Вт/(м К); ^ - температура рыбы, °С ; ^0 - начальная температура масла, °С ; ¥мд - объем добавляемого масла, м3 ; И м.д. - высота добавляемого масла, м; ^ д - температура добавляемого масла, ° С.

Методом структурных преобразований получена передаточная функция ванны печи как объекта управления, определяющая динамические характеристики объекта как отношение изображений Лапласа выходного параметра - температуры масла в ванне печи и управляющего воздействия -давления пара в теплообменнике :

у\1

У^г; Дрп (221р + 1)*(1,2р + 1)*(0,27р + 1) ' 4 '

где Мм - изменение температуры масла в печи, °С; АР„ - изменение давления пара в теплообменнике, Па.

V

Наибольшая постоянная времени Т = 221 с значительно превышает остальные, что позволяет синтезировать управление по модели первого порядка:

Ж (р) = — =

ДРП 221р + 1

-60 р

На рис. 1 показана структурная схема одноконтурной системы автоматического регулирования температуры масла в ванне печи с ПИ-регулятором и результаты моделирования по каналу управления (давление пара-температура масла). Параметры регулятора рассчитаны методом Циглера-Никольса, основанном на использовании запасов устойчивости [10].

Е-

0; 145

ПИ-регулятор

—КЗ—

возмущение 1

Е-1

T:0 A:1

>

IC:0;ID:0

-И«-

возмущение 2

ОУ

——КЦ]—^

[•0Н

IC:0;M:4000

IC:0;M:4000

рафик переходного процесса по каналу управления

200 Plot

100

0

0 500 1000

lime

Рис. 1. Структурная схема одноконтурной САР температуры масла в ванне печи

и результаты моделирования по каналу управления Fig. 1. Structural diagram of a single circuit ACS of the oil temperature in the furnace bath and simulation results on the control channel

Передаточная функция рыбообжарочной печи по возмущению 1 (колебания давления пара в сети - уменьшение на 15 %) имеет вид

И ! =

по возмущению 2 (изменение массового расхода сырья на 20 %):

Щг =

I рт!

1;

(5) 1,5;

Т-р + 1

где - коэффициент передачи по возмущению 1; = - коэффициент передачи по возмущению 2; = 0, 1 8; Т - постоянная времени; Т = 221 с.

Постоянные времени и коэффициенты передачи подсчитаны с учетом вышеприведенных параметров паромасляной рыбообжарочной печи. Передаточная функция ПИ-регулятора имеет вид

кп

Ж (р ) ре г =

где Кп , Ки - настроечные параметры, полученные по формулам: Кп = 0,4 5  К*

is __1Z*

К и = ——А п,

0.18

221s+ 1

-sTd

-sTd

14

221 s+ 1

где - значение коэффициента передачи П-регулятора, при котором система находится на границе устойчивости; - период установившихся в системе колебаний.

Значения и находим из рис. 2, фиксируем значение коэффициента передачи регулятора и измеряем период установившихся в системе колебаний.

Рис. 2. САР на границе устойчивости Fig. 2. ACS at the stability boundary

При анализе качества переходного процесса одноконтурной САР подавалось давление пара, обеспечивающее температуру масла 145°С.

Прямые показатели качества, полученные из графика (рис.1): статическая ошибка отсутствует, перерегулирование о = 0 % , время регулирования tp = 450 с, что определяет быстродействие системы.

Рис. 3. Структурная схема САР температуры масла и результаты моделирования по каналам возмущений

Как видно из приведенных графиков переходных процессов на рис. 3, вызванных возмущающими воздействиями (одновременным влиянием колебаний давления пара в сети и расхода рыбы на входе в печь), на входе объекта перерегулирование отсутствует. При оценке длительности переходного процесса, вызванного единичным возмущающим воздействием на входе, максимальное динамическое отклонение 21° С. Полученные показатели качества регулирования показывают, что одноконтурная САР не удовлетворяет заданным показателям качества процесса регулирования температуры.

С целью повышения качества управления основные исследования проводились с использованием системы каскадного регулирования. Системы этого типа позволяют повысить быстродействие внутреннего контура, тем самым повысить качество переходного процесса.

Подсистема на рис. 4 является системой нижнего уровня, реализуется П-регулятором 1, поддерживающим на заданном уровне выходную величину в объекте 1.

Рис. 4. Схема системы нижнего уровня с П-регулятором 1 Fig. 4. Schematic diagram of a lower-level system with a P-regulator 1

Объектом системы верхнего уровня, приведенной на рис. 5, является передаточная функция эквивалентного объекта, полученного из рис. 4:

Щ = ^^

экв ц-И'рИ-И'о^)' 4 '

В результате расчетов получим

Щк в = 322 .

экв 2215+4.22 4 '

Регулирование объекта (паромасляная печь) с регулируемой величиной -температура масла и одним регулирующим воздействием АРп осуществляется двумя регуляторами: П-регулятор 1 (см. рис.3.) и ПИ-регулятор 2 (рис. 5). Отклонение регулируемой величины от заданного значения воспринимается регулятором 2, который меняет команду, поступающую на регулятор 1. Регулятор давления пара обеспечивает быстрый выход печи на рабочий режим, а регулятор температуры масла меняет задание регулятору давления так, чтобы стабилизировать температуру масла на выходе из печи на желаемом уровне. В

каскадной системе управления коррекция температурного режима обжаривания при изменяющихся свойствах сырья достигается использованием контура адаптации, определяющего задание регулятору температуры масла, по результатам измерения процента ужаривания рыбы.

Ш-

0;145

ПИ-регулятор 2

»7-±4

0.008:—Ц 1/S -

IC:0:ID:0

-m-

ОУэкв

[Ш-

3.22 1-

221s+ 4.22

1С:0;М:4000

рик переходного цесса по каналу ленпя

Рис. 5. Структурная схема системы верхнего уровня с ПИ-регулятором

и эквивалентным объектом Fig. 5. Structural diagram of a top-level system with a PI controller and an equivalent object

Расчет настроек каскадной системы регулирования предполагает определение настроек основного и вспомогательного регуляторов при заданных динамических характеристиках объекта по основному и вспомогательному каналу. На первом этапе рассчитывали методом Циглера-Никольса параметры стабилизирующего регулятора, а на втором - настройки основного корректирующего регулятора. На втором этапе в структуру объекта управления включен стабилизирующий контур регулирования, в расчете использовали передаточную функцию эквивалентного объекта.

Рис. 6. САР с эквивалентным объектом на границе устойчивости Fig. 6. ACS with an equivalent object at the stability boundary

Объект управления исследовался в программе У1б81ш уб.ОЛ, где было определено экспериментально критическое значение коэффициента усиления пропорционального П-регулятора и вычислены настройки ПИ - регулятора.

В режиме прогрева печи допускается использование П-регулятора. Астатизм системы управления в целом обеспечивается использованием ПИ-регулятора в контуре управления температурой масла. Параметры настройки регуляторов определялись с учетом требования монотонности переходного процесса.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Выбор структуры САР и параметров настройки регуляторов проведен методом моделирования с использованием пакета прикладных программ У1бв1ш уб.ОЛ.

Результаты моделирования переходного процесса двухконтурной САР при принятых выше условиях по каналам возмущений показаны на рис. 7.

Рис. 7. Результаты моделирования по каналам возмущений каскадной САР Fig. 7. Simulation results on the cascade ACS perturbation channels

Как видно из приведенных графиков переходных процессов каскадной САР (рис. 7), вызванных возмущающими воздействиями (одновременным влиянием колебаний давления пара в сети и расхода рыбы на входе в печь), на входе объекта перерегулирование отсутствует. Время регулирования составит 50 с, максимальное динамическое отклонение 11°С. Полученные фактические показатели качества регулирования температуры показывают, что каскадная САР удовлетворяет заданным показателям качества, предъявляемым к процессу регулирования температуры масла. Каскадная система автоматического регулирования обеспечивает ускорение времени выхода печи на рабочий режим и снижает чувствительность системы к основным возмущающим воздействиям.

ВЫВОДЫ

Из полученных характеристик видно, что качество переходного процесса в каскадной системе значительно выше, чем в одноконтурной САР. Динамическое отклонение в каскадной САР при подаче возмущающего воздействия

уменьшилось в 2 раза, а время переходного процесса - в 1,6 раза по сравнению с одноконтурной системой. Таким образом, можно сделать вывод, что применение каскадной САР температуры в паромасляной рыбообжарочной печи целесообразно и позволит повысить качество процесса обжаривания.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Справочник технолога рыбной промышленности: в 4 т. / под общ. ред.

B. М. Новикова. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Пищевая промышленность, 1972. - Т. 4. - 488 с.

2. Справочник по производству консервов: в 4 т. - Москва: Пищевая промышленность, 1971. - Т. 3. Консервы из мяса, рыбы и молока.- 656 с.

3. Баранов, В. В. Динамика обезвоживания кусков и филе рыбы при обжаривании в растительном масле / В. В. Баранов и др. // Технология водного сырья Атлантического океана: труды КТИРПХ. - Калининград, 1988. -Вып. 75. - С. 43-49.

4. Платонов, П. Н Влияние режимов обжарки рыбы на продуктовые потери / П. Н. Платонов, Г. И. Русланов // Известия вузов. Пищевая технология. - 1989. -№ 1. - С. 70-72.

5. Бердышев, Д. О. К оценке температурного режима обжаривания рыбы / Д. О. Бердышев // Рыбное хозяйство. - 1979. - № 8. - С. 58-60.

6. Печь обжарочная Н10-ИЖР-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1982. - 37 c.

7. Карпин, Е. Б. Автоматизация технологических процессов пищевых производств / под ред. Е. Б. Карпина. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Агропроиздат., 1985. - 536 с.

8. Эйдельштейн, И. Л. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов рыбообрабатывающей промышленности / И. Л. Эйдельштейн. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Пищевая промышленность, 1979. - 288 с.

9. Сердобинцев, С. П. Совершенстсвование процесса обжаривания рыбы /

C. П. Сердобинцев, Н. С. Будченко // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2003. - №1. - С. 46-50.

10. Gherbi S., Bouchared F. Optimal Tuning of a Fuzzy Immune PID parameters to control a delayed system. Word academy of science, engineering and technology international journal of electrical, electronics and communications engineering. Vol. 8, no. 6. 2014, pp. 44-48.

REFERENCES

1. Novikov V. M. Spravochnik tekhnologa rybnoy promyshlennosti [Reference book of the fish industry technologist]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost', 1972, vol. 4, 488 p.

2. Spravochnik po proizvodstvu konservov [Reference book for canned food production]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost', 1971, vol. 3, 656 p.

3. Baranov V. V. Dinamika obezvozhivaniya kuskov i file ryby pri obzharivanii v rastitel'nom masle [Dynamics of dehydration of chunks and fish fillets during frying in vegetable oil]. Tekhnologiya vodnogo syr'ya Atlanticheskogo okeana. Trudy KTIRPKH, 1988, iss. 75, pp. 43-49.

4. Platonov P. N., Ruslanov G. I. Vliyanie rezhimov obzharki ryby na produktovye poteri [Influence of fish frying regimes on food losses]. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya, 1989, no. 1, pp. 70-72.

5. Berdysev D. O. K otsenke temperaturnogo rezhima obzharivaniya ryby [On evaluation on the temperature regime of fish frying]. Rybnoe khozyaystvo, 1979, no. 8, pp. 58-60.

6. Pech' obzharochnaya N10-IZhR-2. Tekhnicheskoe opisanie i instruktsiya po ekspluatatsii [Furnace frying H10-IZHR-2. Technical description and user manual]. 1982, 37p.

7. Karpin E.B. Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh protsessov pishchevykh proizvodstv [Automation of manufacturing procedures of food production]. Moscow, Agroproizdat, 1985, 536 p.

8. Eydelshteyn I. L. Osnovy avtomatiki i avtomatizatsii proizvodstvennykh protsessov ryboobrabatyvayushchey promyshlennosti [Fundamentals of automation of fish processing industry processes]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost', 1979, 288 p.

9. Serdobintsev S. P., Budchenko N. S Sovershenstvovanie protsessa obzharivaniya ryby [Improving the process of fish frying]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Pishchevaya tekhnologiya, 2003, no. 1, pp. 46-50.

10. Gherbi S., Bouchared F. Optimal Tuning of a Fuzzy Immune PID parameters to control a delayed system. Word academy of science, engineering and technology international journal of electrical, electronics and communications engineering. 2014, vol. 8, no. 6, pp. 44-48.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Будченко Наталья Сергеевна - Калининградский государственный технический университет; кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации производственных процессов; E-mail: Natalya.budchenko@klgtu.ru

Budchenko Natalya Sergeevna - Kaliningrad State Technical University; PhD in Engineering, Associate Professor, Department of Automation of production processes; E-mail: Natalya.budchenko@klgtu.ru

Долгий Николай Алексеевич - Калининградский государственный технический университет; доцент кафедры автоматизации производственных процессов;

E-mail: dolgi@klgtu.ru

Dolgiy Nikolay Alekseevich - Kaliningrad State Technical University; Associate Professor, Department of Automation of production processes; E-mail: dolgi@klgtu.ru