ЦИФРОВАЯ АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СУШКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
DIGITAL ADAPTIVE SYSTEM FOR BULK MATERIAL DRYING PROCESS CONTROL

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к системам автоматического цифрового управления, и может быть использовано в процессе сушки сыпучих материалов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является система автоматического управления процессом конвективной сушки материалов [Авторское свидетельство СССР №1368593, кл. F26B 25/22, 1988], содержащая датчики температуры и расхода теплоносителя, задатчики и регуляторы температуры и расхода теплоносителя с соответствующими исполнительными механизмами, датчик влажности отработавшего теплоносителя, задатчик продолжительности процесса сушки и функциональный блок определения выбранного критерия оптимальности и расчета управляющего воздействия, блок сравнения значений критерия оптимальности с запоминающим устройством, блок адаптации модели процесса сушки, в которой повышается точность управления..
Недостатком этой системы является применение несвязного регулирования, не обеспечивающего достаточно высокое качество управления температурой и влажностью высушиваемого материала вследствие неучета перекрестного влияния входных параметров (температуры и расхода сушильного агента) на выходные (температура и влажность высушиваемого материала). Кроме того, не учитывается нестационарность динамических свойств процесса, обусловленная изменением физико-химических показателей высушиваемого материала на предыдущих стадиях обработки, что существенно влияет на качество регулирования влажности высушиваемого материала и приводит к получению продукта недостаточно высокого качества.
Технической задачей изобретения является разработка цифровой адаптивной системы управления процессом сушки сыпучих материалов, обеспечивающей повышение качества регулирования температуры и влажности высушиваемого материала за счет учета перекрестного влияния и нестационарности динамических свойств процесса.
Решение технической задачи изобретения достигается тем, что в цифровой адаптивной системе управления процессом сушки сыпучих материалов, содержащей датчики температуры и влажности высушиваемого материала, первый и второй элементы сравнения, цифровые регуляторы температуры и влажности, сумматор и блок формирования задания, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого и второго элементов сравнения соответственно, выходы которых соединены с первыми входами цифровых регуляторов температуры и влажности соответственно, выход цифрового регулятора температуры поступает на первый вход сушилки для изменения расхода сушильного агента, а выход цифрового регулятора влажности соединен с первым входом сумматора, выход которого поступает на второй вход сушилки для изменения температуры сушильного агента, при этом сигналы с датчиков температуры и влажности высушиваемого материала поступают соответственно на вторые входы первого и второго элементов сравнения соответственно, новым является то, что в нее дополнительно введены компенсатор перекрестной связи, функциональный блок, блок идентификации замкнутой системы, блок расчета параметров модели объекта и блок адаптации управления, при этом на первый и второй входы блока идентификации замкнутой системы поступают сигналы с первого и второго выходов блока формирования задания, а на третий и четвертый входы - сигналы с датчиков температуры и влажности высушиваемого материала, выход блока идентификации замкнутой системы соединен с первым входом блока расчета параметров модели объекта, выход которого соединен со входом блока адаптации управления, первый выход которого соединен со вторым входом блока расчета параметров модели объекта, второй и третий выходы - со вторыми входами цифровых регуляторов температуры и влажности соответственно, а четвертый выход - с первым входом компенсатора перекрестной связи, второй вход которого соединен с выходом цифрового регулятора температуры, а третий вход - с первым выходом функционального блока, второй выход которого соединен с входом блока формирования задания, при этом выход компенсатора перекрестной связи соединен со вторым входом сумматора.
Технический результат изобретения заключается в повышении качества управления температурой и влажностью высушиваемого материала в сушилке при наличии внутренней перекрестной связи и нестационарности динамических свойств процесса за счет повышения динамической точности и времени установления управляемых величин, что в итоге повышает качество целевого продукта.
На чертеже представлена структурная схема цифровой адаптивной системы управления процессом сушки сыпучих материалов.
Схема содержит блок формирования задания 1, элементы сравнения 2, 3, цифровые регуляторы 4, 5 температуры и влажности соответственно, сумматор 6, объект управления (сушилка) 7, датчик температуры высушиваемого материала 8, датчик влажности высушиваемого материала 9, компенсатор перекрестной связи 10, функциональный блок 11, блок идентификации замкнутой системы 12, блок расчета параметров модели объекта 13, блок адаптации управления 14.
Цифровая адаптивная система управления процессом сушки сыпучих материалов работает следующим образом на примере солода.
Элементы сравнения 2 и 3 по текущим значениям заданий ,  температуры и влажности солода, получаемым от соответствующих выходов блока формирования задания 1 и измеренным датчиками температуры 8 и влажности 9 значениям температуры и влажности солода , , формируют рассогласования  и , поступающие на первые входы цифровых регуляторов 4, 5 температуры и влажности:
где i - текущий индекс такта квантования сигналов.
Для обеспечения стабилизации температуры и влажности солода цифровыми регуляторами 4, 5 второго порядка по сигналам рассогласований ,  формируются управляющие воздействия ,  в соответствии с ПИД-законом регулирования:
где , , , , , - настроечные параметры цифровых регуляторов 4, 5 температуры и влажности соответственно.
Выходной сигнал  с цифрового регулятора температуры 4 поступает на первый вход сушилки 7 для изменения расхода сушильного агента и на второй вход компенсатора перекрестной связи 10, а выходной сигнал  с цифрового регулятора влажности 5 поступает на первый вход сумматора 6.
С целью компенсации перекрестного влияния изменения расхода сушильного агента  на влажность солода  компенсатор перекрестной связи 10 по сигналу , поступающему на первый вход с выхода цифрового регулятора температуры 4, вырабатывает компенсирующее воздействие , поступающее на второй вход сумматора 6:
где , , , ,  - настроечные параметры компенсатора перекрестной связи 10, получаемые из условия автономности.
По сигналам с выходов регулятора влажности 5 и компенсатора перекрестной связи 10 на выходе сумматора 6 формируется управляющее воздействие , поступающее на второй вход сушилки 7 для изменения температуры сушильного агента:
Адаптация системы в условиях нестационарности динамических характеристик процесса основана на уточнении параметров моделей каналов по результатам идентификации системы несвязного регулирования (СНР). Для этого с первого выхода функционального блока 11 поступает сигнал на третий вход компенсатора перекрестной связи 10 для отключения его от работы (при этом сигнал =0), а со второго выхода функционального блока 11 поступает сигнал на вход блока формирования задания 1 для последовательного ступенчатого изменения задающих воздействий ,  цифровыми регуляторами 4, 5 температуры и влажности. При этом в блоке идентификации замкнутой системы 12 по сигналам ,  с выходов блока формирования задания 1 и сигналам ,  датчиков температуры и влажности солода в сушилке 7 осуществляется текущая идентификация параметров дискретной передаточной функции замкнутой СНР рекуррентным методом наименьших квадратов.
Уравнения связи СНР, описывающие взаимосвязь параметров дискретных передаточных функций замкнутой СНР, цифровых регуляторов и каналов объекта управления:
где  - дискретная передаточная функция замкнутой системы по первому основному каналу,  - дискретная передаточная функция замкнутой системы по второму основному каналу,  - дискретная передаточная функция замкнутой системы по перекрестному каналу,  - дискретная передаточная функция первого основного канала (второго порядка),  - дискретная передаточная функция второго основного канала (второго порядка),  - дискретная передаточная функция перекрестного канала (второго порядка), ,  - дискретные передаточные функции цифровых ПИД-регуляторов температуры и влажности солода соответственно, z - оператор сдвига, , , , , ,  - параметры дискретной передаточной функции замкнутой СНР, определяемые в процессе текущей идентификации, , , , , , ,  - число тактов запаздывания, , , , , ,  - параметры моделей первого основного, второго основного и перекрестного каналов соответственно, , , , ,  - настройки цифровых регуляторов 4, 5 температуры и влажности солода соответственно, , .
В блоке расчета параметров модели объекта 13 по идентифицированным параметрам , , , , ,  дискретных передаточных функций замкнутой СНР, поступающих с выхода блока идентификации замкнутой системы 12 на первый вход блока расчета параметров модели объекта 13, и текущим настройкам , , ,  цифровых регуляторов 4, 5 температуры и влажности, поступающих с первого выхода блока адаптации управления 14 на второй вход блока расчета параметров модели объекта 13, на основе формул взаимосвязи (6), (7) осуществляется расчет параметров , , , , ,  передаточных функций каналов объекта управления.
В блоке адаптации управления 14 по сигналу с выхода блока расчета параметров модели объекта 13, содержащем информацию о параметрах , , , , основных и ,  перекрестного каналов, осуществляется расчет настроек , , , ,  цифрового компенсатора перекрестной связи 10 из условия автономности и расчет оптимальных настроек , , ,  цифровых регуляторов 4, 5 температуры и влажности численным методом оптимизации по критерию минимум интегральной квадратичной ошибки.
Рассчитанные значения настроек цифровых регуляторов и компенсатора перекрестной связи поступают с первого выхода блока адаптации управления 14 на второй вход блока расчета параметров модели объекта 13, со второго и третьего выходов - соответственно на вторые входы цифровых регуляторов 4, 5 температуры и влажности, а с четвертого выхода - на первый вход компенсатора перекрестной связи 10, где используются в качестве новых настроечных параметров. После этого со второго выхода функционального блока 11 поступает сигнал на третий вход компенсатора перекрестной связи 10 для включения его в работу.
Предлагаемая цифровая адаптивная система управления процессом сушки сыпучих материалов обеспечивает проведение параметрической идентификации динамических моделей основных и перекрестного каналов в условиях нестационарного поведения объекта управления.
Цифровая адаптивная система управления процессом сушки сыпучих материалов позволяет повысить качество целевого продукта за счет повышения динамической точности и уменьшения времени установления управляемых параметров путем компенсации перекрестной связи, а также адаптации управляющей части системы при нестационарности динамических свойств объекта управления.