На правах рукописи АГЕЕВ Олег Вячеславович РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ
реклама
На правах рукописи АГЕЕВ Олег Вячеславович РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ФИЛЕТИРОВАНИЯ РЫБЫ НА ОСНОВЕ МЕХАТРОНИКИ Специальности: 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность) 05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Краснодар - 2008 2 Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Калининградский государственный технический университет” на кафедре “Пищевые и холодильные машины” Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Фатыхов Юрий Адгамович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Пиотровский Дмитрий Леонидович кандидат технических наук, доцент Голубев Борис Васильевич Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий Защита диссертации состоится 12 ноября 2008 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.04 при Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, Г-251 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета Автореферат разослан 10 октября 2008 года Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент А.В. Власенко 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В настоящее время происходит структурная перестройка рыбообрабатывающего комплекса Российской Федерации. В результате этого, значительно выросла доля предприятий малого и среднего бизнеса. В связи с ростом цен на энергоносители существенно возрос спрос и наметился переход на ресурсосберегающие технологии и оборудование. Для рыбообрабатывающих предприятий имеют значение обеспечение качества готовой продукции, минимальное энергопотребление, малые габариты и металлоемкость машин, а также простота в обслуживании и способность к перенастройке на различные виды сырья и режимы работы. В свою очередь, на крупных рыбообрабатывающих предприятиях разделывание рыбы в современных условиях должно осуществляться с помощью автоматизированных рыборазделочных систем, имеющих высокую производительность. Машинное разделывание рыбы на этих предприятиях является, по-прежнему, основным видом первичной обработки сырья при производстве филе, консервов и изделий быстрого приготовления. Одновременно следует учитывать, что на большинстве предприятий наиболее целесообразным является глубокое разделывание рыбы на филе. Кроме того, в отрасли растут требования к уровню эксплуатационной безопасности оборудования, поэтому многие филетирующие машины в настоящее время уже не соответствует современным требованиям по экологической безопасности и ресурсосбережению. Вследствие этого, требуется разработать обоснование для мехатронного филетирующего оборудования на основе ресурсосберегающих технологий, в котором нуждаются предприятия отрасли. Необходима универсальная техника, созданная по принципу модульно-блочного агрегатирования с применением средств мехатроники. Это дает возможность выпускать различные виды продукции при минимальной переналадке. В то же время, такое отечественное филетирующее оборудование лишь начинает разрабатываться или находится в стадии становления. При этом основной проблемой реализации ресурсосберегающего режима работы остается точная настройка рабочих органов машин на линии резания. При решении этих задач важное место занимает математическое моделирование процесса резания рыбы дисковыми ножами. Актуальной задачей является разработка научно обоснованной методики для определения усилий резания рыбного сырья. Теоретические основы процесса резания пищевых продуктов отражены в работах В.В. Дорменко, В.И. Карпова, С.Г. Гуревича, Н.И. Жилина, А.А. Романова, М.А. Якубова, В.М. Боркунова, А. Довгялло, А.Н. Даурского, Ю.А. Мачихина, А.И. Пелеева, В.Г. Проселкова и других исследователей. Решение вышеуказанных проблем наиболее эффективно при комплексном подходе к разработке филетирующего оборудования. Это предполагает, наряду с исследованием вопросов моделирования процесса резания рыбы дисковыми ножами, проработку структуры мехатронной 4 системы управления технологическим процессом изготовления рыбного филе. Оптимизация управления при этом достигается за счет совершенствования алгоритмов управления режущими инструментами и прочими узлами оборудования. Одним из наиболее перспективных методов повышения точности обработки рыбы является параметрическая адаптация цикла филетирования к свойствам сырья. Это обеспечивает существенное повышение точности настройки рабочих органов технологического оборудования при непредвиденных изменениях свойств сырья, поступающего на обработку. Для работы филетирующей машины, способной осуществлять малоотходное разделывание и филетирование, это предполагает наличие системы управления, включающей датчики (элементы очувствления – систему технического зрения и сканер) и мехатронные позиционирующие модули. Цель работы заключается в совершенствовании процесса резания рыбы дисковыми ножами, а также управления процессом филетирования в условиях нестабильности свойств сырья. Цель достигается разработкой математической модели процесса резания рыбы дисковыми ножами, а также разработкой обоснования для мехатронной системы управления процессом филетирования рыбы, обеспечивающей ресурсосберегающий режим работы. Рамки исследования. Объектом исследования в данной работе является сложная техническая система, включающая в себя следующие общие элементы: объект обработки, технологический процесс резания рыбы, операционную и управляющую части филетирующего оборудования. Предметом исследования является мехатронная система ресурсосберегающего автоматического управления, включающая режущие инструменты, исполнительный позиционирующий привод, информационноуправляющую часть. Полученные в работе результаты могут быть использованы на начальных стадиях разработки мехатронного филетирующего оборудования, а именно при проработке технического предложения, а также на стадии эскизного проекта для уточнения параметров операционной и управляющей частей технологического оборудования. Задачи исследования. Для достижения цели исследования в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи: - анализ существующего технологического оборудования для филетирования рыбы, тенденций его развития; - разработка математической модели процесса резания рыбного сырья дисковыми ножами; - выбор технических средств сбора данных (очувствления) и мехатронных средств для позиционирования рабочих органов в рамках системы ресурсосберегающего управления процессом филетирования; - разработка математического описания следящего шагового привода для настройки рабочих органов филетирующего оборудования; 5 - выбор метода управления филетирующим оборудованием, позволяющего стабилизировать качество филе в условиях меняющихся параметров сырья; - выбор параметров управления по этапам технологического процесса производства рыбного филе; - разработка схемы мехатронного устройства, обеспечивающего малоотходное филетирование рыбы; - разработка функциональной структуры мехатронной системы управления с возможностью адаптации режимных параметров к свойствам сырья; - синтез алгоритма управления мехатронным устройством для филетирования; - разработка математической модели технологического оборудования для обеспечения организационно-технологического управления рыборазделочным производством. Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории автоматического управления, функциональных графов, теории автоматов, математического моделирования, эквивалентных преобразований, аналитический подход к исследованию технологических процессов, экспериментальные исследования макета оборудования. Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты: - разработана математическая модель процесса резания рыбного сырья дисковыми ножами; - разработано математическое описание структуры следящего привода для позиционирования рабочих органов филетирующего оборудования; - выбраны параметры управления для обеспечения ресурсосберегающего режима работы филетирующего оборудования; - предложена схема мехатронного устройства для филетирования рыбы, обеспечивающего улучшение качества филе; - предложена структура мехатронной системы управления с адаптацией режимных параметров к свойствам сырья; - предложен подход к моделированию алгоритма адаптации процесса филетирования к свойствам сырья; - предложен алгоритм управления процессом филетирования, обеспечивающий минимизацию затрат сырьевых ресурсов; - предложена модель технологического оборудования для решения задачи организационно-технологического управления рыборазделочным производством. Практическая ценность. Теоретические и экспериментальные исследования завершены созданием на их основе математического и алгоритмического обеспечения для задачи построения системы управления процессом филетирования рыбы на основе мехатроники. Разработаны технические предложения по модернизации систем управления разделочно- 6 филетировочным оборудованием, защищенные двумя патентами РФ на изобретение, патентом РФ на полезную модель и двумя положительными решениями о выдаче патента РФ на изобретение. Предложенные решения позволяют повысить качество разделывания и филетирования рыбы за счет более точной настройки рабочих органов оборудования при помощи средств мехатроники. Полезная модель на систему управления универсальной рыборазделочной машиной (патент РФ на полезную модель № 60312) создает предпосылки для разработки конструкции и программного обеспечения системы управления технологическим оборудованием, способствующей повышению качества процесса разделывания и филетирования рыбы, а также сокращению сырьевых затрат на единицу продукции. Предложенная конструкция мехатронного устройства для обезглавливания рыбы (патент РФ на изобретение № 2320177), включающего подсистему технического зрения, позволяет минимизировать затраты сырьевых ресурсов при производстве обезглавленной рыбы в условиях меняющихся параметров тела рыбы. Предложенная конструкция мехатронного устройства для филетирования рыбы (патент РФ на изобретение № 2320178), также включающего подсистему технического зрения, позволяет повысить качество готового филе, создать практическую основу для производства бескостного филе, увеличить экономичность технологического процесса и производительность филетирующего оборудования. На защиту выносятся: - математическая модель процесса резания рыбного сырья дисковыми ножами, адаптированная к расчету на ПЭВМ; - система параметров управления для обеспечения ресурсосберегающего режима работы филетирующего оборудования; - схема технологического устройства для филетирования рыбы на основе средств мехатроники, обеспечивающего стабилизацию качества филе; - структура системы автоматического управления устройством для филетирования с адаптацией режимных параметров к свойствам сырья; - результаты моделирования алгоритма адаптации процесса филетирования к свойствам сырья; - алгоритм управления процессом филетирования, обеспечивающий минимизацию затрат сырьевых ресурсов; - топологическая модель технологического оборудования для решения задачи организационно-технологического управления производством рыбного филе. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на следующих конференциях: - международной научной конференции, посвященной 70-летию основания КГТУ (Калининград, 2000); - международной научной конференции “Инновации в науке и образовании - 2003” (Калининград, 2003); 7 - международной научной конференции “Инновации в науке и образовании - 2004” (Калининград, 2004); - V международной научно-практической конференции “Наука и образование - 2007” (Днепропетровск, 2007); - международной научной конференции “Инновации в науке и образовании - 2007” (Калининград, 2007); - XX международной научной конференции “Математические методы в технике и технологиях ММТТ – 20” (Ярославль, 2007); - международной научной конференции “Образование, наука и инженерная деятельность в социокультурном пространстве эксклавного региона: история, актуальные проблемы, перспективы развития - 2007” (Калининград, 2007); - VI международной научно-практической конференции “Производство рыбной продукции: проблемы, новые технологии, качество” (Калининград, 2007). Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при проведении НИР по теме “Разработка первой очереди системы автоматизированного проектирования рыборазделочного оборудования”, выполненной ОАО НПО “Рыбтехцентр”, что подтверждено соответствующей справкой. Предложенные в диссертационной работе результаты приняты к внедрению в проектно-конструкторский отдел ОАО НПО “Рыбтехцентр” в качестве научного обеспечения при разработке перспективного разделочнофилетировочного оборудования, что подтверждено соответствующим актом. Результаты диссертационной работы использованы при подготовке учебного пособия, предназначенного для учебного процесса вузов по группе специальностей 260600.65 - “Пищевая инженерия”. Пособие внедрено в учебный процесс ФГОУ ВПО “Калининградский государственный технический университет”, что подтверждено соответствующим актом. С использованием результатов диссертационной работы разработан программно-аппаратный комплекс для исследования динамических характеристик цифрового электропривода, моделей и алгоритмов управления рабочими органами разделочно-филетировочного оборудования. Комплекс внедрен в учебный процесс АНО “Институт “Калининградская высшая школа управления”, что подтверждено соответствующим актом. Публикации. По теме диссертации опубликованы 24 печатные работы, в том числе одно учебное пособие, два патента РФ на изобретение, один патент РФ на полезную модель, два положительных решения о выдаче патента РФ на изобретение, одна статья в издании, рекомендованном ВАК. Объем работы. Диссертационная работа изложена на 280 страницах машинописного текста, иллюстрируется 46 рисунками, 14 таблицами и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 210 наименований и приложений на 52 страницах. Основное содержание диссертационной работы без учета иллюстраций, таблиц, библиографических списков и приложений составляет 143 страницы. 8 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении охарактеризовано современное состояние производства рыбного филе, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований. Сформулированы цель и задачи диссертации, кратко изложено ее содержание. В первой главе систематизированы литературные данные о современном филетирующем оборудовании. Проведен обзор известных конструкций филетирующих машин, выпускаемых в России и за рубежом, рассмотрены их эксплуатационные достоинства и недостатки. На основе обзора научно-технической и патентной литературы приведена обобщенная классификация филетирующего оборудования, а также предложена классификация систем управления филетирующими машинами. Показана перспективность применения средств мехатроники для модернизации существующих машин и разработки нового филетирующего оборудования. Сравнительный анализ конструкций машин позволил сделать вывод, что наиболее эффективным подходом для повышения качества рыбного филе является применение микропроцессорных следящих и регулирующих мехатронных систем, включающих программное обеспечение, технические средства сбора данных и быстродействующий шаговый привод. На основании вышеизложенного сформулированы цель и задачи диссертационного исследования. Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с математическим моделированием процесса резания рыбного филе дисковым ножом. Приведен обзор основных исследований по теории резания рыбного сырья. Для исследования процесса резания рыбного филе при проектировании рабочих органов ресурсосберегающего филетирующего оборудования разработана математическая модель, адаптированная к расчету на ПЭВМ. Схема резания однородного пищевого материала дисковым ножом представлена на рис 1. В качестве исходных данных для модели имеются значения следующих величин: плотности разрезаемого материала ; удельной силы резания материала ; диаметра дискового ножа 2r ; толщины ножа 2 ; угла заточки 2 ; толщины разрезаемого материала H ; длины разрезаемого куска 2l ; скорости подачи материала v Ï ; отношения окружной скорости на кромке ножа vÎ к скорости подачи материала v Ï (отклонение скорости ); расстояния h , позволяющего осуществить сквозной рез материала; коэффициента трения материала о нож ; модуля упругости материала E . Целью расчета процесса резания однородного рыбного сырья дисковым ножом является определение возникающего усилия резания и его составляющих, момента на валу дискового ножа, а также мощности, подводимой к ножевому валу и органам подачи материала. 9 Определены кинематические параметры процесса резания рыбного филе. Соотношение между окружной скоростью на кромке ножа vÎ и линейной скоростью подачи материала принимается не менее: (1) vÎ v Ï 5 . Угловая скорость дискового ножа: (2) vÎ r . Число оборотов вала дискового ножа n связано с его угловой скоростью следующим соотношением: (3) n 30 . Из формул (2)-(3): (4) n 30 v Ï r . Определена удельная движущая сила резания элементарного ножа. Для осуществления реза пищевого материала к ножу прилагается движущая сила R , с помощью которой преодолеваются все возникающие силы сопротивления. В работе рассмотрена схема попутного резания однородного пищевого материала дисковым ножом, в которой принято обратное движение – нож, вращаясь с угловой скоростью , двигается поступательно со скоростью v Ï на неподвижный материал (рис. 2). Рисунок 1 - Схема резания однородного пищевого материала дисковым ножом Рисунок 2 - Схема резания рыбного филе элементарным ножом Удельная движущая сила резания однородного материала (рыбного филе) для элементарного ножа: RÓÄj l Í .Ð.Ê . E l sin cos i + 2 hi b Hi 2 tg ctg i E l + + l 3 vi2 tg 2 i , (5) где l Í .Ð.Ê . - длина наклонной режущей кромки, - половина угла заточки двухстороннего дискового ножа, j - угол фактического раздвижения материала в каждой точке, hi - глубина погружения элементарного ножа в разрезаемый материал, v i - величина вектора скорости элементарного ножа, равная vi vÎi2 v 2Ï vÎi v Ï cos i . Суммарные составляющие силы резания однородного материала типа рыбное филе определяются интегралами при условии, что количество 10 элементарных ножей i , а d i 0 . Вертикальная и горизонтальная составляющие сил, приложенных к кромочной части ножа: 2 2 RÂ r RÓÄ sin 1 2 cos d , Ê Í 2 R Ã r RÓÄ sin cos 1 1 2 cos d , (6) Ê (7) Í Момент на валу дискового ножа от сил, приложенных к кромочной части ножа, равен: 2 2 M ÊÐ r RÓÄ sin cos 1 2 cos d . Ê (8) Í Определен момент сил трения разрезаемого рыбного филе о боковые поверхности дискового ножа: r MAX M ÒÐ 2E l r 2 i r i . r MIN (9) Определены формулы для общего суммарного момента сил и мощности, потребляемой при резании рыбного филе. Предложенная математическая модель процесса резания рыбного филе применима и при расчете резания дисковым ножом других однородных пищевых материалов – мясных полуфабрикатов, сыра, овощей и т.д. Для расчета процесса резания поликомпонентных пищевых продуктов в модель вносятся математические зависимости, описывающие формы различных частей материала в разрезаемом сечении. В полярных координатах определяется толщина каждой составляющей поликомпонентного продукта. При известных удельных усилиях резания составных частей рыбы – мяса, хребтовой и реберных костей, кожи и других, которые являются справочными величинами, аналогично рассчитывается общая сила резания поликомпонентного продукта. В третьей главе рассмотрены перспективные пути применения цифровых систем сбора данных в филетирующем оборудовании. Показана целесообразность использования систем технического зрения в филетирующем оборудовании для повышения точности настройки рабочих органов на линии резания за счет распознавания частей тела рыбы. Обосновано применение лазерного триангуляционного сканера для измерения геометрических параметров тела рыбы. Применение лазера с высокой интенсивностью луча позволяет уверенно измерять высоту тушки в условиях водяного тумана и загрязнения рабочей зоны. Наличие пневматического сопла для очистки линзы лазерного сканера обеспечивает надежную работу излучающей и фотоприемной частей сканера и защиту от загрязнения рыбной чешуей, слизью и частицами кожного покрова. 11 Кроме того, лазерный сканер позволяет измерять другой параметр тела рыбы (длину и толщину) в зависимости от ориентации рыбы при изменении технологической схемы движения тушек. На рис. 3 показана схема лазерной локации тушки рыбы и измерения ее высоты серийным сканером РФ620(S)-250. Полученное изображение профиля или контура тушки анализируется графическим процесс-сором 6, который рассчитывает расстояние до рыбы (координата Z) для каждой из точек вдоль лазерной линии на тушке (координата Х). Разработана схема мехатронРисунок 3 - Схема лазерной локации тушки рыбы и измерения ее высоты ного устройства для резки рыбного промышленным сканером филе на основе технического зрения, защищенная положительным решением о выдаче патента РФ на изобретение. Предлагаемый подход к построению машины для резки рыбного филе решает задачу экономии мяса филе и улучшения качества филе за счет определения оптимальной траектории движения режущих инструментов с учетом формы, размеров и веса кусочков, а также выявления и вырезания дефектных участков. В устройстве предусмотрено сканирование филейчика, что позволяет получить его изображение в цифровом виде для последующей обработки. Распознавание контуров филейчика по его изображению позволяет выявить форму и размеры каждого экземпляра. Кровяные пятна и жировые включения обладают повышенной контрастностью по отношению к окружающему их мясу филе и замкнутостью собственного контура. Эти признаки позволяют выявить наличие таких дефектов при помощи цифровых алгоритмов обработки. Информация о форме и размерах филе позволяет рассчитать оптимальные координаты линий реза и координаты траектории движения режущего инструмента при условии рационального использования мяса. В четвертой главе рассмотрены теоретические вопросы построения мехатронной системы управления филетирующим оборудованием. Предложена оригинальная схема устройства для филетирования рыбы (патент РФ на изобретение № 2320178), включающего подсистему технического зрения и шаговый электропривод, которое позволяет повысить качество вырабатываемого филе, создать основу для производства бескостного филе, увеличить экономичность технологического процесса и производительность филетирующего оборудования. Рассмотрен подход к построению исполнительной части системы управления устройством для 12 филетирования рыбы на основе шагового позиционера, приводится его математическое описание. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование системы управления автоматической настройкой рабочих органов филетирующего оборудования. Предложен подход к построению системы автоматического управления рабочими органами мехатронного филетирующего оборудования на основе цифрового следящего привода (ЦСП). В работе приводится обобщенная структурная схема системы управления ЦСП на базе электромеханического шагового позиционера с интерполяцией входного воздействия. Предложена приближенная графоаналитическая модель цифрового следящего привода с ПД-регулятором (рис. 4), рассчитаны импульсные переходные характеристики модели с различными коэффициентами настройки ПД-регулятора (рис. 5 и рис. 6). Рисунок 4 - Структурная схема приближенной модели системы управления ЦСП на основе электромеханического шагового позиционера На рис. 4 обозначены: 1 – источник ступенчатого воздействия; 2 – цифровой ПД-регулятор; 3 – экстраполятор нулевого порядка (фиксатор); 4 – шаговый двигатель; 5 – редуктор; 6 – упругая механическая передача; 8, 9 – преобразователь скорости; 10 – измерительная система, – текущее значение угла поворота исполнительного вала. Разработана структура лабораторной установки, предназначенной для исследования динамических характеристик шаговых двигателей. Приведена схема управления шаговым двигателем с использованием программируемого логического контроллера, микроконтроллера и мостового драйвера. Рассмотрен подход к определению параметров шагового привода для системы автоматического управления рабочими органами мехатронного филетирующего оборудования. На ПЭВМ выполнен расчет импульсных переходных характеристик модели системы управления ЦСП на основе электромеханического шагового позиционера, приведены результаты моделирования (рис. 5, 6). 13 Рисунок 5 - Импульсные переходные характеристики модели системы управления ЦСП на основе электромеханического шагового позиционера (вариант 1) Кривой 1 на рис. 5 и рис. 6 соответствует экспериментальная переходная характеристика системы управления ЦСП на основе электромеханического шагового позиционера. Кривой 2 на рис. 5 и рис. 6 соответствует переходная характеристика приближенной модели системы управления ЦСП с параметрами, указанными на рис. 4. Кривой 3 на рис. 5 соответствует переходная характеристика модели следящей системы, включающей ПД-регулятор, со следующими параметрами цифрового регулятора: K Ï 3,88; K Ä 2,52; T ÊÂ 0,001. Кривой 4 на рис. 5 соответствует переходная характеристика модели следящей системы, включающей ПД-регулятор, со следующими параметрами цифрового регулятора: K Ï 5,22; K Ä 2,52; T ÊÂ 0,001. Кривой 5 на рис. 6 соответствует переходная характеристика модели следящей системы, включающей ПД-регулятор, со следующими параметрами цифрового регулятора: K Ï 3,52; K Ä 2,64; T ÊÂ 0,001 . Кривой 6 на рис. 6 соответствует переходная характеристика модели следящей системы, включающей ПД-регулятор, со следующими параметрами цифрового регулятора: K Ï 3,52; K Ä 1,12; T ÊÂ 0,001 . Приведены результаты экспериментальных исследований лабораторного макета рыборазделочной машины и механической части системы автоматической настройки рабочих органов на базе шагового привода. При испытаниях определялась точность осуществляемого системой автоматического управления угла поворота Рисунок 6 - Импульсные переходные характеристики вала шагового двигателя и модели системы управления ЦСП на основе электромеханического шагового позиционера (вариант 2) сдвига лотков конвейера с 14 рыбой в зависимости от толщины рыбы, обмеряемой оптическим датчиком. При определении точности угла поворота шагового двигателя в лотки конвейера укладывались тушки рыбы, а также пластинки – имитаторы рыб. Угол поворота вала отсчитывался по шкале в делениях, соответствующих количеству шагов шагового двигателя (1 шаг = 1,5°). Скорость движения лотков составляла 60 рыб/мин. Измерения проводились при различных значениях двух параметров устройства управления и 0 , определяющих линейную характеристику управления (зависимость угла поворота исполнительного вала от толщины тушки). В блоке управления лабораторного макета величина 0 задавалась за счет ступенчатого изменения с пульта управления величины . Также с пульта выполнялось ступенчатое изменение величины . Для определения экспериментальной кривой по полученным данным, вычислена средняя величина угла поворота . Проведено выравнивание экспериментальной кривой, в связи с чем найдены коэффициенты и 0 в заданных точках B по полученной линейной зависимости. В результате расчетов сделаны следующие выводы: - средняя квадратичная ошибка угла поворота вала шагового двигателя в зависимости от толщины рыбы и ширины пластины-имитатора относительно спрямленной характеристики составляет не более 1,5 шага, что является удовлетворительным с точки зрения точности лабораторного макета для проведений испытаний на рыбе; - диапазон регулирования составляет 2,85, что обеспечивает достаточную универсальность лабораторного макета относительно толщины рыбы; - система автоматического управления совместно с лабораторным макетом механической части машины обеспечила точность настройки рабочего органа ± 1 мм. Предложена структура двухуровневой адаптивной системы управления устройством для филетирования рыбы (рис. 7). Предложено использовать дискретный рекуррентный адаптивный алгоритм управления позиционированием рабочего органа по программе, корректируемой в процессе филетирования по количеству обнаруженных остаточных костей в готовом филе. Алгоритм адаптации в обобщенном виде формально описывается следующей системой соотношений: (t ) k ; t t k , t k 1 ; t k 1 t k ; k 1 k A Qïðîöåññà t k ; k 0,1,2,... (10) где 0 - произвольный начальный параметр управления, соответствующий текущему значению качества процесса филетирования Qïðîöåññà ; t k - первый момент поступления информации от эстиматора о необходимости коррекции 15 при 0 k , t t k ; - время, необходимое для вычисления нового значения параметра управления k 1 в соответствии с (10) по имеющейся к моменту t k информации от эстиматора о качестве филетирования Qïðîöåññà t k ; A - оператор адаптации, реализуемый адаптатором. ПРГ – программатор; Р – регулятор; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; УМ – усилитель мощности; ШД – шаговый двигатель; РО – рабочий орган; ОО – объект обработки; Ф – филе; ЛС – лазерный сканер; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ДП – датчик положения; СТЗ – система технического зрения; ГП – графический процессор; ЭСТ – эстиматор; А – адаптатор; ЭМ – массив эталонных моделей; N – количество костей в филе; L – длина тушки; φ – значение угла поворота шагового двигателя позиционера. Рисунок 7 - Блок-схема адаптивной системы управления устройством для филетирования рыбы Оператор адаптации, получая на входе информацию о среде, объекте, цели и ресурсах системы управления (база данных по обмерным параметрам тела рыбы для различных видов, методов ее обработки, правил и шаблонов, ситуаций филетирования), выдает на выходе корректирующее воздействие, с помощью которого возможно достичь цели и перевести объект в искомое состояние, соответствующее выполнению заданной цели в рамках ресурсов системы управления. В работе показано, что оператор адаптации целесообразно строить с использованием метода управления, основанного на нечеткой логике. Вместе с тем, предложен подход к построению модели алгоритма адаптации процесса филетирования к свойствам сырья, включающей последовательный статистический анализатор (по критерию Вальда) и 16 автомат с линейной тактикой. Алгоритм адаптации при этом формально реализует последовательностную машину. Предложена процедурная последовательность для исследования на ПЭВМ модели алгоритма адаптации процесса филетирования. Разработана программа для моделирования на ПЭВМ алгоритма адаптации методом Монте-Карло, выполнен расчет контрольного примера для 150 статистических испытаний. Модель алгоритма адаптации и ее программная реализация на ПЭВМ создают практическую основу для разработки программного обеспечения системы автоматического управления филетирующим оборудованием. В модели алгоритма адаптации предусмотрено изменение параметров последовательного статистического анализа, параметров и типа автомата, что позволяет провести моделирование с целью оптимизации адаптивного управления процессом филетирования рыбы. Пятая глава посвящена алгоритмизации управления технологическим процессом филетирования рыбы. Приведено описание этапов производства рыбного филе. Предложена система параметров процесса филетирования, включающая перечень рабочих органов, неизмеряемых возмущающих параметров, измеряемых возмущающих параметров, управляющих параметров и параметров качества по этапам технологического процесса. Предложено описывать операционную и управляющую части филетирующего оборудования в виде соответствующих конечных автоматов. Способ управления устройством для филетирования, в состав которого, кроме шаговых исполнительных двигателей, входит еще ряд активных устройств, основан на получении математической модели системы управления как логической сети, являющейся конечным автоматом. Обобщенная структура системы управления филетирующим устройством является сетью конечных автоматов, объединенных общими входами и выходами. Для разработки примера математического описания работы устройства для филетирования в виде графа операций выбрана совокупность компонентов технологического процесса, изменяющих свои детерминированные состояния в результате управляющих воздействий или технологических условий. Приведены параметры состояния объекта обработки и узлов филетирующего устройства. В результате разработаны граф операций, конечный автомат и укрупненный алгоритм управления мехатронным филетирующим устройством. Разработана обобщенная топологическая модель мехатронного оборудования, что создает теоретическую основу для реализации скоординированного режима работы различного филетирующего оборудования в составе рыборазделочного производства. 17 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Проведены на основании системного подхода комплексные теоретические исследования процесса филетирования рыбы и современных тенденций развития филетирующего оборудования, выполнен анализ конструкций филетирующих машин и систем управления процессом филетирования. Установлено, что комплексная автоматизация филетирующего оборудования на основе мехатроники обеспечивает повышение качества продукции, сокращение затрат энергии и ресурсов, а также увеличение надежности и экономичности конструкций. 2. Разработана математическая модель процесса резания рыбного сырья дисковым ножом. Модель учитывает изменение эффективности резания элементарным ножом и другие особенности процесса по сравнению с известными аналитическими решениями. Модель адаптирована для компьютерного проектирования при расчете сил резания однородных пищевых продуктов и может использоваться для расчета сил резания поликомпонентных пищевых продуктов. 3. Проведено комплексное исследование параметров управления по основным этапам производства рыбного филе с целью обеспечения ресурсосберегающего управления технологическим процессом. Установлены и систематизированы возмущающие, управляющие параметры и параметры качества по основным этапам производства рыбного филе. 4. Разработана функциональная схема мехатронного устройства для филетирования рыбы, обеспечивающего повышение качества филе и сокращение отходов за счет автоматической настройки рабочих органов в зависимости от свойств сырья, а также автоматической инспекции готовой продукции на основе мехатроники. Установлено, что наиболее эффективное повышение качества рыбного филе и экономия рыбного сырья достигается при адаптивном управлении процессом филетирования рыбы. 5. Разработана структура мехатронной системы управления с адаптацией режимных параметров филетирования к свойствам сырья на основе рекуррентного алгоритма адаптации с использованием нечеткой логики. Установлено, что наиболее эффективным путем повышения точности и быстродействия при настройке рабочих органов филетирующего оборудования является применение шагового привода с программным управлением. Разработана модель алгоритма адаптации процесса филетирования, включающая последовательный статистический анализатор (по критерию Вальда) и автомат с линейной тактикой, изложены результаты моделирования. 6. На основе экспериментальных данных разработана математическая модель следящей системы для позиционирования рабочих органов филетирующего оборудования на основе мехатроники. Исследованы динамические характеристики модели следящей системы для настройки рабочих органов на базе мехатронных шаговых позиционеров, установлена их адекватность экспериментальным данным. 18 7. Разработан граф операций и конечный автомат режимов работы мехатронного устройства для филетирования, а также алгоритм управления процессом филетирования, обеспечивающий минимизацию затрат сырьевых ресурсов. 8. Разработана модель технологического оборудования для решения задачи организационно-технологического управления рыборазделочным производством, что создает практическую основу для повышения его гибкости и сокращения затрат производственных ресурсов. 9. Разработаны технические решения по управлению универсальным разделочно-филетировочным оборудованием, обеспечивающие сокращение потерь рыбного сырья за счет микропроцессорного управления рабочими органами, защищенные двумя патентами РФ на изобретение, патентом РФ на полезную модель и двумя положительными решениями о выдаче патента РФ на изобретение. 10. Научная и практическая значимость работы подтверждена результатами внедрения на отраслевом предприятии ОАО НПО “Рыбтехцентр” (г. Калининград), а также использованием результатов в учебных процессах вузов. Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях: 1. Фатыхов Ю.А. Ресурсосберегающее мехатронное управление оборудованием для разделывания и филетирования рыбы: учеб. пособие / Ю.А. Фатыхов, О.В. Агеев. – Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО “КГТУ”, 2007. – 158 с. 2. Система управления универсальной рыборазделочной машиной: пат. 60312 РФ, МПК A22 C25/14 / О.В. Агеев, А.В. Шлемин; заявитель и патентообладатель Калининградский гос. техн. ун-т. – № 2006128880; заявл. 08.08.06; опубл. 27.01.07; бюл. № 3. 3. Устройство для обезглавливания рыбы: пат. 2320177 РФ, МПК A22 C25/14 / О.В. Агеев, А.В. Шлемин; заявитель и патентообладатель Калининградский гос. техн. ун-т. – № 2006137525; заявл. 23.10.06; опубл. 27.03.08; бюл. № 9. 4. Устройство для филетирования рыбы: пат. 2320178 РФ, МПК A22 C25/16 / О.В. Агеев, А.В. Шлемин; заявитель и патентообладатель Калининградский гос. техн. ун-т. – № 2006143884; заявл. 11.12.06; опубл. 27.03.08; бюл. № 9. 5. Устройство для снятия шкуры с рыбного филе: полож. решение о выдаче пат. на изобрет. РФ по заявке № 2007107738/13 от 01.03.2007, МПК A22 C25/17 / О.В. Агеев, А.В. Шлемин, Ю.А. Фатыхов; заявитель Калининградский гос. техн. ун-т. 6. Устройство для резки рыбного филе: полож. решение о выдаче пат. на изобрет. РФ по заявке № 2007119058/13 от 22.05.2007, МПК A22 C25/18 / О.В. Агеев, Ю.А. Фатыхов, А.В. Шлемин; заявитель Калининградский гос. техн. ун-т. 19 7. Агеев О.В. Прогнозирование основных технико-экономических параметров рыборазделочного оборудования / О.В. Агеев, А.М. Бондар, В.М. Евтропков // Инновации в науке и образовании 2003: материалы междунар. науч. конф., посвящ. 90-лет рыбохоз. образ-я в России, Калининград, 13-15 окт. 2003 г. / КГТУ. – Калининград, 2003. – С. 157-158. 8. Агеев О.В. Применение системы автоматизированного проектирования при подготовке конструкторских кадров / О.В. Агеев, А.М. Бондар // Человек и Вселенная. – 2003. – № 10 [31]. – С. 6-9. 9. Агеев О.В. Подсистема “Прогноз” системы автоматизированного проектирования рыборазделочного оборудования / О.В. Агеев // Автоматизация и управление в машиностроении [Электронный ресурс]. – М.: МГТУ СТАНКИН, 2004. – № 22. – Режим доступа: http://magazine.stankin.ru/ arch/n_22/index.shtml. 10. Агеев О.В. Разработка сетевой модели вариантов технологического процесса разделывания рыбы для выбора степени автоматизации / О.В. Агеев // Труды Дальневосточного государственного технического университета: сб. науч. тр. / ДВГТУ. –– Владивосток, 2006. – Вып. 142. – С. 218-222. 11. Агеев О.В. Алгоритм управления процессом разделывания рыбы / О.В. Агеев // Человек и Вселенная. – 2006. – № 1 [54]. – С. 8-11. 12. Агеев О.В. Исследование принципов построения системы управления универсальным рыборазделочным оборудованием / О.В. Агеев, А.В. Шлемин // Автоматизация производственных процессов: сб. науч. тр. / КГТУ. – Калининград, 2006. – C. 42-52. 13. Агеев О.В. Принцип построения адаптивной машины для обезглавливания рыбы / О.В. Агеев, А.В. Шлемин // Международная Балтийская ассоциация машиностроителей (BAME): сб. науч. тр. / КГТУ. – Калининград, 2006. – С. 28-34. 14. Агеев О.В. Принципы построения адаптивной системы управления модульной рыборазделочной линией / О.В. Агеев, А.В. Шлемин // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2007. – №25(1). – Шифр Информрегистра: 0420700012\0001. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2007/01/ pdf/13.pdf. 15. Агеев О.В. Построение адаптивной системы управления автоматической модульной рыборазделочной линией / О.В. Агеев, А.В. Шлемин // Математические методы в технике и технологиях. ММТТ – 20: материалы XX междунар. науч. конф. / ЯГТУ. – Ярославль, 2007. – C. 275277. 16. Фатыхов Ю.А. Подход к адаптированному управлению машинами для разделывания и филетирования рыбы / Ю.А. Фатыхов, О.В. Агеев // Рыбная промышленность. – 2007. – № 1. – C. 16-19. 17. Фатыхов Ю.А. Математическая модель процесса резания рыбного филе дисковым ножом / Ю.А. Фатыхов, О.В. Агеев // Известия КГТУ. – 2007. – № 12. – C. 42-51. 20 18. Фатыхов Ю.А. Современный подход к разработке ресурсосберегающего разделочно-филетировочного оборудования / Ю.А. Фатыхов, А.В. Шлемин, О.В. Агеев // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. – 2007. – № 3 (298). – C. 91-94. 19. Фатыхов Ю.А. Применение систем технического зрения для повышения эффективности разделочно-филетировочных линий / Ю.А. Фатыхов, А.В. Шлемин, О.В. Агеев // Инновации в науке и образовании – 2007: материалы V междунар. науч. конф. / КГТУ. – Калининград, 2007. – С. 400-402. 20. Фатыхов Ю.А. Применение интеллектуальной системы поддержки проектирования при подготовке инженеров-конструкторов / Ю.А. Фатыхов, О.В. Агеев // Образование, наука и инженерная деятельность в социокультурном пространстве эксклавного региона: история, актуальные проблемы, перспективы развития – 2007: материалы междунар. науч. конф., Калининград, 23-25 окт. 2007 г. / КГТУ. – Калининград, 2007. – С. 163-165. 21. Агеев О.В. Филетирующая машина с бесконтактным измерительным устройством / О.В. Агеев, А.В. Шлемин // Международная Балтийская ассоциация машиностроителей (BAME): сб. науч. тр. / КГТУ. – Калининград, 2007. – С. 52-55. 22. Фатыхов Ю.А. Модернизация машины для обесшкуривания рыбного филе / Ю.А. Фатыхов, А.В. Шлемин, О.В. Агеев // Международная Балтийская ассоциация машиностроителей (BAME): сб. науч. тр. / КГТУ. – Калининград, 2007. – С. 124-130. 23. Фатыхов Ю.А. Подход к построению системы автоматического управления рабочими органами разделочно-филетировочного оборудования (Часть I. Моделирование цифрового следящего привода) / Ю.А. Фатыхов, О.В. Агеев, А.В. Шлемин, О.П. Пономарев // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2007. – №34(10). – Шифр Информрегистра: 0420700012\0172. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/ 2007/10/pdf/15.pdf. 24. Фатыхов Ю.А. Подход к построению системы автоматического управления рабочими органами разделочно-филетировочного оборудования (Часть II. Реализация прямого цифрового управления шаговым приводом) / Ю.А. Фатыхов, О.В. Агеев, А.В. Шлемин, О.П. Пономарев // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2007. – №34(10). – Шифр Информрегистра: 0420700012\0171. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2007/10/pdf/16.pdf.