Повышение эффективности создания технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Повышение эффективности создания технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Орлов В.В.

Санкт-Петербург 2010 г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Сабуров Александр Гаврилович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Керимов Мухтар Ахмиевич,

доктор технических наук, профессор

Ковальчук Юзеф Константинович,

доктор технических наук, профессор

Воронцов Иван Иванович

Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук»

Общая характеристика работы

1.1. Актуальность темы. Результатом перестройки АПК РФ явилось увеличение доли полученного сельхозпроизводителями молока, перерабатываемого в цехах малой мощности, используемого на внутрихозяйственные цели и реализуемого населению. Это потребовало разработки новых и модернизации существующих технических средств для обработки молока с целью интенсификации режимов работы, увеличения надежности при их эксплуатации, снижения металлоемкости, энергоемкости технологического оборудования и ресурсосбережения. Известно, что эти направления развития являются одними из важнейших, обеспечивающих конкурентоспособность современного технологического оборудования.

Вместе с тем в настоящее время дальнейшее развитие технологий и технических средств в условиях резкого повышения скорости приобретения информации по их совершенствованию требует разработки новых теоретических концепций поиска приоритетных направлений создания технологического оборудования, что невозможно без разработки научных принципов исследования построения и развития его структуры. Это обусловлено тем, что начальным необходимым этапом создания нового аппаратурного оформления технологического процесса является познание его сущности путем обобщения полученных о нем знаний в виде описания совокупности базовых категорий структуры (компоненты аппарата, связи между ними и форма этих связей). В настоящее время выбор структуры технических средств производится преимущественно без достаточного научного обеспечения (как правило, на основе эвристических правил, интуиции, изобретательского творчества). Поэтому осуществление оптимизации параметров такого аппаратурного оформления на последующем этапе - этапе физического и(или) математического моделирования не всегда в итоге может гарантировать создание конкурентоспособных технических средств с высокими целевыми показателями (интенсивность, удельные энергозатраты, надежность и т.п.). Несовершенство и недостатки выбора структуры без достаточного научного обеспечения особенно рельефно проявляются при разработке и модернизации аппаратурного оформления структурно сложных технологических процессов обработки молока (производство сыра, творога, сгущенного молока и др).

Существенный вклад в теорию создания технических средств для обработки молока внесли известные ученые: Кук Г.А., Липатов Н.Н., Маслов А.М., Николаев Л.К., Сурков В.В., Тарасов Ф.М. и др.

Моделирование структурных особенностей позволил специалистам в области пищевой инженерии найти в нем сферу приложения для постановки и решения широкого круга сложных научных задач. Однако, несмотря на постоянно возрастающее число исследований, привлекающих такой подход, в основном сохраняется тенденция узкоспециализированного использования отдельных теоретических аспектов моделирования структуры.

В настоящей работе развитие основ теории создания технических средств для обработки молока в направлении оптимизации их структуры базируется на имеющихся достижениях в области процессов, аппаратов и прикладной теории систем, предопределенных научными трудами академика РАН В.В. Кафарова с сотрудниками и академика РАСХН В.А. Панфилова.

Предложенный подход, основан на исследовании особенностей иерархичности структуры технологических процессов и технических средств для обработки молока и последующем исследовании закономерностей развития их структуры методами морфологического анализа и синтеза. Это позволяет дополнить традиционные методы физического и математического моделирования, расширить возможности создания современной конкурентоспособной аппаратуры, реализуя привлечение и комбинирование максимально возможного количества информации по конкретному аппаратурному решению. В связи с тем, что исследуемые базовые категории структуры являются наиболее общими представлениями о создаваемом оборудовании, то предлагаемые в диссертации математические описания являются инвариантными относительно основных этапов «жизненного цикла» технологического оборудования. Это расширяет возможности практического применения полученных результатов, позволяя использовать их в качестве общего теоретического и методического обеспечения проектирования, конструирования, организации эксплуатации и модернизации технических средств для обработки молока.

Изложенное определяет актуальность повышения эффективности создания технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры.

1.2. Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка научного обеспечения процесса создания технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры,обеспечивающее конкурентоспособность создаваемого оборудования. Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи: 1. Анализ современного состояния научного обеспечения моделирования структуры технологических процессов и технических средств АПК. 2. Разработка теории декомпозиционно-морфологического моделирования структуры технических средств для обработки молока. 3. Разработка научного обеспечения прогнозирования направлений совершенствования технологических процессов и технических средств для обработки молока. 4. Разработка методов экспериментальной и компьютерной поддержки создания технических средств для обработки молока. 5. Исследование развития структуры технологических процессов и технических средств для обработки молока. 6. Практическая апробация результатов исследований при создании технических средств для обработки молока.

1.3. Научная новизна. Предложено создание технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры, при котором в математическую постановку задачи мотивированного выбора структуры ресурсо- и энергосберегающих технических решений включены информационные описания.

Разработан метод прогнозирования направлений совершенствования технических средств для обработки молока на основе анализа декомпозиционно-морфологической модели их структуры.

Обоснована методика ранжирования технических средств для обработки молока по минимальной информации об их целевых показателях.

Предложен способ расчета информационной обеспеченности технических средств для обработки молока на основе анализа компонентов декомпозиционно-морфологической модели.

Сформулирован словарь для формализации понятий компонентов, связей и видов связей при моделировании структуры технических средств для обработки молока, включающий принятые в технологических процессах АПК термины.

Предложено математическое обеспечение для способа комплексного измерения теплофизических характеристик по а.с.1196745.

1.4. Практическая ценность и реализация результатов исследований.

На основе теоретических и экспериментальных исследований предложена методология создания конкурентоспособных технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры.

Результаты работы использованы предприятиями и организациями АПК РФ при совершенствовании существующих и разработке новых аппаратурных оформлений процессов обработки молока. Методология исследования развития структуры аппаратов для обработки молока используется в Научно-производственном предприятии «Сибагромаш» (г.Новосибирск) при разработке новых типов нестандартного оборудования для обработки молока и при проектировании специального аппаратурного оформления технологических процессов применительно к малым предприятиям (производство творога, сыра и др.)

На основе анализа развития структурной модели были выполнены поисковые научно-технические прогнозы:

- направлений совершенствования аппаратов для кристаллизации лактозы при охлаждении сгущенного молока с сахаром; внедрен в ВПО «Союзконсервмолоко» (г.Москва) при разработке «Программы ускорения научно-технического прогресса на 1986-1990 гг ;

- способов производства творога традиционной консистенции; результаты прогноза использованы в ОАО «СПбМясомолмаш» (г. С.-Петербург) при разработке рабочей документации, на основе которой изготовлен и прошел успешное испытание опытно-промышленный агрегат для коагуляции молочного белка и обезвоживания молочно-белкового сгустка (ГМЗ, г.Приозерск);

- рациональных путей обработки молочной продукции с использованием СВЧ-энергии; результаты использованы в ООО «Ингредиент» (г. С.-Петербург) при разработке многоцелевых микроволновых установок для фермерских хозяйств.

Методика ранжирования аппаратурных оформлений технологических процессов обработки молока нашли применение для анализа и синтеза технических решений на стадии проектирования молочных заводов и цехов малой мощности в ФГУП «Гипромясомолагропром» (г. С.-Петербург), а также для анализа и синтеза наиболее перспективных направлений совершенствования выпускаемого ЗАО «Ленпродмаш» (г.С.-Петербург) фасовочно-упаковочного оборудования для жидких пищевых продуктов.

Способ расчета информационной обеспеченности аппаратурного оформления процесса использован в ОАО «СПАК-инженеринг»
(г. С.-Петербург) при разработке технических условий на «Теплообменники пластинчатые разборные ТПРП для жидких пищевых продуктов ТУ 3612-003-20505854-2003»

Определены основные теплофизические (коэффициенты теплопроводности температуропроводности и объемная теплоемкость) и реологические (эффективная вязкость, предел сдвиговой прочности и др.) свойства молока сгущенного с сахаром и различными наполнителями, плавленых сыров, молочно-овощных пюре, сливочных масел.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс СПбГУНиПТ и используется при подготовке инженеров, бакалавров и магистров на лекциях, в дипломном и курсовом проектировании, при выполнении лабораторных работ.

Общий подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет около 1 млн. рублей в год.

1.5. На защиту выносится следующие научные положения:

- теоретические положения декомпозиционно-морфологического моделирования структуры технических средств для обработки молока;

- метод прогнозирования направлений совершенствования технических средств для обработки молока на основе анализа декомпозиционно-морфологической модели их структуры;

- способ расчета информационной обеспеченности технических средств для обработки молока на основе анализа компонентов декомпозиционно-морфологической модели;

- математическое обеспечение для способа комплексного измерения теплофизических характеристик молочных продуктов.

1.6. Апробация работы. Основные теоретические положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались, обсуждались и получили одобрение на Международных научно-технических конференциях (С.-Петербург, 1996; С.-Петербург, 1998; С.-Петербург, 1999; Краснодар, 2002; С.-Петербург, 2003; Воронеж, 2004; Могилев, 2005; С.-Петербург, 2007); Международном семинаре (Germany, Munich, 1992); Всесоюзных научно-технических конференциях (Москва, 1983; Ставрополь, 1983; Ереван, 1988; Москва, 1989; Барнаул, 1989; Ленинград, 1991); Всесоюзной научно-практической конференции (Ленинград, 1986); Всесоюзных семинарах (Каунас, 1983; Москва, 1985; Вологда, 1989); Республиканских научно-технических конференциях (Каунас, 1988; Киев, 1989; С.-Петербург, 2001); научно-технических конференциях (Киев, 1983; Ленинград, 1985; Углич, 1994).

1.7. Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 55 научных работах, в том числе двух монографиях и девяти авторских свидетельствах на изобретения.

1.8. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть изложена на 286 страницах, содержит 40 таблиц и 46 рисунков. Список литературы включает 299 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

2. Научно-методическое обеспечение создания технологических аппаратов молочной отрасли

Обобщая результаты исследований, приведенные в литературном обзоре, структурную модель технического средства (технологического процесса) определим в виде:

S_d = < A_d(S), A_d(S_sr), A_d(S, S_sr), R_d, str(A_d, R_d) >, (1)

где d - индекс объекта моделирования; A(S) = {_i} - множество внутренних компонентов объекта S; A(S_sr) = {_j} - множество компонентов внешней среды (S_sr), с которыми связан S; A(S, S_sr) = { _k} - множество граничных компонентов; R = {r_m} - множество связей определяющих взаимодействие между компонентами; str(A_d, R_d) - форма (морфология) структурных связей, задающая поведение объекта.

Идентификация составляющих модели (1) выполнялась, исходя из первичного и достаточно общего для моделирования структуры представлении о техническом решении - информационного описания S_u инвариантного при выработке концепции, проектировании, конструировании, изготовлении, эксплуатации и модернизации. В связи с тем, что информационное описание содержит информацию не только о составляющих структуры технического средства, но и о процессах, технологии и т. п., в работе, для преобразования S_и в структурную модель типа (1) предложена декомпозиция, основанная на использовании аксиологического подхода. Применено двухместное асимметричное отношение типа «цель - средство», при котором, исходя из поставленной на каждом декомпозиционном уровне цели, синтезируются средства ее выполнения. Переход на каждый последующий уровень декомпозиции осуществляется посредством инверсии этого отношения (цель становится средством). Отграничение каждого из уровней декомпозиции производили, основываясь на общности для данного уровня законов функционирования компонентов, единства пространственно-временной топологии с субстанциональным содержанием компонентов и связей между ними. Для перехода от информационного описания к компонентам модели (1) в работе сформирован словарь смысловыражающих элементов языка (тезаурус), определяющий множество элементов языка - {a_j} и множество смысловых отношений между ними {r_m}, при обозначении которых использовались принятые в технологических процессах АПК понятия и термины.

В качестве исходного уровня декомпозиции (d = 1) принято наиболее общее представление о преобразовании молочного сырья - технологический процесс (ТП). Цель первого уровня декомпозиции (рис. 1) составляет собственно преобразование сырья, а средство - технологические приемы (пастеризация, охлаждение, обезвоживание и т. п.), представляющие собой множество компонентов структуры - А_тп = {a_j,оп}. Множество связей между этими элементами R_тп = {r_m,тп} определяет назначение или условия проведения технологических приемов.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Компоненты, связи и морфология этих связей (последовательность технологических операций) являются составляющими модели (1) структуры технологии производства. При переходе на второй уровень декомпозиции d = 2 - аппаратурное оформление процесса, и третий d = 3 - процессы, технологические приемы конкретизируются как цепочки технологических операций (цели). Средствами реализации цели этих уровней являются соответственно аппаратурное оформление и происходящие в нем процессы. На втором уровне декомпозиции отграничиваются в качестве компонентов - аппараты (пастеризатор, насос, обезвоживатель и др.) - А_S = {a_j,S}, и связи, под которыми понимаются назначения технических средств - R_S = {r_m,S}. Совокупности А_S и R_S совместно с особенностями связей представляют собой составляющие модели структуры аппаратурного оформления технологического процесса. Выполнение технологических операций конкретизируется на третьем уровне декомпозиции - процессы переносом энергии Е, массы М и информации I. В этот уровень входят компоненты, которые являются источниками и стоками энергии
(А_Е = {a_j,Е}), массы (А_М = {a_j,М}) и информации (А_I = {a_j,I}), причем последние выбираются из компонентов предыдущего уровня А_S, а последовательность процессов переноса определяется соответствующими направленными связями: R_Е = {r_m,Е} (перенос механической энергии от мешалки к продукту, преобразование энергии СВЧ-энергии в тепловую и др.); R_м = {r_m,М} (перенос продукта от насоса к аппарату, разделение сырья на пар и сгущаемый продукт и др.); R_I = {r_m,I} (перенос информации о заполнении емкости сырьем, перенос информации о достижении параметра процесса заданной величины и др.). Четвертый уровень декомпозиции - техническое средство отграничивает в качестве компонентов узлы и детали (обечайка, патрубок, лопасть мешалки и др.) в виде множества (А_R = {a_j,R}), а также конкретизирует связи этих компонентов (сварка, посадка, шарнирное соединение и др.) в виде множества (R_R = {r_m,R}). На последнем (пятом) уровне декомпозиции конкретизируются конструктивные особенности узлов и деталей технических средств. Компоненты этого уровня те же, что и предыдущего (А_r ? А_R), а под связями понимаются конструктивные параметры этих компонентов (форма, расположение, материал и т.п.) - R_r = {r_m,r}.

Таким образом, структурная модель каждого последующего уровня декомпозиции, взаимосвязанная с моделью предыдущего уровня согласно рис. 1, последовательно конкретизирует объект моделирования, тем самым обеспечивая однозначность его представления, причем для построения каждого последующего уровня декомпозиции структурные модели предыдущих уровней являются граничными условиями.

Предложенная процедура декомпозиции позволяет осуществлять переход от исходного описания S_И к совокупности компонентов и связей модели S_d как:

f : S_И> S_d или , (2)

где f - функция, однозначно ставящая в соответствие каждому компоненту (связи) объекта а S_И, компонент (связь) модели f (а) = а_j.

Для реализации перехода (2) на каждом уровне декомпозиции из исходного S_И отграничивались связи R_m между элементами a_i и a_i-n с учетом соотношения:

_iR_mi+mP_m(_i; _i+m), (3)

где P_m - предикатный символ, соответствующий логическому отношению r_m (связь d-уровня декомпозиции); _i; _i+m - предикатные переменные (компоненты модели того же уровня).

Далее, задаваясь отношениями, соответствующими уровню d, идентифицируем содержательную часть структурной модели, отграничивая от описания подмножество d - A_d (A_d A)компонентов уровня, исходя из соотношения:

A_d = {a¦P_d(a)}, (4)

где P_d - предикат, соответствующий отношениям декомпозиционного уровня d. Затем исходное описание объекта разбивается, согласно левой части формулы (3), на базовые элементы структуры отдельно для каждого уровня декомпозиции вида a_iR_ma_i+1 ((компонент a_i) - (связь R_m компонента a_i с компонентом a_i+m) - (компонент a_i+m)), используя термины из тезауруса. Например, для аппарата с мешалкой для декомпозиционного уровня аппарат (d = 4) базовые элементы структуры: мешалка - механическая связь - уплотнительное устройство, уплотнительное устройство - механическая связь - крышка, мешалка - механическая связь - опорный узел и т.д. Базовые элементы структуры с одноименными компонентами совмещаются (рис. 2а) и объединяются соответственно направлениям связей в ориентированный граф (рис. 2б), узел которого соответствует компонентам структуры, а дуга - связи между ними.

Рис. 3 Пример поэтапного построения фрагмента графической модели структуры:

а) совмещение совокупности базовых элементов структуры с одноименными компонентами; б) объединение базовых элементов структуры во фрагмент ориентированного графа; в) свертка фрагмента графа структуры теплового обмена в точку О.

Синтезированную графическую модель структуры d-уровня декомпозиции в аналитической форме представим матрицей инциденций:

(5)

где Х_AR = -1, если связь r_m направлена от элемента a_i; Х_AR = +1, если связь r_m направлена к элементу a_i; Х_AR = 0, если связь r_m не входит в число связей элемента a_i.

Для оценки адекватности полученных моделей структуры использовался прием, предложенный акад. В.В. Кафаровым для определения гомоморфности топологических моделей исследуемой химико-технологической системы. Для этого графы третьего уровня декомпозиции, представляющие собой модели структуры процессов теплообмена и массообмена, преобразовывались в циклические графы, а затем производилась свертка циклического графа в искусственную нулевую точку (рис. 2в). При этом дугам графа присваивались соответствующие веса: для массообмена полагаем r_m = E_m, а для теплообмена - r_m = Q_m. В полученной свертке выражение (5) преобразуется во взвешенную матрицу, которая, например, для структуры процесса теплообмена имеет вид:

, (6)

где Х_AR = Q_m, если элемент a_i A инцидентен R; Х_AR = 0, если элемент a_i A неинцидентен R; r_m - вес дуги R.

Уравнения вершин для свертки графа, представленного в виде матрицы (6), можно записать как:

, (7)

где ж - число дуг инцидентных m-ной вершине графа.

Совпадение системы уравнений (7) и аналогичной системы уравнений баланса энергии (массы), полученными традиционными аналитическими методами, свидетельствует об адекватности моделей структуры с физическими процессами в объекте моделирования.

В качестве следующего этапа решения проблемы были разработаны теоретические положения методологии исследования развития модели структуры технологических процессов и технических средств для обработки молока. Методология включает: композиционно-морфологический синтез альтернативных вариантов развития модели структуры (алгоритм приведен на рис. 3), упорядочение полученных вариантов по возможному времени их реализации, выявление направлений совершенствования структуры технологических процессов и технических средств на основе анализа развития структуры модели объекта исследования, выбор предпочтительных для проектирования вариантов структуры технических средств путем ранжирования по соответствию целевым показателям.

Информационный массив S(б) S₁, S₂, … , S_б (б - номер аналога исследуемого объекта) формируется на основе анализа научной, технической и патентной литературы. Каждое из описаний выбранных аналогов декомпонируются в соответствии с приведенным выше подходом (см. рис. 1). Затем производится последовательное сравнение моделей структуры множества S(б) на третьем уровне декомпозиции - процессы. При этом выявляют и отграничивают необходимые, наиболее существенные общие для всех аналогов компоненты р₁, р₂, … р_i. Так для процесса кристаллизации лактозы при охлаждении сгущенного молока с сахаром: р₁ - охлаждение продукта, р₂ - создание гидродинамических условий массовой кристаллизации, р₃ - смешивание продукта с затравочными кристаллами лактозы. Полагая, что I(p_i) - информация по i-ому параметру, введем понятие центральной информации (I_ц):

. (8)

Каждому параметру (p_i) присущ набор идентифицирующих переменных признаков. Под периферийной информацией (I_П) будем понимать суммарную информацию об этих признаках, тогда периферийную информацию представим как:

, (9)

где - идентифицирующий признак (разновидность физико-химического воздействия на сырье, конструктивные особенности аппарата и т. п.) параметра р_i; j - номер признака параметра.

Каждый аналог из множества S(б) характеризуется конкретными значениями идентифицирующих признаков параметра - (k - значение идентифицирующего признака), причем множество значений этих признаков позволяют различать конкретные аналоги (процессы и/или технические средства), что задает чувствительность ряда S(б).

Формулы (8) и (9) позволяют однозначно идентифицировать в виде свёртки подмножество аналогов S(б)₁ (S(б)₁S(б)), отличающийся хотя бы одним идентифицирующим признаком

. (10)

Исследование развития структур технологических процессов и технических средств с целью поиска новых приоритетных направлений их совершен-ствования, включило: расширение периферийной информации; построение комбинаторного множества альтернативных вариантов структуры исследуемого объекта; построение фазо-вой траектории развития модели исследуемого объекта и синтез альте-рнативных вариантов развития модели.



Рис. 3. Алгоритм синтеза структуры альтернатив аппаратурного оформления процесса обработки молочного сырья

Расширение перифе-рийной информации про-изводится генерацией воз-можных значений идентифицирующих признаков параметров - на основе анализа информации о новейших достижениях в смежных областях науки и техники путем мультипликации, дифференциации, адаптации и транспозиции структурных параметров. Затем синтезируется множество альтернатив S_в посредством композиции:

. (11)

Полагая, что каждый конкретный аппарат (альтернативный вариант) есть точка фазового пространства (N), координата которой (фактическое время реализации этого аппарата - t_ф) определяют уровень развития системы, произведём упорядочение во времени множества аналогов S₁, S₂, …, S_б. Для аппроксимации фазовой траектории используем набор S - образных кривых, сдвинутых по временной оси, вида:

, (12)

где Х - безразмерный параметр состояния технической системы; А, В, С - постоянные коэффициенты; i - номер S - образной кривой.

Примем, что описание каждого последующего объекта из множества S_? характеризуется единичным структурным изменением или системным временем t_с. Связь фактического времени реализации технического средства t_ф с системного аппроксимируем формулой:

, (13)

где t₀ - время появления первой информации об исследуемом объекте.

Из подмножества объектов-аналогов S(б)₁ (известных аппаратных решений) произвольно выберем два: S_б, реализованный в момент времени t_б, и S_б+1, реализованный в момент времени t_б+1. Используя предложенный акад. А.Н.Колмогоровым алгоритмический подход к определению количества информации, введем понятие относительного информационного расстояния между двумя объектами:

, (14)

где L - относительное информационное расстояние между объектами S_б и S_б+1 на момент времени t_б, - периферийная информация об объекте S_б, - периферийная информация об объекте S_б+1 на момент времени t_б.

Так как в моменты времени t_б и t_б+1 информация об известных S_б и S_б+1 задана, то за скорость ее накопления V_НИ примем отношение информационного расстояния L между объектами к величине интервала времени между появлением информации об этих объектах (t_б+1 - t_б):

. (15)

По ряду известных технических решений, исходя из выбранного для исследования объекта информационного массива, используя соотношение (15), оцениваем тенденцию изменения этой скорости (либо задаемся средней скоростью накопления информации). Затем для нахождения возможного срока реализации (в масштабе системного времени) нового, синтезированного согласно формуле (11), технического решения необходимо произвести расчет информационного расстояния по формуле (14) и отнести его к скорости накопления информации (согласно формуле (15)). Таким образом, идентифицируются изменения структуры модели во времени, что определяет закономерности развития структуры исследуемого технического средства. Каждому варианту комбинаторного множества ставится в соответствие возможное (прогнозируемое) время его реализации. Технические решения, структурно наиболее совершенные в соответствии с формулой (12), имеющие более поздние сроки реализации, отграничиваются из множества S_в, как множество S_г, определяющее приоритетные направления совершенствования объекта исследования. Выделенные варианты в форме композиций вида (11) с помощью элементов языка {a_i} и смысловых отношений между ними {r_m} представляются в виде информационных описаний аппаратов путем расшифровки конкретных значений альтернативных признаков .

На следующем этапе полученные описания технических решений упорядочиваем (ранжируем) по важнейшим целевым показателям (энерго- и ресурсосбережения, качество выпускаемой продукции и др.). Ранжирование уровня технического решения определим в виде:

, (16)

где ?S_г? - множество анализируемых систем; I_S - информация о свойствах S_г; K - свертка локальных критериев характеризующих S; М - метод поиска решения, устанавливающий приоритеты при выборе вариантов; S_пр - локальное множество выбираемых приоритетных решений из всех ?S_г?.

Для обеспечения однозначности при проектировании нового или усовершенствования существующего технического средства цель Z, сформулированная на содержательном (качественном) уровне, декомпонируется на подцели Z₁, Z₂...Z_m, каждая подцель при необходимости может также декомпонироваться, и так далее, причем глубина декомпозиции определяется получением технических характеристик, для которых возможно количественное сравнение (производительность, удельное энергопотребление, материалоемкость и т.п.).

Если цель Z количественно измерима на множестве сравниваемых систем {S_г}, то существует вещественная критериальная функция K(S), сохраняющая упорядочение, т.е. для любых S?, S?? S выбор S_пр производим как:

. (17)

В общем случае декомпозиция цели функционирования технических средств приводит к набору измеряемых, но не сводимых один к другому критериев (минимальные удельные энергозатраты, максимальная производительность, минимальная материалоемкость и т.п.). При этом для выбора S_пр формируется набор косвенных критериев К_k, переход к которым может быть осуществлен с помощью многомерного шкалирования, либо путем применения ранговой шкалы, что позволяет с помощью экспертов установить отношения предпочтительности, т.е.

;. (18)

Предпочтительнее подход, основанный на выделении из первоначального множества тех вариантов решения, которые не хуже других по всем критериям и лучше хотя бы по одному критерию (Принцип Парето). Такая свертка позволяет объективно найти компромисс между противоречивыми требованиями, но в результате, как правило, отграничивается множество S_пр, а не единственная наилучшая альтернатива, что требуется в практических задачах. Это означает, что на заключительном этапе необходимо либо привлечь экспертов, либо использовать информацию об относительной важности критериев (выделение главного критерия, выделение порогового значения для критерия и т.п.). Оценка относительной важности критериев методами экспертизы возможна на основе метода компенсации, смысл которого в том, что всякий раз ради увеличения значения более важного i-го критерия на W_i единиц возможна потеря в W_j по менее важному j-му критерию. При этом вводится коэффициент относительной важности, как доля потери относительно суммы потери и прибавки:

. (19)

С учетом выражения (19) менее важный j - критерий заменяем новым, вычисленным по формуле:

. (20)

Затем повторно находим множество неулучшаемых вариантов относительно нового критерия K_j?, и дальнейший выбор варианта осуществляется в пределах найденного, более узкого по отношению к первичному, множества.

Для исключения этапа привлечения экспертов при определении весомости характеристик, определяющих альтернативные варианты, в работе предложено использовать основанный на теории тупиковых тестов спектральный подход. Для этого составлялась матрица м_р, каждый столбец которой определяет какую-либо характеристику альтернативных вариантов, а строчка - набор характеристик одного варианта:

(21)

где k₁₁, k₁₂, …, k_jn - безразмерные характеристики альтернативных вариантов (если характеристика превышает некоторый заданный уровень, то полагаем k_jn = 1; в противном случае k_jn = 0).

Влияние характеристик на качество функционирования исследуемых аппаратурных решений определялось, исходя из относительных нагрузок р строк (значимость объекта) и относительных нагрузок щ столбцов (значимости характеристики объекта) матрицы:

, , (22)

,, (23)

где - нормированный вес столбца, - нормированный вес строки.

После нахождения значимостей столбцов и строк по формулам (22) и (23) расчет повторяется с учетом найденных значений до получения заданной точности сходимости итерационного процесса. Последовательное применение формул (17)-(23) для ранжирования технических решений позволяет выбирать структурную модель оборудования из множества {S_г} по заданным целевым показателям.

Разработанное декомпозиционно-морфологическое моделирование структуры технических средств для обработки молока является основой научно-методического обеспечения создания конкурентоспособного оборудования (схема алгоритма на рис. 4). Помимо этого предлагаемая методология включает следующие самостоятельные методики применительно к использованию их в научных и практических целях:

1. Метод прогнозирования направлений совершенствования технических средств для обработки молока (блок 1-6).

2. Методика выбора аппаратурных оформлений для обработки молока (блок 2, 4, 7).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Схема алгоритма методологического обеспечения создания технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры

3. Способ оценки информационной обеспеченности технических средств для обработки молока (блок 2, 4). Для рассматриваемых вариантов строятся модели структуры процесса переноса информации. Информационная обеспеченность аппарата определяется как энтропия Н интенсивности информационного обмена, для оценки которой в работе на основе конкретизации энтропийной меры субстрактно-структурной сложности получена формула:

, (24)

где l_km - число m связей i-го компонента структуры (i ? 2).

4. Методика модернизации функционирующего технического средства для обработки молока (блок 2, 4, 11). Для анализа исходного состояния производства строится модель структуры на первом уровне декомпозиции, а на ее базе - модели структур аппаратурного оформления и переноса Е, М. I. Исходя из цели модернизации, в ходе анализа и синтеза уточняются параметры процессов, выбираются необходимые структурные изменения в аппаратурном оформлении, а также производится анализ структуры переноса информации, который определяет коррекцию в системе автоматического управления. При необходимости вносятся изменения в аппаратурное оформление процесса обработки молочного сырья.

5. Методика подготовки патентоспособных описаний технических средств (блок 1-7).

3. Экспериментальная и компьютерная поддержка создания технических средств для обработки молока.

Присущие разработанному декомпозиционно-морфологическому подходу внутренняя интерпретируемость, структурируемость и связность дают основание для перехода к компьютерной поддержке выбора структуры оборудования. Отмеченные свойства позволяют представить уровни декомпозиции в виде ролевого фрейма:

, (25)

где - наименование d-уровня, - базовый i-ый элемент структуры, - вид компонента структурного уровня, - связь компонента, i - номер компонента.

Ролевая структура строится в виде графа, описывающего различные варианты построения декомпонируемых уровней. На фрейме указывается рассматриваемый структурный уровень, тем самым задается словарь структурных терминов. Наполнение ролевого фрейма производится в режиме диалога: на первом этапе по запросу компьютера пользователь разделяет информационное описание на базовые структурные элементы вида (3). Затем логическим процессором производится их автоматическое связывание с помощью шаблона, представляющего собой приведенную выше последовательность построения декомпозиционных уровней в виде морфологической модели. Таким образом, фреймы-прототипы преобразуются в конкретные фреймы-экземпляры. В результате объединения фреймов-экземпляров получается компьютерный вариант модели структуры аппарата. моделирование обработка молоко компьютерный

Выбор конструктивных параметров при создании аппаратов осуществляется исходя из изменений свойств сырья при их переработке. В связи с этим в качестве экспериментальной поддержки создания аппаратов для оценки теплофизических и реологических свойств молочного сырья в работе предложены оригинальные методики и соответствующие им измерительные стенды. Для комплексного измерения определения теплофизических характеристик в работе предложен способ по а.с. 1196745. При разработке методики расчета для этого способа решена система дифференциальных уравнений теплопроводности для измерительной ячейки, моделью которой является полубесконечный цилиндр, состоящий из четырех (i = 1, ..., 4) соосно-расположенных цилиндрических тел (слоев) вида:

(26)

с начальными и граничными условиями:

, , , (27)

,

где R_i - координата границы цилиндрического тела по оси х; t - время, с;
л - коэффициент теплопроводности, Вт·м^-1·k^-1.

Решение системы уравнений (27) получено в виде:

, (28)

где и - относительная температура; b - тепловая активность материала измерительной ячейки, Вт·с^-0,5·К^-1; а - коэффициент температуропроводности, м²·с^-1.

Предложенный способ реализован на экспериментальном стенде, по а.с. 842531, причем за счет интенсификации термостатирования многослойно измерительной ячейки время измерения сократилось с 6…8 час. до 5…10 мин. На данном стенде были исследованы основные теплофизические характеристики (коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности, удельная теплоемкость) сгущенного молока с сахаром, плавленых сыров, сливочных масел, молочно-овощного пюре и других пищевых продуктов.

Реологические характеристики молочных продуктов определялись на стенде, включающем ротационный вискозиметр «Реотест-2», подключенный через согласующий блок к самопишущему электронному потенциометру КСП-4. Исследования кинетики деформации образца производились в наиболее характерном для обработки молочного сырья режиме постоянной скорости сдвига (= const). На рис. 5 приведены характерные для ряда исследованных молочных продуктов (сгущенное молоко с сахаром, сметана, творог различной жирности, плавленые сыры) кривые кинетики деформации: для скоростей сдвига < 16 с^-1 характерна кривая 1, для 16 с^-1 < < 48 с^-1 - кривая 2, для

> 48 с^-1 - кривая 3. Кривая 4 получена для течения продукта при повторной его деформации.

Рис. 5. Типовые кривые кинетики деформации молочных продуктов в режиме = const

При > 48 с^-1 на кривых кинетики определяются четыре участка: I - нарастание касательного напряжения до предела сдвиговой прочности ф_S1, II - структурная релаксация напряжения до установления динамического равновесия между процессами разрушения и восстановления структуры, III - установившейся режим течения (ф_у=const), IV - прекращение принудительной деформации приводит к релаксации касательного напряжения до остаточного конечного значения ф_к. Для расчета коэффициента тиксотропности (к_т), степени разрушения структуры при деформации б_р и степени восстановления структуры при повторной деформации б_в в работе предложены формулы:

, , . (29)

Полученные кривые позволяют определить необходимые для расчета энергосберегающих режимов работы аппарата реологические параметры продукта.

4. Практическое применение результатов исследований развития технологических процессов и технических средств для обработки молока

4.1. Исследование направлений совершенствования технических средств для процесса кристаллизации лактозы при охлаждении сгущенного молока с сахаром. С целью исследования развития модели структуры было осуществлено преобразование информационного описания вакуум-аппарата типа «Виганд» в модельное представление множеством базовых элементов типа (3). В соответствии с (4) идентифицировались структурные модели декомпозиционных уровней и строились соответствующие им графы (рис. 6, где А(Ф) - компонент структуры технологического процесса; А(S), A(s) - надсистема и компонент декомпозиционного уровня техническое средство). Затем на основе этих моделей выполнен морфологический синтез вариантов структур технологических процессов и технических средств, и определены направления их развития на период до 1995 года по состоянию на 1984 год (подробная процедура приведена в диссертации). Один из выбранных вариантов по приоритетному развитию структуры аппарата послужил основой создания экспериментального стенда для исследования процесса кристаллизации лактозы при непрерывном охлаждении сгущенного молока с сахаром. В результате исследований процесса был идентифицирован дендритный механизм зародышеобразования кристаллов и установлена корреляция между темпом охлаждения сгущенного молока с сахаром и температурой массовой кристаллизации лактозы. С учетом структурных особенностей процессов массообмена математическая модель представлена в виде:

, (30)

, (31)

, (32)

, (33)

где V₁ - объем кристаллизатора, м³; f - плотность распределения кристаллов лактозы по размерам в единице объема, м^-4; t - время, с; v_р - линейная скорость роста кристаллов, м?с^-1; G_v - объемная скорость потока, м³?с^-1; G - массовый расход, кг?с^-1; с - относительная концентрация; ш - отношение молекулярных масс безводной лактозы и кристаллогидрата; в₂ -объемный коэффициент формы кристалла; r - радиус кристалла, м; v₃ - скорость зародышеобразования кристаллов, с^-1?м^-3; индекс 1 относится к параметрам сгущенного молока с сахаром, 2 - к параметрам лактозы, 3 - к параметрам зародышей кристаллов, 4 - к параметрам раствора лактозы.

Решение системы (30) - (33) относительно времени t перехода раствора в кристаллическую фазу получено в виде:

, (34)

где М_v - масса кристаллов в единице объема сгущенного молока, кг?м^-3; k₃ - константа зародышеобразования кристаллов, кг?с^-1?м^-3; k_р - константа роста кристаллов, м⁴?с^-1?кг^-1.

Полученное уравнение (34) применено при расчете параметров аппарата для охлаждения сгущенного молока с сахаром.



а) б)

в)



г)

Рис. 6. Графы структурных уровней морфологической модели вакуум-аппарата «Виганд» (цифры в кружках - номера базовых структурных элементов):

а - технологии, б - аппаратурного оформления процесса,

в - процесса материального обмена, г - аппарат;

- компоненты S; - компоненты S_sr; - граничные элементы

Результаты структурного моделирования и исследования направлений совершенствования процессов и их аппаратурных оформлений были внедрены во Всесоюзном промышленном объединении «Союзконсервмолоко» при разработке программы ускорения научно-технического прогресса на 1986-1990 годы, и помимо этого использованы при получении авторских свидетельств на два изобретения. Для непрерывного охлаждения сгущенного молока с сахаром и кристаллизации лактозы разработана конструкция аппарата (а.с. 1274664, схема на рис. 7а), особенностью которой является наличие внутри корпуса пакета соосно расположенных перфорированных тарелок 1, между которыми вращаются лопасти 2 мешалки. При этом по сравнению с известным роторным вакуум- аппаратом при тех же габаритных размерах на порядок увеличивается поверхность испарения продукта, и, следовательно, увеличивается производительность. В способе и устройстве для охлаждения сгущенного молока и кристаллизации лактозы (а.с. 1337026, схема на рис. 7б) с целью повышения качества посредством исключения из готового продукта органолептически ощутимых кристаллов предложено путем выбора частоты вращения комбинированной мешалки 1 осуществлять центробежную классификацию кристаллов. Боковая поверхность аппарата имеет спиральные канавки 2, а дно у стенки выполнено с кольцевым наклонным желобом 3 и имеет отводной патрубок 4. Продукт с повышенным содержанием кристаллов скапливается в пристенном пространстве вакуум-аппарата, а после охлаждения собирается в кольцевом желобе и отводится на кристаллизацию. Результаты проведенных испытаний предлагаемого способа охлаждения сгущенного молока на Молочно-консервном комбинате г. Резекне (Латвия) подтвердили повышение качества получаемого продукта до соответствия ГОСТу 2903-78.

а) б)

Рис. 7. Аппараты для охлаждения и кристаллизации сгущенного молока с сахаром

4.2. Исследование развития структуры технологических процессов и технических средств, входящих в производство творога. Исходя из результатов исследования развития объектов (способ производства творога и процесс коагуляции молочно-белкового сгустка), идентифицированы наиболее перспективные варианты производства творога. К ним относятся: организация поточных процессов коагуляции и обезвоживание молочно-белкового сгустка, минимизация механического воздействия при обезвоживании с целью получения продукта традиционной консистенции. С учетом этого разработаны «Исходные требования на агрегат коагуляции молочного белка и обезвоживания молочно-белкового сгустка», спроектирован, изготовлен в ОАО «СПб Мясомолмаш» опытно-промышленный агрегат (производительность по творогу 350 кг/ч), который успешно прошел испытания на Приозерском городском молочном заводе (Ленинградская область) и показал возможность организации поточного производства творога традиционной консистенции. Также были проведены исследования кинетики образования структуры молочно-белкового сгустка с использованием модифицированного радиоактивным излучением штамма (закваска КД), позволившие установить возможность сокращения вдвое времени проведения процесса сквашивания.