Постановка задачи

Проблема интенсификации процесса тепловой обработки биопродуктов достигнута применением системного анализа, моделирования и многокритериальной оптимизации технологий с определением оптимальных технологических режимов, обеспечивающих максимальное сохранение пищевой и биологической ценности продукта на базе этого разрабатывается интеллектуальная система моделирования и оптимизации, состоящая из четырех подсистем [1].

Московский государственный университет прикладной биотехнологии, кафедры «Технологическое оборудование и процессы отрасли» и «Компьютерные технологии и системы» результаты внедрены в вышеуказанном университете и на вышеуказанных кафедрах, разработанные на основании интеллектуальной системы моделирования и оптимизации технологические режимы тепловой обработки мясных изделий внедрены в систему автоматического регулирования температуры в микроволновых и инфракрасных печах. Описание решения

Решается конкретная математическая модель многокритериальной оптимизации теплового процесса ИК- обработки по критериям минимума потерь пищевой и биологической ценности мясопродукта на примере кускового мяса, бифштекса рубленного и рецептурных композиций ) в результате его тепловой обработки:

На 1-м этапе отыскивается оптимальное значение температуры нагрева путем составления множества локально-оптимальных решений по критериям минимального отклонения от исходной структуры массовых долей:

- аминокислот та_i

- жирных кислот mg_i

- витаминов mv_k

- показателей пищевой ценности продукта

где b₀, b(t) - массовые доли белка ( до и после термообработки) при исходной t₀ и текущей температурах; q₀, q(t) - массовые доли расплавленного жира в продукте при начальной t₀ и текущей t температурах ;

т_σ (t) = 36.436 + 0.096t- 0.001t²;

т_ис (t) = - 8.974 + 0.017т + 0.12t;

т - время обработки

Начальные значения массовых долей могут быть определены как постоянные коэффициенты уравнений регрессии, то есть при t = 0.

Оптимальная температура по каждому критерию отыскивается одним из методов одномерной оптимизации, например, методом дробного шага на унимодальном участке изменения критерия в интервале t₀, t_max (рис. 1.) или методом прямого перебора от 0 до t_max с нахождением всех локальных экстремумов и выделением унимодальных участков функции.

Из 4-х локально-оптимальных решений (к =1,4) определяется лучшая альтернатива по функции полезности:

где ψ_кк^орt - оптимальная величина к-го критерия; ψ_кl- значение к-го критерия в l-ой альтернативе или функционалу качества

2 - этап заключается в нахождении оптимальных технологических параметров ИК - обработки мясопродуктов: расстояния образца до излучателей – х₁ (см); толщины образца х₂ (мм); плотности лучистого теплового потока х₃ (кВт/м²);начальной температуры в камере х₄ (°С), обеспечивающих: максимальное значение показателя качества y₁=A (балл); минимум затрат электроэнергии у₂=Q (кВт/ч/кг); минимум времени тепловой обработки у₃⁼ т (мин); минимум потерь массы y₄=П (%). Экстремальные значения перечисленных критериев, представляемых сепарабельными функциями (1) * (7), в заданных границах варьирования технологических параметров х₁ – х₄ находятся методом сепарабельного программирования с покоординатным поиском локально-оптимальных решений каждому критерию [ 1, 4, 5, 6 ].

Выбор наилучшей альтернативы функции полезности Ф_к в виде суммы квадратов отклонений получаемых значений критериев у, от их локальных экстремумов y^opt (Рис. 2.).

Информационные технологии и современные языки программирования высокого уровня позволили разработать компьютерную экспертную система моделирования и оптимизации тепловых процессов ИК- обработки мясопродуктов. Интерфейсы реализованы в Delphi, основные процедуры - в Object Pascal, VBA, a также технологии LabVIEW. Для вывода некоторых результатов вычислений используются элементы MSFIexGrid.

Система включает четыре подсистемы с программными модулями информационного и интеллектуального обеспечения, базами данных с физико-химическими показателями продуктов и таблицами планирования экспериментов, модулем статистической обработки результатов экспериментов, банком статистических моделей в виде уравнений регрессий, объединенных в обобщенные модели, а также модули многокритериальной и структурно-параметрической оптимизации с процедурами прогноза и диагноза состояния системы и оценкой качества продукта.

Подсистема моделирования биотепломассообменных процессов содержит: - моделирование параметрических полей изменения температуры, влажности и биологических компонентов продукта в процессе нагрева, предназначенный для расчета оптимальных технологических режимов и выбора энергоподвода (ИК-.СВЧ-, конвекция) тепловой обработки мясопродуктов с максимальным сохранением биологической и пищевой ценности.

Рис. 1. Вывод результатов оптимизации по расчету биологической, пищевой и энергетической ценности для кускового мяса из говяжьей вырезки в процессе инфракрасной обработки

- проверку адекватности разработанных моделей распределения температуры и влаги в продукте и обобщенной модели изменения биологических компонентов мясного продукта;

- модуль регулирования и контроля температуры, разработанный в среде LabVIEW

- графическое представление изменения температуры и массовых долей аминокислот, жирных кислот и витаминов в различных точках мясопродукта в зависимости от его геометрической формы ( цилиндр, прямоугольник ).

Работа с пользователем в компьютерной системе организована в виде диалогового режима, запрашивается либо температура греющей среды, либо плотность лучистого потока, вводим либо температуру, либо плотность лучистого потока в специальные окна, специальные окна предусмотрены для ввода теплофизических параметров, начальной температуры продукта, осуществляется ввод запрашиваемых параметров, затем после реализации программы вывод искомых результатов на печать: изменение температуры и массовых долей аминокислот в центре продукта и в отдельных узлах или точках мясопродукта в графическом интерфейсе, подобрать технологические режимы, при котором готовый продукт имеет органолептические показатели, пищевую и биологическую ценность в соответствии с максимальным значением функционала качества [ 1, 2, 4 ].

На рис. 2, 3, 4 приведены некоторые интерфейсы доступные пользователю -технологам общественного питания и работникам торговли.

Рис. 2. Вывод результатов многокритериальной оптимизации для кускового мяса

Рис. 3. Расчет температурного поля замороженных мясных продуктов цилиндрической формы при изменении температуры греющей среды (начальная температура продукта О °С; t₁ = 80 °С, t₂= 240 °С )

Рис. 4. Интерфейс по выводу результатов расчета изменения аминокислот, жирных кислот, витаминов и температуры при изменении греющей среды (начальная температура продукта 16 °С, температура греющей среды 240 °С )

Перспективы внедрения и развития решения: данная комплексная система моделирования может быть внедрена в сфере общественного питания, торговли и мясной отрасли в микроволновых и инфракрасных печах при тепловой обработке мясных изделий и на мясокомбинатах при запекании, копчении натуральных мясных и колбасных изделий.

Рис. 5. Схема контроля и регулирования температур на примере печи с инфракрасным энергоподводом

Используемое оборудование и программное обеспечение: NI DAQ - платы PCI модулей, датчики температуры, PC IBM, программная среда LabVIEW.

Программный модуль подсистемы контроля и регулирования температуры в камере печи с ИК-энергоподводом с использованием графической среды LabVIEW был разработан совместно с доц. Орешиной М.Н. и официально зарегистрирован [ 3 ].

Подсистема мониторинга и регулирования температуры в печи с инфракрасным энергоподводом разработана на базе персонального компьютера с программной средой LabVIEW и NI DAQ - плат PCIX модулей (устройство ввода -вывода данных) по следующим принципам: относительная простота аппаратурного оформления, надежность и визуальность интерфейса программного обеспечения и функционирует следующим образом: аналоговые сигналы с датчика температуры поступают на DAQ-плату - многофункциональное устройство сбора данных, где преобразуются в цифровой код, фильтруются от помех и преобразуются в величины, соответствующие выбранным единицам измерения (в данном случае преобразование производится в Вольтах). Далее сигнал в цифровом виде вводится в компьютер, где с помощью программного продукта «Контроль и регулирование температуры» разработанного в среде LabVIEW усредняется за заданный временной интервал, тарируется с помощью коэффициентов в градусы Цельсия, выводится на монитор виртуального осциллографа и сравнивается с критическими величинами.

Использование виртуального осциллографа позволяет отслеживать изменение температуры во времени. Если текущее значение сигнала выходит за заданный предел, то на экране монитора загораются сигнальные лампа. Далее сигнал поступает на регулирующее устройство включения-выключения инфракрасной лампы. Блок-диаграмма данного программного продукта приведена на рис. 6. Использование среды графического программирования LabVIEW позволяет быстро создавать виртуальные приборы с большими возможностями для анализа и удобным для пользователя интерфейсом.

Применение NI DAQ- устройств позволяет быстро и безопасно изменять способы подключения датчиков к измерительным цепям. Ранее разработчики системы сбора данных затрачивали большое количество времени, определяя типы сигнала, подключения, уравнения преобразования и единицы измерения, применение современных информационных технологий устраняет вышеописанные недостатки и совершенствует работу системы в целом.

Таким образом, информационные технологии моделирования и оптимизации позволяют управлять тепловым процессом, регулируя температуру греющей среды инфракрасного излучения соответственно регулировать содержание биологических компонентов продукта.

Программная реализация интеллектуальной системы обеспечивает эффективную оптимизацию разработанных технологических регламентов, что подтверждается в производственных условиях.

На основании разработанных режимов предложено аппаратурное оформление процесса производства мясных изделий и предложена конструкция ИК-печи.

Литература

1. Беляева М.А. Моделирование и оптимизация управления качеством мясных изделий в процессе тепловой обработки. - М.: ООО. Франтера, 2006, 248 с.

2. Беляева М.А «Экспертная система моделирования и оптимизации тепловой обработки мясных изделий или проектирование пищевой и биологической ценности мясных продуктов с учетом теплообмена» Свидетельство об официальной регистрации программы № 2006613723 по заявке № 2006612935 от 29.08.2006 г.

3. Орешина М.Н., Беляева М.А. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007611824 по заявке № 2007610997 «Компьютерная система контроля и регулирования температуры в научном эксперименте с использованием среды LabVIEW».

4. Беляева М.А. Интеллектуальные системы моделирования и оптимизации тепловых процессов//Труды III Международной научно-технической конференции AIS'07 CAD-2007, том 3, Дивноморское, 2007, с. 9 - 20