ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ЗЕРНА В ЗЕРНОСУШИЛКАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО

Таким образом, дана обобщенная модель построения и методика настройки математической модели процесса сушки зерна в зерносушилке сельскохозяйственного назначения.

Дальнейшее преобразование преобразования полученной в окончательном виде матема­тической модели (13–14) процесса сушки зерна (данного вида, назначения, состояния) в сушильной камере в виде, наиболее удобном для ана­лиза системы А – матрицы передаточных функ­ций, которая выявит наиболее главные связи по каналам "вход–выход" и из множества возможных постановок оптимизационных за­дач позволит выделить наиболее важную. Получение оптимального управления температурой сушильного агента на входе в сушильную камеру, доставляющим наименьшее зна­чение функционалу производительность сушилки при соответствую­щих ограничениях на основные (фазовые) переменные состояния процесса. Методы реализации имитационных моделей в различных зерносушилках, выбор соответствующих режимных параметров, обоснование технологических приемов, позволяющих достичь качественного характера оптималь­ного режима в существующих конструкциях зерносушилок. Проверка значений выходной вектор–функции качества с точки зрения целевых функционалов.

Полученные имитационные модели и методы их настройки для зерносушилок определенного типа и конструкционных особенностей при сушке зерновой культуры данного сорта и исходного качества могут быть использованы (после идентификации модельных коэффициентов с использованием фактических или опытных данных) для определения эффективных режимов сушки.

В третьем разделе изложена программа экспериментальных исследований и рассмотрены основные показатели процесса сушки зерна, оцениваемые и контролируемые при проведении лабораторных исследований, приведена схема лабораторной установки для сушки зернового материала.

Цель экспериментального исследования процесса сушки зерна заключалась в настройке математической модели процесса сушки зерна, проверке адекватности модели и полученных результатов, а также в сравнении данных опытного и численного эксперимента.

Для экспериментального определения основных параметров зерна: влаж­ности, температуры в процессе сушки при условиях нормального функционирования зерносушилки руководствовались действующими инструкциями, методиками и рекомендациями, утвержденными Министерством сельского хозяйства РФ.

Основные этапы проведенных экспериментальных исследований:

– лабораторные исследования теплофизических характеристик зерна и зерновых слоев различного типа,

– пассивные эксперименты стационарных режимов сушки в условиях нормального функционирования,

– мониторинг процесса сушки зерна в сушилках шахтного и барабанного типов,

– управление наблюдениями протекания процесса сушки зерна в шахтной зерносушилке,

– активные эксперименты стационарных режимов с планированием схемы опытов,

– пассивные эксперименты динамических режимов сушки зерна.

Для определения характера выхода сушилки на режим устано­вившегося состояния процесса и переходного процесса при изме­нении температуры сушильного агента на 5°С провели три группы опытов (в каждой из которых пробы отбирались в указанных точках, изменяли только интервал времени отбора), результаты которых представлены в таблицах 2 и 3.

В первой группе опытов, в силу того, что здесь снимаются параметры состояния нестационарного процесса (причем характер этой нестационарности зависит от условий функционирования зерно­сушилки, организации поточной послеуборочной обработки зерна на пункте – опыты проводились в различных хозяйствах зон повышенного увлажнения) интервал квантова­ния составлял 5 мин. Эти опыты начинали сразу после загрузки сушильной камеры зерновым материалом и включения выпускного ап­парата и продолжали до момента полного обновления материала в сушильной камере (20–60 мин.). На рисунке 4 приведен один из примеров реализации данной серии опытов для шахтной зерносушилки и его численное моделирование на основе имитационной модели (11).

Во второй группе опытов (которую начинали после выхода сушилки на установившийся режим) изучали динамику процесса сушки в стационарном режи­ме, t =10 мин. Некоторые результаты этих опытов приведены на рисунке 5.

В третьей группе опытов, – после того как сушилка вышла на установившейся режим работы, определяли динамические харак­теристики процесса сушки: передаточные функции, частотные ха­рактеристики, переходные процессы, – методом типовых возмущений на входе системы (пробы отбирали через t =5 мин.)

Сравнение их с аналогичными характеристиками, полученными в результате обработки статистической информации о процессе сушки (,,,) в условиях нормального функционирова­ния сушилки, а также с расчетными моделями дает приемлемые для практики результаты.

Перед началом каждого опыта определяли начальные условия – отбирали пробы в ука­занных выше точках, а после его завершения проверяли влажность зерна на выходе сушилки через t =5 мин.

Определяли также относительную влажность окружающего воздуха и отработанного сушильного агента (первую – перед началом и в конце опыта, вторую – через t =15 мин.).

Приготовление образцов различной температуры производили следующим образом. Образцы с различной влажностью нагревали в сушильном шкафу. При этом во избежание потери влажности, мешки запаивали. Образцы нагревали до 60°С с интервалом 5°С. Контроль их температуры производили ртутным термометром одновременно с замерами С, , . Для определения теплофизических характеристик зерна (а также слоя зернового материала) провели эксперименты на лабораторной установ­ке.

Рисунок 4 – Выход процесса сушки в шахтной зерносушилке на установившееся состояние и переходные процессы при в момент времени 1 – 3–й ряд коробов; 2 – 7–й ряд; 3 – 14–й ряд;

Рисунок 5 – Стационарные режимы сушки зерна в шахтной (1) и барабанной (2) сушилках (а – влажность, б – температуры)

Таблица 2 – Результаты экспериментальных исследований процесса сушки

зерна в сушилке СЗШ – 16 при нормальных условиях функционирования

Вид зерна	Целевое назначение	Степень открытия выгрузного аппарата, град.	Температура сушильного агента на входе в подводящий диффузор		Влажность зерна на входе в сушилку		Температура на входе в сушилку
			Выходе из отводящего диффузора		Выходе из сушильной камеры		Выходе из сушильной камеры
1. Овес	Семенное	16,5	63,6/32,6	2,1/3,0	20,7/15,0	1,6/0,9	15,3/37,8	0,5/1,8
2. Ячмень	Семенное	15	71,0/34,7	2,6/2,0	19,8/14,5	2,4/1,6	20,3/39,6	2,1/2,3
3. Ячмень	Семенное	12	58,0/30,8	2,9/3,1	23,4/15,9	2,5/1,7	10,7/33,8	0,8/1,7
4. Пшеница	Семенное	25	92,1/50,4	9,2/3,5	23,8/16,9	2,4/2,0	20,5/54,8	2,2/7,1
5. Пшеница	Семенное	30	95,6/41,5	10,1/2,2	22,3/14,3	1,9/1,2	10,8/45,9	0,6/5,3
6. Ячмень	Семенное	14	53,0/33,4	5,9/3,2	18,7/13,8	1,9/1,1	16,1/42,3	1,4/2,5

Таблица 3 – Результаты экспериментальных исследований процесса

сушки зерна в шахтной сушилке

Вид зерна	Режим сушки	Скорость движения зерна	Температура сушильного агента		Влажность зерна		Температура зерна
			на входе	на выходе	на входе	на выходе	на входе	на выходе
1. Рожь «Енисейка»	Семенной	0,0003	60	36	20,5	14,4	12	38
2. то же	Семенной	0,00038	65	38	22,7	15,9	17	40
3. то же	Продовольственный	0,0007	90	46	25,3	18,5	15	46
4. то же	Фуражный	0,00073	100	59	28,4	20,8	16	60

Она содержит следующую аппаратуру: прибор ИТХ9П, измерительный блок (включающий стабилизированные источники мостовой измерительной схемы и подогревной обмотки зонда, измерительную схему и усилитель), вторичного регистрирующего прибора. В качестве теплового зонда в ИТХ9П используется полу­проводниковый цилиндрический зонд. Погрешность прибора не превышает 5%. Время теплового воздействия 4–5 мин., чувствительность прибора по температуре 1°С. Измерительный блок объединяет стабилизированные источники мостовой измерительной системы и подогревной обмотки зонда. Кроме того, в состав прибора входят измеритель­ная схема и усилитель. Опыты проводили по следующей методике. Зерновой материал увлажняли в специально приготовленных полиэтиленовых мешках в течение трех суток, перемешивание производили два раза в сутки. По каждой культуре (пшеница, рожь, овес, ячмень) приготовили по одиннадцать образцов с влажностью от 10% до 35%. Некоторые результаты представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Зависимость теплофизических показателей слоя зерновых культур (тип слоя 1) от влажности (а – температуропроводность, – теплопроводность; 1– ячмень, 2– рожь, 3 – овес)

Характер изменения температуропроводности слоя зерна в зависимости от влажности сложен. В области повышенных значений влажности (до 28%) c уменьшением W снижаются значения а, что можно объяснить тем, что скорость изменения температуры в воздухе выше, чем в воде и влага в слое с увеличением ее содержания насыщает поры и выступает на поверхности, что способствует уменьшению скорости температуры. В области повышенных значений влажности (от 28%) значение а практически постоянно, так как влага из материала выступила в таком количеств, при котором скорость изменения температуры уже не уменьшается, а возрастает только тепловой поток.

Характер изменения теплопроводности можно объяснить различными формами связи влаги с материалом. При влажности зерна до 30% влага заполнят мелкие поры, и после их насыщения переходит в межзерновое пространство; при этом и меньше, так как в поры материала вместо воды входит воздух, теплопроводность которого значительно меньше, чем жидкости. У материала с высокой влажностью происходит резкое увеличение за счет поверхностной влаги, так как влага выступает на поверхность отдельных зерен и образует водяные тепловые «мостики» в местах контакта частиц материала.

Используя критериальные уравнения, связывающие теплофизические параметры зернового слоя с теплотехническими величинами, получили значения коэффициента теплообмена между зерновым материалом и сушильным агентом.

В программу экспериментальных исследований входило проведение численного эксперимента на ЭВМ с использованием программных комплексов Data Fit, MathLab, Maple, приложением Excel из пакета прикладных программ Microsoft Office. Для реализации численного эксперимента была составлена программа с применением языка программирования «Фортран». Анализ его результатов позволил доказать высокую степень адекватности имитационной модели, обладающей свойствами грубости (нечувствительности к малым изменениям входных возмущающих параметров) и гибкости (возможности описывать различный характер возможного изменения параметров состояния) и обосновать систему мониторинга процесса сушки зерна для управления в режиме реального времени.

Результаты натурных, лабораторных и численных экспериментов подтвердили возможность идентификации имитационных моделей для их использования при выборе эффективных режимов сушки.

В четвертом разделе приведены результаты алгоритмизации и использования имитационных моделей процесса сушки зерна.

Проведено численное моделирование стационарных режимов (рисунок 7) сушки зерна на основе нелинейных систем уравнений (7–8), приведенных к виду:

,		(15)
.		(16)
а)	б)
Рисунок 7 – Результаты численного эксперимента на основе имитационной модели при различных наборах () коэффициентов:

Дается определение характера и степени взаимного влияния основных параметров процесса. Установлены корреляционные связи между параметрами процесса. Диапазон их изменения:

– шахтная зерносушилка

(17)

– барабанная зерносушилка

(18)

Вероятность сохранения допусков, установленных агротехническими требованиями на выходные параметры , может быть определена по известной методике, предложенной профессором А.Б. Лурье. Для этого использовали стохастическую составляющую математической модели (задающую пределы изменения параметров модели в предположении, что их среднее значение описывается ее детерминированной составляющей). Учитывая, что выходной процесс по влажности зерна может быть описан нормальным законом распределения :

.

(19)

Установлены предельные значения дисперсий начальной влажности зерна, обуславливающие удовлетворение агротехнических требований с вероятностью 0,9:

– для шахтной зерносушилки

(20)

– для барабанной зерносушилки

(21)

Приводится построение вход – выходных моделей в виде передаточных функций, амплитудно – частотных фазовых характеристик и переходных процессов. Проводится сравнение теоретических и экспериментальных характеристик, дается аппроксимация передаточных функций для шахтной и барабанной зерносушилок.

В результате численного моделирования на основе линеаризованной математической модели была разработана методика построения «вход–выходных» описаний для данного класса систем. Результаты использования данного алгоритма для шахтных и барабанных зерносушилок приведены на рисунке 8а, б, в, г, д.

а)	б)
в)	г)
д)	е)