Содержание к диссертации
Введение
1. Технологическое влияние варьирования показателя отделяемости на результаты первичной обработки стеблей стланцевой льнотресты 9
1.1. Существующие технологии получения и заготовки стеблевого сырья на льнозаводах 9
1.2. Анализ причин возникновения неоднородности показателя отделяемости стеблей стланцевой льнотресты по длине рулонов 10
1.3. Анализ степени варьирования показателя отделяемости по длине перерабатываемых рулонов тресты 16
1.4. Анализ влияния показателя отделяемости стеблей тресты на технологический режим механической переработки стеблевого слоя 20
1.4.1. Технологическая характеристика стланцевой льнотресты, подлежащей переработке на МТА 22
1.4.2. Влияние показателя отделяемости на процесс мятья 28
1.4.3. Влияние показателя отделяемости на процесс трепания 31
2. Исследование взаимосвязи показателя отделяемости стеблей слоя льнотресты с их оптическими характеристиками и варьирования оптических характеристик слоя по его длине 45
2.1. Анализ существующих методов измерения показателя отделяемости стеблей слоя льнотресты 45
2.2. Формирование требований к исследованию оптических свойств слоя стеблей стланцевой льнотресты 51
2.3. Выбор системы представления цвета и колориметрических расчётов цветности стеблевого слоя льнотресты 53
2.4. Исследование влияния вида и способа освещения слоя льнотресты на выходную информацию с видеодатчика 57
2.5. Уточнение корреляционной зависимости между показателем отделяемости и оптическими характеристиками стеблевого слоя стланцевой льнотресты 62
2.6. Спектральный анализ вариации показателя отделяемости стеблей слоя льнотресты по его длине 71
3. Обоснование способа управления процессом получения длинного льноволокна при оптическом контроле перерабатываемого слоя стланцевой льнотресты ... 79
3.1. Теоретическое обоснование способа оптического контроля перерабатываемого слоя льнотресты 79
3.2. Построение алгоритма функционирования комплекса контроля параметров слоя льнотресты и управления режимом работы МТА 93
3.2.1. Алгоритм выбора режима работы технологического оборудования МТА на основании оптических измерений значения показателя отделяемости 103
3.3. Экспериментальное обоснование метода контроля оптических параметров перерабатываемого слоя 108
4. Построение комплекса контроля параметров слоя льнотресты для оптимизации процесса получения длинного волокна 114
4.1. Мяльно-трепальный агрегаткак объект управления 114
4.2. Построение структурной схемы комплекса контроля параметров слоя льнотресты 116
4.3. Построение комплекса контроля параметров слоя льнотресты 121
4.4. Разработка исполнительных механизмов комплекса контроля параметров слоя льнотресты 131
4.5. Функциональная схема комплекса контроля параметров слоя льнотресты 136
5. Расчёт условно-годовой экономии от внедрения на льнозаводе комплекса контроля параметров слоя льнотресты 140
5.1. Расчёт производственной программы 140
5.2. Расчет условно-годовой экономии при использовании комплекса контроля параметров слоя льнотресты 143
5.2.1. Расчёт изменения объёма товарной продукции 143
5.2.2. Расчёт изменения себестоимости товарной продукции 146
5.3. Срок окупаемости затрат, связанных с внедрением комплекса контроля параметров слоя льнотресты 152
Общие выводы 155
Литература 158
Приложения 170
- Анализ причин возникновения неоднородности показателя отделяемости стеблей стланцевой льнотресты по длине рулонов
- Формирование требований к исследованию оптических свойств слоя стеблей стланцевой льнотресты
- Построение алгоритма функционирования комплекса контроля параметров слоя льнотресты и управления режимом работы МТА
- Построение структурной схемы комплекса контроля параметров слоя льнотресты
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Проблема возрождения производства и переработки льна - основного источника натурального растительного текстильного сырья в России стала особенно актуальной после распада СССР и потери отечественной целлюлозной сырьевой базы текстильной промышленности - хлопкового волокна. Для выхода из кризиса льняного комплекса первоочередное значение будут иметь меры по восстановлению льноводства - источника сырья для текстильной отрасли, а также меры по повышению качества выпускаемой льнозаводами продукции. В последнее время в нашей стране и за рубежом возрос интерес к производству льняного волокна как сырья для текстильной промышленности. В этой связи в агропромышленном комплексе появились интенсивные технологии уборки льна и получения тресты. Основной из них является раздельная технология, включающая операции получения стланцевой тресты, формирование из неё рулонов и их доставку на льнозаводы для последующей переработки. Данная технология характеризуется малыми затратами ручного труда и малой энергоёмкостью технологических процессов первичной обработки льносырья. Негативной стороной данной технологии является снижение технологического качества льняной тресты из-за роста степени варьирования свойств, определяющих её технологическую ценность, что привело к снижению выхода длинного волокна.
Анализ причин упомянутого снижения показал, что традиционные технологии первичной переработки стланцевой льнотресты не способны обеспечить рациональный режим переработки тресты, упакованной в рулоны, степень варьирования технологических свойств которой существенно отличается от тресты, упакованной в снопах. Практические приёмы дифференциации обработки тресты по интенсивности механических воздействий при обработке слоя тресты на мяль-но-трёпальном агрегате (МТА) с высокой пропускной способностью оказались недостаточно эффективными. Это связано с тем, что параметры режима работы МТА настраиваются на достаточно большой период работы оборудования и не являются функцией отражения непрерывно изменяющихся технологических характеристик перерабатываемого слоя тресты. Поэтому для повышения эффекта в-
ности дифференциации процесса обработки тресты по интенсивности механических воздействий необходимо связать контроль технологической ценности сырья со способами регулирования интенсивности механических воздействий в МТА. Традиционно задача контроля качества тресты может быть решена двумя путями: во-первых, непосредственно по количеству и качеству получаемого из тресты длинного волокна и, во-вторых, на основе определения свойств самой тресты, связь которых с количеством и качеством получаемого продукта должна быть установлена в ходе исследований.
Для повышения эффективности процессов переработки необходимо создание системы бесконтактного определения технологических параметров слоя тресты непосредственно в процессе его переработки, основанной на использовании современной техники. Поэтому необходимо дополнительно изучить взаимосвязь технологических свойств перерабатываемого стеблевого слоя с его оптическими параметрами для последующей разработки рекомендаций, технических и технологических решений, обеспечивающих повышение выхода длинного волокна на отечественных льнозаводах.
В этой связи тема диссертационной работы является актуальной, поскольку связана с решением важнейшей практической задачи - рационального использования льняного сырья с целью увеличения выхода длинного волокна и повышения экономической эффективности работы отечественных льнозаводов.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Основной целью исследования является увеличение выхода длинного волокна за счёт управления скоростными параметрами режима работы МТА в зависимости от оптических свойств перерабатываемого слоя стланцевой льнотресты.
Для достижения поставленной цели требуют решения следующие задачи: изучить влияние условий приготовления стланцевой льняной тресты на формирование неоднородности показателя отделяемости по длине слоя, перерабатываемого на МТА;
изучить характер зависимости показателя отделяемое льняной тресты от её оптических свойств;
разработать метод измерения показателя отделяемости стеблей движущегося слоя тресты и обосновать рациональные условия его реализации;
разработать методы и алгоритмы управления режимом работы технологических машин, входящих в состав МТА в зависимости от оптических свойств стеблей слоя, поступающего на переработку;
разработать структуру комплекса контроля свойств слоя и управления режимом переработки слоя льняной тресты на МТА;
разработать исходные требования на создание комплекса контроля свойств и управления режимом переработки слоя тресты и осуществить оценку экономической эффективности при её внедрении на льнозаводах.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Методической основой диссертации явились труды ведущих учёных в области первичной обработки лубоволокнистых материалов и создания автоматизированных систем управления различными технологическими процессами. В работе использовали теоретические и экспериментальные методы исследования. Применяли дифференциальное и интегральное исчисления, численные математические методы, методы текстильного материаловедения, теорию автоматического управления непрерывных и дискретных систем, методы исследования оптических свойств движущегося слоя тресты при его различной толщине при помощи цифровой видеотехники. При проведении экспериментальных исследований использовали стандартную и оригинальную аппаратуру. Обработка опытных данных осуществлялась с использованием общепринятых методов математической статистики при доверительной вероятности Р=95%. Вычислительные процедуры реализовывали с применением ПЭВМ, используя программы Visual Basic v.6.0, Turbo Pascal v.7.0, Statistica, MathCad 2000, Matlab 6.0, Mik_al, Stadia, MS Excel, Adobe Photoshop CS, Corel Draw 12.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в разработке теоретических основ и принципов функционирования комплекса контроля оптических параметров слоя тресты и управления режимом его переработки на основе выявленных закономерностей взаимосвязи оптических параметров перерабатываемого слоя и показателя отделяемости, влияющего на результаты механической обработки контролируемого слоя.
В результате исследований впервые:
изучены причины взаимосвязанной вариации средневзвешенного цвета поверхности слоя стеблей льнотресты и среднего показателя отделяемости по длине перерабатываемых рулонов, показан системный характер вариации данных параметров слоя;
разработан метод идентификации оптических компонент, определяющих изменчивость среднего показателя отделяемости по длине слоя;
разработана математическая модель и обоснован метод автоматического измерения оптических параметров поверхности движущегося слоя льнотресты;
разработана структура комплекса контроля оптических свойств движущегося слоя льнотресты и управления режимом работы машин, входящих в МТА, обеспечивающая оптимизацию выхода длинного волокна при переработке льнотресты с повышенной вариацией показателя отделяемости по длине слоя;
предложен алгоритм управления режимом работы МТА, обеспечивающий параметрическую оптимизацию выхода длинного волокна.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Впервые создан автоматический комплекс, позволяющий управлять параметрами работы МТА для обеспечения рациональных условий переработки слоя льняной тресты при организации контроля показателя отделяемости оптическим способом.
Созданы технические средства контроля оптических параметров движущегося слоя и управления режимом его переработки на МТА, результаты апробации
которых явились основой исходных требований для разработки и создания автоматического комплекса контроля параметров слоя тресты и управления режимом работы МТА. Результаты диссертационной работы приняты к использованию ООО «Костромское СКБТМ» и ОАО «Завод им. ГЛС Королёва» (г. Иваново).
Алгоритм прогнозирования показателя отделяемое слоя стеблей, движущегося в технологическом процессе механической переработки явился основой для создания комплекса автоматического управления режимом работы МТА и принят к использованию Всероссийским НИИ по переработке лубяных культур.
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 260701 «Технология и оборудование производства натуральных волокон» и специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств» (дисциплина «Основы моделирования и оптимизации технологических процессов»).
Анализ причин возникновения неоднородности показателя отделяемости стеблей стланцевой льнотресты по длине рулонов
Одна из основных характеристик технологического качества тресты и сформированного из неё слоя - показатель отделяемости, который непосредственно влияет на результат механической переработки стеблевого слоя [21,22]. Согласно определению, приведенному в ГОСТ «Треста льняная. Требования при заготовках» [23], показатель отделяемости показывает среднее количество стеблей с отделившимся волокном, приходящееся на каждые 10 стеблей льнотресты.
Для обоснования теоретических изысканий и разработки технологических решений, позволяющих скомпенсировать влияние значительного варьирования показателя отделяемое на результат переработки стеблевого слоя льняной тресты, нами был проведён анализ причин её возникновения с учётом выводов работы Ю.В. Дроздова [19], А.Е. Виноградовой [25] и А.Б. Лапшина [26]. Рассмотрим причины возникновения неоднородности показателя отделяемости на различных этапах процесса получения льнотресты: на предпосевном этапе возникновение варьирования показателя отделяемости связано с неоднородностями свойств почвы и семян льна; на этапе произрастания возникновение варьирования показателя отделяемости связано с продолжительностью вегетации, высотой растений, устойчивостью к полеганию и болезням, а также продолжительностью периодов посева семян, вегетации и теребления стеблей; на этапе теребления льна не выявлены причины возникновения неоднородности показателя отделяемости, на что указывают результаты исследований [19,27,28]; на этапе вылежки льна возникновение варьирования показателя отделяемости связано с подготовленностью земельных площадей для расстила, с изменчивостью погодных условий и биологическими свойствами разостланных стеблей льна.
Рассмотрим подробно формирование варьирования показателя отделяемости на этапе приготовления льнотресты посредством росяной мочки, сложном многокомпонентном процессе, имеющем стохастический характер. Преобразование льносоломы в тресту в процессе росяной мочки зависит как от количества и состава микрофлоры в объеме разостланной ленты, так и от особенностей самих стеблей, так как от сорта и условий выращивания растения зависит структура и химический состав покровных тканей растения, их фитонцидная реакция на микрофлору [29]. Протекание биохимических процессов при росяной мочке зависит от микрофлоры, которая присутствует на растениях в период его выращивания. Результаты вылежки определяются условиями жизнедеятельности разнообразной эпифитной микрофлоры на поверхности разостланных стеблей. Ухудшение этих условий приводит к доминированию грибной микрофлоры. Исследованиями [30] установлено, что численность бактерий колеблется в пределах от 100 до 300 миллионов на 1 г сухой массы тресты, а численность грибов от 300 тысяч до двух и более миллионов, причем численность бактерий на 1 г сухой массы тресты значительно варьирует на образцах одного и того же сорта льна, выращенного в различных условиях. В процессе росяной мочки происходит сукцессия микроорганизмов, которые последовательно разрушают покровные ткани льняного стебля. Таким образом, степень вылежки стеблей тресты характеризуется резким снижением связи между лубяным покровом и древесиной стебля. Однородность вылежки тресты во многом зависит от синхронности протекания процесса росяной мочки на различных участках разостланной стеблевой ленты, от толщины настила стеблей, а также от стабильности погодных условий.
На первом этапе вылежки стеблей льна происходит разрушение эпидермы стебля. Интенсивность протекания этого этапа влияет на условия доступа пекти-норазрушающих микроорганизмов к волокнистым пучкам в стебле. Эти условия обычно различаются по отдельным участкам ленты, поэтому различна и эффективность разложения пектинов в лубе стебля, обуславливающая обособление волокнистых пучков от остальных легкоразрушаемых тканей луба. Нестабильность погодных условий в период вылежки приводит к существенному различию в численности и видового состава микрофлоры на стеблях на различных участках разостланных лент. Это усиливает степень варьирования показателя отделяемости тресты по длине стеблевых лент. В работе [19] как наиболее важные погодные условия, влияющие на степень варьирования показателя отделяемости по длине ленты тресты, указаны: количество и качество выпадающих осадков (роса или дождь); диапазон суточных колебаний температуры воздуха; относительная влажность воздуха; освещенность стеблевых лент; аэрация стеблевых лент.
Расстил стеблей, убранных в дождливую погоду и имеющих значительную влажность, протекает замедленно, такие стебли длительное время сохраняют свою жизнеспособность, что препятствует развитию пектиноразлагающих микроорганизмов. Поэтому различие уровня влажности на различных участках разостланной ленты приводит к неоднородности условий жизнедеятельность микрофлоры. Неоднородность степени вылежки не только по площади расстила лент, но и по длине стеблей возникает по причине того факта, что комли теряют влагу в 2...3 раза быстрее, чем вершинки стеблей [19].. Вылежка нижнего слоя ленты протекает замедленно, поэтому высока вероятность загнивания стеблей. Стебли верхнего слоя даже в дождливую погоду подсыхают, что стимулирует развитие пектиноразлагающих грибков. Поэтому оборачивание ленты способствует снижению неоднородности тресты по показателю отделяемости.
Практически установлено [19], что вылежка стеблей льна, особенно в дождливые годы, протекает более равномерно, если стебли льна предварительно просушены перед расстилом и проводится оборачивание стеблевых лент. Существенно влияет на равномерность вылежки и агротехническая подготовка стлища [30] -создание перед расстилом аэрационных гребней на поверхности стлища. Исследования [19,25,31,32,33,34] показали, что равномерность процесса вылежки тресты снижается при затягивании сроков уборки льна, значительных суточных колебаниях температуры до 25...30С, переувлажнении стеблевых лент атмосферными осадками и повышенной относительной влажности воздуха [19]. Поэтому в дождливые годы микробиологические процессы при вылежке тресты протекают в наихудших условиях, так как усиливается деятельность целлюлозоразла-гающих организмов в нижних слоях ленты, при этом повреждают волоконные комплексы стеблей. Эти микроорганизмы подавляют жизнедеятельность пекти-норазлагающей микрофлоры, поэтому необходимо обеспечить доступ воздуха к нижнему слою ленты - произвести аэрацию ленты. Данная операция улучшает условия жизнедеятельности пектиноразлагающих микроорганизмов и обеспечивает более равномерное протекание процесса вылежки верхнего и нижнего слоя. При повышенной влажности атмосферного воздуха также целесообразно производить сушку стеблей льна в конусах и шатрах [19].
Формирование требований к исследованию оптических свойств слоя стеблей стланцевой льнотресты
В проведенных разными авторами исследованиях [18,19,24,25,26,29,30] выявлено наличие существенного варьирования оптических свойств, характеризующих показатель отделяемости стеблей стланцевой льнотресты в пределах одной технологической паковки - рулона. Крайне важно провести анализ характера изменений оптических свойств тресты по длине слоя, движущегося в технологическом процессе его переработки. Понимание существа закономерностей варьирования этих свойств позволит обоснованно подойти к вопросу разработки технических решений с целью обеспечения адекватного режима переработки слоя тресты при получении трепаного льна. Проведенные нами исследования осуществлялись в трех направлениях. Первое направление - уточнение корреляционной зависимости оптических свойств стеблей стланцевой тресты и показателя отделяемости, оценка статистической значимости амплитуды изменения оптических свойств тресты. Второе направление - оценка статистической значимости спектрального состава излучения осветителя на результаты измерения оптических свойств стеблей стланцевой тресты. Третье направление - исследование изменения оптических свойств стеблей стланцевой льнотресты как случайной функции: выявление трендовых изменений исследуемых свойств, исследование спектральной и корреляционной функций на основе общепринятых рекомендаций [71,72,73,74,75].
Полученные результаты, на наш взгляд, позволят разработать технические решения по улучшению работы МТА, оптимизировав его работу путем автоматического управления режимами работы отдельных технологических машин. При этом значительная инерционность рабочих органов этих машин, присущая МТА, должна быть учтена для того, чтобы адекватно реагировать на изменение оптических свойств в широком частотном диапазоне. По этой причине принципиально важно исследовать характер изменения оптических свойств стеблей по длине перерабатываемого слоя.
В технологии первичной обработки льна измерение оптических характеристик стеблей стланцевой льнотресты с целью определения связи этих характеристик с показателем отделяемости (степени вылежки) проводилось в работах Куд-ряшовой Т.А. [59,60] и Жуплатовой Л.М. [61,62,63] при помощи люксметра, в работах Виноградовой А.Е. при помощи фотодиодного измерительного прибора [25,24].
В технологии первичной обработки льна оценки случайной функции были применены для исследования неровноты слоя волокна на выходе из мяльно-трепального агрегата при поперечном расположении волокон относительно направления перемещения А.И. Казаковым [76]. Подобные оценки применялись для исследования неровноты стеблевой ленты льнотресты В.П. Любимовым [77], В.Н.Храмцовым [78], А.Б. Лапшиным [27] и Ю.В.Дроздовым [19] по проблеме трендовых изменений характеристик стеблевого слоя по его длине на входе в МТА.
Наиболее полную информацию о внешних характеристиках слоя тресты даёт его полноцветное визуальное представление. Слой тресты имеет при нормаль ных условиях наблюдения четырёхмерную полноцветную визуализацию, которая может быть представлена проекциями на 3 плоскости, образованные осями трёхмерного Декартова пространства, изменяющимися в общем случае независимо друг от друга во времени. При этом возможна частичная потеря информации при перекрытии одних элементов изображения другими при значительной величине вертикальной проекции изображения. Поэтому практический интерес представляет оптимизация этой информации по принципу значимости каждой из проекций визуализации для каждого частного случая применения визуализации и создание обобщающих методик работы с этими проекциями. Нами предложено использовать методику обработки получаемого с видеокамеры полноцветного изображения стеблевого слоя, оптические характеристики которого изменяются во времени.
Как было показано в работах [25,59,60,61,62,63,64], оценка цвета любого объекта наблюдения, в частности стеблей льнотресты, имеет количественную и качественную стороны. Количественная характеристика цвета определяется световыми величинами: световым потоком, яркостью и светимостью. Качественной характеристикой цвета является цветность. Колориметрия изучает качественные характеристики цвета и влияния условий их измерения на значения этих характеристик. Для решения задач колориметрии было предложено много систем цветности [68,70,79,80,81], базирующих на двух основных принципах получения цвета. Аддитивные системы, цвет в которых получается путём сложения света независимых монохроматических компонент (системы разнятся параметрами компонент). Цвета света, фиксируемые первичными видеодатчиками, представлены только в величинах аддитивных систем цвета. Субстрактивные системы, цвет в которых получается при вычитании поглощенных независимых монохроматических компонент при отражении от объекта наблюдения - данные системы применяются только для крашения и по лиграфии. В дальнейшем мы будем рассматривать только аддитивные системы цветности, и такие, представление цвета в которых согласуется с аппаратным представлением цвета в различных видеодатчиках. К таким системам относятся: система RGB, система XYZ и система L a B.
Построение алгоритма функционирования комплекса контроля параметров слоя льнотресты и управления режимом работы МТА
Информационная структура функционирования ККПЛ МТА представлена на рис. 3.8. Первый модуль управляющего пакета программ (УПП) выполняет процедуру последовательного опроса видеокамер. Видеокамеры подключены к USB-концентратору таким образом, чтобы временной сдвиг между захваченными для обработки кадрами каждого входящего видеопотока был не более 1...2 кадров. Частота сканирования зависит от инерционности управляемого объекта и быстродействия измерительной и вычислительной частей ККПЛ: в нашем случае составляет не менее 13 измерений в секунду для каждой видеокамеры, это обусловлено минимально необходимым быстродействием каждой отдельной видеокамеры. Далее производится фильтрация входной информации из поступающих кадров изображения в зависимости от выбранных настроек точности УПП и быстродействия управляющей ЭВМ. Так как минимальное время прохождения сканируемого участка поверхности слоя от зоны наблюдения до зоны начала трепальных воздействий при максимально рекомендуемой скорости ремней главного конвейера до 70 м/мин составляет не более 1,7 с, то нами предлагается применять интегральный закон регулирования электроприводами рабочих органов МТА. Для адекватной работы ККПЛ нами установлены следующие значения: такт измерений - устанавливается от 1 с до 2 с; длительность сканирования - 1 с;усреднение смежных 15 видеокадров при частоте сканирования зоны наблюдения не более 30 Гц.
Второй модуль определяет средневзвешенное значение координат цвета в системе RGB для изображения стеблей и выявляется его технологическая ценность на основе регрессионной модели цвета обрабатываемого слоя.
При работе ККПЛ нами рассмотрена возможность корректировки вида этой регрессионной зависимости при включении модуля нейросетевого анализа эталонов цвета слоя, работающего с использованием универсальных аппроксимацион-ных нейросетеи, рассмотренных в [101,102]. Предварительные эталоны цвета УПП получает путём сканирования тонких слоев стеблей урожая текущего года, для которых специалистами-приёмщиками сырья на предприятии ПОЛВ определена одна группа цвета и соответствующий показатель отделяемости инструментальным методом [23]. Группа цвета может изменяться в зависимости от преобладающих цветовых оттенков стеблей тресты урожая данного года. Нейросеть ККПЛ автоматически производит статистическую обработку и коррекцию текущей регрессионной модели.
Данная процедура позволит накапливать информацию о конечном виде регрессионной модели зависимости цвета стеблевого слоя с его показателем отделяемости за время функционирования ККПЛ и автоматическому повышению эффективности её работы при применении принципа машинного самообучения.
Второй блок также выполняет функцию интеграции подсистемы контроля структурных параметров слоя для обеспечения максимального значения пригодности слоя к обработке трепанием, конструкция и программное обеспечение которой подробно описаны в работе [19]. Принцип определения средневзвешенного значения цветовых координат из единичного изображения слоя основан на выявлении характерных по яркости сегментов (протяженных участков) анализируемого изображения. Так как видеоизображение сканируемой зоны содержит как минимум 3 сегмента (рис. 3.9), существенным является выбор фона изображения, так как поиск большого числа сегментов изображения значительно увеличивает объем вычислений.
Каждое изображение видеокадра, принимаемое УПП с видеокамер, представлено в виде результирующей трёхмерной конечной матрицы Img(r,c,E), то самые яркие пиксели, относящиеся к стеблям, имеют наибольшее значение параметра цвета E(RGB) относительно цвета фона изображения. Это возможно при высокой контрастности получаемого изображения. При анализе изображения слоя (рис. 3.10) видно, что контрастность данного изображения Сщ выше при наблюдении их на белом фоне, чем при наблюдении на черном фоне. Но при этом необходим учет сегмента теней от стеблей при определении средневзвешенного цвета стеблей. Поэтому наиболее простым и эффективным способом устранения влияния сегмента теней стеблей для зоны наблюдения слоя будет использование черного светопоглощающего фона. При этом изображение не будет малоконтрастным, так как Сщ 30% - порогового значения, при котором изображение считается малоконтрастным [81,92,93]. Рассмотрим, например, конструкцию слоеформи-рующей машины марки ПЛ (выпускается АООТ «Завод им. Г.К. Королева»). Под направляющими полозками зон слоеутонения расположен бункер приема отходов значительной глубины, поэтому фоновое изображение достаточно темное. При этом среднее значение яркости пикселей фонового изображения E(RGB) 55 Qy по градации 24-битного представления цвета в системе RGB, что соответствует общим требованиям, предъявляемым к фону наблюдения стеблевого слоя.
Построение структурной схемы комплекса контроля параметров слоя льнотресты
Анализ влияния изменения показателя отделяемости слоя на эффективность работы агрегата и способ позволяют определить требуемую структуру комплекса автоматического контроля МТА. Оптические параметры слоя тресты, поступающего на переработку в МТА, стохастически изменяются во времени и представляют собой вектор возмущающих воздействий ивозкь существенно влияющий на качественные показатели работы МТА [98].
Комплекс контроля параметров слоя льнотресты, а также полученные математические зависимости изменения оптических параметров слоя в процессе его механической переработки позволяют определять показатель отделяемости и корректировать положение слоя для обеспечения максимальной пригодности к трепанию в реальном времени. При этом необходимо учитывать, что эти показатели зависят от конкретного состояния поверхности слоя в каждый текущий момент. Таким образом, построение ККПЛ МТА, регулирующего режим механической переработки контролируемого слоя в зависимости от изменяющихся оптических параметров слоя, включающее прогнозирование изменения этих параметров на основе накопления статистической информации о перерабатываемом сырье, позволит добиться требуемого количества воздействий и, следовательно, обеспечит увеличение выхода длинного волокна при переработке стеблевого слоя на МТА.
Разрабатываемый комплекс должен решать следующие задачи: определять оптические параметры стеблевого слоя, сформированного посредством слоеформирующей машины; вычислять по этим оптическим параметрам показатель отделяемое слоя стеблей и степень его варьирования; вводить поправку координат положения границ слоя для увеличения вероятности его полного зажима в обоих транспортерах трепальных секций МТА как основной сигнал обратной связи для подключаемой подсистемы контроля структурных параметров слоя перед слоеформированием; формировать управляющие сигналы для исполнительных механизмов регулирования режима механической переработки стеблевого слоя; обрабатывать сигналы обратной связи от исполнительных механизмов для точного выбора режима обработки слоя в трепальных секциях МТА.
В соответствии с принятой нами терминологией оптические параметры слоя представляют собой возмущающие воздействия, преобразование которых позволяет сформировать поток управляющих воздействий, обеспечивающее изменение скоростного режима обработки (входной параметр). Таким образом, представленный комплекс будет функционировать по принципу компенсации возмущения [113].
Для решения поставленных задач нами была предложена структурная схема ККПЛ, представленная на рис. 4.2.
Из совокупности возмущающих воздействий ІІвозхи характеризующих совокупность структурных и оптических параметров слоя, с помощью подсистемы датчиков контроля оптических параметров слоя формируется совокупность информационных сигналов (информационный вектор Um\f)9 поступающих в устройство управления (УУ). Здесь после аналого-цифрового преобразования в блоке комплекса методов измерений, реализующем алгоритмы определения оптических параметров слоя (f0h Аоь $, xf)9 входная совокупность информационных сигналов преобразуется в блоке комплекса алгоритмов регулирования, выполняющих
Таким образом, ККПЛ должен обеспечить условие Y(t)=const за счет изменения частоты вращения трепальных барабанов nmp&(t) при варьировании показателя отделяемости Ослоя(0, который, как было показано выше, описывает текущее состояние слоя с точки зрения скоростных параметров обработки слоя в МТА.
Движение слоя по ходу технологического процесса является равномерно-ускоренным, так как это следствие работы ККПЛ. Следовательно, зависимость скорости главного конвейера от времени будет определяться выражением:
Таким образом, алгоритм автоматического выбора режима переработки слоя на МТА должен решать задачу оптимального управления. Пример функционирования данного алгоритма приведен в Приложении 6.
В диссертационной работе Ю.В. Дроздова [19] была решена подобная задача и было показано, что в общем случае оптимальное управление может быть реализовано в двух видах: в виде оптимальной программы [114] и оптимальной стратегии [115,116,117]. В первом случае управление является функцией времени. Так как МТА является нелинейным ТОУ со случайно изменяющимися внешними возмущающими воздействиями, попытка представить управление такой системой в виде оптимальной программы привела бы к необходимости введения очень больших допущений, что не позволило получить ожидаемый эффект управления.
Основными математическими методами теории оптимального управления являются вариационное исчисление, принцип максимума Понтрягина и динамическое программирование, подробно рассмотренные в работе [19]. При этом классическая постановка задачи оптимального управления, показанная в [118] существенно отличается от постановки нашей задачи. Традиционно задача оптимального управления состоит в необходимости реализовать оптимальное управление, переводящее объект из заданной начальной точки в заданную конечную точку по математическому описанию функционирования этого объекта, при этом выбранный критерий оптимизации должен иметь экстремум. При этом возможно наложение ограничений на параметры и законы управления объектом. Данная задача не позволяет компенсировать стохастические изменения внешних возмущающих воздействий.
В нашем случае выходная величина напрямую зависит от характера и величины возмущающих воздействий, поэтому использование методов теории оптимального управления возможно лишь частично. При этом известно, что построение аналитических решений разнообразных задач оптимального управления (с использованием, например, принципа максимума Понтрягина) возможно лишь в крайне простых случаях. Основным же подходом к решению широкого круга задач является приближенная численная оптимизация, методы которой подробно рассмотрены в [119].
