Automation of fish smoking process
Krasnoyarsk State Agrarian University
Красноярский государственный аграрный университет
Institute of power engineering and energy resources management
Институт энергетики и управления энергоресурсами АПК
Chair Principles
of Electroengineering
Кафедра теоретических
основ электротехники
КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО АВТОМАТИКЕ
Student work
Conclusion
Given example with the domestic appliance – smoker shows, that it is not right way for automatization - simple switching a regulator to an object. It needs to analyze dynamics of the whole system. As a result system may be complicated. Also a method of dynamic systems modeling is presented. The next part will explain mathematical formulas, used in models. They are TRANSFER FUNCTIONS.
Заключение
Приведенный пример с бытовой коптильней показывает, что нельзя автоматизировать процесс, просто подключив регулятор к объекту. Следует проанализировать динамику всей полученной системы в целом. Тогда может выясниться, что требуется что-то посложнее.
*********
QUALITY OF REGULATION RISING
Повышение качества регулирования
Notion of quality of regulationПонятие качества регулирования
В понятие качества могут входить различные показатели в зависимости от задачи. Это может быть перегулирование, т.е. пусковое превышение параметра, например, температуры при включении системы её регулирования. Это может быть колебательность системы, т.е. количество волн за время переходного процесса. Это может быть длительность переходных процессов. При сравнении систем предпочтение отдаётся тем, которые без больших колебаний быстро и точно выводят параметр на заданное значение. Таким образом, выбор вариантов автоматики делается по качеству работы систем.
Эксперимент и компьютерное моделирование показали, что пока продукт прогреется до заданной температуры, плитка сильно перегревается. Это служит причиной возникновения колебания температуры всех звеньев системы. Для устранения колебаний могут быть применены несколько способов. Ни один из них не является панацеей, но может помочь добиться желаемого результата при правильной настройке всей системы. Рассмотрим некоторые из них и подумаем, чем они могут помочь.
Regulating of temperature by means of
Regulation of product temperature
METHOD OF STUDENT WORK PERFORMING
Методика выполнения курсовой работы
1. На компьютере откройте программу MATLAB, а в ней SIMULINK.
2. Откройте окно моделирования и в нём наберите схему согласно рис. 3.
3. Задайте значения коэффициентов каждого звена по вашему варианту. Варианты выбираются по двум последним цифрам зачётки.
4. Включите кнопку начала моделирования (чёрный треугольник на верхней линейке) и выполните двойной клик на виртуальном осциллографе SCOPE.
5. Зарисуйте переходные процессы.
6. Измените набранную схему, перенеся обратную связь с канала «температура продукта» на канал «температура воздуха». Установите заданное значение температуры по выбору. Далее действуйте по пунктам 4 и 5. Если установившаяся температура продукта не удовлетворяет заданию, можно дополнительно установить цифровой DISPLAY (аналогично рисунка 4), который покажет установившуюся температуру. По его показаниям можно подобрать такую заданную температуру воздуха, которая обеспечит нужную температуру продукта.
7. Перенесите обратную связь с канала «температура воздуха» на канал «температура плитки» согласно рисунка 4. Установите заданное значение температуры плитки по выбору. Далее действуйте по пунктам 4 и 5. Цифровые дисплеи помогут подобрать нужную заданную температуру плитки, которая обеспечит нужную температуру продукта.
8. Для получения отметки «удовлетворительно» достаточно выполнить моделирование систем №1 и №7. Для получения повышенной оценки работа должна быть выполнена в полном объёме. В итоге должна быть найдена схема регулирования, наилучшая с вашей точки зрения. Обоснуйте выбор, учитывая качество процесса регулирования.
9. Сделайте выводы. Оформите курсовую работу.
Krasnoyarsk State Agrarian University
Красноярский государственный аграрный университет
Institute of power engineering and energy resources management
Институт энергетики и управления энергоресурсами АПК
Chair Principles
of Electroengineering
Кафедра теоретических
основ электротехники
КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО АВТОМАТИКЕ
Student work
AUTOMATION OF FISH SMOKING PROCESS
Автоматизация процесса копчения рыбы
BILINGUAL TEACHING AID
Двуязычное учебно-методическое пособие
Krasnoyarsk Красноярск 2009
Рецензенты:
Мошанов А.И., доктор техн. наук, зав. кафедрой КрасГАУ
Самойлов В.А., доцент, канд. техн. наук, КрасГАУ
Составители:
Мельников Е.С., Семёнов А.Ф., Себин А.В.
Мельников Е.С., Семёнов А.Ф., Себин А.В.Автоматизация процесса копчения рыбы: учеб.-метод. пособие по выполнению курсовой работы по автоматике / Е.С.Мельников; Краснояр. гос.аграр.ун-т.- Красноярск, 2009.- 24 с.
Цель пособия – облегчить изучение основных понятий теории автоматического регулирования на примере системы автоматизации процесса копчения рыбы. В пособии показан принцип моделирования систем автоматического регулирования в среде MATLAB, включая нахождение переходных процессов в выбранных узлах системы. Даются способы повышения качества работы системы, которые могут быть применены в процессе настройки студентом своего варианта задания. Приведены варианты заданий. Пособие написано на двух языках: русском и английском.
.
On the cover - Domestic smoker in hands of students
На обложке – Бытовая коптильня в руках студентов: «Щас автоматизируем!»
Laboratory stand Лабораторный стенд
The smoker has a cylinder steel case with bottom uplifted several centimeters over the table surface. This compartment is for heater. The upper side of the bottom keeps wooden pieces covered with the fat-collecting plate. The product to be smoked is hanged by hooks at upper part of the smoking chamber. There is a cover with water lock to prevent smoke entering room. Gas exhaust is performed through special pipe.
Коптильня выполнена в виде стального цилиндра, дно у которого приподнято над уровнем стола на несколько сантиметров. Таким образом, нижняя часть цилиндра образовала отсек для нагревателя. На верней части дна помещались древесные частицы и они прикрывались жиросборной тарелкой. Продукт, подлежащий копчению, помещался на крючках в верхней части коптильной камеры. Имеется крышка, оснащенная водяным затвором для предотвращения попадания дыма в помещение. Выброс коптильного газа осуществляется по специальной трубе.
Figure 1 – Scheme of laboratory stand
Рисунок 1 – Схема лабораторного стенда
This installation was not equipped with any automation. We got a thermo-regulator with temperature sensor to switch on the heater at low product temperature. The sensor was placed into product. The heater plug we switched to regulator socket. The regulator plug we inserted into wall socket. This equipment became our teaching laboratory stand.
Установка не была оборудована какой-либо автоматикой. Мы приобрели терморегулятор с датчиком температуры для того, чтобы нагреватель включался при недостаточной температуре продукта. Датчик поместили в продукт. Вилку от нагревателя (электроплитки), включили в розетку, имеющуюся на регуляторе. Вилку терморегулятора включили в настенную розетку. Эта установка и стала нашим учебным стендом.
*********
Everything was prepared and we started our lab work. Unfortunately we couldn't run process long enough because of smoke in our classroom. We stopped the process. Chickens were passed into the high frequency oven to make them ready. We began dismounting our stand and suddenly noticed that our heater was red hot! Chickens were poor heated, but heater - over heated. There was a great risk of heater breakdown during the process. It appeared our smoker wasn't organized properly. It contained fast changing element (heater) and slow changing element (chickens). Their work wasn't coordinated. There was a reason to investigate the dynamic of the process.
Все было готово, и мы приступили к проведению лабораторной работы. К несчастью мы не смогли проводить копчение долго из-за дыма, появившегося в помещении. Мы остановили процесс. Кур перенесли в высокочастотную печь для дальнейшего приготовления. Мы начали разбирать стенд и вдруг увидели нашу раскаленную плитку. Куры ещё не были как следует прогреты, а нагреватель уже раскалился! Оказывается, пока продукт медленно нагревался, плитка успела перегреться. В такой коптильне плитка может быстро перегореть. Вывод: коптильня работает неправильно. Необходимо заняться исследованием динамики процесса.
*********
The block diagram of energy flows is shown on figure 4: electric energy is come to the heater, the heater warms up air, and air warms up the product.
Схема потоков энергии показана на рисунке 2: электрическая энергия подаётся на плитку, плитка подогревает воздух, воздух разогревает продукт.
Figure 2 - The block diagram of energy flows
Рисунок 2 - Схема потока энергии в коптильне
Energy flows in the smoker are not of constant value. They are automatically varied with product temperature variations. In case temperature is low, less then 800, comparison element produces an error signal, which switches on the heater and so on. This regime is kept unless temperature of the product reaches 800. At this moment power supply to the heater is shut off.
Поток энергии в коптильне не постоянный. Он изменяется автоматически при изменении температуры продукта. Если она ещё мала, т.е. меньше заданных 800, то в сравнивающем устройстве возникает сигнал ошибки. Включается нагреватель. Чем ближе поднимается температура продукта к заданным 800, тем меньше сигнал ошибки и меньше нагрев! При 800 подача электроэнергии на плитку прекращается. Такое регулирование называется пропорциональным.
*************
Figure 3 – Negative feedback control system
Рисунок 3 - Схема автоматики с отрицательной обратной связью
Составленная модель содержит регулятор температуры, звено «плитка», звено «воздух», звено «продукт» и устройство отрицательной обратной связи по каналу температуры продукта. Модель составлена таким образом, что на вход плитки подается сигнал рассогласования, равный разности между заданным значением (80) и текущим значением температуры продукта. Далее сигнал в виде теплового потока, пропорциональный этой разнице (недогреву), поступает последовательно через воздух камеры и продукт. Воздух камеры отдает тепло не только продукту, но и стенкам корпуса, благодаря чему температура воздуха не может повышаться бесконечно высоко. С ее ростом пропорционально растут и тепловые потери через стенку корпуса. Это придает процессу свойство самовыравнивания. Температура может установиться на определенном значении и без регулятора. Другое дело, что ее величина может не удовлетворять технологическим требованиям, поэтому необходима автоматика или подбор мощности плитки.
In order to analyze and design control systems, we use quantitative mathematical characteristics of our links. The scheme with quantitative characteristics is shown on figure 4.
Чтобы проанализировать работу этой схемы, используем численные характеристики входящих звеньев. Схема с числовыми характеристиками представлена на рисунке 4.
SYSTEM №1Система №1
Figure 4 - MATLAB – model of the of smoker automation system under product temperature control
Рисунок 4 - MATLAB – модель системы автоматики коптильни при управлении по температуре продукта.
При включении модели дисплеи покажут конечные значения температуры плитки и продукта.
Figure 5 – Temperature transients under product temperature control.
Рисунок 5 - Графики переходных процессов при управлении по температуре продукта.
Temperature transients in links of the model are displayed on figure 5. We can see wide fluctuation in heater temperature which takes place till the moment of switching it off as a result of worming up the temperature sensor in the product. Overshooting runs as much as 5400. After temperature extreme up there is extreme down. Transient is damping and lasts for 50 model seconds (100 minutes of real time). The heater temperature reached 6300 that was though acceptable, but undesirable.
График изменения температуры звеньев показан на рисунке 5. На графике видно резкое повышение температуры плитки, пока не наступило ее отключение в результате прогрева датчика температуры, помещенного в продукт. Перерегулирование достигает 5400. За резким подъемом следует и резкое падение температуры. Переходный процесс устойчив и продолжается 50 модельных секунд (100 минут реального времени). Температура плитки поднималась до 6300С, что допустимо, но нежелательно: раскалённые плитки долго не живут.
***********
Temperature transients of air, walls and product have substantial oscillations as well. Their nature is in delay of slowly reacting product, where temperature sensor is placed. While product and sensor are slowly warming up, heater quickly raise their temperatures up to very high values. Then at last product and sensor temperatures reach set value and the heater is switched of. But residual heat energy from overheated air and heater proceeds rising product temperature. It comes to oscillations. Is it possible to damp them?
Переходные процессы по температуре воздуха, стенок аппарата, и продукта также имеют существенную колебательность. Причина этого явления заключается в запаздывании медленно реагирующего продукта, куда помещён термодатчик. Во время медленного прогрева продукта и датчика нагреватель быстро достигает больших значений температуры. Затем, наконец, продукт и термодатчик достигают заданной температуры и нагреватель автоматически отключается. Но остаточная тепловая энергия перегретых воздуха и плитки продолжает поднимать температуру продукта. Это приводит к колебаниям. Можно ли успокоить процесс и убрать колебания?
***********
Conclusion
Given example with the domestic appliance – smoker shows, that it is not right way for automatization - simple switching a regulator to an object. It needs to analyze dynamics of the whole system. As a result system may be complicated. Also a method of dynamic systems modeling is presented. The next part will explain mathematical formulas, used in models. They are TRANSFER FUNCTIONS.
Заключение
Приведенный пример с бытовой коптильней показывает, что нельзя автоматизировать процесс, просто подключив регулятор к объекту. Следует проанализировать динамику всей полученной системы в целом. Тогда может выясниться, что требуется что-то посложнее.
*********