Автоматизированная система модального управления нестационарными процессами дозирования в смесеприготовительном агрегате тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Симикова Анна Алексеевна

• Симикова Анна Алексеевна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Симикова Анна Алексеевна

Введение

Глава 1 Сведения о процессах смесеприготовления, режимах дозирования и способах их моделирования

1.1 Основные вопросы в изучении процесса переработки сыпучих материалов

1.2 Обоснование выбора объекта исследования

1.3 Вопросы моделирования процессов дозирования в смесеприготовительных

агрегатах непрерывного действия

1.4 Методы время-частотного анализа на основе вейвлет-преобразований

1.5 Структурно-параметрическая нестационарность переходных процессов

дозирования

Глава 2 Математическое описание материалопотоковых сигналов расхода в пространстве состояний и вейвлет-среде

2.1 Математическое описание материалопотоковых сигналов расхода в

формате внешних моделей

2.2 Представление объекта исследований - блока дозирующих устройств - в

пространстве состояний

2.3 Расчет модели агрегата в среде пространства состояний при непрерывном

дозировании

2.4 Система минимизации уровня пульсаций материалопотока на

предсмесительной стадии

2.5 Отображение расходовых сигналов дозирования в вейвлет-среде

2.5.1 Формирование визуально-графического отображения расходовых сигналов в вейвлет-среде на основе вейвлет-словарей

2.5.2 Алгоритм формирования время-частотных распределений Вигнера

2.6 Оценка временного интервала между возникновениями возмущений на

дозирующие устройства

2.7 Расчетная оценка устойчивости системы управления с учетом запаздывания

на обработку сигналов в вейвлет-фрагменте структурной схемы

2.8 Алгоритм контроля локализации время-частотных атомов на вейвлет-карте

2.9 Описание процесса модального управления процессом дозирования в

смесеприготовительном агрегате

2.10 Сигнальный граф блока дозирующих устройств и распределение

переменных состояния

2.11 Принцип расчета параметров модального регулятора

Глава 3 Техническое обеспечение исследований и описание лабораторного стенда

3.1 Экспериментальный стенд для исследований режимов работы дозатора

дискретного действия

3.1.1 Структурная схема автоматизированной системы управления

порционным дозирующим устройством

3.2. Комплексное описание лабораторного стенда для исследований режимов работы блока дозирующих устройств

3.2.1 Функциональные особенности технологической и измерительной частей стенда

3.2.2 Плата сопряжения мониторингового комплекса

3.3 Физико-механические характеристики дозируемых материалов и

технические характеристики дозаторов

Глава 4 Результаты экспериментальных исследований режимов работы автоматизированной системы модального управления и математического моделирования процессов дозирования

4.1 Анализ переходных процессов при модальном управлении процессом

дозирования

4.2 Структура совокупности полюсов моделей дозирующих устройств блока

дозаторов

4.3 Блок-схема алгоритма модального управления процессом дозирования

4.4 Отображение сигналов расхода в многомерном пространстве время-

частотных распределений

4.5 Алгоритм пересчета матрицы модального регулятора К при возникновении переходных процессов в системе модального управления процессом

дозирования

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложения

Приложение А. Акты внедрения в учебные процессы

Приложение Б. Внедрение в технологический процесс

Приложение В. Численное моделирование СМПА с тремя ДУ

Приложение Г. Полная расчетная структурная схема модели блока

дозаторов

Приложение Д. Использование узла выравнивания для минимизации

флуктуаций питающих потоков

Приложение Е. Распределение Вигнера-Вилле и его модификации

Приложение Ж. Расчет системы управления блоком дозирования

с полной обратной связью по состоянию

Приложение И. Технологические процедуры для оценки параметров

сигналов дозирующих устройств

Приложение К. Производительность и погрешность дозаторов

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированная система модального управления нестационарными процессами дозирования в смесеприготовительном агрегате»

Актуальность темы исследования.

В производствах пищеперерабатывающих, горнодобывающих, химических и других отраслей важное место занимают процессы переработки сухих сыпучих материалов.

Теоретические и экспериментальные исследования процессов получения смесей на основе сыпучих компонентов показывают значительное преимущество смесеприготовительных агрегатов непрерывного действия по сравнению с периодическими аналогами. Применение в промышленности непрерывно действующих смесительных аппаратов не получило широкого распространения в силу нерешенности ряда вопросов. В частности, недостаточно полно изучено влияние режимных параметров блока дозирующих устройств на характер и структуру выходных материальных потоков, формируемых на предмсесительной стадии, от которых, в конечном счете, зависит качество готовой смеси. Кроме того, не установлены и не сформулированы технологические причины возникновения нестабильности процесса дозирования вследствие такого влияния, и, как следствие, не разработаны условия и способы введения принудительной структурно-параметрической нестационарности режимов работы блока дозаторов с целью динамической стабилизации материалопотоков при смене входных воздействий. Ликвидировать такого рода недостатки можно с помощью модального управления, дающего возможность - путем перестройки параметров замкнутой системы с обратной связью по состоянию - поддерживать выходные потоки блока дозаторов на требуемом номинальном уровне.

В современных условиях повышаются требования к точности и стабильности состава многокомпонентных смесей, получаемых в промышленных и полупромышленных смесеприготовительных агрегатах (СМПА). Для этого необходимо разработать и сформировать такие динамические модели, которые бы позволили варьировать в широком диапазоне входные управляющие воздействия при

одновременном изменении комплекса параметров агрегата как объекта моделирования.

В реальных смесеприготовительных сигналах помимо периодических составляющих выявляются и непериодические, вызванные нарушением оптимальных настроек комплекса режимно-конструктивных параметров. Возникает необходимость разработки и адаптации альтернативного метода для моделирования, исследования и усовершенствования смесеприготовительных процессов, который, будучи реализованным на компьютерной основе, позволил бы автоматизировать процесс управления режимами работы в целях интенсификации смесеприготовле-ния. Таким методом, дающим возможность проводить высокоточный анализ разнохарактерных процессов, является метод всплескового (вейвлет-) преобразования на основе адаптивной аппроксимации исследуемых сигналов базовыми локальными волновыми составляющими (вейвлет-функциями).

Применение метода многомерного пространства состояний системы и математических моделей в векторно-матричной форме позволяет анализировать текущее состояние всех узлов агрегата одномоментно, посредством определения в них мгновенных расходов материальных потоков. Использование время-частотных математических методов позволяет адекватно описывать и моделировать возникающие в агрегате нестационарные режимы на отдельных стадиях сме-сеприготовления, а также создавать формализованные средства, позволяющие поддерживать и / или корректировать текущие режимы отдельных фрагментов агрегата.

Решение вопросов моделирования и исследования режимов стадий непрерывного смесеприготовления - и, в частности, процессов на предсмесительной стадии - на базе теоретических и экспериментальных исследований является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес для целого ряда отраслей народного хозяйства.

Научно-квалификационная работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВО КемТИПП:

1) «Исследование систем управления в пространстве состояний и вейвлет-среде» (регистрационный номер НИОКР 115070110051, регистрационный номер ИКРБС 215121020018);

2) «Динамика оптимальных систем управления на базе внутренних моделей» (регистрационный номер НИОКТР АААА-А16-116042810074-0).

В работе использованы современные подходы в проектировании и анализе систем управления технологическими объектами, новые методы математического моделирования в пространстве состояний системы, современные методы исследования процессов в многомерной среде вейвлет-преобразований, обработки экспериментальных данных.

Степень разработанности темы исследования.

В научной литературе достаточно представительно освещены различные аспекты смесеприготовления в агрегатах непрерывного действия. Над различными сторонами автоматического и автоматизированного управления сложными системами, в том числе системами со скалярными и многомерными сигналами, подобными сигналам массопереноса в технологических объектах, в разное время работали известные отечественные и зарубежные ученые-исследователи Летов А.М., Лурье А.И., Цыпкин Я.З., Поляк Б.Т., Щербаков П.С., Хлебников М.В., Парсегов С.Э., Kaiman R.E., Luenberger D.J., Jury E.I., Mason S.J., Cohen L., Mallat S.G., Kutyniok G., Roseman B. и другие. Однако вопросы возникновения флуктуа-ций материалопотокового расхода на выходе блока дозаторов (объекта исследований) вследствие спорадически изменяющихся входных воздействий, а также стабилизации материалопотоков на номинальном уровне на предсмесительной стадии с помощью системы модального регулирования - мало изучены, а системы автоматизированного сопровождения смесеприготовительных процессов нуждаются в усовершенствовании. Кроме того, в существующих системах текущего контроля расхода отсутствует эффективное, семантически прозрачное представление скалярных материальных потоков в динамике, то есть в режиме мониторинга текущих процессов дозирования. Поэтому проблема автоматизации процессов дозирования в смесеприготовительных агрегатах непрерывного действия с учетом

возникновения структурной и параметрической нестационарности в системе модального управления процессами дозирования, а также вопросы адекватного представления таких процессов средствами текущего мониторинга в виде многомерных вейвлет-распределений, являются актуальными.

Объектом исследования является структура блока дозирующих устройств и процессы дозирования в смесеприготовительном агрегате непрерывного действия.

Предметная область исследования охватывает вопросы, связанные с проектированием и созданием автоматизированной системы модального управления процессами дозирования, функционирующей в режиме перестраиваемой структурно-параметрической нестационарности и в условиях мониторирования этих процессов в вейвлет-среде.

Цель работы. Разработка и исследование аппаратной и программной основ комплекса для моделирования и текущего мониторинга процессов дозирования в смесеприготовительном агрегате на базе вейвлет-преобразований, разработка системы автоматизации блока дозирования на базе методов модального управления переходными процессами дозирования.

Задачи исследования:

• разработка математических моделей технологических сигналов материа-лопотоков блока дозирующих устройств (БДУ) непрерывного и дискретного действия - в терминах пространства состояний объекта управления (ОУ);

• разработка современной концепции модального управления расходом БДУ смесеприготовительного агрегата введением понятия структурно-параметрической нестационарности, учитывающей характер нестационарного переходного процесса и варьирование многомерного коэффициента передачи обратной связи по состоянию;

• выбор и применение в качестве рабочего определенного класса вейвлет-функций, адекватно соответствующего характеру технологических сигналов в подсистеме дозирования;

• создание процедуры многомерно-точечного отображения одномерных материалопотоковых сигналов расхода в виде время-частотных распределений класса Коэна и технологии обработки последних в условиях проявления структурно-параметрической нестационарности процессов дозирования;

• синтез алгоритма динамического пересчета параметров модального регулятора ОУ с учетом структурно-параметрической нестационарности процессов.

Научная новизна.

1. Математические модели материалопотоковых сигналов расхода блока дозирующих устройств, включающего дозирующие устройства (ДУ) непрерывного и дискретного действия - в терминах метода пространства состояний, позволяющие впервые рассматривать процессы дозирования на более информационно -насыщенном уровне.

2. Современная концепция модального регулирования расхода БДУ на базе теории пространства состояний в сочетании с аппаратом вейвлет-преобразований, дающая возможность на новом - нетрадиционном - уровне эффективно анализировать нестационарные процессы дозирования.

3. Процедура многомерно-точечного отображения Ш-материалопотоковых сигналов расхода в виде время-частотных вейвлет-распределений класса Коэна и технологии обработки последних в условиях проявления структурно -параметрической нестационарности объекта управления, отличающаяся совместным использованием вейвлет-распределений как для регистрации сигналов, так и в целях их дальнейшей обработки.

4. Алгоритм динамического пересчета параметров модального регулятора с учетом распознавания режимов дозирования по вейвлет-картам при спорадическом проявлении нестационарности, особенность которого - в наличии в нем принципиально новых процедур идентификации текущих режимов дозирования и способов учета неконтролируемых возмущений средствами вейвлет-преобразований, а также возникающей в объекте исследований (БДУ) структурно-параметрической нестационарности.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- разработано математическое описание процессов в объекте управления (БДУ), позволяющее моделировать процессы непрерывного и дискретного дозирования;

- предложен способ модального управления процессом мультидозирова-ния в терминах пространства состояний, дающий возможность стабилизировать материальные потоки на номинальном уровне в технологических системах;

- разработаны технология и соответствующие процедуры преобразования скалярных материалопотоковых сигналов в многомерно-точечные отображения на основе вейвлет-преобразований, что позволяет с большей информационной глубиной изучать технологические процессы различного назначения, в том числе и процессы дозирования;

- разработан алгоритм динамической смены параметров замкнутой системы модального регулирования, что позволяет целенаправленно управлять качеством переходных процессов в технологических системах, и, как следствие, оптимизировать качественные и количественные характеристики получаемых смесей;

- предложен и апробирован способ обработки многомерных вейвлет-распределений, направленный на идентификацию и контроль текущих режимов, а также на управление динамикой производственного процесса дозирования.

- разработан лабораторный стенд с комплексом технологического оборудования для демонстрации и исследования процессов дозирования в непрерывном и дискретном режимах.

- спроектированы и изготовлены тензометрические и пьезоэлектрические датчики расхода, электронные платы, схемы электропитания и блоки управления исполнительными механизмами дозаторов.

- спроектирован и смонтирован компьютерно-интегрированный блок идентификации, обработки и управления динамикой текущих режимов дозирования, отображаемых в вейвлет-среде.

Реализация результатов.

Созданные система регистрации расхода материалопотоков, комплекс программ вейвлет-анализа материалопотоковых сигналов и их визуализации во время-частотном пространстве, алгоритм идентификации визуализированных отображений режимов работы фрагментов агрегата (карт Вигнера и Чуи-Уилльямса) могут быть использованы в пищевой, химической, фармацевтической, строительной, горнорудной, металлургической и других отраслях промышленности.

Разработанные способ модального управления динамикой процесса дозирования и алгоритм идентификации визуальных отображений режимов работы блока дозирующих устройств внедрены в технологический производственный процесс на АО «ХК «Сибцем» [см. Приложение Б] (г. Кемерово). В условиях промышленного производства проведены успешные испытания разработанной автоматизированной системы модального управления процессами дозирования, результаты которых свидетельствуют о повышении оперативности процесса регулирования расхода при выполнении операции дозирования, а также об улучшении точности дозирования, что, в свою очередь, приводит к возросшему качеству конечных смесей.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе (см. Приложение А) кафедры «Информационные и автоматизированные производственные системы» ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» и кафедры «Автоматизация производственных процессов и автоматизированные системы управления» ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет» при подготовке магистров направления 15.04.04 - "Автоматизация технологических процессов и производств", а также в учебном процессе аспирантуры ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» по специальности 05.13.06 - "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами".

Методология и методы исследования.

Методология научного исследования создана на основе ее парадигмы, компонентами которой являются элементы триединой базы, включающей теоре-

тические подходы вида «пространство состояний», «аппарат вейвлет-преобразований» и «модальный способ управления». Последние формируют предлагаемые в работе методы исследования:

- теории управления - для комплексного моделирования и исследования процессов в блоке дозирующих устройств - объекте управления как динамической системы;

- структурно-топологические - при формировании исследуемых моделей «вход-выход» фрагментов агрегата на основе аппарата сигнальных графов (графов Мейсона);

- теории пространства состояний - для оперативного проведения временного анализа при моделировании процессов дозирования в пространстве «вход-состояние-выход»;

- теории всплесковых (вейвлет-) преобразований - для анализа и аппроксимации сигналов дозирования;

- теории модального управления в терминах пространства состояний замкнутой системы дозирования - с целью отображения и анализа переходных процессов, стабилизации номинальных режимов дозирования на предсмесительной стадии;

- математической статистики - для определения адекватности процедур моделирования и реализации технологий обработки экспериментальных данных;

- экспериментальные - с использованием полупромышленных дозирующих устройств, а также устройств в условиях промышленного производства в качестве объекта исследований.

Научные положения, выносимые на защиту.

• Идентификация и формирование математических моделей объекта управления (блока дозирующих устройств - БДУ) высокого порядка, включающего дозирующие устройства (ДУ) непрерывного и дискретного действия.

• Современный метод модального управления нестационарными процессами дозирования в агрегате непрерывного действия и его реализация в комплексной среде пространства состояний и аппарата вейвлет-преобразований.

• Алгоритм идентификации и обработки визуализированных отображений режимов работы дозирующих устройств на основе многомерных распределений класса Коэна - с целью управления динамикой и мониторирования текущих режимов дозирования.

Личный вклад автора заключается в анализе и обобщении литературного материала по заявленной тематике, что позволило соискателю - совместно с научным руководителем - определить характер объекта и предметной области исследований, цель и задачи, представленные в диссертации.

При личном участии автора разработаны математические модели процессов мультидозирования в терминах пространства состояний, создана и реализована современная концепция модального регулирования расхода блока дозирующих устройств смесеприготовительного агрегата, сформирована процедура многомерно-точечного отображения одномерных материалопотоковых сигналов расхода время-частотными вейвлет-распределениями класса Коэна, сформулирован алгоритм динамического пересчета параметров модального регулятора объекта управления, предложена методика обработки вейвлет-карт модифицированных сигналов материальных потоков при проявлении структурно-параметрической нестационарности объекта, разработаны схемы технологических и вычислительных экспериментов, их проведения, а также обработки полученных данных, публикация и широкая апробация результатов исследований на международных научных конференциях.

Степень достоверности и апробация результатов.

Основные результаты научно-квалификационной работы представлялись и обсуждались на научных конференциях ФГБОУ ВО КемТИПП (2013-2017 г.) и ФГБОУ ВО КемГУ (2018-2019 г.); международных научно-технических интернет-конференциях: «Автоматизация, мехатроника, информационные технологии», Омск, 2014, 2015г; всероссийских (с международным участием) научно-практических конференциях «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве», Новокузнецк, 2015 г., 2017 г., 2019 г.; международных конферен-

циях «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM)», Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, Москва, 2015, 2016 г.; на инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации», Кемерово, 2013-2016 г.; международной научно-практической конференции «Инновации в информационных технологиях, машиностроении и автотранспорте», Кемерово, 2018 г.; международной научно-практической конференции «Машиностроение: инновационные аспекты развития», Санкт-Петербург, 2019 г.

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы за период 2015-2019 гг. отражено в 47 научных трудах общим объемом 12,73 п. л. (авторских - 3,54 п. л.), в том числе в 5 статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства науки и высшего образования РФ, и в 2-х статьях в изданиях, индексируемых в наукометрической базе "Scopus".

ГЛАВА 1 СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ,

РЕЖИМАХ ДОЗИРОВАНИЯ И СПОСОБАХ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ

В современных условиях производства на предприятиях пищеперерабаты-вающей, фармацевтической, горнодобывающей, химической и других отраслей промышленности важное место занимают процессы смешивания сухих сыпучих материалов в смесеприготовительных агрегатах непрерывного действия. При этом повышаются требования к точности и стабильности состава многокомпонентных смесей, получаемых в смесительных аппаратах.

Большинство систем автоматического управления (САУ) процессами непрерывного смешивания сухих смесей построены на принципе поддержания нагрузки дозаторов на определенном уровне путем использования косвенных методов: измерения активной мощности электродвигателя привода, шума, давления на опорные подшипники и т.п.

Эти САУ отличаются низкой точностью и практически не откликаются на изменения качественного состава смеси на выходе из смесителя. Эффективным направлением при создании САУ является использование датчиков соотношения компонентов во входном потоке. Частота вращения рабочего органа дозатора как управляющий параметр в САУ используется редко. Результативность САУ может быть реализована только на базе быстродействующих автоматических датчиков, определяющих качество готовой смеси. Следует отметить, что на пути разработки подобных датчиков для многих промышленных смесей встречаются большие трудности, чем и объясняется малочисленность работающих в промышленности смесительных установок непрерывного действия с САУ.

В крупнотоннажных производствах возникает необходимость применения управляющих вычислительных машин, обладающих возможностью одновременно контролировать и регулировать работу нескольких аппаратов: дозаторов, пита-

телей, смесителей и т.д. Для производства с часто изменяющейся рецептурой смеси актуальна разработка гибких автоматизированных систем смесеприготовления.

Учитывая концепцию государственной политики в области здорового питания населения РФ, предусматривающей увеличение производства витаминов, биологически активных добавок, а также создание обогащенной пищевой продукции и повышение качества получаемых композиций, задача автоматизации процессов дозирования является актуальной.

В Главе 1 дан анализ литературы, освещающей основы процесса дозирования; приведены принципы действия дозаторов дискретного и непрерывного действия; проанализированы системы контроля процесса дозирования и их особенности; освещены вопросы анализа погрешностей дозирования и пути их снижения.

В технологических схемах производства пищевых продуктов, связанных с получением многокомпонентных смесей, наибольшая эффективность процессов дозирования и смешивания при получении комбинированных продуктов достигается в непрерывно действующих смесеприготовительных агрегатах.

В работе сделан вывод о том, что, независимо от типа датчиков расхода, сигналы, формируемые дозаторами, являются нестационарными по частоте и амплитуде. Подобные сигналы не могут быть адекватно интерпретированы стандартными средствами анализа, такими, как преобразование Фурье [23].

В качестве решения поставленной задачи идентификации текущих режимов работы смесеприготовительного агрегата предложено использовать аппарат вейвлет-преобразований [9, 11-12, 24-26, 36, 43-46, 55-56, 72-73, 80, 82-83, 91-93, 96-98, 100, 103, 106, 108, 109], который позволяет выявлять локальные особенности расходовых сигналов как по времени, так и по частоте одновременно. Проанализированы вопросы теории и описания систем непрерывного смесеприготов-ления и обоснована актуальность их математического моделирования. Показано, что в данных системах происходят сложные многостадийные процессы, изучение которых следует осуществлять комплексно, с учетом всех стадий. В результате рассмотрения различных методов моделирования процессов дозирования и смешивания [37, 46, 55] показана целесообразность исследования их динамики с

применением метода пространства состояний, время-частотного вейвлет-анализа и способов, позволяющих описать смесеприготовительный агрегат как управляемую динамическую систему.

1.1 Основные вопросы в изучении процесса переработки

сыпучих материалов

Анализ публикаций, посвященных вопросам переработки (дозирования и смешивания) сыпучих материалов, показывает всю сложность этого механического процесса. Существенный вклад в развитие теории и практики переработки сыпучих материалов внесли многие исследователи [4, 6-8, 13-17].

На основании этих исследований можно сделать вывод, что неоднородность смеси зависит, помимо прочих факторов, определяемых режимно-конструктивными параметрами внутриаппаратной среды собственно смесительной системы, от следующих причин:

- неравномерности подачи исходных компонентов в смеситель при непрерывном смесеприготовлении;

- учета входных, спорадически возникающих неконтролируемых возмущений, действующих на заборную часть дозирующих устройств, и их использования с целью стабилизации режимов дозирования на пред-смесительной стадии.

1.2 Обоснование выбора объекта исследования

В результате изучения научных статей, монографий, диссертаций, обзорной информации и другой литературы по тематике комплексной переработки сыпучих дисперсных материалов и моделирования процессов, протекающих в смесе-приготовительных агрегатах [1, 3, 4, 6-8, 13-17, 29, 36-41, 43, 45, 55-56, 63], можно сделать вывод, что интенсивность и эффективность процесса смешивания дисперсных материалов в смесителях непрерывного действия могут быть достигнуты как минимум при реализации - помимо прочих - следующих двух условий:

- подготовки для дозирования материала с возможно полностью разрушенными конгломератами частиц исходных ингредиентов, то есть хорошо диспергированного и однородного по составу дозируемого вещества;

- надежного сглаживания флуктуаций питающих потоков, вызванных неравномерной подачей исходных ингредиентов дозирующими устройствами.

В частности, специалистами по комплексной переработке сыпучих материалов отмечено [3-4, 6-8, 13], что перспективным направлением в переработке сыпучих дисперсных материалов представляют работы, которые дают наибольший эффект при использовании смесителей непрерывного действия. Внутренние рециклы материальных потоков, байпасы увеличивают сглаживающие возможности смесителя, т.е. его способность снижать флуктуации мгновенных расходов входных дозирующих потоков. Это позволяет, во-первых, использовать в смесительных установках дозаторы-питатели пониженной точности, а во-вторых, повысить качество смеси.

В работах [3, 14-17, 45, 63] авторы приводят результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на кафедрах автоматизации производственных процессов и АСУ и процессов и аппаратов пищевых производств КемТИПП и КемГУ, связанных с решением проблемы повышения эффективности процесса смешивания за счет формирования направленной организации

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Симикова Анна Алексеевна, 2020 год

Л - А

Л - А + ВК| = 0. (2.29)

При требуемом положении корней характеристического полинома ЗСАУ -^,-¿2,...- Апжелаемое характеристическое уравнение системы запишется в виде:

= + ^ + + + + = 0. (2.30)

В соответствии с процедурой синтеза путем размещения полюсов необходимо найти такую матрицу К модального регулятора, чтобы выражения (2-4) и (2-5) были равны друг другу

|Л - А + ВК| = Д ( л ) = йЛ + й/-1 +... + йл + йп. (2.31)

Это уравнение содержит п неизвестных (К],К2,...,КпУ Приравнивая в

этом уравнении коэффициенты при одинаковых степенях s, получим п уравнений относительно п неизвестных. Решив эти уравнения, получим элементы матрицы К.

Тогда формула для вычисления элементов матрицы К, удовлетворяющей уравнению (2.28) и соответствующей произвольному формату ВММ (либо в терминах модели Фробениуса [22, 48, 50] , либо в альтернативной форме) выглядит так:

К = [0 0 ... О 1][В АВ ... Ай2В А^В^ЯДА), где Вс (А) - матричный полином, образованный путем использования коэффициентов желаемого характеристического уравнения Бс (я), т.е.

Д, (А) = А" + ¿/„А""1 +... + ^А + ¿/01.

Пример расчета системы управления блоком дозирования с полной обратной связью по состоянию - см. Приложение Ж.

В рассматриваемом смесеприготовительном агрегате блок дозирующих устройств (БДУ) управляется системой модального регулирования. Задача синтеза системы модального управления заключается:

1) в определении желаемого положения корней характеристического полинома замкнутой системы автоматического управления (САУ) с обратной связью по состоянию, обеспечивающего требуемые показатели качества переходных процессов;

2) в нахождении коэффициентов 1 = 1, п, модального регулятора, гарантирующих заданное размещение полюсов замкнутой САУ.

2.10 Сигнальный граф блока дозирующих устройств и распределение

переменных состояния

Представим модель блока дозирующих устройств, состоящего из двух дозаторов (спирального и порционного дискретного; последний формирует матери-алопоток, задаваемый функцией расхода П-образного вида со скважностью X = T/т = 2, где T - период дозирования; т - длительность формирования дозы), импульсными переходными функциями [53, 60]:

9 9

- для спирального ДУ: ^^^ = Ь{х08 + хт^тю81:} = х08/8 + хт8ю8/(8 + ю8), где Ь - символ преобразования Лапласа; х08 и хт8 - соответственно величина постоянной и амплитуда переменной составляющих расхода спирального ДУ (СДУ); хт,<х0,; ю,- угловая частота переменной составляющей расхода СДУ; 8 - переменная Лапласа;

- для порционного ДУ: = Ь{А0/2 + X В^тюк1:} = А0/28 + Б1ю1/(8 + ю12) + В3ю3/(82 + Юз2) + В5ю5/(82 + ю52) + В7ю7/(82 + ю72) + В9ю9/(82 + ю92). Последнее выражение представлено Фурье-моделью, включающей постоянную компоненту А0/2 и пять нечетных синусоидальных субгармоник X В^ 8тш^, к = 1,10.

В соответствии с этими моделями отобразим в редуцированной форме процесс массопередачи в виде сигнального графа Мейсона (М-графа) [48, 50] -см. Рисунок 2.22.

{VI

5(1)о° |

<1> |

I I

I

пду-\

Рисунок 2. 22 - М-граф блока ДУ в редуцированном виде; в угловых скобках указаны операторы моделей спирального и порционного ДУ; в окружностях - номера дуг графа

На Рисунке 2.23 обозначены: к - номер гармонической составляющей аппроксимативной Фурье-модели сигнала расхода на выходе порционного ДУ; Ви -коэффициент Фурье к-той синусоидальной субгармоники; т = 5, 9 - номер узла в составе дуг графа, формирующих к-тую составляющую Фурье-модели; ПФУ -

передаточно-формирующий узел смесеприготовительного агрегата (последний технологический элемент на предсмесительной стадии агрегата).

Фрагмент М-графа (Рисунок 2.22), отображающий распределение переменных состояния в модели объекта управления (БДУ), представлен на Рисунке 2.23.

Рисунок 2.23 - Распределение переменных состояния по фрагменту М-графа БДУ

Таким образом, с точки зрения метода пространства состояний объект управления содержит 14 переменных состояния (ПС), из них три ПС x2, xз) формируются структурой спирального ДУ, а остальные одиннадцать - порционным ДУ. При этом ПС x1 и x2спирального ДУ являются реальными скалярными сигналами, х 3 = х 2. Переменные состояния порционного ДУ x4 и xp (где p = 2q -1) - реальные сигналы ( ц = 3 ,7 ), а ПС xr (г = 2v) - виртуальные, V = 3 ,7.

2.11 Принцип расчета параметров модального регулятора

Вход объекта управления является функцией переменных состояния, то есть закон управления: ^Х) = f

При синтезе системы управления путем принудительной локализации полюсов [22, 35, 50, 53, 62] закон управления имеет вид сигнала обратной связи по состоянию:

и© = - К-х^),

где К - матрица структуры модального регулятора размерности (1 х п). Данный закон управления дает возможность задать все полюсы управляемой и наблюдаемой замкнутой САУ (ЗСАУ) в любых точках Б-плоскости.

Следовательно, векторно-матричное уравнение состояния стационарной ЗСАУ с объектом в виде БДУ запишется так:

х© = Ах® + Би(г)|и=Кх = Ах© - ВКх© = (А - ВК)х© = А1 х©,

где А1 - матрица состояния ЗСАУ.

При этом характеристический полином (ХП) ЗСАУ рассчитывается как определитель характеристической матрицы [35, 48, 50] ёе! (б1 - А^).

Отметим, что для устойчивости БДУ с обратной связью по состоянию, а также с учетом требований качества переходных процессов, все полюсы размещаются в левой полуплоскости Б-плоскости, образующие определенное "созвездие" полюсов Хк, к = 1,п.

Тогда желаемый ХП ЗСАУ в мультипликативной форме будет иметь вид:

= (Б - - Х2) • ... • (s - Хп),

а в аддитивно-степенной форме:

= Бп + ёп-1 Бп-1 + ... + Б + ё0 .

В соответствии с процедурой синтеза путем принудительного размещения полюсов необходимо найти такую матрицу К, чтобы выражения для ХП ёе! (б1 - А^) и Б(Б)1 были эквивалентны, то есть:

ёе^Т - А + ВК) = Б(Б)1 .

Для определения элементов матрицы К в системах высокого порядка, к каким относится система модального управления БДУ, и для которой векторно-матричная модель записана в форме, отличной от канонической формы управляемости (формы Фробениуса) [22, 35, 50] процедура вычисления матрицы К модального регулятора реализуется с помощью формулы Аккермана [22, 30, 50]:

К = [0 |0 | ... |0 |1] [В |АВ | ... |Ап-1В]-1 •Б(А)1 ,

где блочная матрица - обратная матрица управляемости объекта (БДУ); Б(А)£ -матричный полином, сформированный с использованием коэффициентов желаемого ХП Б(б)1, в котором переменная Лапласа заменена по теореме Кэйли-Хэмилтона [22, 50, 62, 69] на матрицу состояния А модели БДУ:

Б(А)1 = Ап + ёп-1 Ап-1 + ... + А + ё0 I .

Выражения для расчета элементов матрицы К модального регулятора (см. Главу 4) удобно использовать в режиме реального времени для определения в динамике нестационарных параметров системы модального управления процессами дозирования. Заметим, что подобную процедуру целесообразно применять не только в скалярных системах [48, 50], но и в многомерно-точечных [57-58], например, в системах, использующих вейвлет-среду как средство эффективного отображения одномерных сигналов.

ГЛАВА 3 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

3.1 Экспериментальный стенд для исследований режимов работы дозатора дискретного действия

3.1.1 Структурная схема автоматизированной системы управления порционным дозирующим устройством

В Главе 3 приведены технические характеристики разработанного аппаратно-программного комплекса для проведения исследований по теме диссертации, а также дана характеристика используемых материалов для дозирования.

Для целей мониторинга режимов работы дозатора дискретного действия (порционного дозирующего устройства - ПДУ), а также управления его динамикой был спроектирован и создан лабораторно-исследовательский стенд, включающий в себя порционное дозировочное устройство и управляющий мониторинговый комплекс (УМК) для регистрации, визуального отображения и управления. Стенд представляет собой комплекс, включающий в себя следующие функциональные блоки (Рисунок 3.1):

Рисунок 3.1 - Структурная схема системы управления на примере автоматизации процесса порционного дозирования

На Рисунке 3.1: 1 - ПДУ; 2 - электропривод ПДУ; 3 - измерительный преобразователь расхода (пьезоэлектрический датчик); 4 - блок функционального цифро-аналогового преобразования; 5 - компьютерный узел, состоящий из двух сетевых системных блоков: - блока регистрации и вычислений, - блока идентификации и управления, 6 - АЦП.

Сухой дисперсный материал поступает к дозирующему устройству, проходит через дозатор (1), поступает в рабочую зону датчика. Реакция датчика (3) создает сигнал, который поступает в компьютер (5). После обработки сигнала, программа компьютера формирует выходной сигнал, поступающий на ЦАП (4), который формирует управляющее воздействие на дозатор, подавая необходимое напряжение на ИМ ДУ (2).

Совокупность выполняемых операций по обработке информации в рабочем режиме стенда включает:

- определение исходного сигнала материалопотока на первичном уровне (от датчика - пьезо- или тензометрического преобразователя);

- процедуру ввода аналогового сигнала в компьютер;

- получение цифрового изображения одномерного сигнала;

- применение алгоритма вейвлет-поиска соответствия (ВПС) к аппроксимации полученного сигнала;

- построение карты Вигнера (МСМ-карты, или карты модифицированного сигнала материалопотока) и последующую процедуру идентификации элементов карты по одному из альтернативных вариантов обработки. Здесь МСМ-карта -специфическая картина в двумерном / 3D-время-частотном пространстве, отображающая в модифицированной форме сигнал зарегистрированного материалопо-тока (расход сыпучего материала).

В составе лабораторного стенда используются два компьютера:

1) Компьютер управления - на основе процессора Intel 366/64 Mb ОЗУ (min.) / Win 98-2003 с установленными в нём платой АЦП на шине ISA и платой ЦАП на порт LPT. Программное обеспечение in_acp.exe.

2) Компьютер обработки - на основе процессора Intel 2.8/256 Mb ОЗУ (min.) / Win 98-2003 с программой Last Wave.

Компьютеры соединены между собой сетью Ethernet 100M6 для непрерывного обмена данными.

Реализация автоматического управления (автоматической стабилизации) режимов работы дозирующего устройства путем дискретного формирования обратной связи в ждущем режиме выполняется в соответствии со структурной схемой САР расхода ДУ (Рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Блок-схема САУ регулирования частоты вращения вала ДУ

На Рисунке. 3.2: ЭС - элемент сравнения; УУ - устройство управления; ДПТД - двигатель постоянного тока дозатора; ТУ - трансмиссионное устройство; ДУ - дозирующее устройство; ПИП - первичный измерительный преобразователь; ИБ - интерфейсный блок; Ф - система фильтрации; СВ - спецвычислитель.

3.2. Комплексное описание лабораторного стенда для исследований режимов работы блока дозирующих устройств

3.2.1 Функциональные особенности технологической и измерительной частей стенда

Схема лабораторного стенда представлена на Рисунке 3.3. Он состоит из блока дозирующих устройств (БДУ), питающе-формирующего узла (ПФУ), глобального импульсного рецикл-канала (6), центробежного смесителя непрерывного

действия (ЦСНД), дискретного пробоотборника, щита управления и мониторингового аппаратно-программного комплекса [55].

Блок дозаторов укомплектован устройствами объемного типа [3, 45, 55, 63]: шнековым (1) и спиральным (2) дозаторами (непрерывного действия), а также порционным (3) дозатором (устройством дискретного действия).

В качестве приводов смесителя и дозаторов использовались двигатели постоянного тока, что позволяло изменять частоту вращения валов электродвигателей в широких диапазонах. Для создания типовых режимов изменение напряжения питания производилось с помощью лабораторных трансформаторов (ЛАТР) и выпрямительных мостов ВМ-25. Контроль рабочих режимов исполнительных механизмов системы управления выполнялся комплексам встроенных в щит управления (12) приборов и компьютерной системой виртуальных измерительных устройств. Текущее измерение частоты вращения рабочих органов дозаторов и ЦСНД осуществлялось посредством модернизированного тахометрического модуля на базе электронного тахогенератора ТЭ 30 5Р.

Исходные компоненты смеси поступают через соответствующие дозирующие устройства на ПФУ (4). Затем смесь компонентов загружается в смесительный аппарат (5). С выхода смесителя часть материала поступает через глобальный импульсный рецикл-канал (6) на выход блока дозаторов. Остальная часть смеси выводится на конвейерную ленту (7), где далее определенная ее часть попадает в мерные емкости пробоотборника (8). Далее емкости со смесью помещаются в рабочую зону датчика-концентратомера (9). Показания датчика через модуль сопряжения, преобразующий аналоговые сигналы в цифровой двоичный код, поступают в ЭВМ, где записываются в технологический массив файлов для дальнейшей математической обработки.

В определенных точках смесеприготовительного агрегата устанавливались тензометрические и пьезоэлектрические датчики, входящие в состав блока измерительных преобразователей (14). С их помощью осуществлялась регистрация материалопотоковых сигналов. Описание расходовых сигналов в виде математических моделей проводилось на основании экспериментальных исследований ра-

боты реальных дозирующих устройств полупромышленного типа (см. Приложение И). Полученные сигналы затем обрабатывались посредством управляющего мониторингового аппаратно-программного комплекса (13). Фиксация сигналов мгновенного расхода осуществлялась также многоканальными магнитоэлектрическими осциллографами (10, 11).

Исследовались погрешности дозирования [45] всех типов дозаторов - см. Приложение К.

Кроме того, анализ качества готового продукта (смеси) производился также и оптическим способом с применением видео- и фотодатчиков.

Рисунок 3.3 - Схема лабораторно-исследовательского стенда

3.2.2 Плата сопряжения мониторингового комплекса

Функционал платы сопряжения: сигнал с пьезодатчика поступает на входной нормирующий усилитель 140УД8А (1) и далее через коммутатор аналоговых входов 590КН6, (2) - на вход микросхемы АЦП 1113ПВ1 (3). Управление работой АЦП производится программно от компьютера через микросхему параллельного периферийного адаптера 580ВВ55. Программа управления (in_acp.exe) написана на языке Паскаль с вставками ассемблерных модулей. 10-ти разрядный АЦП 1113ПВ1 имеет время преобразования порядка 30 мкс, что позволяет снимать до 33000 отсчётов в секунду с погрешностью, не превышающей 0,2%. Частота опроса АЦП варьируется программно от минимальных, одиночных выборок до максимума. Результаты измерений в виде пар байтов записываются в заданный файл.

На Рисунке 3.4 представлена функциональная схема платы сопряжения, на Рисунке 3.5 - внешний вид разработанной платы сопряжения.

Рисунок 3.4 - Функциональная схема платы сопряжения 1. Входные нормирующие усилители (140УД8А); 2. Коммутатор аналоговых входов (590КН6); 3. Аналого-цифровой преобразователь (1113ПВ1); 4. Параллельные порты (580ВВ55); 5. Шинные формирователи (74ЬБ245); 6. Дешифратор адресов портов (1533ТМ8, ЛА2, ЛА3); 7. Узел сопряжения с цифровыми входами-выходами (1533КП12); 8. Преобразователь напряжения (561ТМ2)

В схеме интерфейсного блока использован функционально законченный 10-разрядный АЦП (3) с временем преобразования 30 мкс и 8-канальный коммутатор

(2), что позволяет производить программную коммутацию каналов и последовательно снимать аналоговые сигналы по аналоговому выходу.

Рисунок 3.5 - Внешний вид платы сопряжения с ПЭВМ

Нормирующие усилители (1) устанавливают диапазон варьирования входного напряжения в пределах +0,225 В. Разрядность АЦП позволяет снимать аналоговые отсчеты в динамическом диапазоне 60 дБ, погрешность отсчётов не превышает 0,2 %. Дискретные входные сигналы нормализуются внешними формирователями до уровней ТТЬ-логики и поступают через блок сопряжения (7), параллельный порт (4) с устройством дешифрации адреса (6) и буфер шины данных (5) в компьютер.

3.3 Физико-механические характеристики дозируемых материалов и технические характеристики дозаторов

При приготовлении смесей используются сыпучие и плохо сыпучие материалы с различными физико-механическими свойствами. Их характеристики приведены в Таблице 3.1.

В Таблице 3.2 приведены технические характеристики дозирующих устройств.

Таблица 3.1 Физико-механические характеристики дозируемых ингредиентов

Материал Массовая доля влаги, % Насыпная плотность, кг/м3 Дисперсность, Х10-3, м Угол естественного откоса, град.

Крахмал кукурузный 20 550...600 0,03.0,06 37.39

Молоко коровье цельное 4 550...600 0,09.0,14 28.30

Крупа манная 11 700.720 0,2.0,3 33.35

Сахар-песок 0,15 870.920 0,9.1,2 32.34

Крупа пшеничная 13 700.720 1,5.2,0 30.32

Крупа пшенная - 800.820 1,8.2,0 30.32

Крупа гречневая - 550.600 2,5.3 30.32

Отруби пшеничные 11 310.320 2.4 18.20

Хлопья зародыш. пшен. 7 330.345 1.2 18.20

Соль поваренная пищ. 3,5 1100.1120 0,1.1 26.29

Сода питьевая 4 600.650 0,1.0,2 35.37

Сода кальцинированная 5 1200.1250 0,05.0,15 -

Молоко сухое - 600 0,02 -

Таблица 3.2 Технические характеристики дозирующих устройств

№ п/п Тип технической характеристики ДУ СДУ ШДУ ПДУ

1 Напряжение ИМ ДУ, В 6 - 24 30 - 120 20 - 120

2 Номинальное напряжение, В 16 80 80

3 Частота вращения спирали, об/с 2,5- 10,0 — —

4 Частота вращения шнека, об/с — 0,25 - 1,0 —

5 Кол-во порций в мин. — — 12 - 49

6 Производительность, м3/час 0,01 - 0,3 0,05 - 0,5 0,04 - 0,42

7 Погрешность дозирования, % 2 - 3 3 - 5 1 - 2,5

8 Мощность привода, кВт 0,17 0,5 0,13

9 Частота дозирования, Гц 2,0 - 7, 0 0,04 - 0,5 0,2 - 0,75

10 Номинальная частота доз-ния, Гц 4,7 0,27 0,57

11 Период дозирования, с 0,5 - 0,14 25,0 - 2,0 5,0 - 1,33

12 Номинальный период доз-ния, с 0,21 3,7 1,75

13 Масса, кг 12 20 18

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ МОДАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДОЗИРОВАНИЯ

4.1 Анализ переходных процессов при модальном управлении

процессом дозирования

В Главе 4 отражены результаты моделирования и исследования реальных режимов работы автоматизированной системы управления процессом дозирования.

Суть процедуры модального управления нестационарными процессами дозирования сводится к следующему.

Как только на заборную часть дозатора начинает действовать спорадически возникающее неконтролируемое возмущение, обусловленное нестабильностью входного материалопотока вследствие возникновения неоднородности его состава, изменения влажности дозируемого ингредиента, либо по иным причинам [6-8, 13], происходит изменение расхода (производительности) на выходе дозатора, которое характеризуется как прямой автономно-спорадический переходный процесс [61] в объекте управления, причем последний регистрируется автоматизированной системой в вейвлет-среде в виде так называемой вейвлет-карты (специфического время-частотного распределения [36, 43-46, 52-53, 55-56, 58, 63, 65, 68, 70-71, 75-79, 82-83, 84-86, 97, 109]). По параметрам время-частотного распределения, отображаемого на вейвлет-карте, оцениваются параметры обратного принудительно-модального переходного процесса [61], восстанавливающего номинальный режим дозирования. При восстановлении номинального режима работы дозатора происходит варьирование время-зависимой частоты процесса (то есть изменение частоты чирп-сигнала дозирования). Непрерывно изменяющаяся частота процесса в ходе восстановления номинального режима дозирования обуслов-

лена также непрерывно меняющимися в режиме реального времени значениями мнимых полюсов объекта управления.

В процессе модального регулирования расхода автоматизированная система управления непрерывно формирует и подает управляющее воздействие на электропривод [5, 56, 59, 60] дозирующего устройства, приводя объект управления к номинальному состоянию.

Рассмотрим подробно процесс и технологию возникновения нестационарных процессов (режимов) на входе и выходе ДУ.

Так как бункерные емкости каждого ДУ заполнены материалами исходных ингредиентов, обладающими в каждой емкости различными объемными физико-механическими свойствами (например, влажностными характеристиками и/или степенью однородности по своему составу), то в процессе дозирования происходит спорадическое варьирование воздействия материала дозируемого ингредиента на входную (заборную) часть активного органа соответствующего дозатора. Вследствие этого происходит смена частоты дозирующего сигнала (то есть частоты вращения ИМ ДУ) в переходном режиме, что, в итоге приводит процесс дозирования к новому установившемуся частотному режиму, который не соответствует номинальному, требуемому на предсмесительной стадии.

При поступлении более однородного и сухого (менее увлажненного) вещества ИМ ДУ раскручивается, благодаря сбросу нагрузки на рабочий орган дозатора, а частота сигнала материалопотока при этом возрастает до тех пор, пока не стабилизируется на новом установившемся уровне с новой, неноминальной, производительностью. При повышении же нагрузки на рабочий орган ДУ картина -противоположна. В том и другом случаях требуется воздействовать на замкнутую САУ (ЗСАУ) с модальным управлением с целью стабилизации материального потока на номинальном уровне. Но поскольку воздействие на входе и реакция на выходе ДУ уже стабилизировались на новом уровне, требуется воздействовать на внутреннюю структуру ЗСАУ таким образом, чтобы изменить параметрические свойства системы. Таким образом, требуется создать эффект принудительной па-

раметрической нестационарности за счет смены локализации "созвездия" полюсов ЗСАУ.

На Рисунке 4.1 в схематичном виде представлены два варианта размещения полюсов объекта управления и обратных переходных процессов (ОПП) восходящего и нисходящего типов (ВОПП и НОПП) при модальном управлении.

Рисунок 4.1 - Схема принудительных вариантов локализации фиксированых вещественных полюсов Бр4, Бр5, Бр6, определяющих инерционность 1111, и непрерывно-варьируемой релокализации мнимых полюсов Бр2, Зр3, формирующих частотный характер ПП (его чирп-форму) для ВОПП - а) и НОПП - б)

На Рисунке 4.1 а) показаны постоянно закрепленные (на «якоре») полюсы Бр4, Бр5и Бр6, формирующие переходный процесс по типу апериодики второго порядка [49]. При этом пара мнимых полюсов Бр2, Зр3 определяет характер перманентно варьируемой частоты ПП (его чирп-форму). Так, для восходящего обратного ПП (ВОПП) - см. Рисунок 4.1 а) - дополнительно возникающие полюсы Бр5 и Бр6 , определяемые постоянными времени Т и Т2 < Ть назначаются системой модального управления закрепленными на комплексной плоскости корней; они формируют апериодическую составляющую ВОПП, восстанавливающую постоянную компоненту номинального процесса дозирования. А время-частотно-зависимый характер ВОПП (то есть его чирп-форму) определяет пара мнимых сопряженных полюсов Бр2, Бр3, непрерывно

расходящихся в ходе переходного процесса (см. Рисунок 4.1 а), тем самым увеличивая частоту ПП в режиме реального времени и приближая её к частоте номинального режима дозирования.

Для нисходящего обратного переходного процесса (НОШ! - Рисунок. 4.2 а, б) жестко закрепленным полюсом, определяющим характер процесса, является полюс Бр4 (Рисунок. 4.1 б), зависящий от постоянной времени Т, которая формирует инерционность импульсной переходной характеристики апериодики первого порядка [49]. При этом пара сходящихся мнимых сопряженных полюсов 8р2, Бр3 определяет перманентно падающую мгновенную частоту чирп-сигнала типа НОПП (Рисунок. 4.2 б), возникающего после снижения нагрузки (Ь-сброса) на дозирующее устройство.

Следовательно, при раскрутке ИМ ДУ (то есть при повышении частоты сигнала в результате снижения нагрузки - Ь-сброса - на рабочий орган ДУ) необходимо - с целью стабилизации режима расхода на номинальном уровне - снизить общий коэффициент передачи ЗСАУ, а также уменьшить значение мнимой сопряженной пары полюсов (для НДУ). Что касается обратного переходного процесса (ОПП) дозирования в ПДУ, то снижать значение мнимых полюсов следует только для наиболее мощных субгармоник первой гармоники Фурье-модели. Модель при этом имеет вид В^тю^ +A1Cosю1t. Режекция высших гармоник выполняется средствами низкочастотной фильтрации.

При реализации обратного ПП - после увеличения нагрузки (Ь-наброса) -средствами модального управления, восстановление номинального режима дозирования производится по двухэкспоненциальной зависимости вида

Х0)ъ/е1 = Х©0Ъ/е1 + х(^Ъ/е1 Зт[2л^аГ^ - Ть) - Ф0],

где и = ШО - Ть)] + (£ - £Ъ) ([10 - Те)] - ехр[-0 - тъ) / Т3] Т/ (Т3 - Т4) + + ехр[-^ - тъ) / Т4 ]Т4 / (Т3 - Т4)) - изменение частоты чирп-сигнала ОПП;

x(t)mb/ei = xmbi + t / T, ть < t > тe— изменение амплитуды переменной составляющей ОПП;

x(t)ob/ei = Xobi [1(t - тЬ)] + ^ - Xobi) ([1(t - т^)] - exp[-(t - тЬ) / Tз] Tз / ^ - T4) + + exp[-(t - ть) / T4 ] ^ / (T3 - Т4)) - изменение апериодической составляющей обратного восстанавливающего ПП.

Таким образом, полный график переходных процессов при двух циклах варьирования нагрузки (Ь-наброса и L-сброса), включающий нисходящий прямой (НППП) / восходящий обратный (ВОПП) переходные процессы, а также восходящий прямой (ВППП) и нисходящий обратный ПП (НОПП), имеет вид (Рисунок 4.2 а); здесь ось ординат - ось расхода x(t). На Рисунке 4.2 б) отдельно представлены графики восходящего и нисходящего обратных ПП.

Рисунок 4.2 а - Циклы модального управления процессом дозирования

при L-набросе и L-сбросе

Рисунок 4.2 б - Осциллограммы модального управления процессом дозирования после Ь-наброса (слева - ВОПП) и после Ь-сброса (справа - НОПП) На Рисунке 4.3 а) и 4.4 а) представлены фрагменты структурной схемы алгоритма модального управления нестационарным процессом дозирования соответственно после Ь-сброса и Ь-наброса.

а) б)

Рисунок 4.3 - Структурная схема модели (а) и изменение апериодической составляющей (б) нестационарного процесса дозирования при модальном

управлении после Ь-сброса

а) б)

Рисунок 4.4 - Структурная схема модели (а) и изменение апериодической составляющей (б) нестационарного процесса дозирования при модальном

управлении после Ь-наброса

На Рисунках 4.3 б) и 4.4 б) представлены графики переходных процессов соответственно типа НОПП и ВОПП. НОПП реализуется в виде импульсной переходной характеристики (ИПХ) апериодики первого порядка (АП1), а ВОПП -в виде переходной характеристики (ПХ) апериодики второго порядка (АП2). На Рисунках 4.3 и 4.4: поу - порядок объекта управления; п - порядок интегрального звена; псс - порядок постоянной составляющей процесса дозирования.

Рисунок 4.5 объединяет совмещенные схемы и графики управления процессом дозирования при набросе нагрузки.

Рисунок 4.5 - К вопросу о структурно-параметрической нестационарности объекта управления при набросе нагрузки: фрагмент алгоритма модального управления процессом дозирования в виде структурной схемы (а); б) - схема

принудительного варианта локализации фиксируемых полюсов бр4, бр5, бР6, определяющих инерционность ПП, и непрерывно-варьируемой релокализации мнимых полюсов бР2, Брз, формирующих частотный характер ПП (его чирп-форму) для ВОПП; в) - изменение апериодической составляющей нестационарного ПП дозирования при модальном управлении; г) - вейвлет-карта чирп-сигнала

дозирования

На Рисунке 4.5 обозначены: ю - варьируемая частота чирп-сигнала дозирования; ^и ^ - моменты начала и окончания принудительно-модального нестационарного процесса (здесь - ВОПП после L-наброса).

На Рисунке 4.6 -то же, но для НОПП, то есть после L-сброса.

Рисунок 4.6 - К вопросу о структурно-параметрической нестационарности объекта управления при сбросе нагрузки: фрагмент алгоритма модального управления процессом дозирования в виде структурной схемы (а); б) - схема

принудительного варианта локализации полюса sp4, определяющего инерционность ПП дозирования, и непрерывно-варьируемой релокализации мнимых полюсов sp2, sp3, формирующих чирп-характер 1111 для НОПП; в) -изменение апериодической составляющей ПП; г) - вейвлет-карта чирп-сигнала

дозирования после L-сброса

На вейвлет-карте ^-карте) спирального дозатора показан зафиксированный экспериментально восходящий прямой переходный процесс (ВППП) при сбросе нагрузки, который отображен в формате вейвлет-распределения Вигнера [82-83, 95-97] (Рисунок 4.7).

О 10 20 30 сек

Рисунок 4.7 - Время-частотное отображение восходящего прямого переходного процесса (автономно-спорадического) при Ь-сбросе (частота дозирования ОДуат = 3.24...6.13 Гц)

Отметим, что восходящий обратный переходный процесс (то есть модально-принудительный) при набросе нагрузки на дозатор принят в автоматизированной системе модального управления таким же по форме, что и ВППП при Ь-сбросе, с целью формирования процессов, восстанавливающих номинальный режим дозирования, в естественном виде - с точки зрения функционирования исполнительных механизмов ДУ (электроприводов дозаторов).

4.2 Структура совокупности полюсов моделей дозирующих устройств

блока дозаторов

В Таблице 4.1 приведено распределение полюсов для моделей дозирующих устройств в составе блока дозаторов (БДУ).

В соответствии с полной структурой БДУ, включающей пять дозаторов непрерывного и дискретного действия (СДУ, ШДУ и 3 ПДУ со скважностью процессов, отличной от 2), сформирована структурная схем модели БДУ - см. Приложение Г.

Таблица 4.1 - Наличие и структура совокупности («созвездия») полюсов моделей дозирующих устройств

Тип ДУ Кол-во ДУ Количество полюсов

СДУ 2 -- для одного НДУ: 3 (1 пара сопряженных мнимых полюсов)

ШДУ 1 3 (1 пара сопряженных мнимых полюсов)

НДУ 3 -- общее количество полюсов для НДУ: 9 (3 пары сопряженных мнимых полюсов + 3 вещественных полюса)

ПДУ, Х=2, N=10 2 -- для одного ПДУ: 11 (5 пар сопряженных мнимых полюсов + 1 вещественный полюс)

ДДУ, Х=2, N=10 2 -- общее количество полюсов ДДУ: 22 (10 пар сопряженных мнимых полюсов + 2 вещественных полюса)

ПДУ, Хф 2, N=10 2 -- для одного ПДУ: 41 (20 пар сопряженных мнимых полюсов + 1 вещественный полюс)

ПДУ, Х Ф 2, N=10 2 -- общее количество полюсов ДДУ: 82 (40 пар сопряженных мнимых полюсов + 2 вещественных полюса)

БДУ (2 СДУ + 1 ШДУ + 2 ПДУ), Хф2, N=10 5 -- общее количество полюсов БДУ: 91 (43 пары сопряженных мнимых полюсов + 5 вещественных полюсов)

БДУ, (СДУ + ШДУ + 3 ПДУ), Хф2, N=10 5 -- общее количество полюсов БДУ: 129 (62 пары сопряженных мнимых полюсов + 5 вещественных полюсов)

4.3 Блок-схема алгоритма модального управления процессом дозирования

На Рисунке 4.8 приведена блок-схема алгоритма модального управления процессом дозирования. Здесь обозначения таковы: W-карта - специальный формат отображений Ш-сигналов в виде распределений класса Коэна [51, 54-55, 65, 78-79, 86, 96-97]; ДУу- дозирующее устройство непрерывного (ДУО или дискретного (ДУ)) типа; Ш-чирп-сигнал - скалярный сигнал с время-зависимой частотой; ПП - переходный процесс.

В блоках 1 и 2 соответственно производятся регистрация номинального режима и его многомерное отображение в виде карты Вигнера [55, 82-83, 95-97] ^-карты). В блоке осуществляется задание фреймов для номинального режима дозирования (Рисунок 2.11). Процедура в блоке 4 отвечает за разграничение двух типов прямых переходных процессов: либо возник эффект автономно-спорадического увеличения нагрузки (выход «да»), либо падения (выход «нет»).

В блоках 5, 17 производится регистрация реакции НДУ, то есть возникающего чирп-сигнала выходного расхода соответственно с падающей и возрастающей частотой. При этом - в первом случае - расход также падает, падает и амплитуда переменной составляющей; во втором же случае расход и амплитуда возрастают.

В блоках 6 и 18 системой выполняются операции расчета W-карт возмущенных режимов и фиксация их отображений относительно номинальных фреймов.

В процедурах блоков 7-10 для режима наброса нагрузки и блока 19 реализуются операции по определению параметров восходящего обратного 1111 (постоянных Т1 и Т2) и нисходящего обратного 1111 (постоянной Т).

Блоки 11 и 20 отвечают за выполнение расчетов параметров модального регулятора (то есть элементов матрицы К в цепи обратной связи по состоянию). В блоках 12 и 21 реализуются процессы моделирования обратных ПП в замкнутой САУ с модальным регулятором.

Рисунок 4.8 - Блок-схема алгоритма модального управления

процессом дозирования

В блоках 13 и 22 выполняется определение текущего нестационарного напряжения, формируемого для исполнительного механизма (ИМ); эта операция производится с использованием тарировочных характеристик «Га - ия» (Рисунок 2.20).

В блоках 14, 23 и 15, 24 производятся операции по преобразованию в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП) цифрового сигнала напряжения в аналоговую форму и подаче напряжения ИМ ДУ на блок управления.

Функции блоков 16, 25, 26 и 27 заключаются в восстановлении номинального режима в рамках САР стабилизации процесса дозирования.

4.4 Отображение сигналов расхода в многомерном пространстве время-частотных распределений

На Рисунке 4.9 представлены номинальные режимы дозирования в виде осциллограммы материалопотокового сигнала и ее W-карты Вигнера для БДУ, состоящего из одного порционного, двух спиральных, работающих непрерывно, с рабочими частотами 0,20 Гц, 3,23 Гц и 4,02 Гц и спирального дозатора, функционирующего дискретно во времени с частотой 6,89 Гц.

Л'«**

<И| ■

уМшЫЛ

_ « 5 Ю /5 20 » 1« <«

• Ч

Ю

$

2,5

о

О 5 Ю /5 19 35 АО «*■*

Рисунок 4.9 - Осциллограмма суммарного сигнала расхода блока мультидозирования (вверху) и ее время-частотная карта Вигнера

На Рисунке 4.10 а) показана осциллограмма сигнала расхода (дискретного П-образного чирп-сигнала) порционного дозирующего устройства в режиме наброса (увеличения) нагрузки, который в аналитическом виде может быть записан следующим образом:

А 10

*)=А

к=1

А с°8

с „ л Щ

К * У

+ В к ЭШ

г „ \\

К * УУ

где Ао =

2

X

А,,

X.

к-ж

Г С 81П -

К к

2 - к-ж

X

\\ 2 X

^ _ й тах

к

уУ

к-ж

( . (к Б1П -

К К х уУ

2

2-ж-к

Т

После разложения сигнала по алгоритму вейвлет-поиска соответствия получаем его время-частотное распределение (Рисунок 4.10 в), адекватность которого установлена путем сравнения исходного сигнала (Рисунок4.10 а) с восстановленным по спектральным составляющим (Рисунок 4.10 б).

а)

б)

в)

Рисунок 4.10 - Порционное дозирующее устройство в режиме наброса нагрузки

На карте Вигнера отчетливо прослеживается экспоненциально -ниспадающий характер частоты дозирования, а, следовательно, и производительности дозатора.

На Рисунке 4.11 показан прямой переходный процесс в шнековом дозаторе в режиме наброса нагрузки в центрированном виде; кроме того, представлен

реконструированный по ВПС-алгоритму [45, 55] сигнал этого режима, а также ошибка аппроксимации сигнала. При этом процесс имеет вид чирп-сигнала [9697] с падающей время-зависимой мгновенной частотой.

Рисунок 4.11 - Одномерный сигнал расхода на выходе шнекового дозатора в переходном режиме наброса нагрузки

На Рисунке 4.12 приведена карта Вигнера для прямого переходного процесса в шнековом дозаторе, экспериментально зафиксированная в режиме наброса нагрузки (см. режим НППП на Рисунке 4.2 а).

Рисунок 4.12 - Отображение сигнала расхода на выходе шнекового дозатора в прямом переходном режиме в формате карты Вигнера при Ь-набросе

На Рисунке 4.13 приведены: материалопотоковый сигнал на выходе БДУ, включающего два шнековых дозатора, работающих в режимах наброса и сброса нагрузки; реконструированный по ВПС-алгоритму сигнал; ошибка аппроксимации и карта Вигнера данного совместного процесса.

Рисунок 4.13 - Переходные режимы работы двух шнековых дозаторов при набросе и сбросе нагрузки: слева (сверху - вниз) - одномерный суммарный сигнал расхода, его аппроксимация по ВПС-алгоритму, ошибка аппроксимации; справа - многомерные распределения на W-карте

На карте Вигнера этого режима ниспадающая цепочка время-частотных атомов соответствует прямому переходному процессу (НППП) при набросе нагрузки в одном шнековом дозаторе, а восходящая цепочка - прямому переходному процессу в другом. При этом восходящее распределение изменяется примерно по линейному закону - в отличие от аналогичного экспоненциально-подобного распределения для спирального дозирующего устройства. Это объясняется относительно высокой инерционностью шнекового дозатора, электропривод которого равномерно (без ускорений и замедлений) отрабатывает процесс сброса нагрузки на рабочий орган дозатора.

4.5 Алгоритм пересчета матрицы модального регулятора К при возникновении переходных процессов в системе модального управления процессом дозирования

Подробная процедура пересчета матрицы К модального регулятора [22, 48, 50] представлена ниже с учетом назначения полюсов ЗСАУ, вида векторно-матричной модели (ВММ) [10, 22, 35, 62, 69] БДУ и характера желаемых переходных процессов в дозаторах после нанесения возмущения типа "наброс нагрузки" ("Ь-наброс") или "сброс нагрузки" ("Ь-сброс"). Такие процессы, соответственно обозначенные как "восходящий обратный переходный процесс" ("ВОПП") и "нисходящий обратный переходный процесс" ("НОПП"),восстанавливают номинальный режим дозирования.

При этом отметим следующее. Для НДУ восстанавливающий ВОПП происходит под действием двух увеличенных постоянных времени по двухэкспоненци-альной зависимости, то есть оба вещественных полюса ПП поджимаются к мнимой оси ^шБр (это соответствует более плавному переходу из области тяжелых нагрузочных режимов в область пониженной, то есть номинальной, нагрузки), а пара мнимых полюсов модели ДУ должна расходиться по мнимой оси, чтобы удовлетворить требованиям минимизации длительности ПП и вхождения в номинальный режим работы ДУ.

Характеристический полином (ХП) процесса имеет вид

ОД = Т22 [В - Щь Т2)][ в - Г2 (ТЬ Т2)], где^Ть Т2) и 12 (Т1, Т2) - два вещественных полюса переходного процесса.

При НОПП, происходящим по зависимости функции веса (импульсной переходной характеристики - ИПХ [22, 49]) апериодического звена первого порядка, переходный процесс проходит под действием уменьшенной постоянной времени Т, поскольку выйти из области малых нагрузок в сторону номинальных можно значи-

тельно быстрее. Поэтому вещественный полюс ПП должен возрастать, а пара мнимых полюсов должна сближаться. Характеристический полином таких зависимостей имеет вид В(б) = Тб + 1.

Для ПДУ процессы ВОПП и НОПП должны происходить аналогично, причем во внимание следует принимать только первые гармоники, высшие же гармоники - в силу их малой мощности - режектируются с помощью широкополосного режекторного фильтра [10, 30, 32, 42, 62].

Таким образом, для дозирующих устройств непрерывного действия реализация нисходящего прямого (также, как и нисходящего обратного - после сброса нагрузки - НОПП) переходного процесса (НППП), возникающего в результате наброса нагрузки, определяется четырьмя полюсами внутренней структуры ЗСАУ с модальным управлением (двумя мнимыми, одним нулевым и одним вещественным), а восходящего обратного (также, как и восходящего прямого - после сброса нагрузки - ВППП) переходного процесса (ВОПП), возникающего после наброса нагрузки - шестью: двумя мнимыми, двукратным нулевым и двумя вещественными.

Ниже приведен алгоритм пересчета матрицы модального регулятора в виде цепочки последовательно реализуемых матричных процедур.

При реализации переходного процесса восходящего типа (ВОПП или ВППП) характеристический полином системы в мультипликативной форме имеет вид:

Э(8) = Т22(Б - ]2^тт)(8 + ]2^т1П)(Ти)-18-2 [(Б - Щь Т2)(Б - f 2 (Ть Т2)].

Расчет матрицы модального регулятора производится по формуле Аккермана [10, 22, 30, 35, 48, 50, 59, 60, 62, 64, 69], поскольку она удовлетворяет всем возможным форматам векторно-матричных моделей (как каноническому формату управляемости [22, 35, 48, 50] Фробениуса, так и другим альтернативным форматам):

K = [0 |0 | ... |0 |1] [B |AB | ... |An-1B]-1 ^D(A> ,

Л -5 Л

где D(A)f = d0A + d1A + d2A + d3A + d4l - характеристический матричный полином, где dim A = (4 x 4), dimB = (4 x 1). Для упрощения расчетов модели берутся только для переменных составляющих процесса дозирования (игнорируется постоянная составляющая процесса, определяемая нулевым полюсом).

Матрицы состояния A и управления B берутся из ВММ объекта (БДУ):

A11 A12 A13 A14

A =............

A A A A

A41 a42 a43 a44

BT = [B11 1 B12 1 B13 |B14]T

(AB)n AB = ...

(AB)

где (AB)ii = A„B„+...+ A14B41;

41

(AB)41 = A41B11+...+ A44B41. A2B = A(AB) = [( A2B)n|( A2B)2I|( A2B)3i|(A2B)4i]T, где (A2B)n = A„(AB)„+... + AM(AB)u;

(A2B)4i = A4i(AB)n+_+ A44(AB)

41

A3B = A(A2B) = [( A3B)n|( A3B)2i|( A3B)3i|(A3B)4i]T, где (A3B)n = A„(A2B)„+...+ Ai4(A2B)4i;

(A3B)4i = A4i(A2B)n+^+ A44(A2B)41. Таким образом, матрица управляемости

Qc = [BT|[(AB)ii|_|(AB)4i]1|[(A2B)ii|_|(A2B)4i]1|[(A3B)ii_|(A3B)4i]1];

iTir/Л 2

-iTir/лЗп

и!

поэтому обратная матрица управляемости [48, 50] определяется как

Для НОПП алгоритм реализации процедур расчета матрицы К аналогичен, с поправкой на характер НОПП по типу импульсной переходной характеристики апериодики первого порядка.

Определение векторно-матричной модели дозатора непрерывного действия (ВММ НДУ) - определение матриц А, В, С для восходящего обратного переходного процесса (БОНН), производим по разделенной структурной схеме:

и(г)

НДУ ВОПП

Х2~ XI

хА

У(т)

х5=х4

Ш

Х_1= Л";

Характеристический полином:

О(Б) = Т22 (Б - j2пfmm) (s +j2пfmm)(s-spзr) (В-Вр4г)= =Т22 (Б - j2лfmm) (s +j2пfm1n) [Б - £1СТ1, Т2)][ Б - (Ть Т2)]

Далее разделяем общую ПФ на две передаточные функции:

- полюсосодержащую ;

- нульсодержащую W(s)z.

В результате этой процедуры получаем запись ВММ в виде системы скалярных уравнений состояния (СУС) в форме Фробениуса [22, 35, 48, 50]:

X = х2 (СУС1) — х^ (СУС 2) Х3 — х4 (СУС3) х4 — х5 (СУС 4)

Х5 — 0 ■ Х1 - (ТГ2 >02Х2 - (Т2_2 Х3 - (ТГ2 )(1 + Т2™02 )Х4 - (Т2~2 )Т1 Х5 + (Т2~2

<

А —

0 1 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0

0 0 0 1 0 . В — ; 0

0 0 0 0 1 0

0 - (Т-2) ^ - (Т-2)ТХ2 - (Т2-2)(1 + Т2 V) - (ТГ2^ (Т?)к

Матрицу выхода по состоянию С находим по передаточной функции нульсо-держащей части W(s)z:

9 9

+XmWoS+XoWo ),

с

Х0 ™0 ХЛ

Хп

0 0 ; В=0

где ур - выход полюсосодержащей части, равный х1.

Таким образом, разработанная автоматизированная система модального управления процессом дозирования выполняет функции стабилизации номинального режима работы блока дозирующих устройств на предсмесительной стадии, что способствует получению смесей высокого качества.

Пример расчета системы управления с полной обратной связью по состоянию приведен в Приложении Ж.

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой изложено решение актуальной в научном и прикладном значении комплексной задачи проектирования, исследования и моделирования процессов дозирования в смесе-приготовительном агрегате на базе теоретических и экспериментальных методов в рамках разработанной автоматизированной системы модального управления. Решение данной задачи представляет существенный научный и практический интерес для экономики страны, и может быть востребовано и эффективно использовано в пищевой, химической, фармацевтической, строительной, горнорудной, металлургической и других отраслях промышленности.

Основные теоретические и практически значимые результаты работы и выводы представлены ниже.

1. Разработаны математические модели процессов дозирования в терминах технологического пространства состояний блока дозирующих устройств (БДУ), с помощью которых можно эффективно отрабатывать широкий спектр текущих режимов мультиингредиентного дозирования устройствами непрерывного и дискретного действия.

2. Сформирована и отработана современная концепция способа модального управления расходом блока дозирующих устройств (объекта управления) на базе теории пространства состояний в сочетании с аппаратом вейвлет-преобразований, реализованная в замкнутой системе регулирования на основе принудительной структурно-параметрической нестационарности обратной связи по состоянию. В условиях спорадического нарушения номинальных потоков дозирования, возникающего вследствие изменения входных воздействий, это позволяет варьировать вектор внутренних параметров объекта, приводя выходные потоки последнего к требуемому состоянию.

3. Представлен алгоритм динамического пересчета параметров многомерной обратной связи по состоянию объекта управления в ходе процесса дозирова-

ния (в режиме реального времени), обеспечивающий стабильность материалопо-тока на предсмесительной стадии.

4. Предложена процедура отображения материалопотоковых сигналов расхода в многомерном формате на основе специфических распределений класса Ко-эна, что позволяет осуществлять идентификацию сигналов в совмещенном время-частотном пространстве.

5. Создана технология обработки материалопотоковых многомерных вейвлет-отображений в условиях проявления структурно-параметрической нестационарности объекта управления, позволяющая задавать необходимые параметры обратных переходных процессов дозирования, восстанавливающих номинальные режимы дозирования.

6. В качестве базовых - при проведении моделирования, расчетов и обработки сигналов и их отображений - использованы вейвлет-функции Габора, адекватно соответствующие характеру технологических сигналов в подсистеме дозирования.

7. Испытания разработанной автоматизированной системы модального управления процессом дозирования в условиях промышленного производства на АО «ХК «Сибцем» показали, что она позволяет - по сравнению с существующей технологией - интенсифицировать процесс смесеприготовления за счет гармонизации материалопотоков на предсмесительной стадии на базе модального управления в пространстве состояний и вейвлет-преобразований, а также повысить быстродействие процессов в ходе восстановления номинального режима, что, в свою очередь, ведет к повышению точности дозирования по сравнению с существующими производственными системами. Все эти факторы способствуют снижению коэффициента неоднородности конечных смесей, то есть повышению их качества.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АСМУ - автоматизированная система модального управления

БДУ- блок дозирующих устройств

ВПС -вейвлет-поиск соответствия (алгоритм ВПС)

ВЧА - время-частотный атом

ВЧК - время-частотная карта

ВЧР - время-частотное распределение

ДУ - дозирующее устройство

МСМ - модифицированный сигнал материалопотока

МУ - модальное управление

МР - модальный регулятор

ОУ - объект управления

СМПА - смесеприготовительный агрегат

НППП - нисходящий прямой переходный процесс, возникающий после наброса нагрузки

ВОПП - восходящий обратный переходный процесс, возникающий после наброса нагрузки

ВППП - восходящий прямой переходный процесс, возникающий после сброса нагрузки

НОПП - нисходящий обратный переходный процесс, возникающий после сброса нагрузки

ЦСНД - центробежный смеситель непрерывного действия Ь-наброс - наброс нагрузки на дозирующее устройство Ь-сброс - сброс нагрузки на дозирующее устройство

W-карта - вейвлет-карта, многомерное отображение Ш-сигнала расхода в формате время-частотных распределений класса Коэна

1. А.с. 2132725 Россия, МКИ B01 F7/26 Центробежный смеситель. / В.Н. Ива-нец, И.А. Бакин, Б.А. Федосенков. (Россия) - Опубл. в Б.И., 1999. - №19.

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

3. Анискевич, А.А. Математическое моделирование процессов непрерывного и дискретного дозирования сыпучих материалов в смесительном агрегате: Дисс. ... канд. техн. наук. - Кемерово: КемТИПП, 2006. - 156 с.

4. Ахмадиев, Ф.Г. О моделировании процесса массообмена с учетом флуктуа-ций физико-химических параметров. / Ф.Г. Ахмадиев, А.А. Александровский, И.И. Дорохов // Инженерно-физический журнал. - 1982, т. 43, №2. - С.274-280.

5. Башарин, А.В. Управление электроприводами / А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. - М.: Высшая школа, 1982. - 392 с.

6. Бытев, Д.О. Расчет движения сыпучих материалов в аппаратах со сложным движением рабочего органа/ Д.О. Бытев, А.И. Зайцев, Ю.И. Макаров и др. // Изв. ВУЗов «Химия и химическая технология». - 1981, т. 24, №3. - С.372-377.

7. Видинеев, Ю.Д. Дозаторы непрерывного действия. - М.: Энергия, 1981. -273 с.

8. Видинеев, Ю.Д. Современные методы оценки качества непрерывного дозирования // Журн. Всесоюз. хим. общ-ва. им. Д.И. Менделеева. - 1988, т.33, №4 -С. 397-404.

9. Добеши, И. Десять лекций по вейвлетам / Ингрид Добеши - М. - Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2001. - 464 с.

10. Дорф, Р. С. Современные системы управления / Р. С. Дорф, Р. Х. Бишоп. -М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. - 832 с.

11. Дремин, И.М. Вейвлеты и их использование / И.М. Дремин, О.В. Иванов, В.А. Нечитайло // УФН. - 2001. - Т. 171, №5. - С. 465-501.

12. Дьяконов, В.П. Вейвлеты. От теории к практике / В.П. Дьяконов - М.: Со-лон-Р, 2002. - 448 с.

13. Зайцев, А.И. Теория и практика переработки сыпучих материалов / А.И. Зайцев, Д.О. Бытев, В.Н. Сидоров // Журн. Всесоюз. хим. общ-ва. им. Д.И. Менделеева. - 1988, т. 33, №4. - С. 390-395.

14. Иванец, В.Н. Интерактивные методы машинного моделирования процессов получения пресскомпозиций полимерных материалов / В.Н. Иванец, А.С. Ку-рочкин, Б.А. Федосенков // В сб.: Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия. Тез. докл. Всесоюзн. конф. - М.: МИХМ, 1986, Т.2. - C. 14-17.

15. Иванец, В.Н. Методы интерактивного машинного моделирования смесительных систем / В.Н. Иванец, Б.А. Федосенков // В сб.: Технология сыпучих материалов - Химтехника 86: Тез.докл. Всесоюзн. конф. - Белгород, 1986, Ч.2. - С. 15-17.

16. Иванец, В.Н. Методы моделирования процессов смешивания дисперсных материалов при непрерывной и дискретной загрузке смесительного агрегата /В.Н. Иванец, Б.А. Федосенков // Изв. ВУЗов «Пищевая технология». - 1988, №5. - С. 68-72.

17. Иванец, В.Н. Разработка математического описания технологического процесса смесеприготовления из сыпучих материалов / В.Н. Иванец, Б.А. Федосенков// В сб.: Кемеровскому Технол. Институту Пищевой Промышленности 25 лет: достижения, проблемы, перспективы. - Кемерово, 1998, Ч.2. - С. 40-47.

18. Иващенко, Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем / Н.Н. Иващенко. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1978. - 736 с.

19. Имаев, Д.Х. Теория автоматического управления. Линейные системы автоматического управления / Д.Х. Имаев, А.А. Краснопрошина, В.Б. Яковлев. - Киев: Высшая школа, 1992. - 284 с.

20. Исследование и расчет систем управления с применением комплекса программ «АРДИС» / Г.Д. Горшков, В.Н. Иванец, Н.Н. Кузьмин и др.: под ред. Кузьмина Н.Н., Ленинград: ЛЭТИ, 1986. - 64 с.

21. Карпин, Е.Б. Средства автоматизации для измерения и дозирования массы / Е.Б. Карпин. - М.: Машиностроение, 1971. - 469 с.

22. Ким, Д.П. Теория автоматического управления. Т. 2. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы: уч. пос. - М.: Физматлит, 2004. -464 с.

23. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров/ Г. Корн, Т. Корн. - М.: «Книга по требованию», 2012 - 832 с.

24. Короновский, А.А. Непрерывный вейвлетный анализ и его приложения / А.А. Короновский, А.Е. Храмов. - М.: Физматлит, 2003. - 176 с.

25. Малла, С. Вейвлеты в обработке сигналов. М.: Мир, 2005. - 671 с.

26. Мартуганова, Е. Р. Модель веб-сервиса по специализированной обработке данных на основе жадных алгоритмов. - М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2014. -86 с.

27. Медведев, В.С., Потемкин, В.Г. Control System Toolbox. MATLAB 5 для студентов / Под общ. ред. к.т.н. В.Г. Потемкина. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. -287 с.

28. Патент 2000125641 РФ, B01F15/04. Способ дозирования сыпучих материалов / В.Н. Иванец, Б.А. Федосенков, Г.Е. Иванец, Д.Л. Поздняков, Е.В. Антипов. -2003.

29. Поздняков, Д. Л. Исследование процессов дозирования в агрегатах непрерывного действия с целью интенсификации смесеприготовления: Дисс. канд. техн. наук. - Кемерово: КемТИПП, 2000. - 192 с.

30. Рафиков, Г.Ш. Цифровые системы управления. Конспект лекций. - Донецк. - 1999. - 102 с.

31. Рогинский, Г.А. Дозирование сыпучих материалов. - М.: Химия, 1978. -176 с.

32. Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов - СПб: Питер, 2006. - 751 с.

33. Симикова, А.А. Фильтрация материалопотоковых сигналов смесительной системой при автоматизации смесеприготовительного процесса / А.А. Симикова, Д.Б. Федосенков, И.В. Судаков, Б.А. Федосенков // Труды X Всероссийской науч-

но-практической конференции (с международным участием) «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве AS2015» - Новокузнецк : Изд. центр СибГИУ, 2015 - С. 198-201.

34. Симикова, А.А. Разработка алгоритма синтеза системы модального управления / А.А. Симикова, Д.Б. Федосенков, Б.А. Федосенков // Сборник материалов II-й Международной научно-практической конференции "Инновации в информационных технологиях, машиностроении и автотранспорте", 03-04 октября 2018. -Кемерово - 2018. - С. 136-139.

35. Стрейц, В. Метод пространства состояний в теории дискретных линейных систем управления / Пер. с англ. под ред. Я.З. Цыпкина. - М.: Наука. Главн. ред. физ.-мат. литературы, 1985. - МИАР. - 2019. - 296 с.

36. Федосенков, Б.А. Методы частотно-временной локализации при анализе процессов приготовления сыпучих пищевых смесей / Б.А. Федосенков, В.Н. Ива-нец// Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 1999, №4. - С. 75-78.

37. Федосенков, Б.А. Процессы дозирования сыпучих материалов в смесепри-готовительных агрегатах непрерывного действия - обобщенная теория и анализ (кибернетический подход) / Б.А. Федосенков, В.Н. Иванец - Кемерово, Кем-ТИПП, 2002. - 211 с.