Система управління виробництвом мінеральних добрив у грануляторі із псевдозрідженим шаром

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система управління виробництвом мінеральних добрив у грануляторі із псевдозрідженим шаром

Корнієнко Богдан Ярославович, доктор технічних наук, професор, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", 03056, м. Київ

Нестерук Андрій Олександрович, аспірант, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", 03056, м. Київ



Анотація

Одним із найпоширеніших методів виготовлення мінеральних добрив є грануляція. Добрива у вигляді гранул мають ряд переваг перед звичайними добрива у вигляді порошку чи рідини, а саме, легкість у транспортуванні, добре засвоюються та менше піддаються вивітрюванню із ґрунту, зручні у застосування. Щоб отримати тверді частинки з рідкого вихідного матеріалу такого як: розчини, емульсії чи суспензії, застосовують такі процеси як: кристалізація, грануляція, сушка розпиленням.

Для отримання високоякісних гранул з низьким вмістом вологи розроблена система управління температурою. Досліджено процес гранулювання та зневоднення, основні фактори, що впливають на виробництво якісних добрив, а саме: температура нагрітого повітря, температура гранул, вологість гранул, в'язкість та концентрація.

Відмічено, що один із процесів, який часто використовується у фармацевтичній галузі, галузі виробництва продуктів харчування та добрив - це грануляція у псевдозрідженому шарі. Це дозволяє одержувати без пильні, вільно текучі частинки з рідкої сировини: суспензія (або розчин) розпорошується на частинки в технологічній камері і завдяки висушуванню - шар псевдозріджується гарячим повітрям - рідина випаровується. Тверда речовина, що залишилась створює новий шар твердого матеріалу на частинках. гранула добриво зневоднення

На основі математичної моделі отримано передавальну функцію гранулятора за допомогою програмного комплексу Matlab, розроблено системи управління на базі ПІ- та ПІД-регуляторів, які мають виводити та підтримувати температуру гранул на заданому рівні. Їх порівняння проводиться для визначення системи, яка краще справляється із завданням. У виробництві рекомендується використовувати систему управління з PID-регулятором, оскільки це дозволяє зменшити витрату газу, що використовується в процесі зневоднення, за рахунок більш швидкого досягнення заданої температури гранул.

Ключові слова: ситема, управління, гранулювання, псевдозріджений шар, мінеральні добрива.



Korniyenko Bogdan Yaroslawowytsch, Doctor of Technical Sciences, Professor, National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", 03056, Kyiv

Nesteruk Andrii Olexandrovitch, postgraduate, National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", 03056, Kyiv

CONTROL SYSTEM FOR THE PRODUCTION OF MINERAL FERTILIZERS IN A GRANULATOR WITH A FLUIDISED BED

Abstract. One of the most common methods of making mineral fertilizers is granulation. Fertilizers in the form of granules have a number of advantages over conventional fertilizers in powder or liquid form, namely, ease of transportation, well absorbed and less susceptible to weathering from the soil, easy to use. To obtain solid particles from liquid starting material such as solutions, emulsions or suspensions, the following processes are used: crystallization, granulation, spray drying.

A temperature control system has been developed to ensure the production of high-quality granules with low moisture content. The study of the granulation and dehydration process, the main factors influencing the production of quality fertilizers, namely: temperature of heating air, temperature of granules, moisture content of granules, viscosity of the binder and its concentration.

It is noted that one of the processes that is often used in the pharmaceutical, food and fertilizer industries is fluidized bed granulation. This allows to obtain dust-free, free-flowing particles from liquid raw materials: the suspension (or solution) is sprayed on the particles in the process chamber and due to drying - the layer is fluidized with hot air - the liquid evaporates. The remaining solid creates a new layer of solid material on the particles.

Based on the mathematical model, the transfer function of the granulator was obtained with the help of the Matlab software package, information control systems based on PI and PID controllers were developed, which should output and maintain the temperature of the granules at a given level. Their comparison is made to determine the system that better copes with the task. It is recommended to use a control system with a PID regulator in the production, because it allows to reduce the consumption of gas used during the dehydration process, due to the faster achievement of the set temperature of the granules.

Key words: system, control, granulation, fluidized bed, mineral fertilizers.



Постановка проблеми. Україна є однією із найбільших аграрних країн Європи. Український агросектор є провідною галуззю економіки з добре розвиненою структурою бізнесу та великими перспективами інвестування. Основну частку ринку складає вирощування зернових культур і тому важливим питанням є забезпечення зростання врожайності зернових культур. Для підвищення врожайності, необхідно підвищити кількість поживних речовин у ґрунті. Це досягається внесенням мінеральних добрив.

Одним із найпоширеніших методів виготовлення мінеральних добрив є грануляція. Добрива у вигляді гранул мають ряд переваг перед звичайними добрива у вигляді порошку чи рідини, а саме, легкість у транспортуванні, добре засвоюються та менше піддаються вивітрюванню із ґрунту, зручні у застосування.

Щоб отримати тверді частинки з рідкого вихідного матеріалу такого як: розчини, емульсії чи суспензії, застосовують такі процеси як: кристалізація, грануляція, сушка розпиленням.

Кристалізація і грануляції є складними динамічними процесами, що включають кілька фаз (рідина і тверда речовина), тепло - і масообмін між цими фазами, а також процеси формування частинок.

Один із процесів, який часто використовується у фармацевтичній галузі, галузі виробництва продуктів харчування та добрив - це грануляція у псевдозрідженому шарі. Це дозволяє одержувати без пильні, вільно текучі частинки з рідкої сировини: суспензія (або розчин) розпорошується на частинки в технологічній камері і завдяки висушуванню - шар псевдозріджується гарячим повітрям - рідина випаровується. Тверда речовина, що залишилась створює новий шар твердого матеріалу на частинках.

Крім того, грануляція розпиленням може проводитися як в періодичному, так і в безперервному режимі, процеси сушіння і утворення частинок можуть поєднуватися і виконуватися одночасно в одному пристрої. Конструкція апаратів для процесу грануляції проста, та через високі показники тепло перенесення та масо перенесення з'являється можливість спроектувати компактні установки для грануляції в порівнянні з іншими технологіями. У промислових масштабах, для процесу грануляції необхідна велика кількість енергоресурсів, а саме природнього газу, який використовується для нагрівання повітря у технологічній камері. Зменшення використовуваного газу для процесу грануляції хоча б на 10 - 15% при сталих показниках якості продукту дозволило б значно підвищити ефективність процесу грануляції та значно зменшити витрати на виробництво. Одним із важливих етапів вирішення проблеми - створення математичної моделі процесу, яка повинна коректно відображати всі етапи процесу грануляції.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. Щоб отримати тверді частинки з рідкого матеріалу наприклад розчину, емульсії чи суспензії, існують різні процеси, наприклад кристалізація, грануляція та сушка розпиленням. Вони можуть бути додатково спеціалізовані залежно від характерного ефекту, який використовується для трансформації, наприклад охолодження кристалізації або грануляції розпилення.

Мета статті. Тому завданням дослідження є розробка енергоефективної системи управління процесом грануляції, яка буде підтримувати температуру гранул на заданому рівні на протязі всього процесу, порівняти результати роботи системи управління з різними регуляторами та обрати ту, при яких система управління буде кращою.

Виклад основного матеріалу. Кристалізація і грануляції є складними динамічними процесами, що включають в себе кілька фаз, таких як рідина або тверда речовина, теплообмін та масообмін між цими фазами, а також процеси формування частинок [1-7].

Один із процесів, який часто використовується у фармацевтичній галузі, галузі виробництва продуктів харчування та добрив - це грануляція у псевдозрідженому шарі.

Цей процес дозволяє одержувати безпильні, вільно текучі частинки з рідкої сировини - суспензії, яка розпорошується на частинки в технологічній камері і завдяки висушуванню - шар псевдозріджується гарячим повітрям - рідина випаровується. Тверда речовина, що залишилась створює новий шар твердого матеріалу на частинках. Спрощена схема цього процесу грануляції показана на рис. 1.

Рис. 1 Спрощена схема процесу грануляції в грануляторі із псевдозрідженомим шаром

Грануляція - це процес агломерації тонкодисперсних порошкових матеріалів для отримання більш крупніших гранул, шляхом сухої грануляції та мокрої грануляції, з яких процес вологої грануляції відбувається шляхом додавання в порошок сполучного розчину є одним з найпоширеніших способів отримання гранул. Процес вологої грануляції виконується за допомогою різного технологічного обладнання, включаючи барабани, киплячі шари та змішувачі (рис. 2).



Із наведених вище способів мокрої грануляції, які показані на рис. 2 грануляційним розпиленням із псевдозрідженим шаром часто використовуваний на добре відомий спосіб отримання гранул шляхом розпилення сполучного розчину по твердому порошку в псевдозрідженому шарі. Основна перевага цього методу полягає в тому, що декілька етапів можна виконувати, порівняно з іншими методами, в одному і тому ж пристрої, включаючи попереднє змішування твердого порошку, грануляцію з відповідним рідким сполучним розчином з подальшим сушінням гранул до заздалегідь встановленого рівню вологості. Крім того, ця методика має ряд переваг в порівнянні з іншими методами, наприклад, висока швидкість теплопередачі та масопередачі, рівномірний розподіл сполучного розчину та контроль частинок [8-12]. Зважаючи на вищезгадані переваги, процес грануляції у грануляторі із псевдозрідженим шаром широко застосовується у фармацевтичній, харчовій та хімічній промисловості і має довгу історію понад 40 років. У наступні десятиліття процес грануляції псевдозрідженим шаром досліджували ширше, що призвело до появи різних математичних моделей що моделювали даних процес.

Грануляція - це важливий процес у ряді галузей промисловості, включаючи сільськогосподарські хімікати, фармацевтичні препарати, переробку мінеральних речовин, харчові продукти та миючі засоби.

При практичному застосуванні процесу грануляції (утворення частинок) виникає наступна проблема: частинки не є однорідними, тобто відрізняються за своїми властивостями, наприклад, за розміром, формою або кольором. Це означає, що частинки порошку мають розподіл за своїми властивостями, і тому продукт також має властивість розподілу. Враховуючи специфікацію товару, тоді потрібно, щоб виготовлений продукт задовольняв встановлені специфікації, що приймаються замовником.

Специфікації продукту можуть бути дуже суворими, наприклад, в процесах з дорогою сировиною або коли продукт являє собою небезпечну для життя речовину, специфікації продукту сягаю досить високого рівню. Необхідність гарантування, що продукт відповідає встановленим специфікаціям, мотивує використання систем управління процесами в процесах виготовлення частинок. Сьогодні практично впроваджені системи управління в основному концентруються на регулюванні процесу тепло та массоперенесення (наприклад, вологості і температури продукту) і інтегральних значеннях(наприклад, загальної маси продукту) або середніх значеннях (наприклад, середнього розміру частинок) частинок [13 -17]. Хоча схеми управління здебільшого задовольняють вимоги, які перед ними поставленні, вони не можуть гарантувати, що розподіл властивостей в цілому відповідає специфікаціям. Це означає, що в світлі зростаючої суворості специфікацій продуктів системи контролю виробництвом повинні бути покращені.

Мета статті - розробка енергоефективної системи управління процесом грануляції, яка буде підтримувати температуру гранул на заданому рівні на протязі всього процесу, порівняти результати роботи системи управління з різними регуляторами та обрати ту, при яких система управління буде кращою.

Виклад основного матеріалу. Основою для проектування контролера є динамічна модель процесу. В принципі, чим точніший опис процесу, тим більше можна сказати про результат процесу. Але надмірна кількість деталей може також різко ускладнити процес проектування контролера, тому в певний момент робляться припущення, які згодом спрощують проектування контролера без шкоди для точності результату процесу.

На процес гранулювання в грануляторі великий вплив мають такі параметри, як температура гранул, температура рідини псевдозрідженого шару та вологість гранул. У створеній математичній моделі велика увага приділяється контролю за цими параметрами, щоб система контролю забезпечувала ефективне використання ресурсів і високу якість продукції. Математична модель повинна відповідати наступним вимогам:

- Температура, в якій працюватиме гранулятор повинна бути в межах від 360 К до 480 К;

- Початкові значення для параметрів вологості гранул, температури гранул та температури повітря у яких гранулятор починає роботу повинні бути 90 - 92%, 358-360 К та 470-475 К, відповідно;

- Граничні значення для значень вологості - вологість гранул на виході повинна бути в межах від 15% до 25%, температура гранул - температура гранул не повинна перевищувати 360-380 К, температура повітря - не повинна бути поза межами температурного діапазону.

Вміст вологи в гранулах, температура повітря всередині гранулятора, яка використовується для процесу гранулювання, і температура гранул тісно пов'язані між собою, тому що якщо температура повітря перевищує температурний діапазон, відбудеться надмірне нагрівання гранул і критичне зниження вологості гранул. В результаті надлишок енергії буде витрачатися на нагрівання повітря, що не є енергоефективним, а зменшення кількості вологи в пелетах може призвести до їх крихкості, що негативно позначається на процесі транспортування та використання мінеральних добрив, тому важливо, щоб математично розроблена модель відповідала вимогам.

Під час створення математичної моделі було зроблено наступні припущення:

- зміни параметрів псевдорозрідженого шару відбуваються вчасно, без урахування радіального компоненту та зміни висоти;

- обмін температур між повітрям, частинками та краплями є конвективними;

- зміни в температурі та вологості по ширині шару істотно не впливають на формування гранул, тому ми можемо цим знехтувати;

- псевдорозріджений шар є добре змішаним, немає стандартних зон. Розроблена математична модель описує процеси дегідратації та грануляції у

вигляді системи трьох диференціальних рівнянь. Рівняння (1) описує зміну температури повітря, що використовується для нагріву шару та утворення гранул:

де р - щільність гранул, kg/m3; C - теплова ємність гранул, J/(kg-K); Та - температура охолодження, K; V_a - швидкість охолодження, m/s; є - пористість потоку гранул; а - коефіцієнт теплового обміну, 1/s; a - коефіцієнт горизонтальної теплової провідності, m²/s; F - площа газорозподільної решітки, m²; T_s - температура гранул, K; Gp - витрата кінцевого розчину, m³/s; Xp - концентрація кінцевого розчину; r - теплота пароутворення, J/kg; C_a - специфічна температура повітря, J/(kg-K); x - висота пристрою, m; у - ширина пристрою, m.

Рівняння (2) описує зміну температур отриманих у процесі грануляції:



де Vg - швидкість розпилення розчину, m/s; q - нагрівання, яке утворилося під час кристалізації, J/kg.

Рівняння (3) описує зміну вологості гранул:

де Wg - рівень вологості гранул; D - коефіцієнт дифузії, m²/s; Я - коефіцієнт переходу маси, kg/m²; т1, т2 є вагами.

Математична модель, розроблена у вигляді рівнянь (1) - (3), враховує гідродинаміку псевдозрідженого шару, а також кінетику процесів грануляції та дегідратації.

Система управління виробництвом гранул в більшій мірі залежить від контролю та управління температурним режимом всередині гранулятора, а саме від температури гранул та температури повітря. Тому необхідно розробити систему управління яка буде за короткий час виводити температуру гранул на заданий рівень на підтримувати її на протязі всього процесу грануляції, для забезпечення високої якості продукту з низьким вологовмістом. Для реалізації такої системи управління найбільше підходить система управління зі зворотнім зв'язком та регулятором.

Для системи управління гранулятором, керування буде здійснюватися по каналу керування температура гранул - вологовміст. Для досягнення необхідного відсотку вологості, потрібно температуру гранул вивести та тримати на встановленому рівні на протязі всього процесу грануляції.



Рис. 3 Залежність вологовмісту від температури гранул

Як можна побачити на рис. 3, зі збільшенням температури гранул їх вологовміст зменшується, що і відповідає реальному процесу.

Для отримання передаточної функції з розробленої математичної моделі, необхідно провести лінеаризацію моделі, але так як в моделі присутні похідні по ширині та величині апарату із псевдозрідженим шаром, то виконання лінеаризації стає досить складною та трудомісткою задачею. Існує ще один спосіб отримати передавальну функцію системи - System Identification Toolbox (SIT), що входить до складу пакету Matlab. SIT дає можливість отримати динамічну модель системи на основі експериментальних даних входів та виходів системи.

На вхід та вихід системи подамо значення температури гранул та вологовмісту, відповідно, отриманих в процесі моделювання роботи гранулятора розробленою математичною моделлю на основі даних які використовуються в грануляторах на виробництві.

На рис. 4, побудовані графіки по експериментальним даним.



Рис. 4 Залежності вологовмісту та температури гранул від часу в SIT

Отримана передавальна функція має вигляд:

З графіку перехідної характеристики на рис. 5 видно, що передавальна функція стійка, та її можна використовувати для побудови системи управління.



Рис. 5. Графік передавальної функції об'єкта управління

Лінійний пропорціонально-інтегральний регулятор із зворотнім зв'язком є одним із найбільш універсальних та часто використовуваних регуляторів. Процес проектування даного регулятора досить простий, а висока продуктивність дозволяє використовувати його в різних галузях промисловості.

Враховуючи замкнутий контур управління з одним входом та одним виходом показаний на рис. 6 передавальна функція замкнутого контуру, в якій завдання r подається на керований вихід у визначається як Gry та показана на формулі (5).

де P(s) - передавальна функція об'єкту управління, C(s) - передавальна функція регулятора, що проектується.



Рис. 6 Стандартна конфігурація системи управління зі зворотним зв'язком, яка використовується для проектування пропорційно-інтегральних контролерів зворотного зв'язку

Ідея пропорційно-інтегрального регулятора зворотного зв'язку полягає в обчислення керуючої змінної від помилки регулювання з урахуванням двох паралельних впливів: пропорційна частина обчислює керовану змінну виходячи виключно з поточної помилки керування, тоді як інтегральна частина підсумовує загальну помилку за попередньо визначений часовий горизонт і обчислює керуючу змінну на основі цієї інформації. Пропорційна частина додає динаміки контролера; інтегральна частина додає точністі контролера, оскільки інтеграл помилки зникає лише тоді, коли помилка за часовий горизонт зникає. Обидві частини з'єднані паралельно для обчислення керуючої змінної з помилки керування.

Гнучкий зворотній зв'язок дозволяє виключити надлишкову нерівномірність у перехідному процесі. В залележності від налаштування параметрів регулятора на динамічних властивостей об'єкта керування перехідний процес може бути як коливальним затухваючим так і аперіодичним. Існує залежність між амплітудою перерегулювання та тривалістю перехідного процесу: чим більший час перехідного процесу - тим менша амплітуда перерегулювання і навпаки.

Формула ПІ - регулятора в Matlab має вигляд:



де K_p - значення пропорційної складової, К_і - значення інтегральної складової.

Головне завдання, яке ставить перед системою управління - виведення на заданий рівень та підтримка постійного значення температури гранул.

Розрахунок ПІ - регулятора виконано за допомогою пакету програмного забезпечення, Matlab PID Tuner. Даний набір інструментів дозволяє виконувати розрахунок П, ПІ, ПД та ПІД регуляторів, має гнучкий та зрозумілий інтерфейс з можливістю показувати будь - які дані, що можуть знадобитись під час розрахунку регуляторів.

Перед початком розрахунку регулятора, необхідно побудувати схему в Matlab Simulink зображену на рис. 7, яка включає в себе завдання для регулятора, сам ПІ - регулятор, передавальну функцію гранулятора та блок Step, що дозволяє отримати графік перехідного процесу.

Рис. 7 Схема системи управління з ПІ - регулятором

Коефіцієнти ПІ - регулятора, розраховані за допомогою PID Tuner, що відповідають за пропорціональну та інтегральну складову мають значення: K_p = 0.6909 та Кі = 0.18046.

Формула розрахованого ПІ - регулятора в Matlab має вигляд:



Рис. 8 Графік зміни значення керованої величини

Проаналізувавши отриманий графік, можна сказати, що система управління на основі ПІ - регулятора виконує поставлене завдання, температура гранул виходить до заданого рівня (378 К) за 213 секунд та підтримується на протязі всього процесу, але присутнє перерегулювання 9.3%.

Система управління з ПІД - регулятором

ПІД - регулятори використовуються в широкому спектрі завдань для управління виробничими процесами. Приблизно 95% операцій промислової автоматики із замкнутим контуром використовують ПІД - регулятори. ПІД означає пропорційно - інтегрально - похідний. Ці три регулятори об'єднані таким чином, що він видає керуючий сигнал.

Як контролер зворотного зв'язку, він забезпечує керуючий вихід на бажаних рівнях. До винаходу мікропроцесорів ПІД - управління здійснювалося аналоговими електронними компонентами. Але сьогодні всі ПІД - регулятори обробляються мікропроцесорами. Програмовані логічні контролери також мають вбудовані інструкції ПІД - регулятора. Завдяки гнучкості і надійності ПІД - регуляторів вони традиційно використовуються в програмах управління процесами.

ПІД - регулятор підтримує вихідний сигнал таким чином, що між операційними змінними і заданим значенням або бажаним виходом при операціях із замкнутим контуром виникає нульова помилка. ПІД - регулятор використовує три основних керуючих поведінки, які описані нижче.

Пропорційний або P - регулятор видає вихідне значення, яке пропорційне поточнії помилці e(t). Він порівнює бажане або задане значення з фактичним значенням або значенням процесу зворотного зв'язку. Отримана помилка множиться на пропорційну константу, щоб отримати новий результат. Якщо значення помилки дорівнює нулю, то вихід цього контролера дорівнює нулю.

Він забезпечує стабільну роботу, але завжди підтримує помилку усталеного стану. Швидкість відгуку збільшується, коли збільшується пропорційна константа К_р.

Через обмеження П - контролера, де завжди існує зсув між змінною процесу і заданим значенням, необхідний I - контролер, який забезпечує необхідні дії для усунення помилки усталеного стану. Він інтегрує помилку за період часу, поки значення помилки не досягне нуля. Він містить значення для кінцевого пристрою управління, при якому помилка стає рівною нулю.

Інтегральний контроль зменшує його вихід при виникненні негативної помилки. Це обмежує швидкість реакції і впливає на стабільність системи. Швидкість відгуку збільшується за рахунок зменшення інтегральної складової Ki.

I - регулятор не має можливості передбачити майбутню поведінку помилки. Таким чином, він реагує нормально після зміни заданого значення. Д - регулятор долає цю проблему, передбачаючи подальшу поведінку помилки. Його вихід залежить від швидкості зміни помилки за часом, помноженої на постійну похідну.

ПІД - регулятор складається з трьох управлінь, а саме пропорційного, інтегрального і похідного управління. Спільна робота цих трьох контролерів дає стратегію управління процесом управління. ПІД - регулятор управляє змінними процесу, такими як тиск, швидкість, температура, витрати.

Структура системи управління з ПІД - регулятором складається з ПІД - регулятора, який передає свій вихід в блок процесу. Процес або технологічна установка складається з кінцевих керуючих пристроїв, таких як виконавчі механізми, регулюючі клапани та інші керуючі пристрої для управління різними процесами в промисловості або на підприємстві.

Система управління з ПІД - регулятором включає в себе передавальну функцію гранулятора, вбудований блок ПІД - регулятора, блок Scope для отримання графіків управління температурою та блок, що задає значення температури, яке регулятор повинен підтримувати на протязі всього процесу. Схему системи управління зображено на рис. 9.

Рис. 9 Схема системи управління з ПІД - регулятором

Розрахунок коефіцієнтів ПІД - регулятора відбувається в за допомогою вбудованого в пакет Matlab PID Tuner. Підбір параметрів відбувається таким самим шляхом як і для ПІ - регулятора.

Формула ПІД - регулятору в Matlab має вигляд:

де Кр - пропорційна складова, Кі - інтегральна складова, Kd - диференційна складова.

Коефіцієнти, що відповідають за пропорціональну, інтегральну та диференціальну складову мають значення: K_p = 0.699, Кі = 0.774, K_d = - 3.337, Tf = 4.77.

Формула розрахованого ПІД - регулятора має вигляд:

Як можна побачити на графіку перехідної характеристики ПІД - регулятора, перехідна характеристика стабільна, перерегулювання становить 2.62% а в усталений режим він переходить за 55.1 секунду, що значно швидше ніж у ПІ - регулятора.

На рис. 10 зображено графік значень температури гранул, що контролюється за допомогою розрахованого ПІД - регулятора.

Рис. 10 Графік зміни значень температури гранул при керуванні ПІД - регулятором

З графіка видно, що система управління гранулятором стабільна, задане значення температури гранул досягається за 168 с, а перерегулювання становить 3,5%.

Для розуміння, який краще регулятор використовувати в системі управління, порівняємо та проаналізуємо результати управління температурою гранул ПІ та ПІД регуляторами. Критерії, за якими будуть оціюватися регулятори це: час виходу на задану температуру, перерегулювання та похибка.

На рис. 11 показано результати роботи двох регуляторів. Можна зробити висновок, що ПІД - регулятор швидше виходить на задану температуру, та має менше перерегулювання ніж ПІ - регулятор. Похибка в обох випадках відсутня. Тому для системи управління виробництвом мінеральних добрив краще всього підходить ПІД - регулятор.

Рис. 11. Порівняння роботи ПІ та ПІД - регуляторів



Висновки

Розроблено систему управління температурним режимом для забезпечення виробництва якісних гранул із низьким вологовмістом. У науковій роботі виконано дослідження процесу грануляції та зневоднення, виділено основні фактори, які впливають на виготовлення якісних добрив, а саме: температура нагрітого повітря, температура гранул, вологовміст гранул, в'язкість сполучної речовини та її концентрація.

На основі розробленої математичної моделі за допомогою програмного пакету Matlab отримано передавальну функцію гранулятора, розроблено системи керування на основі ПІ та ПІД-регуляторів, яка повинна виводити та підтримувати температуру гранул на заданому рівні, визначеному із дослідження математичної моделі та проведено їх порівняння, для визначення системи, що краще справляється з поставленим завдання.

Система управління на основі ПІ-регулятора виводить температуру гранул із 360 К до 378 К за 213 секунд, має перерегулювання 9.3%. Система управління на основі ПІД-регулятора виконує поставлене завдання за 168 секунди має значно менше перерегулювання 3,5%. Тому систему управління з ПІД-регулятором краще використовувати на виробництві, тому що вона дозволяє зменшити витрати газу які використовуються під час процесу зневоднення за рахунок скорочення тривалості процесу зумовленого швидким досягненням згідної температури гранул.



Література

1. Корнієнко Б.Я. Двохфазна модель процесу зневоднення та гранулювання упсевдозрідженому шарі / Б.Я. Корнієнко // Вісник Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", Серія "Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження". - 2012. - № 2(10). - С. 31-35.

2. Korniyenko B.Y. The two phase model of formation of mineral fertilizers in the fluidized- bed granulator / B. Korniyenko // The Advanced Science Journal. - 2013. - Hsue 4. - P. 41 - 44.

3. Корнієнко Б.Я. Інформаційні технології оптимального управління виробництвом мінеральних добрив: монографія / Б.Я. Корнієнко. - К.: Вид-во Аграр Медіа Груп, 2014. - 288 с.

4. Ладієва Л.Р. Трьохфазна математична модель процесу зневоднення та гранулювання у псевдозрідженому шарі. / Л.Р. Ладієва, С.В. Борзєнкова // Наукоємні технології, - 2019 - №2 (42), С.239-245, DOI: 10.18372/2310-5461.42.13757

5. Ладієва Л.Р. Побудова оптимальної системи керування процесом гранулювання впсевдозрідженому шарі / Л.Р. Ладієва, М.В. Колесник // Інтелектуальні системи прийняття рішень та проблеми обчислювального інтелекту: зб. наук. праць за матеріалами міжнародної конференції (ISDMCI 2015), 25-28 травня 2015 р., м. Залізний порт. - Херсон: ХНТУ, 2015. - С. 78-80.

6. Ладієва Л.Р. Стохастичне керування процесом гранулювання мінеральних добрив у псевдозрідженому шарі / Л.Р. Ладієва, О.М. Мироненко // Інтелектуальні системи прийняття рішень та проблеми обчислювального інтелекту: зб. наук. праць за матеріалами міжнародної конференції (ISDMCI 2014), 28-31 травня 2014 р., м. Залізний порт. - Херсон: ХНТУ, 2014. - С. 121-123.

7. Корнієнко Б.Я. Двохфазна модель процесу зневоднення та гранулювання у псевдозрідженому шарі / Б.Я. Корнієнко // Вісник Національного технічного університету

8. України "Київський політехнічний інститут", Серія "Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження". - 2012. - № 2(10). - С. 31-35.

9. Корнієнко Б.Я. Математичне моделювання динаміки процесів переносу при зневодненні та гранулюванні у псевдозрідженому шарі / Б.Я. Корнієнко // Науковий журнал "Вісник Національного авіаційного університету". - 2012. - № 4(53). - С. 84 - 90.

10. Korniyenko B.Y. Modeling of transport processes in disperse systems / B. Korniyenko // The Advanced Science Journal. - 2013. - issue 1. - P. 7-10.

11. Корнієнко Б.Я. Мінеральні добрива. Двохфазна модель утворення в грануляторі із псевдозрідженим шаром / Б.Я. Корнієнко // Хімічна промисловість України. - 2013. - № 1. - С. 39 - 43.

12. Корнієнко Б.Я., Ладієва Л.Р., Снігур О.В. Гранулювання у псевдозрідженому шарі. Дослідження детермінованого хаосу процесу / Б.Я. Корнієнко, Л.Р. Ладієва, О.В. Снігур // Хімічна промисловість України. - 2013. - № 2. - С. 20 -23.

13. Korniyenko B.Y. Research modes of a fluidized bed granulator / B. Korniyenko // The Advanced Science Journal. - 2013. - Issue 5. - P. 12 - 15.

14. Korniyenko, B., Ladieva, L. Mathematical Modeling Dynamics of the Process Dehydration and Granulation in the Fluidized Bed. Advances in Intelligent Systems and Computing, 1247 AISC, 2021, pp. 18-30. DOI: 10.1007/978-3-030-55506-1_2

15. Korniyenko, B., Ladieva, L., Galata, L. Control system for the production of mineral fertilizers in a granulator with a fluidized bed. ATIT 2020 - Proceedings: 2020 2nd IEEE International Conference on Advanced Trends in Information Theory, № 9349344, 2020, pp. 307310. DOI: 10.1109/ATIT50783.2020.9349344

16. Korniyenko, B.Y., Borzenkova, S.V., Ladieva, L.R. Research of three-phase mathematical model of dehydration and granulation process in the fluidized bed. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 2019, 14 (12), pp. 2329-2332.

17. Korniyenko B.Y., Ladieva L.R. Mathematical modeling dynamics of the process dehydration and granulation in the fluidized bed / B.Y. Korniyenko, L.R. Ladieva // Інтелектуальні системи прийняття рішень і проблеми обчислювального інтелекту: матеріали міжнар. наук. конф., с. Залізний Порт, 21-25 травня 2019 р. - Херсон: Видавництво ФОП Вишемирський В.С., 2019. -С. 86-88.

18. Korniyenko B.Y. Static and dynamic characteristics of transport processes in dispersesystems / B. Korniyenko // Наукоємні технології. - 2013. -№ 2 (18). - С. 166 - 170.

19. References:

20. Korniienko, B. Ya. (2012). Dvokhfazna model protsesu znevodnennia ta hranuliuvannia upsevdozridzhenomu shari [Two-phase model of dehydration and granulation process in fluidized bed]. VisnykNatsionalnoho tekhnichnoho universytetu Ukrainy "Kyivskyipolitekhnichnyi instytut", Seriia "Khimichna inzheneriia, ekolohiia ta resursozberezhennia" - Bulletin of the National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Series "Chemical Engineering, Ecology and Resource Conservation", 2(10), 31-35 [in Ukrainian].

21. Korniyenko, B.Y. (2013). The two phase model of formation of mineral fertilizers in the fluidized bed granulator. The Advanced Science Journal, 4, 41-44 [in English].

22. Korniienko, B. Ya. (2014). Informatsiini tekhnolohii optymalnoho upravlinniavyrobnytstvom mineralnykh dobryv [Information technologies of optimal management of mineral fertilizers production]. Kyiv: Vyd-vo Ahrar Media Hrup [in Ukrainian].

23. Ladiieva, L.R., Borzienkova, S.V. (2019). Trokhfazna matematychna model protsesuznevodnennia ta hranuliuvannia u psevdozridzhenomu shari [Three-phase mathematical model of the process of dehydration and granulation in a fluidized bed]. Naukoiemni tekhnolohii - Science-intensive technologies, 2(42), 239-245. DOI: 10.18372/2310-5461.42.13757 [in Ukrainian].

24. Ladiieva, L.R., Kolesnyk, M.V. (2015). Pobudova optymalnoi systemy keruvannia protsesomhranuliuvannia v psevdozridzhenomu shari [Construction of an optimal control system for the granulation process in a fluidized bed]. Intelektualni systemy pryiniattia rishen taproblemy obchysliuvalnoho intelektu - Intelligent decision-making systems and problems of computational intelligence (ISDMCI 2015) : Proceedings of the International Conference. (pp. 78-80). Kherson: KhNTU [in Ukrainian].

25. Ladiieva, L.R., Myronenko, O.M. (2014). Stokhastychne keruvannia protsesom hranuliuvanniamineralnykh dobryv u psevdozridzhenomu shari [Stochastic control of the process of granulation of mineral fertilizers in a fluidized bed]. Intelektualni systemy pryiniattia rishen ta problemy obchysliuvalnoho intelektu Intelligent decision-making systems and problems of computational intelligence (ISDMCI 2014) : Proceedings of the International Conference. (pp. 121123). Kherson: KhNTU [in Ukrainian].

26. Korniienko, B. Ya. (2012). Dvokhfazna model protsesu znevodnennia ta hranuliuvannia upsevdozridzhenomu shari [Two-phase model of dehydration and granulation process in fluidized bed]. VisnykNatsionalnoho tekhnichnoho universytetu Ukrainy "Kyivskyipolitekhnichnyi instytut", Seriia "Khimichna inzheneriia, ekolohiia ta resursozberezhennia" - Bulletin of the National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Series "Chemical Engineering, Ecology and Resource Conservation", 2(10), 31-35 [in Ukrainian].

27. Korniienko, B. Ya. (2012). Matematychne modeliuvannia dynamiky protsesiv perenosu pryznevodnenni ta hranuliuvanni u psevdozridzhenomu shari [Mathematical modeling of the dynamics of transfer processes during dehydration and granulation in a fluidized bed]. Visnyk Natsionalnoho aviatsiinoho universytetu - Bulletin of the National Aviation University, 4(53), 84-90 [in Ukrainian].

28. Korniyenko, B.Y. (2013). Modeling of transport processes in disperse systems. The AdvancedScience Journal, 1, 7-10 [in English].

29. Korniienko, B. Ya. (2013). Mineralni dobryva. Dvokhfazna model utvorennia v hranuliatori izpsevdozridzhenym sharom [Mineral fertilizers. Two-phase model of formation in a granulator with a fluidized bed]. Khimichnapromyslovist Ukrainy - Chemical industry of Ukraine, 1, 39-43 [in Ukrainian].

30. Korniienko, B. Ya., Ladiieva, L.R., Snihur, O.V. (2013). Hranuliuvannia u psevdozridzhenomu shari. Doslidzhennia determinovanoho khaosu protsesu [Granulation in a fluidized bed. Research of deterministic process chaos]. Khimichna promyslovist Ukrainy - Chemical industry of Ukraine, 2, 20-23 [in Ukrainian].

31. Korniyenko, B.Y. (2013). Research modes of a fluidized bed granulator. The Advanced ScienceJournal, 5, 12-15 [in English].

32. Korniyenko, B., Ladieva, L. (2021). Mathematical Modeling Dynamics of the ProcessDehydration and Granulation in the Fluidized Bed. Advances in Intelligent Systems and Computing, 1247 AISC, 18-30. DOI: 10.1007/978-3-030-55506-1_2 [in English].

33. Korniyenko, B., Ladieva, L., Galata, L. (2020). Control system for the production of mineral fertilizers in a granulator with a fluidized bed. ATIT 2020 - Proceedings of2020 2nd IEEE International Conference on Advanced Trends in Information Theory, № 9349344. (pp. 307-310). DOI: 10.1109/ATIT50783.2020.9349344 [in English].

34. Korniyenko, B.Y., Borzenkova, S.V., Ladieva, L.R. (2019). Research of three- phasemathematical model of dehydration and granulation process in the fluidized bed. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 14(12), 2329-2332 [in English].

35. Korniyenko, B.Y., Ladieva, L.R. (2019). Mathematical modeling dynamics of the processdehydration and granulation in the fluidized bed. Intelektualni systemy pryiniattia rishen i problemy obchysliuvalnoho intelektu - Intelligent decision-making systems and problems of computational intelligence : Proceedings of international Scientific Conference. (pp. 86-88). Kherson: Vydavnytstvo FOP Vyshemyrskyi V. S. [in English].

36. Korniyenko, B.Y. (2013). Static and dynamic characteristics of transport processes in dispersesystems. Naukoiemni tekhnolohii - Science-intensive technologies, 2(18), 166-170 [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru

...