Один из путей интенсификации сушки повышение надежности оперативного контроля температуры зерна, что позволяет с меньшей погрешностью осуществить ее регулирование и приблизить режимы к предельно допустимым. Надежность контроля обеспечивается не только высокой точностью измерительного оборудования, но и оптимальным размещением датчиков, применением рациональных алгоритмов их опроса и т.п. Решение этих задач требует учета множества технологических особенностей сушилок.
Как объект управления, сушилка – сложная динамическая система [2–10] (рис. 1), состояние которой определяется температурой JЗ(t) и влажностью W(t) зерна, их начальные значения JЗ0(t) и W0(t) определяют условия сушки, а температура теплоносителя JТ(t) и экспозиция ω(t) – режим обработки.
Рисунок 1. Структурная схема сушилки
Установлено, что входные переменные JЗ0(t) и W0(t) изменяются стохастически (табл. 1), что возбуждает колебания выходных переменных JЗ(t) и W(t) в интервале, превышающем агротехнический допуск [1–4, 10]. Период колебаний существенных частот сопоставим с экспозицией.
Таблица 1.
Оценки характеристик случайных функций
| Показатель | Среднее значение | Среднеквадратичное отклонение |
| Влажность, %:
на входе W0(t) на выходе W(t) |
15,2…33,6 13,5…29,8 |
0,70…1,70 0,14…2,60 |
| Температура, °С:
на входе JЗ0(t) на выходе JЗ(t) |
9,9…18,1 21,1…31,0 |
0,40…2,50 0,23…5,30 |
Значения коэффициентов взаимной корреляции процессов W0(t) – JЗ(t) и W(t) – JЗ(t) в зависимости от режима переменны (табл. 2) и принимают как положительные, так и отрицательные значения. При низких влажностях зерна (W0<20%) они отрицательны, а при высоких – положительны.
Таблица 2.
Коэффициенты взаимной корреляции процессов
| Наименование процессов | Диапазон изменения |
| W0(t) – JЗ(t) | -0,48…0,32 |
| W0(t) – W(t) | 0,37…0,61 |
| W(t) – JЗ(t) | -0,77…0,39 |
Корреляционной связи процессов JЗ0(t) – JЗ(t) не обнаружено, но обнаружена тесная связь процессов W0(t) – JЗ(t), чем подтверждается, что основным возмущением сушки являются колебания W0(t).
Наибольшие значения коэффициента корреляции процессов W(t) – JЗ(t) соответствуют зерновому слою с низкой влажностью (W<16%), что подтверждает возможность косвенной оценки его влажности по температуре нагрева. Это можно использовать в системах для принятия оперативного решения об окончании сушки.
Наибольшее и однозначное влияние на JЗ оказывает температура теплоносителя JТ, а на влажность W экспозиция [7, 8], значение которой определяется частотой колебаний ω выгрузного аппарата. Изменение ω неоднозначно влияет на JЗ (рис 2), из чего следует, что ее нельзя использовать для управления температурой JЗ. Таким образом, в системе JТ должна использоваться для управления температурой зерна, а ω для управления его влажностью.
Динамические свойства сушилки (табл. 3) в различных по высоте зонах описываются разными передаточными функциями, что обусловлено качественными отличиями протекающих в них процессов [8]. Изменчивость по высоте значений параметров передаточных функций (табл. 4) характеризует её как распределенную динамическую систему. Постоянные времени возрастают в направлении увеличения ряда коробов. Установлено, что большим значениям W0 и w соответствуют меньшие значения постоянных времени, интервал изменения которых достигает 20%.
Рисунок 2. Изменение JЗ в зависимости от частоты колебаний выгрузного аппарата: а – при W01=18%, W02=22%, W03=26%; б – при JТ1=70°C, JТ2=100°C, JТ3=130°C
Таблица 3.
Передаточные функции и статические коэффициенты передачи
сушилки СЗШ-8
Процессы нагрева и изменения влажности зерна взаимосвязаны, что позволяет рассматривать два периода их протекания (рис. 3). Первый характеризуется интенсивным повышением JЗ. Скорость изменения JЗ в этом периоде определяется только теплоинерционными свойствами зернового слоя, так как изменение его влажности из-за большой инерционности невелико. Продолжительность периода составляет 20–25 минут.
Таблица 4.
Постоянные времени передаточных функций
Рисунок 3. Переходные процессы, возбужденные скачкообразным изменением температуры JТ(t) (a) и экспозиции w(t) (б)
Во втором периоде начинается интенсивное изменение W, что приводит к постепенному перераспределению составляющих теплового баланса. Доля теплоты, затрачиваемая на испарение влаги из зерна, возрастает, поэтому процесс его нагрева существенно замедляется. Дальнейшее изменение JЗ полностью определяется инерционностью поля его влагосодержания, поэтому, время τ окончания переходных процессов определяется экспозицией сушки.
Для разработки системы важно правильно оценить инерционные свойства сушилки. Расчет регулятора по завышенным данным ведет к снижению быстродействия системы, а необоснованное занижение – к потере устойчивости. Применительно к каналу регулирования температуры зерна (JТ – JЗ) обоснованным является выбор постоянных времени передаточной функции на основе информации о затухании переходных процессов, обусловленных теплоинерционными свойствами зернового слоя. Из полученных данных их можно принять равными Т1=4,9–6,1 мин, Т2=2,3–3,1 мин. Причем, меньшие значения соответствуют большим значениям W и w.
Неравномерность W и JЗ в нижнем горизонтальном сечении сушилки оценили по их отклонениям от средних значений. Разброс W в отдельных точках сечения достигают ±2,5%, а JЗ – ±7°С, что превышает агротехнический допуск. Неодинаковый нагрев зерна обусловливает необходимость построения многоточечной системы контроля его температуры.
Неоднозначность приращения JЗ при изменении W и w (см. табл. 2, 3 и рис. 2) подтверждает, что в горизонтальном сечении невозможно заранее определить место, в котором на всех режимах наблюдался бы его максимальный нагрев. Это обусловливает необходимость применения поисковых алгоритмов обнаружения зон максимального нагрева.
С учетом полученных данных разработана система [11-14] (рис. 4). Она содержит камеру сушки 1 с устройством 2 для регулирования экспозиции. Теплоноситель из теплогенератора 3, подается в сушилку через диффузор 4, а удаляется из нее вентилятором через диффузор 5. Регулирование температуры теплоносителя осуществляется регулирующим органом 6, а скорости газа в зерновом слое – регулирующим органом 7. Стабилизация теплового режима осуществляется двумя независимыми контурами – регулирования температуры и скорости теплоносителя. Каждый из контуров содержит датчик 12 (13), задатчик 14 (15) и элемент сравнения 16 (17), который через регулирующий прибор 18 (19) соединен с регулирующим органом 6 (7). Одновременная стабилизация температуры и массовой подачи теплоносителя обеспечивает стабилизацию подачи теплоты в камеру сушки.
Система регулирования температуры зерна включает датчики 8, блок селекции 9, выделяющий максимальный сигнал, задатчик 10 и элемент сравнения 11, сигнал рассогласования которого через корректирующий элемент 20 определяет задание подчиненному контуру регулирования температуры теплоносителя. Система обеспечивает распределенный контроль и адаптивное регулирование температуры зерна, что повышает ее точность и интенсивность сушки.
Список литературы:
- Андрианов Н.М. Оценка статистических характеристик потока зернового вороха, поступающего в сушилку / Н.М. Андрианов, С.К. Манасян и др. // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 2. – С. 20-22.
- Андрианов Н. М. Контроль и регулирование температуры зерна в шахтных сушилках / Н.М. Андрианов, Шуньчи Мэй и др. // Тракторы и сельхозмашины. 2014. № 8. – С.9-13.
- Андрианов Н.М. Особенности работы зерновых сушилок // Техника в сельском хозяйстве. 2006. № 4. – С. 9-12.
- Андрианов Н.М. Идентификация шахтной зерносушилки в условиях нормальной работы / Н.М. Андрианов, Шуньчи Мэй // Фундаментальные исследования. 2015. № 2 (часть 16). – С. 3459-3465.
- Андрианов Н. М. Повышение эффективности функционирования зерновых сушилок // Современные наукоемкие технологии. 2004. № 2. – С. 175-177.
- Андрианов Н. М. Совершенствование технологического процесса в шахтной зерносушилке // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2004. № 7. – С. 7-9.
- Андрианов Н. М. Регулирование тепловых режимов в сушилках с гравитационным движущимся слоем / Н.М. Андрианов, А.Д. Галкин и др. // Тракторы и сельхозмашины. 2014. № 4. – С. 30-33.
- Андрианов Н. М. Исследование шахтной зерносушилки как объекта управления // Успехи современного естествознания. 2004. № 9. – С. 86-91.
- Андрианов Н. М. Обоснование системы стабилизации потока теплоты для зерносушилок шахтного типа / Н.М. Андрианов, Шуньчи Мэй // Фундаментальные исследования. 2014. № 8 (часть 7). – C. 1518-1523.
- Андрианов Н.М. Задание начальных условий и стохастической составляющей математической модели процесса сушки зерновых сушилок / Н.М. Андрианов, Шуньчи Мэй и др. // Ползуновский альманах. 2014. № 2. – С. 30-35.
- Андрианов Н. М. Устройство для контроля и регулирования температуры // Авторское свидетельство SU 1425622. 1988, Бюл. № 35.
- Андрианов Н. М. Способ автоматического регулирования процесса сушки зерна в шахтной зерносушилке и устройство для его осуществления // Патент RU 2018076. 1994, Бюл. № 15.
- Андрианов Н. М. Способ автоматического регулирования процесса сушки зерна и устройство для его осуществления // Патент RU 2135917. 1999, Бюл. № 24.
- Андрианов Н. М. Способ автоматического регулирования процесса сушки зерна и устройство для его осуществления // Патент RU 2157958. 2000, Бюл. № 29.[schema type=»book» name=»СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗЕРНА В ШАХТНЫХ СУШИЛКАХ» description=»На основе экспериментальных данных выполнен анализ динамики процессов регулирования температуры зерна в шахтных сушилках. Установлено, что статические и динамические характеристики сушильной камеры зависят от технологических особенностей рабочего процесса. Для лучшей стабилизации режимов предлагается система регулирования температуры зерна.» author=»Андрианов Николай Михайлович, Мэй Шуньчи, Сюе Юн» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-25″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_31.10.15_10(19)» ebook=»yes» ]