СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗЕРНА В ШАХТНЫХ СУШИЛКАХ

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 J_З(t) и влажностью W(t) зерна, их начальные значения J_З0(t) и W₀(t) определяют условия сушки, а температура теплоносителя J_Т(t) и экспозиция ω(t) – режим обработки.

Рисунок 1. Структурная схема сушилки

Установлено, что входные переменные J_З0(t) и W₀(t) изменяются стохастически (табл. 1), что возбуждает колебания выходных переменных J_З(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) – J_З(t) и W(t) – J_З(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 J_З0(t) – J_З(t) не обнаружено, но обнаружена тесная связь процессов W₀(t) – J_З(t), чем подтверждается, что основным возмущением сушки являются колебания W₀(t).

Наибольшие значения коэффициента корреляции процессов W(t) – J_З(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 J_З оказывает температура теплоносителя J_Т, а на влажность W экспозиция [7, 8], значение которой определяется частотой колебаний ω выгрузного аппарата. Изменение ω неоднозначно влияет на J_З (рис 2), из чего следует, что ее нельзя использовать для управления температурой J_З. Таким образом, в системе J_Т 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 J_З в зависимости от частоты колебаний выгрузного аппарата: а – при W₀₁=18%, W₀₂=22%, W₀₃=26%; б – при J_Т1=70°C, J_Т2=100°C, J_Т3=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 J_З. Скорость изменения J_З 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 J_Т(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 J_З 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 (J_Т – J_З) 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 J_З в нижнем горизонтальном сечении сушилки оценили по их отклонениям от средних значений. Разброс W в отдельных точках сечения достигают ±2,5%, а J_З – ±7°С, что превышает агротехнический допуск. Неодинаковый нагрев зерна обусловливает необходимость построения многоточечной системы контроля его температуры.

Неоднозначность приращения J_З 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:

1. 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.
2. 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.
3. Андрианов Н.М. Особенности работы зерновых сушилок // Техника в сельском хозяйстве. 2006. № 4. – С. 9-12.
4. Андрианов Н.М. Идентификация шахтной зерносушилки в условиях нормальной работы / Н.М. Андрианов, Шуньчи Мэй // Фундаментальные исследования. 2015. № 2 (часть 16). – С. 3459-3465.
5. Андрианов Н. М. Повышение эффективности функционирования зерновых сушилок // Современные наукоемкие технологии. 2004. № 2. – С. 175-177.
6. Андрианов Н. М. Совершенствование технологического процесса в шахтной зерносушилке // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2004. № 7. – С. 7-9.
7. 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.
8. Андрианов Н. М. Исследование шахтной зерносушилки как объекта управления // Успехи современного естествознания. 2004. № 9. – С. 86-91.
9. 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.
10. 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.
11. Андрианов Н. М. Устройство для контроля и регулирования температуры // Авторское свидетельство SU 1425622. 1988, Бюл. № 35.
12. Андрианов Н. М. Способ автоматического регулирования процесса сушки зерна в шахтной зерносушилке и устройство для его осуществления // Патент RU 2018076. 1994, Бюл. № 15.
13. Андрианов Н. М. Способ автоматического регулирования процесса сушки зерна и устройство для его осуществления // Патент RU 2135917. 1999, Бюл. № 24.
14. 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» ]