автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Программно-аппаратный комплекс для моделирования и мониторинга процессов дозирования в смесеприготовительном агрегате

На правах рукописи

КАРНАДУД ЕГОР НИКОЛАЕВИЧ

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА ПРОЦЕССОВ ДОЗИРОВАНИЯ В СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНОМ АГРЕГАТЕ

Специальности: 05.18.12 — процессы и аппараты пищевых производств 05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы про1"рамм

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово -2014

2 О НАР 2314

005546179

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» Министерства образования и науки РФ

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор, Иванец Виталий Николаевич доктор технических паук, профессор, Федосенков Борис Андреевич

Захаров Юрий Николаевич,

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет», заведующий кафедрой «Вычислительная математика» Назимов Александр Сергеевич, кандидат технических наук, Кемеровский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Российский государственный торгово-экономический университет», доцент кафедры «Вычислительная техника и информационные технологии» Государственное научное учреждение «Сибирский научно-исследовательский институг переработки сельскохозяйственной продукции» Сибирского регионального отделения Российской академии сельскохозяйственных наук, п. Краснообск, Новосибирская обл.

Защита состоится «25» апреля 2014 года в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел./факс 8(3842)39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (www.kemtipp.tv).

С авторефератом можно ознакомиться на официальных сайтах ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (www. кет tipp, rü).

Автореферат разослан «у£7 2014 г.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь Голуб

диссертационного совета Ольга Валентиновна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день весь промышленный комплекс Российской Федерации активно увеличивает объемы своего производства за счет внедрения поточных технологий, в связи с чем в сфере смесеприготовления все более широкое распространение получают процессы производства сухих комбинированных продуктов в аппаратах непрерывного действия.

При решении задач витаминизации пищевых продуктов требуется разработать комплексный подход, включающий выбор конструкции и режимов работы смесителя и дозаторов, а также текущий мониторинг смесеприготовительного процесса.

Поэтому разработка более совершенных и эффективных конструкций оборудования (в том числе устройств дозирования), входящих в производственную линию смесеприготовления, формирование рациональных режимов его функционирования на основе моделирования процессов с использованием комплексов проблемно-ориентированных программ, организация непрерывного мониторинга текущего состояния протекающих процессов путем их визуально-графического отображения являются актуальными задачами.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с грантом губернатора Кемеровской области «Проблема нестационарности режимов смесеприготовления и ее решение средствами вейвлет-преобразований» (2011 г., граптодержатель — Карнадуд E.H.).

Объектом исследования является блок дозирующих устройств в составе смесепрш о-! us; ¡тельного агрегата (СМПА).

Предметная область исследований определяется решением задач создания новых конструкция дозаторов, моделирования процессов, протекающих со фрагментах агрегата, с использованием проблемно-ориентированных программ, непрерывного мониторировзния процессов дозирования в визуально-графической вейвлет-среде.

Цель работы:

Разработка и исследование аппаратной и программной основы комплекса для моделирования и текущего мониторинга процессов дозирования в составе смесеприготовительного агрегата на базе вейвлет-преобразований.

Задачи исследования:

• разработка и исследование новой конструкции дозатора шнекового типа;

■ разработка системы регистрации расхода материалопотоков в каналах дозирования;

» оценка зависимости характера сигнала расхода материалопогока дозаторов от физико - механических параметров исходных ингредиентов;

• разработка математических моделей барабанных дозирующих устройств непрерывного и дискретного действия;

• создание комплекса подпрограмм вейвлет-анализа материалопотоковых сигналов и визуализации режимов работы фрагментов агрегата во время-частотном пространстве;

• разработка алгоритмов и проблемно-ориентированных программ для мониторинга и идентификации визуализированных отображений режимов работы фрагментов агрегата (карт Вигнера);

• проверка разработанной системы мониторирования на адекватность отображаемых данных.

Научная новизна.

1. Созданы математические модели барабанных дозаторов, работающих в дискретном и непрерывном режимах.

2. Проведен анализ влияния параметров работы дозирующих устройств (шнековых и барабанных дискретного и непрерывного типов) на формируемые ими материалопотоковые сигналы.

3. Разработан алгоритм обработки //^-осциллограмм на основе адаптивной аппроксимации средствами алгоритма вейвлет-поиска соответствия (ВПС-аппроксимации).

4. Предложены алгоритмы и программы для мониторинга и идентификации режимов работы дозирующих устройств на основе анализа взаимного расположения время-частотных атомов на 21)- и Ю-картах Вигнера.

Практическая значимость и промышленная реализация. Созданные дозатор новой конструкции (патент № 131365 на полезную модель по заявке 2013112695 от 21.03.13), система регистрации расхода материалопотоков, комплекс программ вейвлет-анализа материалопотоковых сигналов и их визуализации во время-частотном пространстве, алгоритм идентификации визуализированных отображений режимов работы фрагментов агрегата (карт Вигнера) могут быть использованы в пищевой и других отрослях промышленности. Разработанный алгоритм идентификации визуальных отображений режимов работы блока дозирующих устройств внедрен в технологический процесс производства теплоизоляционного волокна на ООО «Стройволокно».

Автор защищает: новую конструкцию дозатора шнекового типа и результаты его экспериментального исследования; математическое описание процессов дозирования на основе формализации материалопотоковых сигналов; комплекс подпрограмм вейвлет-анализа и визуализации режимов работы фрагментов агрегата; алгоритм идентификации визуализированных отображений режимов работы дозирующих устройств на основе вейвлет-преобразования 2£>-материалопотоковых сигналов с последующим построением 5£)-карт Вигнера.

Апробация работы. Основные результата диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ФГБОУ Б ПО КемТИПП (2010-2013 г.); международных конференциях: «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта», Москва, 2010;

«Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2010; «Наука и инновация - 2011», Польша, 2011; «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2011; на инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации», Кемерово, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК, получен патент № 131365 на полезную модель по заявке 2013112695 от 21.03.13.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы и выводов, списка литературы и приложений; включает 62 рисунка, 12 таблиц. Основной текст изложен на 132 страницах, приложения - на 20 страницах. Библиографический список включает 142 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, определены объект и предметная область исследований, сформулированы цель и задачи работы, приведена ее общая характеристика.

В первой главе проведен анализ литературы, освещающей основы процесса дозирования; приведены принципы действия дозаторов дискретного и непрерывного действия; проанализированы системы контроля процесса дозирования и их особенности; освещены вопросы анализа погрешностей дозированчч и мути их снижения.

В технологических схемах производства пищевых продуктов, связанных с получением многокомпонентных смесей, наибольшая эффективность процессов дозирования и смешивания при получении комбинированных продуктов достигается в непрерывно действующих смесеприготовительных агрегатах.

В работе сделан вывод о том, что независимо от типа датчиков расхода сигналы, формируемые дозаторами, являются нестационарными по частоте и амплитуде. Подобные сигналы не могут быть адекватно интерпретированы стандартными средствами анализа сигналов, такими, как преобразование Фурье.

В качестве решения поставленной задачи идентификации текущих режимов работы смесеприготовительного агрегата предложено использовать аппарат вейвлет - преобразований, который позволяет выявлять локальные особенности расходовых сигналов как по времени, так и по частоте.

Во второй главе рассмотрены методы математического моделирования и исследования процессов смесеприготовления с участием дозаторов непрерывного и дискретного типов, а также концепции вейвлет-преобразоваиий и адаптивной аппроксимации одномерных расходовых сигналов, способы получения многомерного представления сигналов

материалопотоков и их обработки с целью мониторировання и идентификации режимов работы смесеприготовителъного агрегата.

Для построения математических моделей процессов в дозирующих устройствах с последующим исследованием режимов смесеприготовления в агрегате непрерывного действия применялся эмпирико-аналитический подход. При порционном дозировании он заключался в представлении сигнала в виде цепочки трапецеидальных импульсов (рисунок 1), передний и задний фронты которых могут иметь разные значения крутизны, а верхняя часть должна быть максимально уплощена, поскольку ею определяется номинальный режим расхода при формировании дозы (порции).

На рисунке 1 приведены следующие обозначения: Т^ — период дозирования; длительность формирования дозы; 0,.—момент начала отсечки дозатора (длительность интервала дозирования с учетом нестационарного входа в номинальный режим); в/ — длительность переднего фронта импульса

дозирования; в^ = у-^-; вг

Яду'

1±. Лц'

Та. а

X, Ц, V - соответственно значения

скважностей: порционного дозирования Я = интервала формирования дозы

Ол

9а

до начала отсечки Ц — —,

вг

вг у

дозирования V = — ; л,-е/

номинальном режиме.

интервала достижения режима номинального весовой расход материала через дозатор в

Л'

t l I . ........

Рисунок 1 - Параметризация сигнала порционного дозирования 1 - реальный сигнал; 2 - аппроксимация реального сигнала цепочкой трапецеидальных импульсов

При таких условиях импульс потока расхода материала на выходе порционного дозатора описывается следующей совокупностью функциональных зависимостей:

хпалму „____„ ^ , ^ та

ХаЮ =

Т<1

• t при 0 < £ <

Та

1 -II \Та ) к XII X

О при Ц- < Ь < Та

О)

Данный сигнал аппроксимируется рядом Фурье в виде спектра нефазированных гармоник.

XAt) = + cos^t + Bk sin^t),

где AAk, Bk — коэффициенты Фурье-разложения: В ходе исследований были рассмотрены следующие режимы:

• П-образный режим (рисунок 2а);

• инерционная загрузка при линейной отсечке и отсутствии номинального режима (рисунок 26);

• режим инерционной загрузки (рисунок 3) с наличием номинального режима и линейной отсечки.

xjj>

С

Xji)

а б

Рисунок 2 — Частные режимы порционного дозирования

Коэффициенты Фурье-разложения для П-образного режима:

л __.

л о - —.

к кп л '

(2)

Коэффициенты Фурье-разложения для сигнала с инерционной загрузкой при линейной отсечке и отсутствии номинального релсима:

Вк

Xmd

<5)

Рисунок 3 - Общий (трапецеидальный) режим порционного дозирования

¿o^Gîv + V-I); |v

2к2п2 , Л'тйM | 2к

*-h- (|Г+ ¿М1г) (т))]-

(4)

Известно, что изменение весового расхода материала на выходе из шнекового дозатора носит волновой характер, а материалопоток имеет ярко выраженные экстремумы в весовом распределении сыпучего материала на ленте транспортера.

Аналитическая обработка экспериментально зарегистрированных тешометрическими датчиками материалопотоковых сигналов на выходе барабанного и шнекового дозирующих устройств непрерывного действия показала, что они могут быть интерпретированы как совокупность детерминированных постоянной Хм и низкочастотной синусоидальной (с амплитудой Хтл) переменной составляющих с наложением стохастической компоненты ЯапйХ^Ь') в виде высокочастотных пульсаций, вызванных погрешностями дозирования и инструментальной регистрации, возшшающими в информационно-измерительном канале вследствие воздействия на него электромагнитных помех. Такой сигнал описывается моделью:

ХВД = Хао + Хта 5т(2тг/^ + <р)) + ЯстсЩГ) (5)

С целью непрерывного мониторирования процесса смесеприготовления в реальном времени сигналы дозирующих устройств обрабатываются в вейвлет-среде с применением алгоритма вейвлет-поиска соответствия (ВТТС). В основе данного алгоритма лежит технология проецирования одномерного сигнала расхода на определенный массив функций (словарь), структура и параметры которых в наибольшей степени соответствуют его локальным особенностям. К таким функциям, в первую очередь, относятся атомарные функции (вейвлеты), определенные в пространстве Ь2(К).

Подобный алгоритм проецирования временных переменных расхода на массив функций время-частотного словаря является адаптивным, т.е. алгоритмом аппроксимации сигналов, базисные функции которого формируются адаптивно относительно особенностей формы исходного сигнала. На первом шаге итеративной процедуры выбирается вектор д,а, дающий наибольшее скалярное произведение с сигналом Х(1):

Х = {Х,д1о)д1о+&Х.

Затем остаточный вектор К-Х, полученный после аппроксимации Х(1) в направлении вектора д,0, раскладывается подобным же образом. Итеративная процедура повторяется по последующим получаемым остаткам, так чтодяя п-й итерации имеем:

Таким способом материалопотоковый сигнал раскладывается в сумму время-частотных атомов, выбранных оптимально соответствующими остаткам сигнала:

* = 1*=сш < кпх. з,п > з,п + кт+1х. (6)

В качестве конечного результата обработки сигнала используется так называемое время-частотное распределение Вигнера-Вилле, определяемое выражением

\VAt-а>) =(2я)-110£X (с + X* (г - £) е-^йт (7)

При этом отдельные элементы одномерного сигнала материалопотока будут представляться в виде элипсообразных отображений во время-частотном пространстве й - со).

В общем случае визуализация результатов ВПС-декомпозиции сигнала блока дозаторов на время-частотной плоскости производится путем сложения индивидуальных распределений Вигнера для каждого из выбранных атомов.

Таким образом, с целью решения задач мониторинга, моделирования и коррекции динамики технологических фрагментов агрегата производится следующая последовательность операций.

С заданной точки подконтрольного фрагмента смесеприготовительного агрегата с помощью первичного преобразователя снимается и регистрируется осциллограмма сигнала расхода материалопотока, которая посредством процедуры оцифровки преобразуется в решетчатую функцию. Полученная дискретная функция проецируется на вейвлег-тезаурус (словарь вейвлет-фушсций) и преобразуется в вейвлет-ряд из словарных функций, наилучшим образом соответствующих локальным структурам сигнала, подобранных с помощью алгоритма вейвлет-поиска соответствия и путем расчета вейвлет-коэффициентов. При этом вейвлет-коэффициенты представляют собой максимальные скалярные произведения анализируемых фрагментов сигнала и соответствующих вейвлет-функций, выбираемых из словаря на определенных итерациях.

В итоге, посредством анализа и преобразования реконструированного в вейвлет-базисе сигнала с помощью распределения Вигнера вида:

Мз^Аф, <») =(2тг)"1 (г +1) д^хЛ)п* ([ -1) е'^йт (8)

производится расчет и регистрация время-частотного отображения (карты Вигнера) исследуемого процесса в агрегате в двумерном или трехмерном пространстве (третья координата - интенсивность время-частотного распределения 1сигнала расхода):

ех (1,й0 = =

ш) (9)

В третьей главе рассмотрены вопросы программно-аппаратного обеспечения экспериментальных исследований СМПА непрерывного действия для получения сухих дисперсных композиций заданного качества.

Для проведения экспериментальных исследований был спроектирован, изготовлен и смонтирован лабораторно-исследовательский стенд, схема которого приведена на рисунке 4.

В состав смесеприготовительного агрегата входят блок дозирующих устройств, состоящий из шнекового (ШДУ), барабанных непрерывного (БНДУ) и порционного дозаторов (БПДУ), питающе-формирующий узел (ПФУ), центробежный смеситель непрерывного действия (ЦСНД), глобальный импульсный рецикл-канал (ГРК), щит управления и автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора.

Исходные компоненты смеси поступают через соответствующие дозирующие устройства и узлы регистрации (УР) на ПФУ. Затем композиция загружается в смеситель, из которого часть смеси поступает через глобальный рецикл канал на выход блока дозаторов, а оставшаяся часть является готовым продуктом.

В качестве устройств получения информации об объекте управления выступают тензометрические преобразователи \УЕ1^3 (измерение расхода) в

комплекте с вторичными преобразователями \'Т-400 и индуктивные датчики 8Е1^3 (измерение частоты вращения привода дозатора).

Устройство управления лабораторным стендом - программна логический контроллер ПЛК 3 00. Сигналы с индуктивных датчиков поступают на дискретные входы контроллера (П1), где обрабатываются соответствующей программой. Оборудование, приводимое в движение двигателями М4^6, функционирует благодаря использованию коммутационной аппаратуры под управлением контроллера.

Рисунок 4 - Структурно-функциональная схема лабораторно-исследовательского стенда

С целью динамической коррекции частот вращения исполнительных механизмов дозирующих устройств используются электроприводы, включающие в себя асинхронные двигатели (М1-^3), а также преобразователи частоты (1ТЧКЗ). Управляющие сигналы поступают с контроллера ПЛК 100 и устройства дистанционного вывода МВУ8-У, сопряженное через интерфейс RS-485 с контроллером. Отметим, что контроллер сопряжен через интерфейс Ethernet с АРМ оператора.

Шнековый дозатор новой конструкции (патент № 333 365) работает следующим образом: дозируемый материал поступает из загрузочного бункера 1 на витки шнека 2 (рисунок 5).

Далее усилие от двигателя 3 посредством ременных передач 4, 6 и редуктора 5 передается на рабочий орган дозатора. Материал транспортируется вдоль неподвижного корпуса 7 и выводится через разгрузочное отверстие 8. Техническая новизна заключается в том, что в процессе дозирования сжатый воздух из лневмолинии 9 вводится через сальниковый узел 30 и полый шнек во внутренний объем дозатора через сквозные отверстия 11, придавая сыпучему материалу свойство псевдотекучести.

Таким образом, формируется псевдоожиженная среда, которая легко транспортируется вдоль корпуса за счет снижения сил трения. При этом

наблюдается значительное снижение количества диспергированного материала. Частицы размолотого материала выводятся из дозатора через разгрузочное отверстие в виде пылевоздушной смеси, что практически исключает его уплотнение и сводообразование.

При решении задачи динамической регистрации материалопотоковых сигналов было изучено влияние способов воздействия материала на чувствительный элемент и удаления с него, особенности локализации тензометричееких преобразователей на объекте, их калибровки и др. Фиксация тензодатчиков и конструкция их оснастки были выполнены с учетом физико-механических свойств сыпучих материалов и характера схода последних с внутренних частей дозаторов (рисунок 6), где 1 - барабанный дозатор; 2 - лоток; 3 - тензометрический преобразователь; 4 - весоизмерительный преобразователь.

В четвертой главе приведены результаты моделирования режимов работы дозирующих устройств; результаты экспериментальных исследований, процесса в новой конструкции дозатора; построение время-частотных карт в режиме реального времени для непрерывного и дискретного видов дозирования; описывается структура и характер комплекса программ, обеспечивающих функционирование системы компьютерного вейвлет-мониторинга процессов непрерывного смесеприготовления.

Рисунок 5 - Структурная схема ШДУ

Рисунок 6 - БДУ и элементы системы регистрации расхода

В качестве экспериментальных данных при тестировании алгоритма идентификации режимов работы дозирующих устройств использовались синтезированные сигналы, максимально соответствующие реальным. Синтез расходовых сигналов производился на основе моделей (1)-(5). Алгоритм формирования подобных сигналов представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 — Алгоритм формирования синтезированных сигналов

На рисунке 8, в частности, приведены осциллограммы расхода материалопотоков при порционном дозировании.

- ;■•........

1- Г [ > \

___ц ™. || 1

■'."■'■'" Т" ^"Г1 г~Н :гт„_____1 Г........| }•.........: "Г || г-!.....И >;...!.....Ц -2. ¥ Г;

""---------- - рж Р-- й^) Г:.....!" . -.... :■. -Г' Н

">>:>......: ' ; - ' ' У : V

Рисунок 8 - Синтезированные и реальные расходовые сигналы при порционном дозировании: \ — сигнал на выходе дозатора; 2 — синтезированный сигнал

В работе проведено исследование диспергирующей способности новой конструкции шнекового дозирующего устройства. В основу опытов было положено измерение количества перемолотого материала (круп: пшенной, ячменной, гречневой, рисовой) просеянного через сито с величиной ячеек 0,8x0,8 мм по завершении дозирования 1 килограмма сырья. Геометрические размеры цельных зерен приведены в таблице 1.

Анализ экспериментальных данных диспергирующей способности дозаторов проведен на основе изучения статистических распределений процентного содержания диспергированного ингредиента для разных материалов.

Таблица!

Крупа Минимальный размер хорды, мм Максимальный размер хорды, мм

ГГшенная - 1,6...3,0

Гречневая 2,5...4,0 3,0...6,0

Ячменная 1,4...2,5 7,0...9,0

Рисовая 1,2...2,0 5,0...9,0

Для представления распределений принят формат «Box&Whiskers» отображения случайной величины. Так, на рисунке 9 представлены статистические параметры распределений случайной величины d «%-ное содержание диспергированного материала» в указанном формате для мелкозернистых, веществ: пшенной, гречневой, ячменной и рисовой круп.

к 10 8

5 е

4 2

^ Пшенная Гречневая Ячменная Рис длиннозерный

Крупы

Рисунок 9 — Характеристики распределений содержания диспергированного материала для зернистых материалов (круп)

Здесь для каждого вида круп распределение случайной величины охарактеризовано ее размахом, первой и третьей квартилями (соответственно 25%-ной и 75%-ной процентилями) и медианой (50%-ной процентилью). Медианные значения случайной величины указаны на распределениях. Для каждого вида материала представлены два распределения: для дозатора традиционной и новой конструкции, то есть с литым и полым шнеком с подводом сжатого воздуха соответственно. Из распределений видно, что при использовании новой конструкции дозатора процесс дозирования становится более стабильным (межквартильный интервал D{25, 75) снижается более чем в два раза (от 2,1 до 3,4 o.e.)). кроме крупы ячменной, для которой снижение составляет 1,7 o.e. Последнее объясняется специфической формой и большей шероховатостью зерна. При этом зазор между шнеком и внутренней поверхностью корпуса не менялся и составлял 2,0+0,2 мм.

Данные результаты свидетельствуют о существенном снижении диспергирующей способности дозатора новой конструкции, что позволяет дозировать исходные ингредиенты в неповрежденном состоянии.

При непрерывном монигорировании процесса дозирования, после обработки материалопотокового сигнала (выражения (6), (7)) следует процедура ре;* шзации

численного метода построения время-частотных карт Вигнера (выражения (8), (9)), алгоритм которой представлен на рисунке 10.

Рисунок 10 - Алгоритм численного метода формирования ^-отображения одномерного сигнала расхода материалопотока

Здесь базисной вейвлет-функцией является функция Габора с параметрами для ее дискретизированного варианта: I - смещение центра симметрии вейвлета по дискретному времени и; £ - частота модулируемого сигнала; (р - начальная фаза колебательной составляющей вейвлета Габора. Остальные обозначения: -нормирующий коэффициент; Ч'¡^ - вейвлет-функция с индексом параметров 1т и начальной фазой <рт на т-й итерации в словаре £>; хт_1[п] - анализируемый расходовый сигнал на (т-1)-й итерации; х[п] =^т=Тм(х-т-Ап\,^"ЧтО) -

отображение исходного сигнала габоровским вейвлет-рядом с вейвлет-коэффициентами в виде скалярных произведений.

Вейвлет-функции выбираются из избыточного словаря по критерию максимумов скалярного произведения между сигналом и соответствующим вейвлетом. Отметим, что операции расчета скалярного произведения предшествуют процедуры центрирования и нормирования исходного магериалопотокового сигнала. Иными словами, исходный сигнал Xd(t) после центрирования преобразуется в соответствии с операцией приведения к норме ll-XdCO = 1|! ■ Следующим шагом по расчету вейвлет-представления сигнала является вычисление неаппроксимированнного остатка. В конечном счете, сумма выбранных из словаря вейвлет-функций является аппроксимацией исходного материалопотокового сигнала.

Восстановленный (реконструированный в формате адаптивной аппроксимации) расходовый сигнал далее преобразуется из одномерного в трехмерный в соответствии с время-частотным распределением Вигнера с последующим расчетом его энергетической плотности Ex(n,Q.

Алгоритм вейвлет-поиска соответствия с габоровским словарем обеспечивает наиболее точное описание время-частотных структур среди доступных в настоящее время методов.

В основе алгоритма идентификации режимов работы дозаторов непрерывного и порционного действия (рисунок 11) лежит принцип режекции атомов, которые по ряду параметров не соответствздот реальному процессу, например, по частоте дозирования, а также при слабом по интенсивности спектре сигнала. Программе передаются результаты расчета время-частотной карты, в том числе значения энергетической плотности сигнала.

Pi ч у кок 11 — Алгоритм идентификации режимов работы дозирующих устройств (ДУ)

В программе реализованы два способа идентификации: для дискретных (ПДУ) и непрерывных (ИДУ) питателей.

В случае дискретного дозирования программа подвергает режекции атомы с малой энергией (такие волновые всплески являются результатом воздействия помех или несущественной вибрации чувствительного элемента на рабочем месте). Идентификация «центров» доз (максимумов атомов) сводится к определению временного положения отдельной дозы, т.е. между ними должен выдерживаться временной интервал. Если он меньше заданного критического значения, то, следовательно, алгоритм ВПС аппроксимировал одну дозу несколькими вейвлетами, и ее максимум будет определяться из среднего значения нескольких атомов.

В случае непрерывного дозирования программа подвергает режекции атомы с малой энергией и атомы, частоты которых не соответствуют физическим особенностям непрерывного процесса дозирования.

Программная реализация процедуры идентификации порционных процессов дозирования в смесеприготовителъном агрегате в среде разработки ЬаЬУ1Е\У представлена на рисунке .12.

Рисунок 12 - Процедура идентификации сигнала ПДУ, реализованная на графическом языке: 1 - длина временного интервала; 2 - задание опорных частот

дозирования и весового расхода материала; 3 - выбор аппроксимирующей функции; 4 — алгоритм вейвлет-поиска соответствия; 5 - идентификация режима

работы ПДУ

В качестве примера работы программы идентификации на рисунке 13 приведены нестационарные расходовые сигналы, формируемые барабанными и шнековым дозирующими устройствами, и их время-частотные отображения.

Как видно из осциллограммы порционного дозирования (рисунок 13 а), формируемой барабанным дозирующим устройством (БПДУ), расходовый сигнал представлен отдельными импульсами, причем каждой дозе на осциллограмме соответствует время-частотный атом на карте Вигнера.

Анализируя сигналы непрерывного дозирования (рисунок 13 б, в), следует отметить, что подобные осциллограммы имеют определенную постоянную составляющую, которая на карте Вигнера обозначена набором атомов, значения частот которых близки к нулю; переменные составляющие представлены в виде линейных или (здесь) эллипсообразных образований на соответствующих частотах.

На рисунке 13а дельтаобразные импульсы порционного дозирования отображены на карте Вигнера вертикальными эллипсами с нулевой заполняющей частотой. Ширина спектра (высота полуэллипса) тем больше, тем больше интенсивность импульса расхода и меньше длительность дозы. На рисунке 13 6 сигнал расхода барабанного дозатора, работающего в непрерывно-прерывистом режиме (БНДУ), на карте Вигнера представлен двумя цепочками эллипсов, одна из которых - с нулевой центральной частотой, соответствующей постоянной составляющей, другая - с центральной частотой, равной 0,6 Гц. Сигнал расхода на выходе шнекового дозатора (ШДУ) (рисунок 13 в) отображается в виде двух мультиэллипсоидальных образований, одно из которых (нижнее) определяет постоянную составляющую расходового сигнала с нарастающей во времени интенсивностью; другое (верхнее) характеризует переменную составляющую расхода, линейно возрастающую по частоте в диапазоне 0,28-^0,55 Гц. Таким образом, отображение расходовых сигналов в вейвлет-среде позволяет эффективно осуществлять семантически прозрачный мониторинг текущих режимов дозирования, что в целом способствует повышению эффективности работы смесеприготовительного агрегата и получению смесей высокого качества.

Рисунок 13 — Нестационарные сигналы расходов и их время-частотные отображения: а - сигнал БПДУ; б - прерывистый сигнал БНДУ; в - сигнал ШДУ

На базе ООО «Стройволокно» проведет™ испытания опытно-промышленной подсистемы мониторинга процесса приготовления смеси сыпучих компонентов из шихты и кокса для выработки минерального волокна. В результате проведенных испытаний были экспериментально подобраны рациональные параметры отдельных узлов аппаратно-программного комплекса (чувствителт >ых преобразователей и отдельных сегментов системы программной идентификации рабочих режимов дозаторов;, который включен в технологический цикл участка подготовки сырья и то,пива ООО «Стройволокно», что подтверждено актами, приведенными в приложении,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создан шнековый дозатор с использованием пневмоподачи для очистки его внутренних поверхностей и придания материалу свойств

псевдотекучести. Проведен ряд опытов, позволяющих судить о количестве перемолотого материала в процессе дозирования.

2. Разработаны математические модели барабанных дозирующих устройств порционного и непрерывного типа и установлены рациональные режимы их работы. Проведен сравнительный анализ синтезированных и реальных расходовых сигналов, показывающий адекватность полученных моделей.

3. На основе исследований влияния физико-механических свойств исходных ингредиентов на характер расходовых сигналов разработана единая обобщенная математическая модель материалопотоковых сигналов применительно к широкому спектру мелкозернистых сыпучих ингредиентов.

4. Разработан комплекс программ, позволяющий моделировать процессы дискретных дозирующих устройств: идеального П-образного, с мгновенной загрузкой и наличием номинального процесса дозирования, с инерционной загрузкой при линейной отсечке и отсутствии номинального режима.

5. Разработаны алгоритмы и комплексы проблемно-ориентированных программ для анализа материалопотоковых сигналов средствами вейвлет-поиска соответствия. Это позволило усовершенствовать систему контроля за процессом дозирования сыпучих материалов.

6. Сформулирован алгоритм и программа идентификации режимов непрерывного и дискретного дозирования с использованием численных методов расчета время-частотных распределений (карт Вигнера), позволяющих на принципиально новом уровне решать проблему выявления, контроля и поддержания номинальных процессов мультидозирования.

7. Промышленная реализация программ системы контроля и идентификации режимов дозирования проведена в условиях ООО «Стройволокно» (г. Кемерово) при производстве минерального волокна на участке подготовки сыпучих компонентов шихты.

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Дацук, К.А. Современные методы анализа смесеприготовительных процессов во время-частотном пространстве /К.А. Дацук, E.H. Карнадуд, Д.Б. Федосенков и др. //Техника и технология пищевых производств. - 2010. - № 2 (10). - С. 98-104.

2. Карнадуд, E.H. Система регистрации расхода в задачах управления смесеприготовительным агрегатом на основе вейвлет-преобразований /E.H. Карнадуд, Д.Б. Федосенков, Б.А. Федосенков //Техника и технология гтищовых производств. - 2012. — №4 (12).-С. 99-105.

3. Карнадуд, E.H. Моделирование режимов работы непрерывных и дискретных дозаторов объемного типа /E.H. Карнадуд, P.P. Исхаков, К.С. Якпмчук и др. //Техника и технология пищевых производств. - 2013. - №2. — С. 80-84.

Патент РФ на полезную модель

4. Патент № 131365 РФ, МПК B65D 88/68. Шнековый дозатор сыпучих материалов / E.H. Карнадуд, Б.А. Федосенков, Д.Б. Федосенков и др.; заявл. 21.03.13; опубл. 20.08.13, Бюл. №23.

Материалы конференций, форумов

5. Дацук, К.А. Использование технологии вейвлст-монигорировашга как средства управления динамикой стационарных и нестационарных процессов /К.А. Дацук, E.H. Карнадуд, Д.Б. Федосенков и др. //Высокие технологии, исследования, промышленность: Сборник трудов девятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - Санкт-Петербург, 2010. — С.256-258.

6. Карнадуд, Е.Н. Автоматизированное управление процессам! дозирования в вейвлет-среде .'Е.Н. Карпадуд, К.А. Дацук, Д.Б. Федосенков и др. //Высокие технологии, исследования, промышленность: Сборник трудов девятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - Санкт-Петербург, 2010. — С. 65-66.

7. Федосенков, Д.Б. Реализация алгоритма вейвлет-аппроксимации и его время-частотное отображение /Д.Б. Федосенков, Е.Н. Карнадуд, А.А. Ямпольский и др. //Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта: Материалы 10-й международной конференции. -Москва, 2010.-С. 47.

8. Карнадуд, Е.Н. Проблема нестационарности режимов смесеприготовленик и ее решение средствами вейвлет-преобразований /Е.Н. Карнадуд, Д.Б. Федосенков, О.В. Бараоошкин и др. /7Кузбасс: образование, наука, инновации: Инновационный конвент. -Кемерово, 2011. - С.111-114.

9. Цыганенко О.В. Визуально-графическое отображение режимов работы смесеприготовительного агрегата /О.В. Цыганенко, Д.Б. Федосенков, Е.Н. Карнадуд и др. //Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием. - Кемерово, 2011. - С.87-90.

10. Карнадуд, Е.Н. Применение время-частотных распределений в технологии управления процессами смесеприготовления /Е.Н. Карпадуд, Д.Б. Федосенков, О.В. Барабоштпзн и др. //Высокие технологии, образование, промыпиепность: Сборник трудов одиннадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». — Санкт-Петербург, 2011. — С.81-82.

11. Федосенков. Б.А. Комплекс управления техническим объектом в вейвлет-среде /Б. А. Федосенков, Е.Н. Карпадуд, Д.Б, Федосенков, О.В. Цыганенко, Е.И. Князьков //Nauka i inowacja - 2011: Materiaty VII Mifdzytiarodowcj naukowi-praktycznej konferericji. Przemysl, 2011. - C. 101-104.

12. Карнадуд, Е.Н. Цифровая система регистрации матсриалопотоков дозирования в современных смесительных агрегатах /Е.Н. Карнадуд, О.В. Цыганенко //Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы V Всероссийской конференции аспирантов и студентов. - Кемерово, 2012. - С.526-527.

13. Карнадуд, Е.Н. Повышение точности дозирования и качества работ e.i питателей объемного типа /Е.Н. Карнадуд, P.P. Исхаков //Международный научный форум «Пишевыс инновации и биотехнологии»: Сборник материалов конференции студситоз, аспирантов и молодых ученых - Кемерово, 2013. - С.717-720.

14. Федосенков, Б.А. Автоматизированное управление техническими и технологическими объектами в вейвлет-среде /Б.А. Федосенков, Е.Н. Карнадуд и др. //Сборник статей Международного научного форума «Пищевые инновации л биотехнологии» (International Scientific Forum "Food Innovations and Biotechnologies", the Collection of Articles), под общ. ред. А.Ю. Просекова. - Кемерово, 2013. — С. 253-274.

Подш-.сано в печать 15.02.2014. Формат 60x86/16.

Тираж 80 экз. Объем 1 тг.л. Заказ №¡85 Отпечатано в ООО РПК «Радуга» ул. Соборная, 6

Министерство образования и науки Российской федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

04201 457240 на пРавах РУК0ПИСИ

КАРНАДУД ЕГОР НИКОЛАЕВИЧ

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА ПРОЦЕССОВ ДОЗИРОВАНИЯ В СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНОМ АГРЕГАТЕ

Специальности: 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н., проф. В.Н. Иванец; д.т.н., проф. Б. А. Федосенков

Кемерово - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................................................................................5

Глава 1. Анализ работы дозирующих устройств в составе смесеприготовительных агрегатов...................................................................................................9

1.1 Основы процесса дозирования.................................................................................................9

1.2 Определение погрешностей дозирования........................................................................12

1.3 Типы дозаторов............................................................................................................................13

1.3.1Дозатор с поступательным движением рабочего органа..........................................13

1.3.2 Дозаторы с вращательным движением рабочего органа........................................14

1.3.3 Дозаторы с вибрационным движением рабочего органа.......................................17

1.4 Анализ современных способов регистрации сигналов расходов материальных потоков :................................................................................................18

1.4.1 Измерение материалопотока с непосредственным взаимодействием измеряемой среды и датчика...........................................................................................................18

1.4.2 Бесконтактные способы регистрации материальных потоков дозирующих устройств..................................................................................................................................................21

1.5 Обоснование выбора математического метода обработки нестационарных

сигналов дозаторов...............................................................................................................................23

Глава 2. Разработка математических моделей процессов дозирования.......................2.9

2.1 Анализ и формирование моделей расходовых материальных потоков во фрагментах смесеприготовительного агрегата с использованием эмпирико-аналитического подхода.....................................................................................................................29

2.1.1 Формирование моделей процессов дозирования для барабанного непрерывного и шнекового устройств........................................................................................29

2.1.2 Формирование модели процесса дозирования для барабанного порционного устройства................................................................................................................................................31

2.2 Математические основы теории вейвлет-анализа.....................................................3.6

2.2.1 Гильбертово пространство ........................................................................................36

2.2.2 Характеристики функций в гильбертовом пространстве.......................................37

2.3 Непрерывное вейвлет-преобразование...........................................................................39

2.4 Время-частотное разрешение как основа моделирования процесса дозирования на основе вейвлет-функций...................................................................................40

2.5 Метод вейвлет-поиска соответствия................................................................................42

2.6 Дискретный поиск соответствия в словаре Габора...................................................45

2.7 Класс квадратичных время-частотных распределений для отображения

динамических спектров материалопотоков дозирования....................................................49

Глава 3. Разработка экспериментального программно-аппаратного стенда.............58

3.1 Требования к материальной основе имитационной модели смесеприготовительного агрегата.................................................................................................58

3.2 Описание оборудования, аппаратной основы и возможностей физической

имитационной системы смесительного агрегата.....................................................................5.9

3.2.1 Дозировочное оборудование.............................................................................................61

3.2.1.1 Шнековое дозировочное оборудование.......................................................................61

3.2.1.2 Барабанное дозировочное оборудование....................................................................63

3.3 Система измерения материалопотоковых сигналов.................................................6.4

3.4 Система измерения скорости вращения рабочих органов дозаторов...............67

3.5 Система управления моделью при формировании стационарных и нестационарных режимов работы дозирующих устройств...............................................70

3.6 Физико-механические свойства исследуемых материалов...................................75

3.7 Исследование воздействия изменения режимно-конструктивных параметров

фрагментов агрегата на структуру материалопотоков и качество дозирования......76

Глава 4. Экспериментальные исследования программно-аппаратного комплекса смесеприготовительного агрегата.................................................................................................81

4.1 Разработка алгоритмического и программного обеспечения для моделирования динамики технологического агрегата........................................................81

4.2 Анализ эффективности математического и программного обеспечения для моделирования процессов дозирования......................................................................................85

4.3 Анализ погрешностей дозирования в формате физических имитационных моделей.....................................................................................................................................................89

4.4 Определение степени диспергирования материала во внутриаппаратной среде шнекового дозирующего устройства...............................................................................90

4.5 Процесс формирования визуально-графического отображения расходовых сигналов в вейвлет-среде..................................................................................................................96

4.6 Особенности процесса обработки материалопотоковых сигналов в системе смесеприготовления с использованием вейвлет-преобразований и время-частотных распределений...............................................................................................................100

4.7 Алгоритм идентификации и программная реализация процедуры определения параметров рабочих режимов дозаторов......................................................104

4.8 Представление в математическом вейвлет-пространстве технологических режимов работы фрагментов агрегата с последующей идентификацией процессов

дозирования............................................:..............................................................................................108

4.8.1 Отображение в вейвлет-пространстве стационарных режимов работы........108

Список литературы Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. На сегодняшний день весь промышленный комплекс Российской Федерации активно увеличивает объемы своего производства за счет внедрения поточных технологий, в связи с чем в сфере смесеприготовления все более широкое распространение получают процессы производства сухих комбинированных продуктов в аппаратах непрерывного действия.

При этом основными проблемами являются: равномерная подача и распределение различных добавок (витаминов, наполнителей, стабилизаторов, ароматизаторов и т.д.), вносимых в небольших дозах (0,01-1%), по всему объему смеси, и препятствие разрушению (диспергированию) компонентов смеси при механических воздействиях на различных стадиях процесса смесеприготовления.

При решении задач витаминизации пищевых продуктов требуется разработать комплексный подход, включающий выбор конструкции и режимов работы смесителя и дозаторов, а также текущий мониторинг смесеприготовительного процесса. Требование визуального отображения текущего состояния процесса смесеприготовления обусловлено тем, что расходы - в силу системно-технологических причин - являются нестационарными по частоте, т.е. представляют собой материалопотоковые сигналы с время-зависимым параметром - мгновенной частотой.

Поэтому разработка более совершенных и эффективных конструкций оборудования (в том числе устройств дозирования), входящих в производственную линию смесеприготовления, формирование рациональных режимов его функционирования на основе моделирования процессов с использованием комплексов проблемно-ориентированных программ, организация непрерывного мониторинга текущего состояния протекающих процессов путем их визуально-графического отображения являются актуальными задачами.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с грантом губернатора Кемеровской области «Проблема нестационарности режимов смесеприготовления

и ее решение средствами вейвлет-преобразований» (2011 г., грантодержатель -

Карнадуд E.H.).

Объектом исследования является блок дозирующих устройств в составе смесеприготовительного агрегата.

Предметная область исследований определяется решением задач создания новых конструкция дозаторов, моделирования процессов, протекающих во фрагментах агрегата, с использованием проблемно-ориентированных программ, непрерывного мониторирования процессов дозирования в визуально-графической вейвлет-среде.

Цель работы:

Разработка и исследование новой конструкции дозатора шнекового типа, построение моделей дозирующих устройств, входящих в состав смесеприготовительного комплекса; синтез комплекса алгоритмов и программ для информационно-прозрачного мониторинга, включающего идентификацию стационарных и нестационарных процессов дозирования с применением современных методов динамической оценки дозировочного процесса на базе вейвлет-преобразований и время-частотных распределений материалопотоковых сигналов расхода.

Задачи исследования:

•разработка и исследование новой конструкции дозатора шнекового типа;

•разработка системы регистрации расхода материалопотоков в каналах дозирования;

•оценка зависимости характера сигнала расхода материалопотока дозаторов от физико - механических параметров исходных ингредиентов;

•разработка математических моделей барабанных дозирующих устройств непрерывного и дискретного действия;

•создание комплекса подпрограмм вейвлет-анализа материалопотоковых сигналов и визуализации режимов работы фрагментов агрегата во время-частотном пространстве;

•разработка алгоритмов и проблемно-ориентированных программ для мониторинга и идентификации визуализированных отображений режимов работы фрагментов агрегата (карт Вигнера);

•проверка разработанной системы мониторирования на адекватность отображаемых данных.

Научная новизна.

1. Созданы математические модели барабанных дозаторов, работающих в дискретном и непрерывном режимах.

2. Проведен анализ влияния параметров работы дозирующих устройств (шнековых и барабанных дискретного и непрерывного типов) на формируемые ими материалопотоковые сигналы.

3. • Разработан алгоритм обработки 7/>осциллограмм на основе адаптивной аппроксимации средствами алгоритма вейвлет-поиска соответствия (ВПС-аппроксимации).

4. Предложены алгоритмы и программы для мониторинга и идентификации режимов работы дозирующих устройств на основе анализа взаимного расположения время-частотных атомов на 2Б- и ^-картах Вигнера.

Практическая значимость и промышленная реализация. Созданные дозатор новой конструкции (патент № 131365 на полезную модель по заявке 2013112695 от 21.03.13), система регистрации расхода материалопотоков, комплекс программ вейвлет-анализа материалопотоковых сигналов и их визуализации во время-частотном пространстве, алгоритм идентификации визуализированных отображений режимов работы фрагментов агрегата (карт Вигнера) могут быть использованы в пищевой, химической, фармацевтической промышленности, в технологических процессах стройиндустрии, в производстве комбикормов и др. отраслях АПК. В частности, разработанный алгоритм идентификации визуальных отображений режимов работы блока дозирующих устройств внедрен в технологический процесс производства теплоизоляционного волокна на ООО «Стройволокно» (Приложение А).

Автор защищает: новую конструкцию дозатора шнекового типа и результаты его экспериментального исследования; математическое описание процессов дозирования на основе формализации материалопотоковых сигналов; комплекс подпрограмм вейвлет-анализа и визуализации режимов работы фрагментов агрегата; алгоритм идентификации визуализированных отображений режимов работы дозирующих устройств на основе вейвлет-преобразования Ю-материалопотоковых сигналов с последующим построением ЗВ-карт Вигнера.

Апробация работы. Основные результаты работы и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научных конференциях ФГБОУ ВПО КемТИПП (2010-2013 г.); 10-й международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта», Москва, 2010; девятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - Санкт-Петербург, 2010; УН-й международной научно-практической конференции «Наука и инновация - 2011», Польша, 2011; инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации», Кемерово, 2011; Х1-Й международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК, получен патент № 131365 на полезную модель по заявке 2013112695 от 21.03.13.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы и выводов, списка литературы и приложений; включает 62 рисунка, 12 таблиц. Основной текст изложен на 132 страницах, приложения - на 20 страницах. Библиографический список включает 142 наименованя.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАБОТЫ ДОЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В СОСТАВЕ СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ

В первой главе освещаются основы процесса дозирования; типы дозаторов, их достоинства и недостатки; принципы действия дозаторов порционного и непрерывного типов действия, используемых на сегодняшний день в промышленности; системы контроля процесса дозирования и их недостатки; освещены вопросы анализа погрешностей дозирования и пути их снижения.

В рамках интегративного смесеприготовительного процесса особо подчеркивается место и важность процесса дозирования как стадии, предшествующей фазе смешивания исходных ингредиентов в смесительных аппаратах [7, 9, 18, 40, 48, 50, 53, 68].

Для анализа работы дозаторов в составе блока дозирующих устройств и влияния отдельных единиц оборудования на качество готовой смеси в настоящее время целесообразно использовать методы моделирования, позволяющие синтезировать расходовые сигналы дозаторов как порционного, так и непрерывного действия.

Сигналы расхода материальных потоков, формируемые дозаторами, являются нестационарными по частоте и амплитуде - данное обстоятельство обусловлено конструктивными особенностями питателей.

В качестве решения задачи идентификации текущих режимов работы смесеприготовительного агрегата было предложено использовать вейвлет -преобразование. Данное преобразование способно эффективно анализировать нестационарные сигналы, динамические спектры которых включают частотные компоненты, действующие на разных временных интервалах.

1.1 Основы процесса дозирования

Дозирование - это процесс отгрузки материала заданного количества или осуществляемого с требуемым расходом в технологические аппараты для

осуществления смешивания или дальнейшей обработки материала. Дозирование является составляющей любого технологического процесса не только в пищевой промышленности, но и в химической, строительной, фармацевтической, во многих отраслях аграрно-промышленного комплекса, тем самым приобретает особую значимость при организации поточных производственных линий, функционирование которых основано на использовании установок непрерывного действия.

При организации производства, в составе которого присутствуют дозирующие устройства, к последним предъявляют требования [34, 57]:

• обеспечение устойчивой точности дозирования;

• высокой производительности;

• простоты конструкции и надежности работы;

• возможности создания автоматических и/или автоматизированных систем управления.

В настоящее время при изготовлении пищевых продуктов как импортируемых, так и отечественных, определилось ярко выраженное направление формирования их органолептических свойств путем введения пищевых добавок. С помощью широкого спектра таких добавок формируют определенные органолептические показатели: цвет, вкус, запах, консистенцию пищевых продуктов.

Одной из особенностей использования пищевых добавок является их предельная концентрация в пищевых продуктах, основанная на допустимых суточной дозе и суточном потреблении. В связи с этим воз�