автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Алгоритмизация микропроцессорной обработки контрольно-измерительной информации при управлении пивоваренным производством

На правах рукописи

ГЕРШУНИНА Наталья Николаевна

АЛГОРИТМИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ОБРАБОТКИ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ПИВОВАРЕННЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ

Специальность: 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар - 2004

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете"'

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ключко Владимир Игнатьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Косачев Вячеслав Степанович

кандидат технических наук Григорьев Николай Федорович

Ведущая организация: НПО «Промавтоматика», г. Краснодар

Защита состоится в 15 часов 30 июня 2004 года на заседании диссертационного совета Д 212.100.04 Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, Краснодар, ул. Московская, 2А, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, Краснодар, ул. Московская, 2А

Автореферат разослан 31 мая 2004 года

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 350072, Краснодар, ул. Московская, 2А ученому секретарю диссертационного совета Д212Л 00.04, к.т.н., доценту Зайцеву И.В.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.100.04

к.т.н., доцент

Зайцев И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Широкое внедрение микропроцессорной техники во многие области производственной деятельности человека приносит огромный технико-экономический и социальный эффект.

Повышение качества продукции растениеводства и содержания в них полезных веществ имеет большое народнохозяйственное значение. Все это имеет место и в пивоваренном производстве, типичном представителе пищевых производств.

Экспрессное измерение и контроль параметров этого производства возможно только с использованием быстродействующей вычислительной техники, а стремление к дешевизне и простоте компьютерной обработки требует применения микропроцессорной техники.

Микропроцессоры (МП) в силу своей простоты, дешевизны и малых габаритов, энергопотребления позволяют устанавливать их в многочисленных точках и стадиях технологических процессов.

Такая разветвленная сеть точек измерения и контроля позволяет создавать автоматизированные системы экспресс-анализа качества (АСЭАК), использующие микропроцессоры и особые, быстродействующие методы обработки контрольно-измерительной информации.

Применение МП для систем автоматизированного контроля коренным образом меняет традиционные методы их проектирования и создания, заменяя проектирование электронных схем разработкой алгоритмов и программ микропроцессорной аппаратуры на выполнение определенных процедур преобразования информации.

Снижение сложности технологического оборудования при использовании МП - систем (МПС) осуществляется за счет возрастания сложности программного обеспечения МПС.

Вот это обстоятельство и является главной преградой на пути широкого применения МПС в пищевой промышленности, вообще, и в пивоваренном производстве, в частности.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

09 300 кт

Ее преодоление лежит на путях системного подхода при проектировании МПС в этой отрасли народного хозяйства.

При этом надо учесть, что в МПС алгоритмическое и программное обеспечение составляет около 70-80 % стоимости разработки всей системы.

Как показывает системный анализ, программирование МПС аналогично программированию микро-ЭВМ, однако есть определенная специфика.

Дело не только в ограниченном наборе команд и малой емкости ЗУ и упрощенной архитектуре МПС. И даже не в быстродействии аппаратном, хотя есть и высокоскоростные МП. Дело в быстродействии алгоритмическом' В МП резко обострились противоречия между машинным характером обработки информации и антропогенностью их алгоритмов.

Потребовались алгоритмы, максимально ориентированные на микропроцессорную реализацию, а, именно, не содержащие операций умножения, деления и других так называемых «длинных операций».

Этому условию удовлетворяли разностно-итерационные алгоритмы (РИА) (типа алгоритмов Волдера и Меджита, другое название - «шаг за шагом»). Однако число реализуемых ими процедур крайне ограничено (порядка двух десятков), и среди них не было универсальных т.е. для любых аналитических выражений, а тем более таблично-заданных функций.

А как раз такие требуются для преобразования и обработки информации, связанных с контрольно-измерительными процедурами при управлении технологическими процессами и техническими объектами.

Поэтому крайне важным было разработать разностно-итерационные алгоритмы, способные реализовать практически любые функциональные преобразования, заданные либо аналитически, либо таблично.

Потребовался системный анализ известных РИА, составление и исследование их математических моделей и переход к модификации РИА с целью максимальной универсализации применения.

В результате удалось придать алгоритмизации и программированию на МП детерминированный характер, а не эвристический, как было раньше.

Цель работы и основные задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка, исследование "математических миделей РИА, их модификация и создание на их базе РИА, ориентированных на микропроцессорную реализацию функциональных преобразований, встречающихся при обработке контрольно-измерительной информации В' пищевой промышленности, вообще, и в пивоварении, в частности.

Основной задачей работы являлась - максимально упростить процесс алгоритмизации и программирования МП, работающих в режиме контроля параметров технологических процессов и технических систем. Другими словами, превратить процесс алгоритмизации из эвристического в детерминированный и выполняемый полуавтоматически при информационной поддержке персональных компьютеров (ПК). Кроме того, необходимо было довести предлагаемые принципы и методики алгоритмизации до практической реализации на примере контроля и управления пивоваренным производством.

И, наконец, требовалось оценить скоростные, точностные характеристики РИА, получаемых по предлагаемым методикам, оценить их потребности в машинных ресурсах и удобство их модификации и/или замены в процессе запуска и модернизации производства.

Методы исследования. Поставленные задачи решены с применением системного анализа, математического цифрового моделирования процедур функционального преобразования контролируемых величин и - через них -производственных объектов, методов математического анализа, методов вычислительной математики, теории алгоритмов. Точностные и скоростные характеристики алгоритмов и программ преобразования определяются методами теории вероятностей и матстатистики.

Научная новизна выполненных в диссертационной работе

исследований заключается в разработке принципов алгоритмизации МПС экспресс - контроля технологических процессов на примере пивоваренного производства. Это произведено на базе разработанных нами математических моделей известных РИА и процедур такого контроля. Благодаря модификации

известною РИА обеспечено получение целочисленных алгоритмов функционального преобразования, максимально ориентированных на микропроцессорную реализацию Произведена их адаптация к контролю и управлению техпроцессов в пивоваренном производстве

Практическая ценность работы заключается в создании детерминированных методик проектирования алгоритмов и программ для МГТС обработки контрольно-измерительной информации при управлении пищевыми производствами, а также в создании автоматизированного информационно-вычислительного пункта для пивоваренных и безалкогольных производств

Апробация работы. Основные положения работы неоднократно докладывались на научных семинарах кафедры "Автоматизированные системы управления и вычислительной техники" Доклады по тематике диссертации были сделаны на межрегиональных, всероссийских и международных научно-технических конференциях (г. Таганрог, г. Москва, г. Краснодар, г. Белово Кемеровской области) и опубликована в трудах этих конференций. Часть результатов опубликована в журнале "Известия вузов", серия "Пищевая технология".

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в виде автоматизированного информационно-вычислительного контрольного пункта (АКП) в заводской лаборатории Краснодарского филиала №1 ЗАО МПБК «Очаково» и в винсовхозе ООО «Горный» (пос. Школьный) Крымского района. Результаты исследований используются в учебном процессе КубГТУ. Основные положения выносимые на защиту:

- принципы организации сбора, обработки и использования информации по экспресс - анализу параметров технологических процессов в пивоваренном производстве;

- математические модели модифицированных нами и принятых в качестве базовых РИА, рекомендуемых для микропроцессорной реализации как наиболее оптимальные для современных вычислительных средств;

-детерминированная методика проектирования алгоритмов функционального преобразования и обработки информации для МПС экспресс-контроля в пивоваренном производстве, включая, аппроксимацию Паде, адаптированную нами на низкие степени многочленов числителя и знаменателя;

- пакет стандартных подпрограмм для МПС экспресс - контроля пивоваренных производств;

- автоматизированный контрольный пункт для заводских лабораторий пивоваренных заводов и заводов безалкогольных напитков.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных, работ, (статьи и тезисы докладов).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов (глав), заключения. Работа содержит 21 таблицу, 8 рисунков, список использованных источников и приложений - всего изложенных на 154 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определена научная проблема, поставлены цели и задачи исследования, даны исторические предпосылки микропроцессорной алгоритмизации.

В первой главе проведен анализ основных технологических процессов, пивоварения с точки зрения алгоритмизации их контроля. Причем, рассмотрение процедур контроля параметров технологических процессов произведено по стадиям производства пива. Установлено, что большинство контролируемых величин определяется путем косвенных измерений с последующим пересчетом (функциональным преобразованием) в требуемые для контроля параметры. Указан путь реализации этих преобразований с помощью разностно-итерационных алгоритмов, являющихся целочисленными и потому наиболее приспособленными для микропроцессорной реализации.

Во второй главе рассмотрены математические модели разностно-итерационных алгоритмов. Итерационными называются алгоритмы, реализующие на некотором множестве V последовательность отображений Ак , таких что, по начальной точке вычисляют последовательность величин

по формуле

Если оператор -4 не содержит операций умножения и деления, а также элементарных функций, то такие алгоритмы называются разностно-итерационными (РИА). Другими словами, в разностно-итерационных алгоритмах используются сложение, вычитание, сдвиг числа на один или несколько разрядов влево или вправо, операции тестирования и условные переходы. Наличие, двух последних операций обеспечивает реализацию нелинейных функциональных преобразований. Именно, в отказе от операций умножения и деления в их классическом применении и состоит эффект большого быстродействия и простоты применения РИА в микропроцессорных системах. Отмечено, что РИА давно используются в вычислительной технике, однако в микропроцессорных системах их применение мало, ввиду крайней ограниченности реализуемых ими функций. Та же причина - сдерживает их применение в системах автоматизации пищевых производств.

Для успешного составления их математической модели рассмотрены структуры РИА. Они содержат формулы для вычисления очередных приращений каждой из итерируемых величин вида

где

множество переменных и их значений на предыдущих итерациях, например,

множество констант,

множество так называемых индикаторов итерационного процесса принимающих значения из множества

Существуют два вида РИА : 1) с аддитивным разложением частного

где Ц) - значение индикатора на ]-оп итерации, и

2) с мультипликагивным разложением частно! о (по модулю)

V/

и

(4)

где д * - значение индикатора после первой половины у -и итерации,

значение индикатора в конце В дальнейшем нас будет интересовать РИА первого вида, как наиболее быстродействующие, например, такой

Стремление значительно расширить класс функций, реализуемых с помощью РИА первого вида, потребовало составить математические модели РИА для целенаправленного синтеза практически любых аналитически или таблично заданных функций, чего не было ранее. Нами введены понятия бесконечно малых величин с индексами, по имени переменных,

стремящихся к машинному нулю и убывающих по абсолютной величине при j —> п . Например,

значения итерируемых величин при Для сходящихся РИА индицирующие итерируемые величины суть машинные купи, которые будем обозначать [0]м Основная идея, положенная в методологию построения математических моделей - это установление

1, если Ъх, > О Ч}-1 = ыёпг = 1, если Zl^ <0

О, если Ъ= 0, стоп

Ъ<> =у - х, 2, - ц^у 1', 2„ -Ю ; Га =у -х, У, = Ун - Чн х 2>, У„

(5)

(6) (7)

количественных отношений в виде алгебраических >равнений между накопленными значениями итерируемых величин к концу г-й итерации. Таким образом, динамика итераций заменена статикой накопленных значений на некоторой г-й итерации. Затем у с т р е м л я-я тдо е е м , окончательно математическую модель РИА. Разрешая систему алгебраических уравнений, имеем выражения для конечных значений итерируемых величин.

Видя структуру этих уравнений, проектировщик определяет пути модификации РИА для вычисления нужных математических выражений.

Из этих же моделей легко определяются условия сходимости РИА и, что самое главное, пути расширения области сходимости конкретных РИА.

Анализируя недостатки РИА первого и второго вида, отмечаем, что они не универсальны в части реализуемых функций.

В результате системного анализа известных РИА нами было обращено внимание на один из них - алгоритм Оранского и Рейхенберга. Это весьма быстродействующий, симметричный, но применяемый только для аппаратной реализации РИА

Он оригинален и прост, но, к сожалению, вычисляет одну единственную функцию хотя и не использует умножение и деление.

Нами произведено исследование его математической модели, обоснована его сходимость.

На основе системного подхода была произведена его модификация. После чего он стал вычислять средневзвешенную двух величин ЧП = sign (Хи - Yj-i) sign (и

Условие сходимости

(10)

доказано нами геометрически.

Модификация (9) позволяет использовать его в качестве базового РИА в вычислениях широкого класса функций, заданных как аналитически, так и таблично.

Третья глава посвящена проектированию целочисленных алгоритмов функционального преобразования и обработки контрольно-измерительной информации на основе базового РИА (вычисление средневзвешенного значения двух величин с заданными весами).

Первая часть главы посвящена преобразованиям, задаваемыми дробными

функциями. Для этого функция, например, представляется в виде

(11)

Затем к Г(1, ь) применяется РИА аддитивного вида - алгоритм одновременного деления (квазиделения) и умножения, типа (5)

Рассмотрены все аспекты его применения (сходимость, метод преобразования к виду (11), задание начальных значений).

Но основная ценность третьей главы - рассмотрение возможности реализации произвольных функциональных зависимостей, вида.

Итак, для функции ищется аппроксимация

Паде (заметим, что интервал берется равным области фактического изменения контролируемого параметра /)

2/м/ + и/> /х-у/

(13)

где кх,к„,к„,к,, - коэффициенты, равные неогрицательной целой степени 0.5, или нулю, т.е., например,

любые коэффициенты, условный (используемый при промежуточных выкладках) коэффициент (некоторое число);

смещение функции (любое число), Ау- масштабный коэффициент (равный целой степени 2). Такой переход (13) ориентирован на использование базового РИА (9). Но прежде, чем его применить, необходимо рассчитать коэффициенты

По методу неопределенных коэффициентов составляем

систему

По разработан ной нами методике рассчитываются, а точнее, подбираются коэффициенты кх, к„, кт ку, к/. Значение у определяется из четвертого уравнения системы (14). Коэффициент шг подбирается приблизительно равным среднему значению функции

Нахождение остальных коэффициентов представляет собой задачу

оптимального выбора этих коэффициентов, ибо их четыре а

уравнений три (одно из них нелинейное)

кх ти + китх + ку т„ + к„ ту = В

тхти + тупи ^ С (15)

Эта неопределенность трех алгебраических уравнений с четырьмя неизвестными допускает бесконечное множество решений Однако технические ограничения по представимости в разрядной сетке МП ±М (М^Т)

снижают мощность множества решений (и могут даже сделать его пустым). Поэтому нами разработана методика нахождения хотя бы одного решения системы (15) с учетом ограничений (16) и (17) с использованием ПК.

Для этого вводится условный параметр сг, задающий распределение величины Ь по коэффициентам т„ и

В свою очередь тх и т в этом случае также будут зависеть от и

(19)

(20)

Диапазон изменения рекомендуется брать от -1 до 2 (в диссертации есть обоснование).

ПК на экране показывает два различных прямоугольника, расположенных вокруг начала координат с осями т„0 /и«, (для величин по (18)) и вокруг начала координат с осями тхО ту (для величин по (19) и (20)). Стороны этих прямоугольников параллельны осям координат и определяются ограничениями (16)

п

Для каждого значения сте [ -1", 2] с шагом 0,02 рассчитываются координаты точек в каждом прямоугольнике, эти две точки показываются на экране ПК. Идет перебор ст в диапазоне от -1 до 2, а разработчик алгоритма следит за траекторией движения этих точек. Как только обе точки одновременно попадают в свои прямоугольники, значение а, соответствующее этим точкам, может быть взято за окончательное, т.е. тш т^, тх, ту, рассчитанные по (18), (19) и (20) могут быть взяты за искомое решение системы (15). Эта ситуация изображена на рис. I

Рисунок 1 - Прямоугольник ограничений В том случае, когда функциональная зависимость Р(1) задана таблицей, предложено искать аппроксимацию Пзде в виде

(21)

по методу наименьших квадратов.

В конце главы приводятся примеры расчета коэффициентов для некоторых типовых функций.

В четвертой главе произведены разработка и исследование пакета подпрограмм типовых функциональных преобразований при экспресс-контроле в пивоварении. В ней подтверждена эффективность РИА (особенно базового) при их реализации на микропроцессорах. Это достигается за счет большого

алгоритмического и программного быстродействия, высокой точности и оперативности подготовки новых программ.

Благодаря использованию базового РИА создание пакета подпрограмм сводится к созданию одной единственной подпрограммы базового РИА. Реализация каждой новой подпрограммы сводится к предварительному расчету на ПК набора из 10-ти констант, размещению их в памяти в виде массива и обращению к ней с помощью оператора и оператора

безусловного перехода на подпрограмму базового РИА: JSR Rg, BZA, где. NMK - начальный адрес массива констант; BZA - метка начала подпрограммы базового РИА (общей для всех подпрограмм); Rg - номер регистра возврата из подпрограммы.

Далее даются результаты разработки блок-схемы микропроцессорной реализации базового РИА. Речь идет о форматах представления величин (фиксированная запятая после младшего разряда, т.е. формат целых чисел от -32768 до +32767).

Оговорен случай переполнения разрядной сетки МП. Он очень важен в режиме отладки программ.

Решены вопросы округления в связи с арифметическим сдвигом в сторону младших разрядов (сдвиг вправо ASR). Они осложнены в связи с различными знаками (плюс или минус) сдвигаемых величин.

Рассмотрены вопросы сохранения точности при досрочном окончании итераций и при усреднении конечных значений Определен

оптимальный порядок расположения констант в массиве,- который бы обеспечил наибольшее быстродействие базового РИА. В результате получена следующая блок-схема базового алгоритма, рис. 2.

На основе этой блок-схемы- разработана (с минимизацией времени выполнения) рабочая программа на языке микроассемблер, таблица 1.

Рисунок 2 - Блок-схема базового РИА

Таблица 1 - Текст подпрограммы базового РИЛ

"МОУ и 4, ЯО - ШС _ Я4 ЬБ; СМР Я1, Я2

МОУ # МЖ, Я5 АБЯ Я4 ВРЬ КЬ

ЯУ: МОУ @ # АЯв, Я4 ВЯ ЕО БИВ Я4, Я1

МОУ(Я5)+, Я1 СЬЯ Я4 АБЭ ЯЗ, Я2

ВРЬ ЭХ ЕЭ: АОО (Я5)+, Я4 БОВ ЯО, ОК

Я4 МОУ Я4,-(Я6) ВЯ АМ

БЦВ Я1, Я7 БОВ ЯО, ЯУ КЬ: АБО Я4, Я1

БХ: АЛО Я1, Я7 МОУ(Я6)+, Я4 БШ ЯЗ, Я2

; АБЯ Я4 МОУ(Я6)+, ЯЗ БОВ ЯО, РК

АБЯ Я4 МОУ (Я6)+, Я2 АМ: АОБ Я2, Я1

АБЯ Я4 МОУ(Я6)+, Я1 МОУ(Я5)+, Я2

АБЯ Я4 МОУ Я4, ЯО БЕС Я2

АБЯ Я4 АОЭ ЯЗ, ЯО ВМ1 ЯАБ

АБЯ Я4 ВУС АК КОИ: ВЕС* БЯ

АБЯ Я4 ЫЕй ЯО ■ АБЬ Я1

АБЯ Я4 АК: ВМ1 АР БЕС Я2

АБЯ Я4 . №0 ЯЗ ВЯ КОЫ

АБЯ Я4 №0 Я4 ЯАБ: АБЯ Я1

АБЯ Я4 АБ: МОУ # 14,о, ЯО БЯ: МОУ (Я5)+, Я2

АБЯ Я4 ВЯ ЬБ ; АББ Я2, Я1

АБЯ Я4 БК: АБЯ ЯЗ ЯТБ

: АБЯ Я4 АБЯ Я4 :—

Текст написан в трех колонках, начиная с левой (сверху вниз). С той же целью - максимального быстродействия - приняты особые кодировки коэффициентов к/ 0 е {х, у, и, V/})

Проведено исследование точностных характеристик базового РИА на примере двух функций - Vt и sin t. Причем, отдельно определялись с.к.о. между тремя значениями функций:

• теоретическое,

• значение, вычисляемое с использованием аппроксимации Паде и РИА,

• значение, вычисляемое на МП с 16-разрядным сумматором ( п - 15). Для каждой пары значений (их 3) находятся с к.о., которые приведены в

таблице 2, в виде величин SRKVO, SRKV1, SRKV2.

Эти ошибки независимы, т.к. выполняется условие

(22)

Таблица 2. Погрешности (в единицах младшего разряда)

Вид. функции Интерв fot; р] Макс. абс. ошиб среднеарифметическ ошибка среднеквадратическая • ошибка

, SVARO SVAR01 SVAR02 SRKVO SRKVO1 SRKV02

Vt [0; 0.75] 16.03 0 687 0 970 -0 288 4.805 4 635 0.688:

sin t (0; к/А] 20.09 0.109 0.115 -0.006 9.805 9.612 1.009-

Произведено исследование скоростных характеристик работы МП при реализации базового РИА. Для этого из паспортных данных МП брались времена выполнения определенных операций по списку, представленному в таблице 1. Учитывается количество циклов, в среднем встречающихся при машинном исполнении подпрограммы базового РИА (таблица 1).

В итоге получаем, что выполнение потребует 830 мксек при условии, что тактовая частота МП равна 5мГц.

Произведено сравнение предложенного базового РИА с альтернативными, более или менее удобными для микропроцессорной реализации. Это такие вычислительные методы :

- методы псевдоповорота вектора;

- цифровые интегрирующие методы;

- методы аппроксимации рядами Тейлора.

Ни один из них, как показал системный анализ, не удовлетворяет требованиям к алгоритмам, реализуемым на МП в применениях по обработке контрольно-измерительной информации при управлении пищевыми производствами.

В последней, пятой главе предложен, разработан и исследован автоматизированный информационно-вычислительный пункт (АКП) для пивоваренных и безалкогольных производств. Разработаны требования к АКП на основе того, что химико-технологический контроль требует максимальной автоматизации, достоверности и простоты технической реализации.

Как правило, результаты химико-технологического контроля получают-косвенными измерениями, поэтому их получение сопровождается проведением некоторых, математических вычислений (функциональным преобразованием). Набор таких функциональных преобразований велик. Их изменяемость и модификация требует быстрой переналадки программного обеспечения МПС, лежащей в основе АКП.

Это и определило выбор базового РИА с микропроцессорной реализацией (дешевизна, оперативность, быстродействие, возможность реализации функций, заданных таблично).

Произведена классификация типовых (для пивоварения) реализуемых функций. Основные среди них приведены ниже.

1) Контроль с расчетом средневзвешенного значения двух величин, а) Экстрактивность Е воздушно-сухого ячменя

Е _ е(899,64 + Щ- 400*, + 36 - (23)

где е - массовая доля экстракта конечного фильтрата (%);

Ж- влажность ячменя (%);

к.1 - объемная доля экстракта вытяжки, умноженная на относительную плотность вытяжки (%),

899,64; 400, 36 - постоянные коэффициенты, б) Экстрактивность солода Е на воздушно-сухое вещество Ц800 + IV -х.)

(24)

100-е

где, х, - количество нерастворяющей воды на ЮОг воздушно-сухого солода (г), W- влажность солода (%),

е - содержание экстракта солода в испытуемом сусле. Величина х, в свою очередь, определяется по формуле

в) Экстрактивность солода ЕА на сухое вещество

г) Экстрактивность жженного (карамельного) солода

„ <?(1600 + W, + Г3)

------------

(25)

(26)

(27)

(100 ~е)~Е

где е - содержание экстракта в фильтрате, %; W¡ - влажность светлого солода, %;

влажность жженного (карамельного) солода, %; Е - содержание экстракта в светлом солоде на воздушно-сухое вещ-во, %. 2) Контроль с расчетом сложных аналитически заданных зависимостей, а) Определение глюкозы (мг) в сусле. Она определяется по формуле

где п - количество раствора перманганата калия, пошедшее на титрование, мл Для нее введена новая неременная N=n/32 и получена аппроксимация Паде зависимости (28)

- 614AN2 + 368,27865N - 975,27475

q(N)

63 74,760517

(29)

Условие сходимости базового разностно-итерационного алгоритма выполняется во всех точках интервала

Для реализации (29) применен базовый РИА- с таким набором, коэффициентов

3) Контроль с расчетом нелинейных таблично заданных зависимостей, а) Соотношение между относительной плотностью водно-спиртовых. растворов и массовой долей спирта в % (по первой определяется вторая величина). Таблица задана 16-ю точками. Аргумент представлен в виде.

ро = 1-Д р/32 (30)

Тогда аппроксимация Паде будет такой

12,9(Ар)- -19,816656А/7 + 0,002936 Ар-1,193603

при Ар е(0; 0,416).

Коэффициенты для базового РИА таковы:

б) Соотношение между относительной плотностью раствора и массовой долей действительного экстракта (%). Таблица содержит 47 экспериментально снятых точек. Для машинного преобразования аргумент (относительная плотность

(31)

раствора при 20°С) представим в виде И = 1 + Ар/8

Тогда аппроксимация Паде будет такой

F, = D (Ар) =

- 46031,523(Afi)1 + 2061,677Д ц + 0,000544 -16.73038Д/Л Г

при Л/и е (О, 0,392).

Набор коэффициентов для базового РИА

kf- 1024; кх ~ 1; ку= -Is; К = U

kw = ,

т/ - 5,837301; тх - -0,240847; ту - 0,000082; ти = -0,044415; mv =-0,000449.

Далее приводится техническая реализация АКП. За основу лабораторного макета АКП взяты:

• персональный компьютер на базе процессора Intel Pentium II400,

• промышленный датчик со встроенным АЦП,

• преобразователь (конвертер Моха A53-DB9/220) из интерфейса RS-232 в интерфейс RS-485, для увеличения расстояния передачи сигнала от датчика до ПК,

• промышленная плата PCI для расширения последовательных (СОМ) портов до 8-ми (плата ClassicBoard 8),

• устройство печати -принтер матричный Epson LX-100, A4, LPT; Описывается конструктивное исполнение АКП, который устанавливается в заводской лаборатории.

Общие данные:

Габаритные размеры, мм: 400 х 400 х 400

Масса, кг: не более 10 (с монитором, без принтера)

Потребляемая мощность от сети переменного тока напряжением 220В и частотой 50 Гц, Вт: не более 280 (с монитором, без принтера).

Приводятся результаты исследования на скорость и точность функций, реализованных к настоящему времени на АКП. Результаты сведены в табл. 3.

Таблица 3. Быстродействие и точность базового РИА

Номер функции в реферате Времявыполнения, мс Максимальная ошибка Абсолютная

теорет пческ. эксперимент. Абсолютная (пункты) Относитель ная, % С К О (пункты)

23 0,65 0,7 0,0078 0,95 0,025

24,25,27 0,52 0,57 0,0039 0,41 0,012

28 0,57 0,57 0,064 0,39 0,023

33 0,57 0,60 0,017 0,14 0,005

В заключение главы приводятся достоинства АКП путем анализа технико-экономической эффективности предложенного микропроцессорного контроля технологических процессов в пищевой промышленности. В целом, создание АКП - это фактически внедрение новых информационных технологий, характерных для современного технического и технологического прогресса.

При незначительности материальных затрат это внедрение обеспечивает достоверное и оперативное решение проблем, связанных с контролем, учетом пищевых компонентов продукции и соблюдением технологических нормативов при производстве нива и других безалкогольных налитков.

Альтернативой АКП может служить программируемый калькулятор и ручной контроль. Сравнение проведено по следующим критериям:

• Оперативность контроля - здесь выигрыш во времени достигает несколько десятков раз, так как поиск алгоритма, программирование и ввод подпрограммы может достигать нескольких дней при ручном против нескольких часов в АКП.

• Трудоемкость создания системы контроля выигрыш порядка 7-10 раз, так как в предложенной микропроцессорной системе пакет подпрограмм состоит из одной единственной подпрограммы (РИА), а в ручном - из десятка подпрограмм.

• Трудоемкость модернизации системы контроля - здесь выигрыш достигает 50 -100 раз, так как в предлагаемой системе контроля меняется только массив из 10 констант, а при ручном, надо менять одну подпрограмму, содержащую сотни операторов (команд), на каждый контролируемый параметр.

• Стоимость - здесь выигрыш в 10-100 раз, тк использование разностно-итерационных алгоритмов позволяет в качестве основного вычислительного компонента использовать старые, зачастую даже списанные ПК на базе процессоров Intel 8086, от 286-х до современных Intel Pentium 4

• Скорость получения результатов контроля - в 30 раз больше с использованием ПК при автоматическом вводе сигналов от первичных измерителей.

Таким образом, с производственной точки зрения предложенная микропроцессорная система контроля значительно превосходит существующие ручные системы контроля параметров технологических процессов пивоваренного производства

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основным научным результатом диссертационной работы является разработка методологии алгоритмизации микропроцессорных систем контроля пищевых производств на примере пивоварения.

Основные теоретические и практические результаты следующие

1. Определены принципы организации сбора, обработки и использования информации для экспресс-анализа параметров технологических процессов в пивоваренном производстве.

2. Разработаны математические модели разностно-итерационных алгоритмов (РИА) и произведена их модификация для создания базовых РИА, наиболее

подходящих для микропроцессорной реализации заданных функциональных зависимостей.

3. Предложена детерминированная (а не эвристическая- как было ранее) методика проектирования алгоритмов функционального преобразования и обработки информации для МПС экспресс-контроля в пивоваренном производстве.

4. Предложено использование аппроксимации Паде для расчета массива коэффициентов при реализации, требуемых функций (включая таблично заданные).

5. Разработан пакет стандартных подпрограмм для МПС экспресс-контроля параметров в пивоваренном производстве.

6. Создан, внедрен и испытан автоматизированный информационно-вычислительный пункт (АКП) для заводской лаборатории пивоваренных и безалкогольных заводов.

ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Асмаев МП., Анишина Н.Н.. Булатникова И.Н. Алгоритмизация микропроцессорной АСУ ТП в молочной промышленности // Известия вузов. Пищевая технология. / № 5-6, 1994 г. - С. 60 - 62.

2. Анишина Н.Н.. Булатникова И.Н. Аппроксимация экспериментальных зависимостей в микропроцессорных системах локальной автоматики//Вопросы прикладной математики. Сб. науч. трудов./ Куб.ГТУ, 1995г. Вып.2, - С. 156.

3.Асмаев М.П., Анишина Н.Н.. Булатникова. И.Н. Исследование погрешности аппроксимации экспериментальных зависимостей// Известия вузов. Пищевая технология./ №1-2, 1996г. -С.65 -67.

4. Анишина Н.Н.. Булатникова И.Н. Линеаризация;. выходных характеристик физико-технических датчиков пищевых производств.// Изв. вузов. Пищевая технология/№ 5-6,1996г. - С.65-67.

5. Анишина Н Н.. Булатникова И.Н., Частиков Л.П. Выбор коэффициентов разностно-итерационньгх алгоритмов для микропроцессорных систем автоматизации.//Межвуз. -темат. сборник научн. трудов. Проблемы физико-математического моделирования./Куб.ГТУ, 1997, - С.4.

6. Анишина Н Н.. Булатникова И.Н., Частиков А. П. Применение разностно-итерационных алгоритмов в экспресс-анализе параметров пищевых производств.// Межвуз. темат. сборник науч. трудов. Проблемы физико-математического моделирования ./КубГТУ, 1998г, - С.77-79.

7. Анишина IIН., Булатникова И.Н. Исследование погрешсности алгоритмов вычисления функций для микропроцессоров.//Изв. вузов. Пищевая технология./№ 2-3, 1998г, - С.71-72.

8. Анишина Н.Н. Булатникова И.Н., Частиков А.П. Автоматизированный информационно-вычислительный пункт экспресс-анализа качества для пиво- и безалкогольных производств.// Изв.вузов. Пищевая технология./ № 1,1999г,-С.34-36.

9. Анишин Н.С., Анишина Н.Н. Булатникова И.Н. АРМ проектировщика алгоритмов для микропроцессорных управляющих систем .// Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности». Таганрог, 1999г, - С.442-445.

10. Гершунина Н.Н., Булатникова И.Н. Программный комплекс АРМ проектировщика алгоритмов для МП систем.// Материалы межрегиональной научно-технической конференции молодых ученых «Развитие современных информационных технологий», Краснодар, 2000г, - С.20-23.

П.Анишин Н.С., Булатникова И.Н., Гершунина Н.Н. Алгоритмические проблемы применения микропроцессорных средств в робототехнике.// Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности». Таганрог, 2001 г, - С.310-313.

12. Гершунина Н.Н. Определение концентрации начального сусла в пивоваренном производстве// Изв. вузов. Пищевая технология / № 2-3, 2002, -С.83-84.

13. Анишин Н.С., Булатникова ИН., Гершунина Н.Н. Целочисленные алгоритмы вычисления интеграла вероятностей// Материалы международной научной конференции «СуперЭВМ и многопроцессорные вычислительные системы»/ Таганрог, 2002г, - С.73-75.

14. Булатникова И.Н., Гершунина Н Н., Кирий К.А. Вычисление интеграла ошибок при статистических расчетах.// Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Информационные модели экономики», Москва, МГАПиИ, 2003г., - с. 26-27.

15. Булатникова И.Н., Гершунина Н.Н., Анишин Н.С. Математические модели разностно-итерационных алгоритмов// Сборник трудов VII Всероссийской научно-практической конференции «Новые информационные технологии», Москва, МГАПиИ, 2004г., с. 3-6.

И 0 9 99

Отпеч, ООО «Фирма Тамзи» Зак. № 631 тираж 100 экз. ф А5 г.Краснодар, ул Пашковская, 79 Тел 55-73-16

Введение.

1 Системный анализ процедур контроля пивоваренного производства.

1.1 Анализ основных технологических процессов пивоварения с точки зрения их автоматического контроля.

1.2 Процедуры контроля параметров технологических процессов пивоварения по стадиям.

1.2.1 Стадия производства солода.

1.2.2 Получение пивного сусла.

1.2.2.1 Расчет выхода экстракта в варнице.

1.2.3 Стадия брожения.

1.2.4 Стадия дображивания.

1.2.5 Стадия фильтрации и розлива пива.

1.3 Типовые функциональные зависимости, реализуемые при контроле производства пива.

1.3.1 Классификация методов контроля.

1.3.2 Типовые функциональные преобразования контролируемых величин при производстве пива.

1.3.2.1 Вычисление средневзвешенной двух контролируемых величин.

1.3.2.2 Пропорциональные преобразования.

1.3.2.3 Преобразование величин путем извлечения квадратного корня.

1.3.2.4 Реализация логарифмических преобразований.

1.3.2.5 Экспоненциальное преобразование.

1.3.2.6 Линеаризация статических характеристик первичных датчиков.

1.4 Выводы.

• 2 Математические модели разностно-итерационных алгоритмов.

2.1 Разностно-итерационные алгоритмы.

2.2 Структуры РИА.

2.3 Математические модели РИА.

2.4 Базовый разностно-итерационный алгоритм.

2.4.1 Алгоритм Волдера.

2.4.2 Алгоритм Оранского и Рейхенберга.

2.5 Выводы.

3 Проектирование целочисленных алгоритмов функционального преобразования и обработки информации.

3.1 Преобразования, задаваемые дробными функциями.

3.2 Базовый разностно-итерационный алгоритм - универсальная основа функционального преобразования.

3.2.1 Функция задана аналитически.

3.2.2 Решение системы уравнений 3.15.

3.2.3 Функциональная зависимость задана таблично.

3.3 Примеры для расчета коэффициентов РИА для типовых функций контроля.

3.3.1 Пример 1 (функция квадратный корень).

3.3.2 Пример 2 (логарифмическая функция).

3.3.3 Некоторые соображения по расчету коэффициентов.

3.4 Выводы.г.

4 Разработка и исследование пакета программ типовых функциональных преобразований при экспресс контроле в пивоварении.

4.1 Преимущества программной реализации разностно-итерационных алгоритмов.

4.2 Разработка блок-схемы машинной реализации базового РИА.

4.2.1 Формат представления величин.

4.2.2 Переполнение разрядной сетки.

4.2.3 Арифметический сдвиг и округление.

4.2.4 Досрочное окончание итераций.

4.2.5 Суммирование конечных значений X и Y.

4.2.6 Формат массива констант.

4.2.7 Организация серии сдвигов.

4.3 Блок-схема базового РИА.

4.3.1 Стадия подготовки начальных значений итерируемых величин.

4.3.2 Заключительная стадия.

4.3.3 Итерационная часть базового РИА.

4.4 Программа базового РИА на языке микроассемблера.

4.5 Исследование базового РИА.

4.5.1 Определение точностных характеристик.

4.5.2 Исследование скоростных характеристик.

4.5.3 Сравнение с альтернативными вариантами.

4.6 О структуре пакета.

4.7 Выводы.

5 Автоматизированный информационно-вычислительный пункт для пивоваренных и безалкогольных производств.

5.1 Требования к контрольному пункту.

5.2 Классификация функций контрольного пункта.

5.2.1 Контроль с расчетом средневзвешенного двух величин и пропорций.

5.2.2 Контроль с расчетом сложных аналитически заданных зависимостей.

5.2.3 Контроль с расчетом нелинейных таблично заданных зависимостей.

5.2.3.1 Массовая доля спирта.

5.2.3.2 Массовая доля экстракта.

5.3 Техническая реализация автоматизированного контрольного пункта.

5.3.1 Структурная схема АКП.

5.3.2 Конструктивное исполнение АКП.

5.4 Исследование скоростных и точностных характеристик АКП.

5.4.1 Методика исследования.

5.4.2 Точностные и скоростные характеристики.

5.4.2.1 Экстрактивность ячменя.

5.4.2.2 Экстрактивность солода.

5.4.2.3 Экстрактивность жженого (карамельного) солода.

5.4.2.4 Контроль глюкозы в сусле.

5.4.2.5 Контроль массовой доли спирта в водно-спиртовых растворах.

5.4.2.6 Контроль массовой доли экстракта.

5.5 О технико-экономический эффективности АКП.

5.6 Выводы.

Актуальность проблемы. Повышение качества продукции растениеводства и содержания в них после переработки полезных веществ имеет большое народнохозяйственное значение. Все это целиком и полностью относится к пивоваренному производству (начиная от сырья и кончая готовой продукцией - пивом, другими безалкогольными напитками) [7,47, 48, 52, 55 ].

Экспрессное измерение содержания полезных компонентов в исходном, сырье и на промежуточных стадиях технологических операций производства пива весьма важно для пивоваренных заводов и комбинатов.

Из изложенного следует важность их обеспечения автоматизированными системами экспресс-анализа качества (АСЭАК) [7, 52], использующих современные методы обработки информации.

АСЭАК имеют унифицированную функциональную систему, обязательно включающую автоматизированный приборно-аналитический комплекс для определения важнейших характеристик сырья, промежуточного и конечного продукта производства.

Вторым по важности является вычислительно-управляющий комплекс (система) компьютерных средств, оснащенных соответствующим математическим, системным и программным обеспечением [7, 52, 34]

Последние тенденции в создании таких вычислительно-управляющих комплексов состоят в использовании микроэлектронной и , особенно, микропроцессорной техники [7], т.е. микропроцессоров (МП).

Это связано с уникально малыми размерами МП при их больших арифметических и логических возможностях, дешевизне, высокой надежности и малом энергопотреблении.

Именно появление МП с их легко изменяемыми программами создало возможность построения адаптивных и легко модернизируемых контролирующих, управляющих и обрабатывающих (информацию) блоков и систем, непосредственно встраиваемых в технологические установки и линии пищевых производств (включая пивоварение).

Применение МП, как подчеркивают многие авторы [17,19], для систем автоматизированного контроля коренным образом меняет традиционные методы их проектирования и создания , заменяя проектирование электронных схем разработкой алгоритмов, и программ микропроцессорной аппаратуры на выполнение определенных функций.

Снижение степени: сложности технологического оборудования при использовании МП - систем (МПС), осуществляется за счет возрастания сложности программного обеспечения МПС [7,47,34]. Вот это обстоятельство и является главной преградой на пути широкого применения МПС в пищевой промышленности, вообще, и в пивоваренном производстве, в частности. Её преодоление лежит на путях системного^ подхода при применении МПС в этой отрасли народного хозяйства.

Действительно, в МПС программное обеспечение составляет около 70 - 80% стоимости разработки всей системы.

Как показывает системный анализ, программирование МПС аналогично программированию мини- и микро- ЭВМ ,однако есть определенная специфика.

Дело не только в ограниченном наборе команд и- малой; емкости ЗУ (устройств памяти) и упрощенной архитектуре МПС. И даже не в быстродействии аппаратном, хотя? есть и высокоскоростные МП. Дело в быстродействии алгоритмическом!; В МП резко обострились противоречия между машинным характером обработки информации и антропогенностью (появлением отпечатка человека-созидателя) её алгоритмов. Копирование ручных расчетов по заданным аналитическим выражениям исторически было оправдано и. методически объяснимо при изобретении первых ЭВМ, ввиду отсутствия других алгоритмов, кроме созданных человеком для ручного счета.

Перенос же алгоритмов с обычных ЭВМ на появившиеся в 70-х годах прошлого века МП, был крайне отрицательным явлением в плане широкого внедрения последних для целей контроля и управления.

Это же сдерживает широкое применение МП; в управляющих и контролирующих системах вплоть до настоящего времени. В этом ракурсе показательно: мнение Н.П. Брусенцова [19]: « Многие трудности; использования цифровых машин как математического инструмента не существуют или резко ослаблены в случае, когда машина используется как инструмент кибернетический; т.е. как автомат, систематически * корректирующий свою деятельность при помощи; обратной связи от обслуживаемых им объектов».

Встраиваемые микро-ЭВМ и- МП в аппараты, агрегаты и машины технологических процессов пищевых производств; обеспечивают достижение простыми программными средствами тех же эффектов-совершенствования технологий; повышения производительности труда, точности работы оборудования, которые достигаются внедрением совершеннейшего механического, гидравлического, электронного и других видов оборудования [7].

Путь с применением микро-ЭВМ' и МП значительно повышает гибкость системы управления и контроля; Действительно, при изменениях в режимах ведения технологических процессов, способов обработки материалов приходится полностью заменять механическое или электронное оборудование, переделывать схемы на новые технологические варианты, что требует, значительных материальных, временных и трудовых затрат [ 7,30 ].

Кроме того, следует подчеркнуть, что средства автоматизации раньше устаревают морально, чем физически. В случае же МПС все сводится лишь, к замене программ на новые, соответствующую проведенной модернизации производства. Таким образом, всё определяется программой, т.е. прикладным программным, обеспечением.

Оно же и составляет, основную сложность, особенно для начинающих пользователей, т.е. разработчиков. Это связано с тем, что программирование МПС имеет ряд специфических особенностей; ш всецело определяется набором и типом алгоритмов, реализуемых в МПС.

Процесс создания новых алгоритмов и программ на их основе пока ещё носит эвристический характер. Не используется математический аппарат и математические модели для синтеза алгоритмов, ориентированных на микропроцессорную реализацию.

Эти обстоятельства остро поставили в« повестку дня алгоритмические и программные вопросы при проектировании микропроцессорных систем контроля и управления; пищевыми производствами, вообще, и в пивоварении, в частности.

С учетом сказанного предметом исследования; в диссертации выбраны оперативный контроль параметров технологических процессов в пивоваренном производстве, математические модели разностно-итерационных алгоритмов (РИА) как наиболее подходящих для применения в МПС контроля (они целочисленные и потому быстродействующие), методы сбора; обработки ? первичной информации о состоянии контролируемых объектов (значениях, физико-технических величин; описывающих эти объекты).

Методами исследования являются системный анализ, математическое и< цифровое моделирование; процедур функционального преобразования контролируемых величин; и - через них -производственных объектов, методы вычислительной математики, теории информации, теории; алгоритмов; Точностные и скоростные характеристики алгоритмов преобразования определяются методами теории вероятностей и матстатистики.

Цель работы. Разработать принципы алгоритмизации микропроцессорных систем* экспресс- контроля технологических процессов в пивоваренном производстве на базе математических моделей процедур такого контроля, их преобразования и создания на их базе математического, программного обеспечения микропроцессорных систем, обеспечивающих этот контроль. Применение МПС обусловлено их высокой эффективностью, в первую очередь, за счет возможности реализации на них разностно-итерационных алгоритмов. Их модификация; и адаптация к контролю техпроцессов в пивоварении также является одной из целей данной работы.

Задачи: исследования. В свете изложенного важными являются задачи системного; анализа процедур контроля в пивоваренном; производстве, исследования возможности перевода этого контроля в режим автоматизированного, с использованием в * качестве обработчиков (преобразователей) исходной информации: микропроцессорных систем, оснащенных программным обеспечением на базе разностно-итерационных алгоритмов как наиболее подходящих (в виду их целочисленности, точности и быстродействия) для таких систем.

Одной из задач исследований является определение на базе созданных нами математических моделей РИА возможности реализации их достоинств для целей автоматизации(контроля сложных технологических процессов пивоваренного производства.

Научная новизна. € целью создания автоматизированной: системы экспресс - контроля пивоваренного производства осуществлена постановка и впервые решена проблема замены трудоемкого и не всегда успешного эвристического варианта разработки целочисленных алгоритмов для МПС, вариантом, основанном на базе модифицированных нами разностно-итерационных процедур.

Прикладная ценность полученных результатов состоит в создании прецедента разработки эффективных и оптимальных алгоритмов и программ для МПС в пищевой промышленности. Это создает предпосылки ещё более широкого и высокоэффективного применения микропроцессоров в системах автоматизированного контроля в пивоваренном производстве. При этом полностью учтены его отраслевые особенности с точки зрения эффективного контроля его параметров.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций обусловлена всесторонним учетом особенностей технологии производства пива; корректным применением методов математического анализа, вычислительной математики, теории информации, теории- принятия решений в рамках системного подхода к решаемым проблемам.

Практическая ценность. Разработаны алгоритмы и микропроцессорная система экспресс-контроля параметров технологических процессов в пивоваренном производстве, а именно, определен набор основных контролируемых параметров, предложены; в качестве алгоритмической базы модифицированные нами разностно-итерационные алгоритмы, обоснованы их преимущества и методы, реализации их на МП^ встроенных в аппаратуру контроля.

Создан, испытан и внедрен в производство автоматизированный контрольный пункт (АКП) параметров пивоваренного производства.

Реализация результатов. Результаты работы внедрены в виде АКП экспресс -контроля и в виде пакета подпрограмм для МПС функционального преобразования и обработки, информации в НПО СПКБ «Промавтоматика» при* разработке программного обеспечения МПС локальной автоматики. АКП- параметров технологических процессов при производстве пива? и безалкогольных напитков внедрен на филиале №1 3АС МПБК «Очаково» (Приложение А) и в винсовхозе ООО «Горный» (пос. Школьный) Крымского района. Результаты исследований используются в учебном процессе КубГТУ.

Апробация. Основные этапы работы неоднократно докладывались на научных семинарах кафедры «Автоматизированных систем управления и вычислительной техники». Кроме того, ряд докладов по тематике диссертации были сделаны на нескольких межрегиональных всероссийских и международных научно-технических конференциях. Тезисы этих докладов, а часто и сами доклады были опубликованы в печатных трудах этих конференций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Основные положения выносимые на защиту:

- принципы организации сбора, обработки и использования информации по экспресс - анализу параметров технологических процессов в пивоваренном производстве;

- математические модели модифицированных нами и принятых в качестве базовых разностно-итерационных алгоритмов, рекомендуемых для микропроцессорной реализации как наиболее оптимальные для современных вычислительных средств;

- методика проектирования алгоритмов функционального преобразования и обработки информации для МПС экспресс - контроля в пивоваренном производстве, включая аппроксимацию Паде, адаптированную нами на низкие степени многочленов числителя и знаменателя;

- пакет стандартных подпрограмм для МПС экспресс - контроля пивоваренных производств;

- автоматизированный контрольный пункт для заводских лабораторий пивоваренных заводов и заводов безалкогольных напитков.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения , пяти разделов, заключения, литературы и приложений, изложенных на 154 страницах. В приложениях приведены документы о внедрении, таблицы, программы и т.д.

5.6 Выводы

1. На основе изучения и анализа производственного объекта (пивоваренное производство) определены задачи контроля , сформулированы назначение и шесть функций автоматизированного контрольного пункта (АКП).

2. Разработаны алгоритмы и программы микропроцессорной системы, входящей в АКП. Проверена их работоспособность, точность, подтверждена высокая технико-экономическая эффективность АКП, для- которого они созданы.

3. Использование АКП в заводской лаборатории МПБК «Очаково» г. Краснодар повышает технико-экономические показатели цеха производства безалкогольных напитков, повышает культуру труда инженеров-технологов и лаборантов, создает предпосылки более широкого применения компьютерной техники в системах контроля технологических процессов в пивоваренной промышленности.

Заключение

Основным научным результатом диссертационной работы является разработка методологии алгоритмизации микропроцессорной обработки контрольно-измерительной информации при управлении производством пива и безалкогольной напитков на базе предложенного разностно-итерационного алгоритма.

Эта методология базируется на системном подходе к проектированию алгоритмического и программного обеспечения этой обработки и включает следующие аспекты:

1. Учет разнообразия функциональных преобразований (в том числе заданных таблично) при выполнении косвенных измерений.

2. Обеспечение аппаратной и/или программной простоты вычислителя или программы обработки.

3. Обеспечение универсальности и способности к модернизации пакета прикладных программ для различных контролируемых параметров.

В диссертационной работе достигнута поставленная цель за счет следующих научных достижений:

1. Проанализированы и установлены типичные контролирующие процедуры и выявлено, что в большинстве случаев они используют косвенные измерения, требующие сложных функциональных преобразований сигналов первичных измерителей.

2. Предложен и обоснован на основе системного анализа математических моделей итерационных процессов базовый разностно-итерационный алгоритм (РИА) обеспечивающий вычисление практически любых функциональных зависимостей, заданных либо аналитически, либо эмпирической формулой, либо таблично (на основе экспериментальных данных).

3. За счет аппроксимации Паде заданных функциональных зависимостей обеспечена универсальность применения одного единственного алгоритма и подпрограммы его реализации в системе команд, не содержащей операций умножения и деления, являющимися ресурсоемкими при микропроцессорной реализации.

4. Благодаря предложенной методики проектирование алгоритмов конкретного функционального применения сведено к детерминированному подбору массива (из 10 констант), проводимого с помощью САПР . проектировщика таких алгоритмов на базе персонального компьютера

5. На конкретных примерах показано применение методики алгоритмизации процедур косвенных измерений при контроле производства пива.

6. С использованием результатов данных исследований разработан и испытан автоматизированный информационно-вычислительный пункт для пивоваренных и безалкогольных производств. В ряде организаций: используются разработанные в диссертации целочисленные алгоритмы для реализации функциональных зависимостей при контроле параметров технологических процессов, в частности, производства пива и безалкогольных напитков.

1.Carlyle R. E. R1.Cy busines //Datamation. - 1985. - Vol: 31. - № 3. - p. 8 -19.

2. Voider Y.E. The CORDIC Trigonometric Computing Technique// The Trans. On Electronic Comp. 1959. - Vol 8. - № 3 - p.p. 330 - 334

3. A.C. 1157543 СССР. МКИ4 G06F7/544. Цифровой функциональный преобразователь Анишина / Н.С. Анишин. Заяв. 11.03.83; опубл. 23.05.85. Бюл. № 19.

4. А.С. 579612 СССР МКИ2 GOGF7/38.YcTpoftcTBO для вычисления функций вида ух-к (А.Л. Рейхенберг, Р.Я. Шевченко (СССР)). Заяв. 01.12.75; опубл. 05.11.77; Бюл. № 41.

5. A.C. 744595 СССР. МКИ2 G06F/34. Цифровой функциональныйпреобразователь (A.M. Оранский, Л.А. Рейхенберг (СССР)). Заяв. 7.7.76.

6. Опубл. 30.06.80. Бюл. № 24

7. A.C. 960802 СССР МКИЗ G 06F7/38. Арифметическое устройство /А.Л. Рейхенберг (СССР); Заяв. 19.06.80; опубл. 23.09.82; Бюл. № 35.

8. Автоматизация технологических процессов и управление в пищевой промышленности/ Сб. статей. Одесса., Пищепромавтоматика, 1977г.

9. Автоматика и автоматизация пищевых производств., 1991. М.: Агропромиздат.9: Автоматика и автоматизация производственных процессов. — М.: Агропромиздат, 1985Г. 335с.

10. Автоматика и автоматизация систем тепло- и газоснабжения и вентиляции/ Учеб. Для ВУЗов / A.A. Калмаков и др. М.: Стройиздат, 1986г. -479с.

11. Алгоритм и программа нахождения специальных аппроксимаций Паде/ Булатникова И.Н.; ред. Журн. «Изв. Вузов. Пищ.технол.» -Краснодар, 1996. 11с. - Деп. В ВИНИТИ 23.05.1996г. - № 1672 - В96.

12. Алексеев Р.И., Коровин Ю.И. Руководство по вычислению и обработке результатов, количественного анализа. М.: Высшая школа, 1972г. -200с.

13. Алумян P.C. и др. Микро-ЭВМ с сокращенным набором команд// Микропроцессорные средства и системы. 1988. № 3. с. 16 - 19.

14. Анишин Н.С. Универсальный алгоритм вычисления функций для микропроцессоров // Изв. Вузов СССР «Электромеханика», 1985. № 4. -с.73 — 76.

15. Анишин Н.С., Булатникова И.Н, Гершунина H.H. Математические модели разностно-итерационных алгоритмов // Сборник трудов VII Всероссийской научно-практической конференции «Новые информационные технологии», Москва, МГАПиИ, 2004г., с. 3-6.

16. Байков В.Д., Смолов В.Б. Специализированные процессоры: итерационные алгоритмы и структуры. М.: Радио и связь, 1985. - 288с.

17. Балашов Е.П., Частиков А.П. Эволюция микро- и мини- ЭВМ. — М.: Знание, 1983г. 340с.

18. Благовещенский Ю.В., Теслер Г.С. Вычисление элементарных функций на ЭВМ. Киев: Техника, 1987г. - 208 с.

19. Брусенцов Н.П. Миникомпьютеры. М.: Наука, 1989. - 272с.

20. Булатникова И.Н. Алгоритм и программа нахождения равномерных аппроксимаций Паде// 1996г. 16с. - Деп. В ВИНИТИ 23.05.96г., № 1671 — В96.

21. Булатникова И.Н. Математическое обеспечение и программный комплекс АРМ разработчика алгоритмов для < МПС управления. Дисс.на соискание степени канд.техн.наук. Краснодар ,1999г., 197с.

22. Булатникова И.Н;, Гершунина H.H. Автоматизированный информационно-вычислительный пункт экспресс анализа качества для пиво- и безалкогольных производств // Изв. Вузов «Пищевая технология». - 1988г. №5-6.-с. 58-60.

23. Булатникова И.Н., Гершунина H.H. Автоматизированный информационно-вычислительный пункт экспресс-анализа качества для пивобезалкогольных производств // Изв. Вузов."Пищевая технология" 1999г. №2,3. С.94-96.

24. Булатникова И.Н., Гершунина H.H. Линеаризация выходных характеристик физико-технических датчиков пищевых производств.// Изв.вузов. Пищевая технология./ 1996г., № 5-6. с. 65 - 66.

25. Булгаков Н. Производственный и лабораторный контроль солодоращения и пивоварения. М.: Пищепромиздат, 1959г. с.

26. Гершунина H.H. и др. Алгоритмизация микропроцессорной АСУ ТП в молочной промышленности// Изв. Вузов « Пищевая технология»./ 1995, № 5-6, с. 60-61.

27. Гершунина H.H. и др. Применение разностно-итерационных алгоритмов в экспресс-анализе параметров пищевых производств// Наука-Кубани. Проблемы физико-математического моделирования. — 1998г. №1. -с.77-79

28. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Изд-во Наука, 1966 г. 664с.

29. Драгушин B.C., Кикоян Г.Г., Смирнов C.B. Основы автоматизации технологических процессов в пиво- безалкогольной промышленности. -М.: Пищевая промышленность, 1974г. 182с.

30. Каган Б. М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных систем автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1987г. — 304с.

31. Колесникова И.А. и др. Контроль производства безалкогольных напитков. Киев.: Урожай, 1989. - 215с.

32. Куклин В.В. и др. Отладочный модуль на базе однокристального микропроцессора К 1810ВМ 88// Микропроцессорные средства и системы, 1986. № 2. с. 33-37

33. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника. Учеб. Пособие. Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000г.

34. Марченко В.Т. Микропроцессорные средства для контроля технологических параметров перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса УССР: Учебн. пособие / Гос. Агропром. Ком. УССР, Киев: 1988г. 66с.

35. Микропроцессорные средства производственных систем/ Под ред. В. Г. Колосова. Л.: Машгиз, 1988. - 287с.

36. Муравицкая Л.В. Технологический контроль пивоваренного и-безалкогольного производств и основы управления качеством продукции. М.: Агропромиздат, 1987г. 255с.

37. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники. Учеб. Для вузов. М:: Высш. Шк., 2000г.

38. Новые автоматизированные системы и технические средства контроля-технологических процессов в молочной промышленности.: Сб. науч. Тр. -М.: ВНИКМИ, 1989. 157с.

39. Общая технология пищевых производств/ Под ред. Н.И. Назарова. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981г. 360с.

40. Оранский А.М. Аппаратные методы в цифровой технике. Минск: Изд-во БГУ. 1977г.-208 с.

41. Остапчук Н.В. Основы математического моделирования процессов пищевых производств. Киев.: Вища школа, 1991г. - 366с.

42. Попов Б.А., Теслер Г.С. Вычисление элементарных функций на ЭВМ. Киев: Наукова думка, 1984г. - 599с.

43. Приборы технологического контроля в молочной промышленности.: Справочник. М.: Агропромиздат, 1990г. - 287с.

44. Пронько В.В; технологические измерения и КИП в пищевой промышленности — М.: Агропромиздат, 1990 г. 271с.

45. Совершенствование химико-технологического контроля производства солода и пива. М.: АгроНИИТЭИПП, 1991 г. - с.

46. Современные методы определения эффективности использования сырья для производства пива и анализа его качества./Голикова Н.В., Рыжова Т.П., 1992г., выпуск 6, с 1-24.

47. Соколов В.А. Автоматизация процессов пищевой промышленности.: Учебник для ВУЗов. М.: Агропромиздат,1991г.- 444с.

48. Спицнадель В.Н. Основы системного анализа: Учебн. пособие. Спб.: «Изд. Дом «Бизнесс-пресса»», 2003г. - 326с.

49. Способы подготовки программ и интерполяторы для контурных систем программного управления станками. — М.: Машгиз , 1970 г. с.52-57.

50. Телис Г. Автоматизация непрерывного процесса затирания в пивоварении. М.: Пищевая промышленность, 1967г. - 276с.

51. Химико технологический контроль производства солода и пива/ Под ред. Мальцева, М.: «Пищевая промышленность» 1976 г. - 448с.

52. Химико-технологический контроль пиво-безалкогольного производства/Под ред. Колчева М.: Агропромиздат, 1988г.-272с.

53. Чарыков А.К. Математическая обработка результатов химического анализа. Л.: Изд-во ЛГУ, 1977 г. - 120с.

54. Чукмасова: М.А., Лазарев Н.М. Технология и оборудование пивоваренного производства, М.: 1968, Изд-во «Пищевая промышленность», 336с.

55. Чукмасова М.А., Рудольф В.В. Технология пива и безалкогольных напитков. М.: Пищевая промышленность, 1987. - 502с.

56. Эйдельштейн И.Л. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов рыбообрабатывающей промышленности. — М.: Пищевая промышленность, 1981г. 320с.