Схема автоматического регулирования продолжительности выпечки с коррекцией по температуре во второй зоне пекарной камеры (стр. 16 из 24)
Допустим, что колебания температуры носят периодический характер. Тогда эти колебания можно разложить в ряд Фурье и выделить постоянную составляющую. Коэффициент обратной связи по температуре kотм следует подбирать таким образом, чтобы сигнал задания температуры был равен сигналу, пропорциональному постоянной составляющей температуры. Тогда сигнал рассогласования будет пропорционален изменению гармонических составляющих температуры.
Коэффициент усиления регулятора температуры настраивается так, что при изменении температуры на 10˚ скорость вращения изменялась на 10% номинальной скорости электродвигателя (14.6 с-1), что соответствует напряжению задания скорости ≈1В.
Допустим, выпекается хлеб «Злаковый». Температура во второй зоне пекарной камеры (табл. 1.2) изменяется в пределах 260…280 ˚С. Усредним значение изменения температуры (270 ˚С) и будем считать, что эта температура соответствует постоянной составляющей. Амплитуду первой гармоники примем 10 ˚С. Тогда при сигнале задания температуры 10В (соответствует 270˚С) коэффициент обратной связи по температуре будет:
.Сигнал рассогласования между заданием и обратной связью
.Тогда коэффициент усиления РТм:
.Т.к. при увеличении температуры скорость вращения двигателя должна увеличиваться, а при уменьшении – уменьшаться, то выход РТ должен быть инверсным. Принимаем kТ=-2.7.
Моделирование переходных процессов в электроприводе будем производить при помощи математического программного пакета MATLAB и его приложения SIMULINK, позволяющего реализовать структурную схему. Моделирование будем производить для трех режимов:
1. Разгон до максимальной скорости, работа на максимальной скорости и торможение до нуля.
2. Разгон до минимальной скорости, работа на минимальной скорости и торможение до нуля.
3. Разгон до максимальной скорости и коррекция скорости по температуре.
При рассмотрении первых двух режимов необходимо выявить особенности частотного регулирования, способа управления и особенности системы стабилизации момента с обратной связью по току статора. Поэтому выход регулятора температуры для этих режимов обнулен, т.е. коррекция не действует.
При рассмотрении третьего режима необходимо убедиться в работоспособности устройства коррекции температуры.
Рассмотрим первый режим работы. Результаты моделирования представлены в виде графиков (рис. 7.2-7.17). Как видно из рисунка 7.5, в начальный промежуток времени скорость не изменяется и равна нулю. Обычно такой промежуток времени называют запаздывание. Такой вид кривой скорости объясняется несколькими причинами:
1. Нагрузка электропривода реактивная и носит знакопеременный характер, что ухудшает условия пуска.
2. Наличие момента трогания.
3. Некачественная кривая вращающегося момента (рис. 7.4). Наличие колебательности и медленности нарастания момента.
Некачественность кривой момента можно объяснить следующими причинами. Элекромагнитный момент является функцией тока ротора, магнитного потока и скольжения:
М=Ф*I2*cosφ2.
Т.к. все токи и потоки асинхронного электродвигателя взаимосвязаны, то изменение одних приводит к изменению других, и наоборот. В начальный момент времени магнитный поток стремиться достичь своего номинального значения. Из-за взаимосвязи потока с токами статора и ротора это процесс носит колебательный характер, что в свою очередь вызывает колебания токов статора и ротора (рис. 7.6), что в конечном итоге вызывает колебание момента. Если какими-то либо причинами удалось бы создать начальный магнитный поток на уровне номинального, то кривая момента при пуске имела бы прямоугольный вид. Это предположение косвенно подтверждается на рис. 7.4, где динамический момент при торможении постоянный. Таким образом, напрашивается вывод: чтобы получить хорошие переходные процессы (прямоугольный вид динамического момента, линейную скорость и т.д.), необходимо регулировать магнитный поток и ток статора независимо друг от друга.
Рассмотрим второй режим. Из рис.7.19 – 7.24 видно, что переходные процессы в электроприводе схожи для двух режимов. Разница состоит в том, что во втором случае увеличилась колебательность. На мой взгляд, это объясняется тем, что увеличилось соотношение U/f, т.к. на верхней скорости выход регулятора момента был ограничен предельным значением.
Анализируя работу электропривода в первых двух режимах, можно сделать выводы:
1. Ускорение при пуске не выходит за границы допустимого значения [адоп]=0.4м/с2.
2. Электропривод работает устойчиво во всем диапазоне регулирования.
3. Пусковой момент не превышает 180% от номинального, что соответствует режиму работы ПЧ VLT5000.
4. Тормозной момент не превышает 160% от номинального, что соответствует мощности тормозного резистора.
Рассматривая третий режим работы (рис. 7.25 –7.26), можно сделать вывод что скорость движения конвейера изменяется по корректирующему сигналу почти мгновенно. Можно сказать, что запаздывание отсутствует.
7.2 Определение показателей переходных процессов
К основным показателям относятся время регулирования, колебательность, перерегулирование.
Показатели качества переходных процессов определим для режимов работы 1 и 2 для кривой скорости.
Для режима работы 1 (рис 7.5):
Время регулирования: tр=1 с.
Перерегулирование и колебательность отсутствуют.
Определим показатели качества переходных процессов для режима работы 2 (рис. 7.19):
Время регулирования: tр=0.55 с.
Перерегулирование:
.Колебательность: δ=4.
Таким образом, можно сделать вывод, что система электропривода имеет приемлемые показатели качества переходных процессов.
8. ВЫБОР И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ УСТАНОВКИ
8.1 Формализация условий работы установки
При автоматизации печей объектом управления является собственно пекарная камера, в которой происходят преобразования заготовок теста в готовое изделие. Задача автоматического управления пекарной камерой заключается в том, чтобы, учитывая свойства исходного продукта—теста и особенности механизма процесса выпечки, устанавливать такие параметры среды и условия тепло- и влагообмена в пекарной камере, при которых процесс выпечки будет протекать наиболее экономично, а готовый продукт будет иметь высокое качество и соответствовать требованиям ГОСТа [19].
Согласно теории тепло- и массообмена, главным физическим фактором, определяющим процесс выпечки, является процесс переноса теплоты и влаги в тестовой заготовке, который, как указывает А. С. Гинзбург, происходит в два периода.
В первый период выпечки влага в основном в виде жидкости, перемещается от поверхностных слоев к центральным. В этот период за счет перемещения влаги внутрь образуется корка изделия. Наряду с этим в первом периоде протекают физико-химические процессы, в результате которых влага в тесте-мякише связывается клейстеризующимся крахмалом.
Во втором периоде выпечки происходит дальнейшее формирование корки выпекаемого изделия за счет интенсивного испарения влаги при углублении поверхности испарения. В этот период влажность мякиша изделия почти не изменяется, а испарение происходит главным образом на поверхности испарения, являющейся границей корки и мякиша.
В соответствии с представлениями о различных периодах выпечки в пекарной камере различают следующие зоны увлажнения: первого периода выпечки, второго периода выпечки.
В зоне увлажнения должны быть созданы условия для обеспечения интенсивного влагообмена между окружающей средой н поверхностью изделия, в результате которого происходит поглощение пара массой теста и конденсация его на поверхности тестовой заготовки. Поэтому основным условием, которое должно быть создано в зоне увлажнения, является высокое насыщение среды паром при минимальной вентиляции камеры и пониженной интенсивности теплообмена, чтобы достичь здесь относительной влажности порядка 70—80%. Чем ниже интенсивность теплообмена в зоне увлажнения, тем медленнее температура поверхности изделия достигает значения точки росы и тем длительнее период конденсации. Это позволяет снизить насыщение среды паром при сохранении хорошего качества изделий.
После зоны увлажнения интенсивность теплообмена в пекарной камере резко повышается с целью передачи изделию требуемого количества теплоты. На увлажненной поверхности изделия происходит клейстеризация крахмала при избытке влаги, в результате чего образуется слой крахмального клейстера, закрывающий поры и подготавливающий поверхность изделия для последующей тепловой обработки. Повышение температуры этого слоя обеспечивает оформление корки, что является одним из основных качественных требований, определяющих внешний вид изделия.
В первый период выпечки важно передать изделию большее количество теплоты также и для образования необходимой структуры изделия. В этот период происходит значительный подъем изделия, обусловленный расширением нагревающихся газов в массе теста и зависящий от интенсивности прогрева изделия. При интенсивном прогреве поверхностных слоев в выпекаемом изделии создается значительный температурный градиент, обусловливающий соответствующее повышение эффекта термовлагопроводности и увеличение количества влаги, перемещающейся внутрь изделия, благодаря чему уменьшается упек.