Автоматизоване керування технологічним процесом кип’ятіння сусла у пивоварному виробництві з використанням підсистеми підтримки прийняття рішень

Abstract

Робота присвячена підвищенню ефективності та якості автоматизованого керування процесом кип’ятіння сусла в сусловарильному апараті із зовнішнім нагрівачем шляхом розроблення й обґрунтування модельно-орієнтованого підходу до синтезу ієрархічної системи керування з підсистемою підтримки прийняття рішень. У першому розділі проаналізовано технологічне значення процесу кип’ятіння сусла, особливості сусловарильного апарата із зовнішнім нагрівачем як об’єкта керування, сучасні підходи до автоматизації пивоварного виробництва та основні проблеми керування. Обґрунтовано доцільність ієрархічної структури системи керування, у якій нижній рівень забезпечує автоматичне регулювання основних технологічних змінних, а верхній супервізорний рівень формує рекомендації оператору щодо зміни уставок. У другому розділі розроблено комплексну нелінійну динамічну модель процесу кип’ятіння сусла, яка об’єднує опис процесів випаровування у сусловарильному апараті, нагрівання в трубному просторі нагрівача, конденсації в паровому просторі нагрівача, перенесення теплоти по трубопроводах та динаміку виконавчих механізмів. Модель побудована на основі законів збереження маси та енергії, гідравлічних залежностей, термодинамічних співвідношень для стану парорідинної рівноваги та рівнянь теплопередачі. Отримана модель описує ключові технологічні змінні процесу кип’ятіння та є основою для подальших етапів дослідження. У третьому розділі виконано аналіз властивостей об’єкта керування, визначено множину допустимих режимів функціонування об’єкта з урахуванням технологічних обмежень та параметричної невизначеності, вибрано номінальні режими для подальшої ідентифікації спрощених моделей каналів регулювання. Для пошуку допустимих режимів використано модифіковану процедуру адаптивної інверсії множин, після чого виконано двокритеріальне виділення Парето-оптимальних рішень із подальшим вибором компромісного номінального режиму за мінімальною відстанню до ідеальної точки в нормованому просторі критеріїв. Розроблено систему нижнього рівня керування з контурами регулювання циркуляційної витрати, запасу тиску до тиску насичення, витрати пари та швидкості випаровування. Проведено налаштування параметрів регуляторів методом Internal Model Control (IMC). Також розроблено засоби непрямого оцінювання ключових технологічних змінних, зокрема фільтр Калмана для оцінювання маси рідкої фази сусла та швидкості випаровування. У четвертому розділі розроблено супервізорну підсистему підтримки прийняття рішень. Запропоновано методику нечіткого оцінювання стану теплообміну за вимірюваними температурними змінними та методику пошуку технологічно доцільних уставок для різних станів теплообміну, яка передбачає три етапи: попередній огляд області уставок методом Latin Hypercube Sampling, формування множини початкових кандидатів-уставок за рахунок побудови Парето-фронту та локальне уточнення Парето-компромісів за допомогою метода patternsearch з повною перевіркою технологічних обмежень. Також запропоновано алгоритм виявлення події додавання хмелю, правила захисного коригування уставок, які враховують зниження запасу тиску до тиску насичення, підвищене теплове навантаження, подію додавання хмелю та недосягнення швидкості випаровування за підвищеної витрати пари. Коригування виконується на основі нормованих оцінок активації правил, які обчислюються за відхиленнями поточних технологічних змінних від уставок, допустимих меж та граничних значень. Розроблено блок прийняття рішень, який за результатами нечіткого оцінювання, виявлення події додавання хмелю та захисного коригування приймає рішення щодо доцільності генерування структурованої рекомендації та визначає чи необхідно відобразити цю рекомендацію оператору. Також розроблено графічний інтерфейс користувача ПППР. Наукова новизна роботи полягає у тому, що запропоновано структуру та методику синтезу ієрархічної системи керування процесом кип’ятіння пивного сусла в сусловарильному апараті із зовнішнім нагрівачем, яка поєднує систему керування нижнього рівня з каскадним регулюванням швидкості випаровування та супервізорну підсистему підтримки прийняття рішень. На відміну від типової структури, запропонована система забезпечує стабілізацію швидкості випаровування і формування технологічно доцільних рекомендацій щодо зміни уставок контурів нижнього рівня на основі оцінювання стану процесу та контролю допустимих умов його перебігу. Це створює передумови для стабільного формування технологічних властивостей сусла та сприяє підвищенню енергоефективності процесу і зменшенню залежності керування від суб’єктивного досвіду оператора. В роботі набуло подальшого розвитку математичне моделювання процесу кип’ятіння пивного сусла в сусловарильному апараті із зовнішнім нагрівачем шляхом розроблення комплексної нелінійної динамічної моделі, яка базується на законах збереження маси та енергії для процесів нагрівання, випаровування і конденсації, і гідродинамічних залежностях. На відміну від моделей окремих процесів, запропонована модель об’єднує в єдиній структурі сусловарильний апарат, трубний простір зовнішнього нагрівача, паровий простір нагрівача, трубопроводи і динаміку виконавчих механізмів. Це забезпечує структуровану основу для синтезу системи керування нижнього рівня, засобів оцінювання стану процесу кип’ятіння та пошуку технологічно доцільних уставок для контурів нижнього рівня керування. Удосконалено методику оцінювання стану процесу кип’ятіння пивного сусла в сусловарильному апараті із зовнішнім нагрівачем, яка поєднує непряме оцінювання ключових технологічних змінних, нечітке визначення стану теплообміну та виявлення події додавання хмелю за вимірюваними змінними. Запропонована методика забезпечує інформаційну основу для підтримання заданої швидкості випаровування та супервізорного формування структурованих рекомендацій щодо зміни уставок контурів нижнього рівня, що сприяє підвищенню стабільності та якості керування процесом кип’ятіння сусла. У роботі запропоновано методику визначення технологічно доцільних уставок контурів нижнього рівня керування для різних станів теплообміну, яка поєднує попереднє визначення області допустимих режимів функціонування об’єкта, формування множини кандидатів-уставок, виділення Парето-оптимальних рішень за критеріями енергоефективності та теплового навантаження на сусло, а також локальне уточнення компромісних уставок за технологічно обґрунтованими критеріями. Це забезпечує обґрунтований перехід від оцінки стану теплообміну до конкретних рекомендованих уставок контурів нижнього рівня керування, необхідних для підтримання заданої швидкості випаровування, збереження допустимих умов перебігу процесу, забезпечення відтворюваності показників якості сусла від партії до партії та зменшення недоцільних енерговитрат. Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що розроблена комплексна нелінійна динамічна модель процесу кип’ятіння пивного сусла в сусловарильному апараті із зовнішнім нагрівачем може бути використана для імітаційного моделювання, синтезу та вибору алгоритмів керування, генерування імітаційних наборів даних, дослідження технологічних збурень, пошуку технологічно доцільних уставок та тестування системи керування перед її впровадженням на реальному об’єкті. Розроблений спостерігач швидкості випаровування може бути використаний у нових і наявних системах керування, за наявності необхідних вимірювань, для покращення стратегії керування процесом кип’ятіння сусла. Запропоновані алгоритми пошуку допустимих режимів і технологічно доцільних уставок можуть бути адаптовані для інших теплових об’єктів з циркуляційним контуром після уточнення технологічних обмежень і критеріїв оптимальності. Розроблений блок виявлення події додавання хмелю може бути використаний у системах керування сусловарильним апаратом із зовнішнім нагрівачем для своєчасного виявлення гідравлічного збурення, формування рекомендацій оператору або автоматичного переходу до захисного режиму кип’ятіння у разі підтвердження події. Розроблений блок прийняття рішень підсистеми підтримки прийняття рішень може бути адаптований для інших технологічних процесів, у яких потрібне супервізорне формування рекомендацій на основі оцінювання стану об’єкта, технологічних обмежень і правил прийняття рішеньThe dissertation focuses on enhancing the efficiency and quality of automated control of the wort boiling process in a wort kettle with an external heater by developing and substantiating a model-oriented approach to the synthesis of a hierarchical control system with a decision support subsystem. The first chapter analyzes the technological significance of the wort boiling process, the features of a wort kettle with an external heater, modern approaches to the automation of brewing production, and the main control problems. The expediency of a hierarchical control system structure is substantiated, in which the lower level provides automatic control of the main technological variables. The upper supervisory level provides recommendations to the operator for changing setpoints. The second chapter develops a comprehensive nonlinear dynamic model of the wort boiling process that combines descriptions of evaporation in the wort kettle, heating in the tube space of the heater, condensation in the steam space of the heater, heat transfer through the pipelines, and the dynamics of actuators. The model is based on the laws of conservation of mass and energy, hydraulic relationships, thermodynamic relationships for the vapor-liquid equilibrium state, and heat transfer equations. The obtained model describes the key technological variables of the boiling process and serves as the basis for the subsequent stages of the research. The third chapter analyzes the process's properties, determines the set of feasible operating modes that consider technological constraints and parametric uncertainty, and selects nominal modes for model identification of the control loops. A modified adaptive set inversion procedure is used to search for feasible modes. Then, the nominal mode is selected from the Pareto-optimal feasible modes by minimizing the distance to the ideal point in the normalized criteria space. A lower-level control system is developed with control loops for circulation flow rate, pressure margin to saturation pressure, steam flow rate, and evaporation rate. The controller parameters are tuned using the Internal Model Control method. Means for indirectly estimating key technological variables are also developed, including a Kalman filter for estimating the mass of the liquid phase of the wort and the evaporation rate. The fourth chapter develops the supervisory decision support subsystem. A method for fuzzy assessment of the heat-exchange state based on measured temperature variables is proposed, along with a method for searching for technologically appropriate setpoints for different heat-exchange states. This method includes three stages: preliminary exploration of the setpoint space using Latin Hypercube Sampling, formation of an initial candidate set of setpoints by constructing a Pareto front, and local refinement of Pareto compromises using the patternsearch method with full verification of technological constraints. An algorithm for detecting the hop-addition event is also proposed, along with protective setpoint correction rules that account for decreases in the pressure margin to saturation pressure, increased thermal load, the hop-addition event, and failure to reach the evaporation rate at increased steam flow rate. The correction is performed based on normalized rule-activation scores calculated from deviations of current technological variables from setpoints and boundary values. A decision-making block is developed which, based on fuzzy assessment, hop-addition event detection, and protective correction, determines whether it is appropriate to generate a structured recommendation and whether this recommendation should be displayed to the operator. A graphical user interface for the decision support subsystem has also been developed. The scientific novelty of the work lies in the proposed hierarchical structure and synthesis method for a control system for the wort boiling process in a wort kettle with an external heater, combining a lower-level control system with cascade control of the evaporation rate and a supervisory decision support subsystem. In contrast to a typical structure, the proposed system stabilizes the evaporation rate. It provides technologically appropriate recommendations for adjusting the setpoints of lower-level control loops, based on assessments of the process state and monitoring of the permissible operating conditions. Such features of the proposed system establish prerequisites for the stable formation of the technological properties of wort and contribute to increasing the process's energy efficiency and reducing the dependence of control on the operator's subjective experience. The mathematical modeling of the wort boiling process in a wort kettle with an external heater has been further developed by creating a comprehensive nonlinear dynamic model based on the laws of conservation of mass and energy for heating, evaporation, and condensation processes, as well as hydrodynamic relationships. In contrast to models of individual processes, the proposed model combines the wort kettle, the tube space of the external heater, the steam space of the heater, pipelines, and actuator dynamics into a unified structure. The model provides a structured basis for the synthesis of the lower-level control system, means for assessing the state of the boiling process, and searching for technologically appropriate setpoints for the lower-level control loops. The method for assessing the state of the wort boiling process in a wort kettle with an external heater has been improved by combining indirect estimation of key technological variables, fuzzy assessment of the heat-exchange state, and detection of the hop-addition event based on measured variables. The proposed method provides an informational basis for maintaining the specified evaporation rate and for supervisory generation of structured recommendations to change the setpoints of lower-level control loops, thereby improving the stability and quality of wort boiling control. The work proposes a method for determining technologically appropriate setpoints for lower-level control loops for different heat-exchange states. This method combines a preliminary determination of the process's feasible operating space, formation of a candidate setpoint set, selection of Pareto-optimal solutions based on energy efficiency and thermal load on the wort, and local refinement of compromise solutions according to technologically substantiated criteria. The presence of determined technologically appropriate setpoints provides a substantiated transition from the assessment of the heat-exchange state to specific recommended setpoints for lower-level control loops, which are necessary for maintaining the specified evaporation rate, preserving permissible process conditions, ensuring the reproducibility of wort quality indicators from batch to batch, and reducing unnecessary energy consumption. The practical significance of the obtained results lies in the fact that the developed comprehensive nonlinear dynamic model of the wort boiling process in a wort kettle with an external heater can be used for simulation modeling, synthesis and selection of control algorithms, generation of simulation datasets, investigation of technological disturbances, search for technologically appropriate setpoints, and testing of the control system before its commissioning on a real object. The developed evaporation rate observer can be used in new and existing control systems, provided the necessary measurements are available, to improve the control strategy for the wort boiling process. The proposed algorithms for searching for feasible modes and technologically appropriate setpoints can be adapted to other thermal objects with a circulation loop after the technological constraints and optimality criteria are refined. The developed hop-addition event detection block can be used in control systems for wort kettles with an external heater to promptly detect hydraulic disturbances, generate recommendations for the operator, or automatically transition to a protective boiling mode if the event is confirmed. The developed decision-making block of the decision support subsystem can be adapted to other technological processes that require supervisory generation of recommendations based on assessment of the process state, technological constraints, and decision-making rules.