Истема автоматического управления сушилкой конденсационного типа с применением термоэлектрических модулей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.362.1

В.С. Алексеев, Д.А. Давыдов

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СУШИЛКОЙ КОНДЕНСАЦИОННОГО ТИПА С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ

Предлагается вариант структурной схемы системы автоматического управления сушилкой конденсационного типа с применением термоэлектрических модулей, ставятся задачи для ее дальнейшего исследования.

Система управления, сушилка, термоэлектрический модуль, передаточная функция

V.S. Alekseyev, D.A. Davydov THE AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF THE DRYER OF CONDENSING TYPE USING OF THE THERMOELECTRIC MODULES

The article describes the variant of the block diagram of the automatic control system of dryer of condensing type using thermoelectric modules, and sets objectives for further research.

Control system, dryer, thermoelectric module, transfer function

Автоматизация технологического процесса является одной из наиболее сложных задач в технологии, решение которой не всегда приводит к качественному управлению технологическим процессом. Связано это с тем, что при проектировании системы автоматического управления (САУ) какого-либо объекта предусматривают подбор средств автоматизации, составление структурной схемы, выбор и расчет передаточных функций звеньев системы. Трудности связаны также и потому, что зачастую передаточная функция объекта управления неизвестна. Поэтому необходимо при проектировании САУ объекта провести его исследования и определить передаточную функцию и ее параметры.

Рассмотрим следующий технологический процесс - конденсационную сушку материалов с применением термоэлектрических модулей при температуре сушильного агента (воздуха) 18-50 0C. При такой температуре благоприятна сушка лесосеменного сырья, т.к. высокая температура влияет негативно на семена, являющиеся по своей сути биологическими организмами.

Процесс сушки в установках такого типа можно разделить на три стадии: нагрев воздуха до заданной температуры, взаимодействие нагретого воздуха с поверхностью влажного материала и охлаждение воздуха с целью его осушения. Более подробно эти стадии и конструктивное исполнение рассмотрены в [1].

Для обеспечения устойчивой и качественной работы САУ необходимо определить передаточные функции регуляторов РТ1 - РТ4 (рис. 1).

Передаточные функции звеньев системы могут быть описаны следующим образом:

1. В первом приближении можно определить передаточную функцию рабочей камеры сушилки как [2]:

k

W (p) = ^=-----;

4P (1+ VP) (1)

P = pNa;

к

С0 mo ХуСуРу

где Ыт - нормирующий коэффициент по времени, ч; с0т0- тепловая ёмкость влажного материала на 1 м2 поверхности теплоизоляции рабочей камеры, Дж/(м2-К); \с1р1 - коэффициент

2 0 5

усвоения теплоизоляции, Дж/(м -с ’ -К); с0 - удельная теплоемкость влажного материала,

22

Дж/(кг-К); т0 - масса влажного тела, приходящегося на 1 м теплоизоляции, кг/м ; с1 -удельная теплоемкость теплоизоляции, Дж/(кг-К); Я1 - коэффициент теплопроводности теплоизоляции, Дж/(кг-ч-К); р1 - плотность теплоизоляции рабочей камеры, кг/м

Коэффициент к характеризует приращение температуры при единичном тепловом потоке за единицу относительного времени.

2. Конденсационная и нагревательная камеры сушилки представляют собой нелинейные звенья, т.к. в их конструкцию входят нелинейные элементы - термоэлектрические модули. Характерной особенностью термоэлектрического модуля является стабилизация температуры на одной из его сторон с целью его эффективной работы. Поэтому термоэлектрический модуль можно представить в виде нелинейности с зоной ограничения (рис. 2).

Л ,

в /

Рис. 1. Структурно-функциональная схема САУ сушилкой Рис. 2. Нелинейность с зоной

конденсационного типа: РК - рабочая камера, К - конденсационная ограничения

камера; СТ - система стабилизации; Н - нагревательная камера;

РТ1 - РТ4 - регуляторы тока; ДТ1, ДТ2 - датчики температуры;

ДВ1, ДВ2 - датчики влажности

Передаточная функция нелинейного звена с зоной ограничения при гармонической линеаризации зависит от амплитуды входного сигнала и определяется

W (A, р)

2 • tgp

п

arcsin

B

Л

V

+ -

B

A • tgp) A • tgp\

B

1 -

B

Y

A • tgpj

A >

tg9

(2)

(3)

где А - амплитуда входного сигнала.

3. Передаточную функцию системы стабилизации можно представить как передаточную функцию инерционного звена первого порядка, определяемую зависимостью

W(Р) = , (4)

Тн Р +1

где Тн - постоянная времени, определяемая экспериментально.

4. Передаточная функция датчика температуры (термоэлектрического термометра)

при наличии защитного чехла может быть аппроксимирована выражением

к (5)

W (р) =----- р0

Ттп Р + 1

Без защитного чехла датчик практически не обладает запаздыванием и может быть с достаточной точностью представлен в виде инерционного звена первого порядка:

w (р)=тктЬ:; (6)

Ттп Р + 1

Т = —, (7)

аГ

где ктп - коэффициент передачи; г0 - время запаздывания; Ттп - постоянная времени датчика; с, т, а, Г - теплоёмкость, масса, коэффициент теплопередачи и площадь рабочего конца

термопары.

5. Передаточная функция датчика влажности (психрометр) может быть определена

к1 к 2

W (р)

Тс р +1 (Т„ р + 1ХТ.2 р +1)'

Т = ст. (8)

Тс ;

с аГ Т ~ 10Т

1 м1 101 м2,

где к1, к2 - коэффициенты передачи сухого и мокрого термометров; Тс - постоянная времени сухого термометра; Тм1, Тм2 - постоянные времени мокрого термометра, определяемые по графикам в зависимости от скорости воздуха [3].

6. Передаточные функции регуляторов тока представляют собой пропорциональные

звенья:

W(р) = к , (9)

где к - коэффициент усиления.

Таким образом, главной задачей в исследовании САУ сушилкой конденсационного

типа является нахождение коэффициентов усиления регуляторов тока РТ1 - РТ4 и дальней-

ший синтез регуляторов.

Для эффективной работы САУ также необходимо найти экспериментальным путем параметры передаточных функций системы стабилизации, конденсационной и нагревательной камер.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеев В.С. Установка для конденсационной сушки с применением термоэлектрического эффекта Пельтье / В.С. Алексеев // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ- 2011: материалы IV Междунар. науч.-практ. конф., г. Москва, 20-23 сентября 2011 г. - М., 2011. - Т. 2. - С. 372-377.

2. Автоматическое управление электротермическими установками: учебник для вузов/ А.М. Кручинин [и др.]; под ред. А. Д. Свенчанского. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 416 с.

3. Берлинер М.А. Измерения влажности / М.А. Берлинер; 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1973. - 400 с.

Алексеев Вадим Сергеевич -

аспирант кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Г агарина Ю.А.

Vadim S. Alekseyev -

Postgraduate

Department of Automated Electrical-Technological Plants and Systems,

Gagarin Saratov State Technical University

Давыдов Дмитрий Алексеевич - Dmitry A. Davydov -

кандидат технических наук, доцент кафедры Ph. D., Associate Professor

«Автоматизированные электротехнологические Department of Automated Electrical-Technological

установки и системы» Саратовского госу- Plants and Systems,

дарственного технического университета Gagarin Saratov State Technical University

имени Г агарина Ю. А.

Статья поступила в редакцию 16.05.12, принята к опубликованию 15.06.12