Введение к работе
Актуальность работы. Разработка аппаратурного оформления процессов производства пищевых продуктов, основанных на переработке сухих сыпучих материалов, и его совершенствование является важным условием решения задач, определенных «Концепцией государственной политики в области здорового питания населения РФ до 2005 года».
Перспективными направлениями при переработке сухих дисперсных материалов являются: а) переход на аппаратурное оформление стадии смешивания по непрерывной схеме; б) разработка принципиально нового поколения аппаратов, в которых процесс смешивания осуществляется в тонких или разреженных слоях для обеспечения наибольшей поверхности контакта между частицами; в) возможность совмещения в одном аппарате нескольких процессов; г) организация направленного движения материальных потоков за счет использования различных рециклов.
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов получения смесей на основе сыпучих компонентов, проведенных в России и за рубежом, показывает значительное преимущество смесеприготови-тельных агрегатов непрерывного действия по сравнению с периодическими аналогами.
Однако в настоящее время применение в промышленности непрерывно действующих смесительных аппаратов не получило широкого распространения в силу нерешенности ряда вопросов. В частности, недостаточно полно изучено влияние каналов направленной организации потоков в смесителях непрерывного действия (СНД) на их динамические характеристики и на структурные параметры выходных потоков, а также совместное влияние этих факторов на качество готовой смеси.
Математическое моделирование, по сравнению с физическим, обладает более универсальными и менее затратными инструментами для исследования объекта. Традиционные средства анализа не позволяют адекватно и оперативно описывать реальные материалопотоковые процессы в условиях несогласованной работы как внутри отдельных фрагментов смесительного агрегата, так и между оборудованием, формирующим соответствующие технологические операции на определенных стадиях процесса смесеприготовления. 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. При невозможности технической регистрации тех или иных переменных состояния агрегата необходимо определить их посредством специализированных подсистем наблюдения за состоянием.
Использование время-частотных математических методов (в основе которых лежит преобразование материалопотоковых сигналов - одномерных переменных - в многомерные координаты на базе"адай^вн<ж ашшїїкіимации одномерных сигналов в вейвлет-пространстве) поз|дщд||1|%(^тно вписывать и
1 sFs^m-
моделировать возникающие в агрегате нестационарные (особенно частотно-времязависимые) режимы на отдельных стадиях смесеприготовления, а также создавать формализованные средства, позволяющие поддерживать и / или корректировать текущие режимы отдельных фрагментов агрегата.
Таким образом, решение вопросов моделирования и исследования режимов стадий непрерывного смесеприготовления на базе теоретических и экспериментальных исследований является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес для целого ряда отраслей народного хозяйства.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР по грантам Министерства образования РФ на 2003-2004 гг.:
-
ТО2-06.7-1238 «Научно-практические основы разработки непрерывно действующих смесителей центробежного типа с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов», научный руководитель - Иванец В.Н.;
-
ТО2-03.2-2440 «Система технологического мониторинга и автоматизированного управления динамикой непрерывных технологических процессов в агрегатах для производства пищевых дисперсных композиций на базе всплесковых преобразований», научный руководитель - Федосенков БА
Цель работы. Разработка и исследование математических моделей непрерывно действующего агрегата и создание методов их реализации при решении проблемы приготовления дисперсных композиций высокого качества.
Задачи исследований. В соответствие с поставленной целью в данной диссертационной работе решались следующие задачи:
разработка структурного описания смесеприготовительного агрегата и определение топологическим способом его операторной функции;
исследование влияния режимно-конструктивных параметров агрегата на структуру материалопотока;
создание математической модели агрегата в пространстве состояний и разработка на ее основе метода управления им с целью повышения эффективности процесса смесеприготовления;
разработка математической модели для формализации мгновенного вектора состояния смесительной системы при отсутствии возможности технического измерения определенных переменных;
создание способов и аппаратно-программной основы для отображения и
идентификации текущих режимов работы технологических стадий процесса
смесеприготовления на основе вейвлет-преобразований.
Научная новизна. Для описания процесса непрерывного смесеприготовления продуктов на основе сухих дисперсных ингредиентов, созданы математические модели режимов его стадий с применением структурно-топологического описания. С их помогцью исследовано влияние режимных и конструктивных параметров агрегата на структурные характеристики материа-лопотоков. Разработаны векторно-матричные математические модели в многомерном пространстве состояний, позволяющие рассчитывать материалопотоки
в любых узлах агрегата, в том числе в условиях неполного измерения переменных. Созданы методы минимизации флуктуационных характеристик материа-лопотока на предсмесительнои стадии, даюгцие возможность опосредованно способствовать снижению коэффициента неоднородности получаемых смесей. На базе вейвлет-преобразований, посредством алгоритма вейвлет-поиска соответствия, создан способ текущего мониторинга и управления динамикой режимов технологических стадий процесса смесеприготовления.
Практическая ценность и реализация результатов. Концепции и модели, использованные при описании флуктуационных характеристик материало-потоков на предсмесительнои стадии, а также результаты сглаживания входных потоков смесительным устройством, носят принципиальный характер и могут использоваться при решении задач оптимизации режимов стадий процесса приготовления комбинированных продуктов в агрегатах различного типа действия функционального и отраслевого назначения. Разработаны технические решения, позволяющие минимизировать неоднородности структуры потока в питающем устройстве — посредством буферного выравнивающего дозатора, а также дополнительного рецикл-канала, выводящего часть смеси за пределы внутриаппаратной среды. Математические законы формирования экстракорпорального потока являются общими для аппаратов, работающих с материальными средами широкого спектра (жидкостными, сухими дисперсными, псевдо-ожиженными, пылегазовыми и др.) - вентиляторов, спирально-шнековых систем типа «гибкий вал», насосов, циклонов. Создан комплекс алгоритмов и программ, на основе которого предложены технические рекомендации по стабилизации рациональных режимов работы стадий дозирования, питания и смешивания. В вычислительной среде Linux реализован алгоритм отображения текущих режимов работы стадий смесеприготовления на многомерной основе в вейвлет-базисе.
Разработка и исследование теоретических и экспериментальных особенностей непрерывного смесеприготовления в условиях управляемой рециркуляции позволили повысить качество получаемых смесей; предложен способ производства песочных десертов с приготовлением теста из смеси, полученной в смесительном агрегате непрерывного действия, на техническую новизну которого подана заявка на патент РФ; приведенные в диссертационной работе материалы внедрены в научно-учебные комплексы кафедр «Процессы и аппараты пищевых производств» и «Автоматизация производственных процессов и АСУ» Кемеровского технологического института пищевой промышленности и используются при подготовке бакалавров, инженеров и магистров.
Автор защищает:
методы схемного математического моделирования режимов стадий смесеприготовления;
комплексные модели процессов в агрегатах непрерывного действия в терминах технологического пространства состояний, составленные с учетом невозможности регистрации ряда переменных;
аналитические зависимости флуктуационных характеристик материалопото-ков на различных стадиях смесеприготовления и сглаживающих свойств смесительного комплекса от режимно-конструктивньгх параметров фрагментов агрегата;
способы отображения и идентификации текущих режимов стадий смесеприготовления, использующие модели и алгоритмы в вейвлет-пространстве, и техническую реализацию мониторингового комплекса, обеспечивающего поддержание рационального функционирования фрагментов агрегата и его структуры в целом.
Апробация работы: Результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на семинаре математического факультета Кемеровского государственного университета (КемГУ), проведенного на базе кафедры ЮНЕСКО по новым информационным технологиям 11.11.2004; на 9-ти международных научных, научно-технических и научно-практических конференциях: «Инженерная защита окружающей среды», (Москва, 2001), «Теплофизические измерения в начале 21 века» (Тамбов, 2001), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-15» (Тамбов, 2002), «Школа молодых ученых ГГГМУ-7» (Тамбов, 2002), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-16» (Ангарск, 2003), «Пища. Экология Качество» (Новосибирск, 2003), «Пища. Экология. Человек» (Москва, 2003), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-17» (Ангарск, 2004), «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2004);. всероссийской научно-технической конференции «AS'2001 Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2001); ежегодной региональной аспирантско-студенческой конференции «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2003); всероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодые ученые Сибири» (Улан-Удэ, 2003); региональной научно-практической конференции «Информационные недра Кузбасса 2004» (Кемерово, 2004).
Публикации: Основные положения диссертации изложены в 19 публикациях, в том числе 2 статьях в специальных журналах.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений; включает 67 рисунков и 10 таблиц. Основной текст работы изложен на 149 страницах машинописного текста, приложения - на 12. Библиографический список включает 122 наименования.
