Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современных аспектов моделирования процессов смесеприготовления в агрегатах непрерывного действия и возможностей мониторинга их динамики 10
1.1. Описание процессов приготовления сыпучих смесей 10
1.2. Обоснование выбора объекта исследования 13
1.3. Проблемы моделирования процессов непрерывного смесеприготовления 17
1.4. Анализ материалопотоковых сигналов дозирующей и смесительной аппаратуры в стационарных и нестационарных условиях 24
1.5. Современные способы идентификации и мониторинга одномерных сигналов . ...27
1.5.1. Преобразование Фурье 27
1.5.2. Кратковременное преобразование Фурье.. 29
1.6. Вопросы мониторинга и коррекции динамики процесса смесеприготовления.. 32
1.6.1. Идентификация и мониторинг одномерных процессов в вейвлет-среде 32
1.6.2. Алгоритмы работы с сигналами дозирующих устройств... 34
1.6.3. Преобразование сигналов в каналах направленной организации материалопотоков 38
1.7. Выводы по главе 40
Глава 2. Методы математического описания и исследования сигналов систем непрерывного смесеприготовления 42
2.1. Способ волнового представления материалопотоковых сигналов в смесительном агрегате 42
2.1.1. Моделирование расхода спирального дозатора 42
2.1.2. Моделирование расхода шнекового дозатора 45
2.1.3. Описание и параметризация сигнала порционного дозатора.. 45
2.2. Теоретические основы время-частотного анализа на базе вейвлет-преобразований 58
2.2.1. Теоретические аспекты вейвлет-анализа 58
2.2.2. Дискретное вейвлет-преобразование 62
2.2.3. Алгоритм вейвлет-поиска соответствия 64
2.3. Спектральная идентификация сигналов и коррекция режимов работы смесеприготовительного агрегата 66
2.3.1. Время-частотное распределение Вигнера 66
2.3.2. Алгоритм адаптивной вейвлет-аппроксимации сигналов смесеприготовительной системы дискретным словарем Габора 68
2.4. Выводы по главе 71
Глава 3. Разработка экспериментального стенда 73
3.1. Объект исследования 73
3.1.1. Общая характеристика, описание экспериментального стенда 75
3.1.2. Система вывода аналоговых корректирующих воздействий 78
3.2. Описание дозировочного оборудования 78
3.2.1. Шнековый дозатор... .79
3.2.2. Спиральный дозатор.. ...81
3.2.3. Порционный дозатор 82
3.3. Центробежный смеситель непрерывного действия 83
3.4. Измерительное оборудование 86
3.4.1. Пьезоэлектрические преобразователи 86
3.4.2. Плата оцифровки 88
3.4.3. Характеристика аналитических весов 89
3.5. Физико-механические свойства исследуемых материалов 91
3.6. Методики непрерывного анализа, корректировки и мониторинга процесса смесеприготовления 92
3.6.1. Методика регистрации одномерных сигналов 92
3.6.2. Методика считывания данных из технологического файла... 93
3.6.3. Методика фильтрации сигнала технологического файла 93
3.6.4. Процедура сглаживания сигнала материалопотока 94
3.6.5. Построение карты Вигнера и идентификация ее объектов 95
3.6.6. Система коррекции текущих режимов работы дозаторов. 96
3.7. Выводы по главе 96
Глава 4. Экспериментальные исследования 98
4.1. Исследование характеристик аппаратуры 98
4.1.1. Исследование работы дозирующих устройств 98
4.1.2. Определение собственной частоты датчика 102
4.1.3. Определение частоты дискретизации платы оцифровки 105
4.2. Коррекция режимов работы агрегата посредством аппаратно- .-программного комплекса вейвлет-мониторинга 106
4.2.1. Причины возникновения нестационарности 106
4.2.2. Регистрация и преобразование одномерных сигналов 109
4.2.3. Фильтрация и сглаживание анализируемых сигналов 113
4.2.4. Идентификация элементов карты модифицированного сигнала материалопотока и коррекция текущих режимов 117
4.3. Практическое использование 122
4.4. Выводы по главе 123
Основные результаты работы и выводы 124
Литература 126
Приложения 139
- Анализ материалопотоковых сигналов дозирующей и смесительной аппаратуры в стационарных и нестационарных условиях
- Теоретические основы время-частотного анализа на базе вейвлет-преобразований
- Система вывода аналоговых корректирующих воздействий
- Коррекция режимов работы агрегата посредством аппаратно- .-программного комплекса вейвлет-мониторинга
Введение к работе
В современных условиях работы пищеперерабатывающих, горнодобывающих, химических и других отраслей промышленности занимают процессы смешивания сухих сыпучих материалов в смесеприготовительных агрегатах непрерывного действия. Повышаются требования к точности и стабильности состава многокомпонентных смесей, получаемых в смесителях.
Учитывая концепцию государственной политики в области здорового питания населения РФ, предусматривающей увеличение производства витаминов, биологически активных добавок, создание обогащенной пищевой продукции и улучшение структуры ее потребления, необходимо разработать комплексную систему мониторингового управления смесеприготовительным агрегатом с комплексной автоматической стабилизацией работы смесительной системы для повышения качества производимых компонентов.
В НИИ и ведущих вузах пищевого профиля разрабатываются принципиально новые, энергетически выгодные технологии, обеспечивающие производство экологически безопасных продуктов питания, обогащенных витаминами и биологически ценными компонентами, с учетом различных возрастных потребностей и состояния здоровья населения, что при невысокой платежеспособности последнего, позволяет вывести эти продукты на доступный для большинства населения уровень соотношение цены и качества расширяя ассортимент конкурентно способных продуктов. Это требует качественного подхода к процессам смесеприготовления с большей точностью, используя компьютерные технологии.
Так например, при производстве сухих и увлажненных комбинированных продуктов питания, одной из основных проблем является равномерное распределение различных добавок (витамины, наполнители, стабилизаторы, аромата заторы и т.д.), вносимых в небольших дозах (0,01-1%) по всему объему смеси необходимо получить высококачественную смесь.
Применение компьютерных технологий в процессах смесеприготовления обусловлено тем, что математическое моделирование, по сравнению с физическим, обладает более универсальным и менее затратными инструментами для исследования объектов.
Цель работы
Создание комплекса моделей, алгоритмов и программ, обеспечивающих высококачественный компьютерный мониторинг и поддержание номинальных рабочих режимов процесса приготовления мультиингредиентных пищевых сухих дисперсных композиций в агрегатах непрерывного действия.
Задачи исследований
Исходя из поставленной цели в данной диссертационной работе решаются следующие задачи:
• анализ процесса смесеприготовления и возможностей высококачественного мониторинга текущих режимов работы структурных элементов смесительного комплекса непрерывного действия;
• разработка моделей, алгоритмов и программ, обеспечивающих функционирование системы наблюдения за динамикой смесеприготовительного процесса с использованием математического подхода на основе вейвлет-информации о состоянии объекта;
• развитие методики и способов регистрации и математической фильтрации материалопотоковых переменных в виде одномерных сигналов;
• создание способов идентификации, контроля и коррекции рабочих режимов смесительного агрегата по двумерным вейвлет-отображениям одномерных сигналов;
• проверка разработанных алгоритмического и программного видов обеспечения на достоверность и адекватность описания реальных процессов дозирования; • математическое моделирование текущих режимов смесеприготовления на базе разработанного комплекса алгоритмов и программ, положенного в основу вейвлет-мониторинга материалопотоковых процессов;
• создание системы компьютерного вейвлет-мониторингового процесса дозирования.
Научная новизна
1. Доказана возможность и целесообразность применения высокоточного мониторинга стационарных и нестационарных текущих режимов смесеприготовления с использованием вейвлет- (всплесковых) преобразований.
2. Сформулированы модели, алгоритмы и программы, обеспечивающие функционирование системы мониторинга на основе вейвлет-информации о состоянии объекта.
3. Созданы и развиты способы и процедуры специфической обработки двумерных функций, отражающих процессы массопереноса с временным и частотным носителями (переменных, компактно поддержанных по времени и частоте).
4. Предложен порядок построения и параметризация процедур моделирования текущих режимов смесеприготовления на основе разработанного комплекса алгоритмов и программ вейвлет-анализа.
5. Разработаны системы визуализированного мониторинга и коррекции смесе приготовительных процессов на базе вейвлет-изображений материалопотоковых сигналов, представленных в виде специфических модифицированных двумерных отображений сигналов массопереноса (МСМ-карт). Практическая значимость и реализация результатов На основании проделанной работы получены следующие практические результаты:
1. создан аппаратно-программный математический комплекс, обеспечивающий реализацию процессов регистрации, обработки, идентификации и коррекции динамики смесеприготовительных процессов; использование такого комплекса целесообразно в пищевой, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности и аграрно-промышленного комплекса;
2. средствами разработанного математического комплекса осуществлен процесс вейвлет-мониторинга пищевых производств следующего характера:
• витаминизации сухих пищевых детских смесей и сухого молока;
• приготовление пряно-солевых композиций, используемых в технологии изготовления рыбных пресервов;
• получение сахарного печенья в условиях корректируемого процесса дозирования исходных компонентов на базе учебно-производственного центра КемТИПП;
3. выработанный подход и математический аппарат применения вейвлет преобразований использован в учебных дисциплинах и ПИРС и УИРС, проводимых на кафедрах «Процессы и аппараты пищевых производств», «Информатика и прикладная математика», «Автоматизация производственных процессов и автоматизированные системы управления».
4. спроектирован, разработан и создан функционирующий на полупромышленной основе экспериментально-исследовательский стенд, на базе которого реализована система компьютерного вейвлет-мониторинга процесса непрерывного смесеприготовления. Автор защищает
• математические модели текущих режимов смесеприготовления на базе разработанного комплекса алгоритмов и программ, положенного в основу мониторинга материалопотоковых процессов;
• способы регистрации и математической фильтрации материалопотоковых переменных в виде одномерных сигналов;
• способы идентификации и коррекции рабочих режимов смесительного агрегата по двумерным вейвлет-отображениям одномерных сигналов; • алгоритмы и программы, обеспечивающие непрерывный визуализированный мониторинг текущих режимов работы смесеприготовительного агрегата на основе вейвлет-информации о состоянии объекта;
• структуру разработанного вейвлет-мониторингового комплекса для непрерывной онлайн-регистрации и коррекции режимов работы процессов мультикомпонентного дозирования.
Анализ материалопотоковых сигналов дозирующей и смесительной аппаратуры в стационарных и нестационарных условиях
Исследование производства сухих дисперсных композиций при рассмотрении процессов массопереноса в смесительном агрегате показывает, что эти процессы имеют нестационарный характер, то есть параметры материалопото-ков меняются со временем. В связи с этим частота сигнала мгновенного расхода является времязависимым параметром.
Рассмотрим факторы, объясняющие возникновение параметрического эффекта, связанного с времязависимым частотным параметром co(t) сигнала x(t) 1. при использовании более эффективных в технико-экономическом отношении дозирующих устройств объемного типа погрешности в их работе, обуславливаемые неточностью дозирования, приводят к возникновению "разбежки" моментов начала и окончания интервала формирования дозы у порционных дозаторов. Это, в свою очередь, вызывает флуктуацию "монопольных" частот дозирующих сигналов отдельных дозаторов, что создает в определенные моменты быстро- или вялотекущие изменения в частотном наполнении суммарного сигнала на входе в смесительный узел, а также модифицированные смесительной аппаратурой частотные вариации сигнала на ее выходе. 2. при использовании в аппаратурном оформлении дозирующего блока непрерывных дозаторов (например, спирального или шнекового типов) возникновение стохастически меняющихся во времени интервалов сигнала расхода с разными спектрами объясняется нестабильностью работы приводных механизмов (электроприводов на базе асинхронных двигателей или двигателей постоянного тока). Данное обстоятельство вызывает уход частоты дозирования от своего номинального значения. Поскольку дозаторы настраиваются независимо, то изменение вектора частот дозирования {co(t)dj} , j = l,N (N - количество частотно-стационарных участков в осциллограмме x(t)) в мо-мент t генерирует вектор разности дозирующих частот {Aco(t)dj)k} , j = l,N;k=j+\,j+N при j=idem. В подавляющем большинстве случаев в результате такого изменения в работе блока дозаторов на его выходе возникают биения дозирующих сигналов, что ведет к перестройке их частотных спектров; в частности обогащается низкочастотная полоса спектра. При этом следует помнить, что появление низких частот ведет к ухудшению сглаживающей способности как питателей, так и смесительных устройств, что в конечном счете вызывает снижение качества в итоговой смесевой компози ции в пределах заданного временного интервала процесса смесеприготовле-ния. 3. описанные выше режимные флуктуации в функционировании дозаторов — одновременно с изменением физических дозирующих частот - ведут к изменению скважностей сигналов порционных дозаторов, причем меняется весь комплекс скважностей дискретного сигнала конкретного ДУ: X, \х, v - значения скважностей формирования дозы, процесса дозирования без учета отсечки дозатора и входа в номинальный режим дозирования. При этом весьма прихотливо варьируется матрица скважностей с трехмерной внутриклеточной структурой {A[ (t)dj, \x(t)d], v(t)dj; t0]}; dim A=[Nxx], 9=1, x - дискретные моменты времен. Повышение X в диапазоне А 1 приводит к возникновению повышенных частот в спектре анализируемого сигнала, приэтом полоса частот расширяется, что ведет к ухудшению сглаживающих свойств преобразующих устройств агрегата; разрешение по времени снижается, что не способствует выявлению быстро меняющихся компонент сигнала и, следовательно, осложняет процесс управления режимом смесеприготовления с требуемым качеством. Изменение ц=уаг=1...2 ведет к улучшению сглаживания флуктуации (при А,=2), a =var=2...oo - к ухудшению. С другой стороны, H=var= 1...4, вызывает также улучшение сглаживающих свойств физических устройств агрегата, a i=var=4...oo - ухудшение. 4. при создании времязависимых импульсных рециркуляционных режимов в выходном материалопотоке возникают пиковые высокочастотные составляющие с большой шириной частотной полосы.
Перечисленные четыре фактора являются не полным списком возможных причин, вызывающих нестационарность материалопотоков в узлах агрегата.
При рассмотрении влияния флуктуации питающих потоков и процесса непрерывного смесеобразования качество композиций на выходе из смесителя прослеживается их тесная взаимозависимость.
Теоретические основы время-частотного анализа на базе вейвлет-преобразований
Основные идеи теории вейвлет-анализа [87] соответствуют базовой концепции большинства методов анализа сигнала. Преобразование Фурье использует базисные функции для того, чтобы анализировать и восстанавливать сигнал. Каждый вектор в многомерном пространстве может быть описан как линейная комбинация базисных векторов этого векторного пространства, т.е. перемножая векторы с некоторыми константами и затем суммируя эти произведения. При анализе сигнала производится оценка этих констант (коэффициентов преобразования, иди Фурье-коэффициентов, вейвлет-коэффициентов, и т.д). Синтез, или реконструкция, соответствует вычислению линейного уравнения комбинации.
Рассмотрим функцию сигнала материалопотока, регистрируемую в какой-либо технологической точке агрегата. В терминах линейных пространств [32] она фиксируется в пространстве L [R], то есть в пространстве квадратно-интегрируемых функций. Данное пространство является подсистемой Гильбертова пространства, в котором для оценки определенных функций и операций с ними вводится понятие скалярного произведения:
Согласно такому определению скалярного произведения непрерывное вейвлет-преобразование X(S,TY рассматривается как скалярное произведение данного сигнала с базисными функциями y/ ts(t) где y/ T,s(t) - анализирующая вейвлет-функция в комплексной сопряженной форме; yAj) - базисный (материнский) вейвлет; г - смещение анализирующего окна вдоль осциллограммы сигнала x(t) материалопотока; s - переменная масштабирования (масштаб окна) базисного вейвлета, задающая разрешение в частотной области.
В соответствии с этим определением вейвлет-преобразование характеризует меру подобия между базисными функциями (вейвлетами) и анализируемым сигналом. Расчетные коэффициенты непрерывного вейвлет-преобразования показывают степень близости сигнала и вейвлет-функции в текущем масштабе. Если сигнал имеет главную частотную компоненту, соответствующую текущему масштабу, то вейвлет (базисная функция) в текущем масштабе будет подобен или близок сигналу в частной локализации, где это частотная компонента встречается. Следовательно, коэффициент непрерывного вейвлет-преобразования, вычисленный в этой точке масштабно-временной плоскости будет иметь относительно большое значение. Таким образом, восстановленный в базисе вейвлет-функций сигнал запишется так: где /Лк - к-й вейвлет-коэффициент в составе аппроксимирующего линейного ряда.
Таким образом, меняя т и s, можно получить набор вейвлет-функций, описывающих частотно-временное представление анализируемого сигнала, причем, при наличии высокочастотных составляющих, то есть компонент сигнала, существующих на малых временных интервалах, возникает хорошее разрешение по времени. При их замешивании сигнал регулярной низкочастотной составляющей НВП обеспечивает хорошее частотное (со-) разрешение. Данный факт интерпретируется покрытием частотно-временной области т—со неравномерными прямоугольниками с центрами в точках (г,, »,), (рис. 2.7а); масштаб
В результате анализа рис. 2.7 видно, что ширина частотной полосы у соответствующей вейвлет-функций увеличивается с увеличением центральной частоты соответствующего прямоугольника, а последняя в свою очередь, обратно пропорциональна масштабу s. Следовательно, с помощью отмасштабиро-ванного высокочастотного вейвлета у/ (/) хорошо анализируются резкие вре менные пики на высоких частотах щ . Отсюда видно, что непрерывное вейвлет-преобразование по своей сути соответствует фильтрации анализируемого сигнала x(t) посредством его пропускания через своего рода набор фильтров (рис. 2.76) конкретной импульсной переходной функцией в виде определенного отмасштабированного вейвлета для каждого фильтра.
Для целей анализа процессов массопереноса в смесеприготовительных агрегатах с точки зрения лучших т и -разрешения являются базисные вейв-лет-функции, показанные на рис. 2.8.
Система вывода аналоговых корректирующих воздействий
Связующим звеном между параметром обратной связи, сформированным в компьютере, и реальным объектом воздействия является цифро-аналоговый преобразователь (рис. 3.4) - для коррекции режима работы исполнительного механизма (двигателя дозатора). Его работа основана на принципе «битового» суммирования напряжений с разъема LPT выводов PIN (номера контактов) с последующим усилением и подачей на узел сравнения; при этом подстройка опорного напряжения ведется переменным сопротивлением Rv.
Дозировочное оборудование, использованное в лабораторном стенде, укомплектовано дозаторами объемного типа. Выбор этого типа оборудования обусловлен наличием больших преимуществ по сравнению с весовыми устройствами. Стоимость весовых дозаторов выше, хотя обладют при этом меньшей производительностью; к тому же дозаторы объемного типа значительно проще в эксплуатации и изготовлении. Ниже приводится описание устройств и принципов действия устройств, применявшихся в исследовательской работе.
Технические характеристики рассматриваемых дозирующих устройств представлены в таблице: Дозаторы шнекового типа делятся на три группы: 1. Дозаторы, в которых направления движения материала и силы тяжести сов падают. Для дозаторов данной группы характерна значительная неравномерность в подаче материала. Обуславливается это тем, что материал, находящийся на последнем витке, воспринимает значительную растягивающую нагрузку от действия силы тяжести, поэтому происходит разрыв потока, что ведет к неравномерности его подачи во времени. 2. В этой группе направление подачи материала перпендикулярно линии дейст вия силы тяжести. Недостатки данной группы проявляются при их разгрузке, когда материал выходит отдельными пульсирующими порциями равными объему межвиткового пространства. 3. Направление движения материала и линии действия силы тяжести в этой группе дозаторов противоположны. В этом случае устраняется самопроизвольное истечение материала при вращении шнека. В дозаторах этой группы присходит некоторое уплотнение материала под действием собственного веса, это позволяет на выходе из них получать более равномерную подачу материала.
При проведении лабораторных испытаний нами использовался третий тип шнекового дозатора. Внешний вид дозатора представлен на рис. 3.5.
Принцип действия и внутренняя структура данного дозатора рассмотрены на следующем рисунке (рис. 3.6). При включении привода 3, установленного на крышке корпуса 4, дозируемый материал захватывается витками 2 вращающегося полого шнека 6 в нижней части корпуса, перемещается вверх вдоль неподвижного кожуха 5, ссыпается через разгрузочные окна 1 вовнутрь полого вала и отводится из аппарата через выходной патрубок 9. С целью исключения сводо-образования материала и налипания его на внутренние поверхности корпуса предусмотрены ворошители 7, закрепленные на валу 6 и вращающиеся совместно с ним. Для предотвращения поступления вещества в верхнюю часть кожуха 5 и образования там застойной зоны, над разгрузочными окнами на валу укреплен виток шнека 2 с противоположной навивкой спирали. Для улучшения транспортирования и повышения качества дозирования внутренняя поверхность кожуха 5 изготовлена из двух жестко скрепленных слоев. Причем внутренний слой выполнен из трубы со сквозными отверстиями (а), сетки (б) или спирали (в). Этой же цели служат ребра 10, укрепленные на спирали шнека таким образом, что расстояние между ними и трубой увеличивается в направле ний вращения шнека. При этом эти ребра не доходят до края спирали. Благодаря этим вставкам дозируемое вещество заполняет углубления внутреннего слоя и трение между металлом кожуха 5 и транспортируемым материалом заменяется трением между частицами последнего. Для устранения возможного зависания плохо сыпучих материалов внутри полого вала, в нем установлены неподвижные туго натянутые струны, которые срезают материал вдоль стенок трубы.
Используется для хорошо сыпучих, а при определенных условиях и плохо сыпучих материалов, внешний вид и принципиальная схема изображена на рис. 3.7. Устройство представляет собой объемный дозатор с исполнительным рабочим органом в виде спирального шнека (рис. 3.7). Дозатор работает следующим образом. Дозируемый материал загружается в бункер 1. При включении привода 3 материал захватывается витками вращающейся спирали 2 и перемещается к выходному патрубку цилиндрического кожуха, где выводится из дозатора. Гибкий исполнительный орган 3 изготовлен из пружинной проволоки марки 65Г диаметром 3 мм (шаг навивки спирали 10 мм, наружный диаметр - 15 мм).
Порционные дозаторы (рис 3.8) обычно используются для подачи малой концентрацици (5%) ключевого компонента небольшими порциями (1-200г) через малые промежутки времени. При этом погрешность дозирования невелика. Основной недостаток порционного дозатора заключается в том, что поток материала, подаваемый им в СНД, является пульсирующим. Однако организовывать непрерывную подачу компонентов, входящих в смесь в малом количестве, затруднительно. Поэтому СНД, укомплектованный дозатором порционного типа, должен хорошо сглаживать пульсации материального потока, формируемого им. Этому способствует дозирование материала небольшими порциями с большой частотой.
Коррекция режимов работы агрегата посредством аппаратно- .-программного комплекса вейвлет-мониторинга
Проведены комплексные исследования процессов массопереноса в смесительном агрегате для анализа и моделирования их динамики.
Результаты исследований показывают, что эти процессы имеют нестационарный характер, то есть параметры материалопотоков изменяются со временем. Это ведет к тому, что частота сигнала мгновенного расхода является вре-мязависимым параметром. Возникновение параметрического эффекта, связан ного с времязависимым частотным параметром co(t) сигнала x(t), объясняется действием следующих факторов. Во-первых, при использовании более эффективных в технико-экономическом отношении дозирующих устройств объемного типа погрешности в их работе, обуславливаемые неточностью дозирования, приводят к возникновению "разбежки" моментов начала и окончания интервала формирования дозы у порционных дозаторов. Это, в свою очередь, вызывает флуктуацию "монопольных" частот дозирующих сигналов отдельных дозаторов, что создает в определенные моменты быстро- или вялотекущие изменения в частотном наполнении суммарного сигнала на входе в смесительный узел, а также модифицированные смесительной аппаратурой частотные вариации сигнала на ее выходе. Во-вторых, при использовании в аппаратурном оформлении дозирующего блока непрерывных дозаторов (например, спирального или шнекового типов) возникновение стохастически меняющихся во времени интервалов сигнала расхода (шпиндельного типа) с разными спектрами объясняется нестабильностью работы приводных механизмов - электроприводов на базе асинхронных двигателей или двигателей постоянного тока. Данное обстоятельство вызывает уход частоты дозирования от своего номинального значения. Поскольку дозаторы настраиваются независимо, то изменение вектора частот дозирования {co(t)dj} , j = \,N (N — количество частотно-стационарных участков в осциллограмме x(t)) в момент / генерирует вектор разности дозирующих частот {Aco(t)dj,k} , j=\,N;k=j+l,j+N при j=idem. В подавляющем большинстве случаев в результате такого изменения в работе блока дозаторов на его выходе возникают биения дозирующих сигналов, что ведет к перестройке их частотных спектров; в частности, обогащается низкочастотная полоса спектра. При этом следует помнить, что появление низких частот ведет к ухудшению сглаживающей способности как питателей, так и смесительных устройств, что, в конечном счете, вызывает снижение качества итоговой смесевой композиции в пределах заданного временного интервала процесса смесеприготовления. В-третьих, описанные выше режимные флуктуации в функционировании дозаторов - одновременно с изменением физических дозирующих частот - ведут к изменению скважностей сигналов порционных дозаторов, причем, меняется весь комплекс скважностей дискретного сигнала конкретного ДУ: Я, ju, v-значения скважностей формирования дозы, процесса дозирования без учета отсечки дозатора и входа в номинальный режим дозирования.
При этом весьма прихотливо варьируется матрица скважностей с трехмерной внутриклеточной структурой {А[Я(0ф /л(0ф y(t)dj; ]}; dim A=[NXT], 9=1,г-дискретные моменты времени. Повышение Я в диапазоне Л 1 приводит к возникновению повышенных частот в спектре анализируемого сигнала, при этом полоса частот расширяется, что ведет к ухудшению сглаживающих свойств преобразующих устройств агрегата; разрешение по времени снижается, что не способствует выявлению быстро меняющихся компонент сигнала и, следовательно, осложняет процесс управления режимом смесеприготовления с требуемым качеством. Изменение /j=var=1...2 ведет к улучшению сглаживания флуктуации (при /ls2), а //=var=2...oo - к ухудшению. С другой стороны, v=var=\..A, вызывает также улучшение сглаживающих свойств физических устройств агрегата, а v=var=4... оо - ухудшение. В-четвертых, при создании времязависимых импульсных рециркуляционных режимов в выходном материалопотоке возникают пиковые высокочастотные составляющие с большой шириной частотной полосы. Их выявление средствами обычного Фурье-преобразования или кратковременного преобразования Фурье (КПФ), выполняемыми при дискретных расчетах на базе быстрого преобразования Фурье, также затруднительно; это не позволяет выявить связь между параметрами рецикл-каналов и качественными характеристиками смесевой композиции.
Помимо перечисленных факторов существует множество других (менее значимых) причин, вызывающих нестационарность материалопотоков в узлах агрегата. Понижение нестационарностей необходимо для повышения качества получаемой смеси.
Для возможности управления смесеприготовительным агрегатом необходимо получить сигнал на выходе его фрагмента виде, удобном для его дальнейшей обработки. Для этой цели был создан программно-аппаратный комплекс, который включает в себя (в упрощенном виде) смесеприготовительный агрегат, на выходе которого установлен чувствительный элемент, в роли которого могут быть использованы пьезо- или тензометрические преобразователи, подключенные к компьютеру (рис. 4.10).
Разработана система идентификации, контроля и управления динамикой процессов в смесеприготовйтельном агрегате (СМПА), позволяющая формировать из одномерных (скалярных) расходовых сигналов определенную двумерную координату во время-частотном пространстве. Данная координата используется как управляемый временной параметр, характеризующий текущие режимы работы отдельных фрагментов агрегата. Материальные потоки в виде расходов в соответствующих технологических узлах смесительной системы регистрируются пьезоэлектрическими преобразователями с помощью компьютерного интерфейса. Основными частями разработанного стенда являются модуль пьезодатчика и компьютер (рис. 4.11) с созданными платами.
