|
КІровоградський державний технІЧний унІверситет
КАЛАШНІК ДМИТРО ВІКТОРОВИЧ
УДК 621.317.39
Автоматизована система контролю
та облІку зерна на пІдприЄмствах
зернопереробноЇ промисловостІ
Спеціальність 05.13.07 - автоматизація технологічних процесів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеню
кандидата технічних наук
КІровоград - 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі програмного забезпечення в Кіровоградському державному технічному університеті Міністерства освіти України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,
заслужений працівник освіти України
Сидоренко Володимир Володимирович,
Кіровоградський державний технічний університет,
завідувач кафедри програмного забезпечення.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,
заслужений діяч науки і техніки України
Мартиненко Іван Іванович,
Національний аграрний університет України,
завідувач кафедри автоматизації
сільськогосподарського виробництва;
кандидат технічних наук, професор
Пащенко Василь Федорович,
Кіровоградський державний
технічний університет,
завідувач кафедри автоматизації виробничих
процесів.
Провідна установа: Український державний університет харчових
технологій Міністерства освіти України,
кафедра автоматизації та комп’ютерно–
інтегрованих технологій, м. Київ.
Захист відбудеться 11 вересня 1999 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.01 в Кіровоградському державному технічному університеті за адресою:316050, м. Кіровоград, пр. Правди, 70а.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського державного технічного університету за адресою:316050, м. Кіровоград,
пр. Правди, 70а.
Автореферат розісланий “6” серпня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук, доцент Каліч В.М.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Впровадження комплексних засобів автоматизації на підприємствах зернопереробної промисловості дозволяє значно скоротити витрати і підвищити вихід готової продукції, а також підвищити продуктивність та поліпшити умови праці.
Одним із процесів, які необхідно автоматизувати, є контроль та облік зерна, який здійснюється за допомогою вагодозуючого обладнання. Вагове та дозуюче обладнання, що випускаються вітчизняною промисловістю, виконується з використанням ручної праці і не піддається агрегатуванню в єдину інформаційно-керуючу систему підприємства, що ускладнює автоматизацію технологічного процесу. Внаслідок цього на семінарі-нараді "Оснащення підприємств галузі сучасним вагодозуючим обладнанням" (3-5 липня 1996р. м. Львів) було прийнято рішення перейти на тензометричні системи виміру ваги з автоматичним запровадженням інформації в ЕОМ, що істотно підвищує достовірність інформації і дозволяє застосувати комплексну автоматизацію технологічного процесу на підприємстві. У зв'язку з цим виникла проблема розробки пристрою сполучення вимірювальних перетворювачів вагодозуючого обладнання з керуючою ЕОМ. Існуючі пристрої вимірювання в цілому не відповідають технологічним і економічним показникам, які необхідні для автоматизації технологічних процесів дозування і вимірювання ваги на високому сучасному рівні. Проблема ускладнюється тим, що підприємствам зернопереробної промисловості властива централізована система керування, тому вимірювальні перетворювачі знаходяться на значній відстані від пристроїв збору і обробки інформації. В результаті цього на вхід пристрою вимірювання надходить сигнал при підвищеному рівні завади.
Існуючі технічні рішення використовують вимірювальні підсилювачі або пристрої перетворення інформації безпосередньо в місці утворенні аналогового сигналу. Такі рішення не можна прийняти оптимальними з погляду як автоматизації процесу, так і економічних та експлуатаційних спроможностей. Крім того, вони не відповідають вимогам вибухонебезпеки.
Виходячи з цього, виникає необхідність розробки пристрою сполучення тензометричних вимірювальних перетворювачів з керуючими засобами обчислювальної техніки з високоефективним подавленням завад в вимірювальному каналі, який забезпечить одержання оптимальних динамічних оцінок корисного сигналу.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Дисертація виконана на підставі державної науково-технічної програми України по пріоритетному напрямку науково-технічного прогресу 6.1. "Сучасні інформаційні технології в створенні інтегрованих виробничих комплексів". Дослідження проведені згідно з тематичним планом науково-дослідних робіт Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування по госпдоговірній темі №62102.
Мета і задачі дослідження
Метою дисертаційної роботи є створення автоматизованих систем контролю та обліку зерна на підприємствах зернопереробної промисловості на основі теоретичних досліджень по реалізації лінійних нестаціонарних систем з використанням їх адекватності нелінійним стаціонарним системам, а також визначення параметрів адекватної системи та вирішення задачі асимптотичної збіжності зазначених систем за рахунок доповнення їх умовою інваріантності і побудові по результатам досліджень пристрою сполучення тензодатчиків з керуючими засобами обчислювальної техніки. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
- визначення параметрів вторинних перетворювачів зі змінними в часі параметрами на основі їхньої адекватності нелінійним стаціонарним системам для одержання оптимальних динамічних оцінок тензометричних вимірювальних перетворювачів;
- подавлення внутрішніх шумів вторинного перетворювача на основі теорії інваріантності;
- створення пристрою для сполучення тензометричних вимірювальних перетворювачів з керуючою ЕОМ і реалізація автоматизованої системи контролю та обліку зерна.
Наукова новизна одержаних результатів
В роботі отримані наступні наукові результати:
- запропоновано спосіб визначення параметрів нелінійної стаціонарної системи на основі методу гармонійної лінеаризації;
- на основі теорії інваріантності запропоновано спосіб, який дозволяє подавляти шуми, що виникають в замкнутій системі вторинного перетворювача при його апаратній реалізації.
Практичне значення одержаних результатів
Запропоновано апаратну реалізацію вторинного перетворювача для вимірювання електричних сигналів тензометричних вимірювальних перетворювачів при підвищеному рівні зовнішніх завад, а також з подавленням його внутрішніх шумів, використовуючи який, створено автоматизовану систему контролю та обліку зерна в складі уніфікованої системи автоматизації технологічних процесів на Кіровоградському комбінаті хлібопродуктів №2.
Особистий внесок здобувача
У наукових працях персонально здобувачу належать такі матеріали:
- запропонована апаратна реалізація пристрою для вимірювання електричних сигналів при підвищеному рівні завад;
- запропонований інженерний метод визначення параметрів нелінійних стаціонарних систем, заснований на методі гармонійної лінеаризації для використання їх при апаратній реалізації вторинних перетворювачів;
- запропоновано вторинний перетворювач для високоефективного вимірювання сигналів тензометричних вимірювальних перетворювачів з подавлення його внутрішніх шумів на основі теорії інваріантності.
Апробація результатів дисертації
Основні положення і результати були висвітлені й одержали схвалення на наукових конференціях викладачів, аспірантів і співробітників Кіровоградського державного технічного університету (1997…1999 рр.), V Всеукраїнській науковій конференції "Застосування обчислювальної техніки, математичного моделювання та математичних методів у наукових дослідженнях" ( м. Львів, вересень1998 р.).
Публікації
Основні положення дисертації опубліковані в 3 статтях і в одному рішенні про видачу патенту на винахід.
Структура та обсяг роботи
Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та шістьох додатків. Загальний обсяг дисертації 160 сторінок, 44 рисунків, 4 таблиць. Список використаних джерел складається з 103 найменувань.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертації, показано її наукове і прикладне спрямування, сформульовані мета і задачі, які необхідно вирішити для її досягнення. Показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Перший розділ. Огляд літератури з автоматизованих систем вимірювання і управління вагодозуючими пристроями та вибір напрямку дослідження.
Проведено огляд літератури з автоматизованих систем вимірювання і управління вагодозуючим обладнанням та шляхів підвищення їх завадостійкості.
Аналіз показав, що існуючі вимірювально-керуючі пристрої вагодозуючого обладнання і способи підвищення їх завадостійкості не забезпечують необхідну точність вимірювання. Використання даних пристроїв стримується рядом складних умов експлуатації, які присутні на підприємствах зерноперобної промисловості . Як показали дослідження, спектр флуктуаційних завад, які присутні на даних підприємствах, і корисного сигналу знаходяться в одній частотній області. При цьому співвідношення сигнал/шум менше одиниці.
У зв'язку з цим ставиться задача проведення теоретичних досліджень методів визначення динамічних оцінок тензометричних вимірювальних перетворювачів при великому рівні завади і розробки на їх основі пристрою сполучення з мікрозасобами керуючої обчислювальної техніки для побудови автоматизованої системи контролю та обліку зерна.
Другий розділ. Загальна методика і теоретичні дослідження методів визначення динамічних оцінок сигналів тензометричних вимірювальних перетворювачів.
Для вирішення вказаної задачі запропоновано використовувати спосіб вимірювання електричних сигналів при підвищеному рівні завад. Суть даного способу полягає в тому, що в вимірювальному ланцюгу спочатку здійснюється вимірювання завади, яка наводиться при відсутності корисного сигналу, а потім відносно даного рівня здійснюється вимірювання корисного сигналу. Згідно цього способу вимірювання рівня завади виконується при відсутності напруги живлення на датчику, а вилучення корисного сигналу - при живленні датчика. Таким чином, спосіб і пристрій, який його реалізує, потребує живлення датчиків імпульсною напругою.
Вимірювання рівня завади і рівня суміші корисного сигналу і завади виконується в різні проміжки часу. Таким чином сигнал, який вимірюється, буде являти собою адитивну суміш корисного сигналу і завади. Задача в постановці, коли необхідно отримати оптимальні динамічні характеристики корисного сигналу в суміші з адитивної завадою, і коли спектр частот корисного сигналу і завади накладаються, була поставлена і вирішена Вінером, Калманом та Бьюсі.
В практиці часто відомі форма і закон зміни сигналу з виходу датчика. Задача в такій постановці, коли маємо детермінований сигнал з невідомими параметрами, зводиться до визначення невідомих параметрів.
Тобто задача по обробці даних, які спостерігаються, зводиться до знаходження найкращої оцінки сигналу x(t), відносно якого відомо:
де ak - невідомі постійні параметри;
φk(t) - задані функції.
Сигнал, який діє на вході каналу вимірювання z(t), має вигляд:
де n(t) - завада, яка характеризується білим шумом рівня N.
В цьому випадку оцінки параметрів сигналу визначаються із вирішення системи стохастичних диференційних рівнянь:
 (1)
 (2)
де ak - математичне очікування;
dkl – дисперсія.
Внаслідок суміжного рішення рівняння (1) і (2) отримують математичне очікування ak і ію dkl сигналу x(t).
Сигнал з виходу датчика в малий проміжок часу вимірювання має лінійний характер. Тому функція φk(t) являє собою поліном першого порядку:
і корисний сигнал матиме вигляд:
Після математичних перетворень і вводячи позначення
отримаємо:
В залежності з цими рівняннями побудуємо структурну схему фільтру, яка представлена на рис.1.
Рисунок 1 - Структурна схема фільтру для сигналу, що змінюється по лінійному закону
Як видно з вищевикладеного, реалізація фільтру зводиться до системи зі змінними в часі параметрами. При реалізації такої системи виникають труднощі - наявність змінних в часі параметрів. Вирішення проблеми реалізації систем з такими параметрами пропонується на основі адекватності лінійних нестаціонарних систем і нелінійних стаціонарних систем. Тобто систему, яку отримали, можна реалізувати на основі нелінійної стаціонарної системи.
При цьому система буде описуватися адекватною системою диференційних рівнянь:
де Δx=z(t)-x(t) - різниця вхідного і вихідного сигналу системи; f1(Δx) і f2(Δx) - невідомі нелінійні стаціонарні функції змінної Δx , які необхідно визначити.
В даній роботі запропоновано інженерний спосіб визначення параметрів нелінійних стаціонарних функцій, який грунтується на методі гармонійної лінеаризації.
Згідно методу гармонійної лінеаризації для функцій f1(Δx), f2(Δx) можна записати:
  (3)
де q1(ai), q2(ai) -коефіцієнти передачі, які залежать від амплітуди аi вхідного сигналу; i=1,2...n.
Таким чином, нелінійна функція замінюється лінійною з кутовим коефіцієнтом, який необхідно визначити. Із умови адекватності лінійних нестаціонарних і нелінійних стаціонарних систем слідує, що повна адекватність в нашому випадку здійснюється при виконанні таких умов:
 ,  (4)
Тобто функції f1(Δx(ti)), f2(Δx(ti)) адекватні коефіцієнтам k1(ti), k2(ti) в даний проміжок часу ti відповідно.
Із виразів (3), (4) можна записати:
 ,  . (5)
Тоді для моментів часу ti визначаються значення функцій k(ti), Δx(ti) і на основі (5) отримуємо значення відповідного коефіцієнту q(ai) і будуємо пряму 1 (рис.2).
Аналогічно для різних значень амплітуд отримаємо декілька прямих(2, 3). Крива, яка перетинає ці прямі в точках відповідних амплітуд, визначає нелінійність.
Рисунок 2 - Графік нелінійної функції f(Δx)
Таким чином, використовуючи метод гармонійної лінеаризації є можливість інженерним способом визначити параметри нелінійної стаціонарної системи. Це дозволяє реалізувати фільтр Калмана-Бьюсі на основі нелінійних стаціонарних систем (нелінійний фільтр) без значних апаратних труднощів в вимірювальних системах вагодозуючого обладнання.
При апаратній реалізації такої системи, із-за наявності внутрішніх шумів, які присутні в замкнутій динамічній системі, порушується її асимптотична збіжність. Джерелами даних шумів є елементи і вузли з яких складається система. Таким чином, ставиться задача отримання асимптотичної збіжності оцінки вихідного сигналу системи або практичного позбавлення від шумів в системі. Рішення цієї задачі може бути засновано на теорії інваріантності. Розглянемо теорію інваріантності стосовно до нашої системи, яку для зручності подальших математичних викладок запишемо у вигляді:
 (6)
де x1(t) - сигнал на виході системи;
f1(t) - внутрішні шуми системи.
Згідно теорії інваріантності умовою незалежності величини x1(t) від збурення f1(t) є тотожна рівність нулю мінору головного визначника системи рівнянь, тобто M11(р)=0. Це є критерієм Щипанова-Лузіна, який дає можливість синтезувати інваріантні системи.
Запишемо систему (6) в символічній формі(p=d/dt):
 (7)
де aij(p) - поліноми (a11=p, a12=-1, a13=-k1, a22=p, a23=-k2, a31=1, a33=1).
Умовою абсолютної інваріантності для системи (7) буде:
Вирішуючи кожне з рівнянь системи (7) відносно основної для кожного рівняння змінної при нульових початкових умовах отримаємо:
 (8)
| 
