Техническая реализация автоматизированной системы управления смесеприготовительными процессами в вейвлет-среде

Д.Б. Федосенков,

к..т.н. СГК, г. Москва,

А.А. Симикова,

асп.,

И.В. Судаков,

асп.,

Б.А. Федосенков,

проф., д.т.н. rafwavelet@ngs.ru,

КемТИПП, г. Кемерово

Рассмотрена техническая реализация автоматизированной системы управления смесеприготовительными процессами, функционирующей на базе вейвлет-преобразований. Отличительная особенность системы заключается в использовании вейвлет-управления, когда исходной информацией для функционирования САР текущих режимов работы фрагментов смесеприготовительного агрегата является отображение текущих 1D-сигналов материалопотоков их время-частотными распределениями. Автоматизированная система управления функционирует на базе аппарата вейвлет-преобразований, что позволяет наглядно осуществлять процесс управления синхронно с процессом мониторирования технологических параметров в 2D/3D-формате.

В представленной системе используются так называемые распределения класса Коэна (здесь - карты Вигнера). - для индикации с их помощью сигналов текущих материалопотоков. Эта особенность делает систему управления эффективной, а с точки зрения пользователя - более информативной и семантически ясной.

Engineering realization of a computer-aided control system jointly working with a mixture-producing aggregate, is considered. Its performing is based on the so-called wavelet transforms. The peculiarity of the system is in using wavelet control, when an initial information concerning the automatic control system (ACS) is formed on the basis of TFD's (time-frequency distributions) substituting 1D-signals of material flows. Wavelet transforms used in ACS, enable to evidently realize control processes and the processes of monitoring technological parameters in 2D/3D-format and in a synchronous rate.

The system worked out uses the so-called Cohen's class distributions (here, Wigner maps) to indicate with their help current materials flows signals, and this feature makes the control system effective and from the point of operator's view - transparent and more informative in its semantic essence.

Векторная автоматизированная система управления смесеприготовительными процессами в вейвлет-среде состоит из N скалярных цифровых автономных контуров управления дозаторами в составе блока дозирующих устройств и контура управления смесительным устройством средствами воздействия на канал внутренней рециркуляции (рис. 1).

Блоки 1,2,3,4 формируют собственно объект управления – смесеприготовительный агрегат (СМПА). Здесь в составе блока исходных ингредиентов (БИИ) N рецептурных емкостей РЕ, содержащих исходные ингредиенты. Блок мультидозирования (БМД) содержит дозирующие устройства непрерывного и дискретного действия. Технологические потоки переносятся от БМД через передаточно-формирующий узел (ПФУ) к смесительному устройству (СМУ). Автономный аналого-цифровой скалярный контур управления дозаторами включает блоки 5-14. В блоке 5 производится текущая регистрация сигналов материальных потоков с помощью первичных преобразователей (тензометрических и пьезоэлектрических датчиков). В состав цифрового вейвлет-сегмента скалярного контура входят блоки 7-12. Блок 6 описывает преобразование и фиксацию решетчатых сигналов материалопотоков в цифровой среде с помощью автономного АЦП. Адаптивная аппроксимация (блок 7) выполняется процессором компьютера регистрации и обработки данных в 1D-формате с использованием время-частотного вейвлет-словаря Габора. Далее (в блоке 8) производится преобразование одномерных сигналов в 2D/3D-отображения (время-частотные карты, или карты модифицированных сигналов материалопотоков – МСМ-карты, карты Вигнера). На следующем этапе (блок 9) процессором выполняется анализ МСМ-карт на предмет выявления и идентификации элементов (время-частотных атомов) карт Вигнера. В результате анализа определяется в соответствующем скалярном контуре базовый параметр управления: период дозирования T_j – для дозатора дискретного типа, частота f_j сигнала разгрузки дозатора непрерывного типа.

Затем, в блоке 10, определяется цифровое значение текущего напряжения электропривода дозатора ДУ_j – при обращении к базе данных тарировочных характеристик двигателей постоянного тока дозирующих устройств, сформированной в компьютере управления агрегатом. В блоках 11, 12 осуществляется определение корректирующих воздействий на исполнительные механизмы дозаторов по тарировочной базе T_j(f_j)=F(u_j) и подача откорректированных напряжений в цифровом виде на ЦАП, создающих номинальные «фреймированные» МСМ-карты (режимы). В блоке 13 производится комплекс операций по преобразованию цифрового сигнала (кода) потока на выходе модуля «LPT-порт компьютера управления/ ЦАП» в аналоговое напряжение (управляющее воздействие) на зажимах ДПТ дозатора. Аналоговое управляющее воздействие формируется в тиристорном управляемом выпрямителе (ТУВ) с использованием принципа широтно-импульсной модуляции. Управление смесительным устройством (ЦСНД) осуществляется реализацией процедур в блоках 15-18. На входе СМУ производится мониторирование степени флуктуаций материалопотока путем анализа коэффициента пульсаций на выходе ведется непрерывный контроль сглаживающей способности смесителя. Для заданных уровней сглаживания и существующем значении коэффициента локального рецикла формируется такое управляющее воздействие на клапан отражающего элемента СМУ, которому соответствует меньшее значение, создающее такую же величину сглаживающей способности смесителя. Последний режим ведет к увеличению интенсивности выходного потока, что, в свою очередь, снижает время приготовления смеси и повышает производительность смесительного устройства при прежних параметрах режима смесеприготовления, характеризующих качество смеси.

Рис. 1. Блок-схема векторной системы управления смесеприготовительным агрегатом в вейвлет-среде

На рис. 2 в обобщенной форме представлены фрагменты цифрового модуля обратной связи в схеме управления блоком дозаторов – БДУ (рис. 2а) и локальной векторной САР его режимами работы (рис. 2б).

Рис. 2. Векторное представление каналов управления БДУ: а) отображение блоков 7-12 рис. 1;
б) векторная САР текущим режимом БДУ с квадратичной ОС

Рис. 3. Осциллограмма и время-частотная карта сигнала блока дозаторов с наложенными атомными фреймами

На рис. 3 в качестве примера представлен результирующий сигнал материалопотока, его время- частотная карта и зоны атомных фреймов допустимых перемещений время-частотных атомов, при выходе за которые требуется стабилизация работы дозирующих устройств: порционного (рабочая частота - 0,205 Гц) и спирального (рабочая частота 6,89 Гц).

При нарушении оптимальных режимов работы, когда дрейф время-частотных атомов превышает установленные технологическим регламентом границы допуска, мониторинговый комплекс оптимизирует работу СМПА посредством подачи управляющих воздействий на соответствующие исполнительные механизмы.

Заметим, что на рис. 1 на выходе блока 12 формируется номинальное напряжение U_н(t), которое преобразуется в код и выводится через ЦАП, подключенный к порту LPT, и далее через ТУВ - на двигатель дозатора.

Приводимая ниже таблица 1 демонстрирует шаблон соответствия значений байта LPT-порта и напряжений на соответствующих двигателях БМД.

Таблица 1

Соответствие значений байта LPT-порта и напряжения электропривода (шаблон)

В таблице 2 в качестве примера приведено соответствие значений входа/выхода ЦАП для канала САР порционного дозирующего устройства; дозируемый материал - крупа пшенная.

Снижение скважности λ с ростом напряжения, приводящего к уменьшению периода дозирования, объясняется повышением инерционности сброса материала через выходные отверстия, то есть, фактически, увеличением длительности формирования дозы. Отметим, что несимметричность возникновения сигналов во времени объясняется асимметрией формирования двух последовательных доз вследствие реально существующей настройки механической части дозатора. При этом номинальные процессы дозирования могут существовать как при симметричном, так и асимметричном режимах.

Количество вейвлет-функций, отбираемых из время-частотного словаря, обуславливается минимальным числом полных порций дозируемого материала на заданном временном интервале регистрации сигнальных осциллограмм. Увеличение количеств вейвлетов при реализации процедуры адаптивной аппроксимации приводит, с одной стороны, к повышению ее точности, с другой – к увеличению времени обработки сигналов в 1D-формате. Последнее обстоятельство отрицательно влияет на динамику систем автоматического регулирования, повышая их инерционность, что в итоге способствует снижению, а в определенных режимах - потере устойчивости управления. На практике, при управлении агрегатом используется соотношение: , где N_вa- количество вейвлетов аппроксимации; N_nn - число полных порций на интервале регистрации.

Таблица 2

Соответствие «Код-напряжение» для канала управления дискретным дозатором

Байт	Структура байта	Напряжение, Uxx,, В	Напряжение, Uтр, В	Напряжение, UL, В	Среднее значение скважности ПДУ на большом/малом периоде (λdl/ λds), о.е.
1	2	3	4	5	6
130	10000010	60	40	-	-
132	10000100	70	45	-	-
134	10000110	75	55	40*	5.55/4.2
136	10001000	80	60	50*	4.91/3.23
138	10001110	85	70	60	4.5/3.15
142	10010001	95	80	65	4.25/3.1
145	10010100	100	85	70*	4.1/3.05
148	10010100	105	90	80	3.8/2.8
152	10011000	110	95	90	3.38/2.54
155	10011011	120	100	100*	3.05/2.3

Заметим, что при N_вa>2N_nn из словаря вместо функций Гаусса и Дирака начинают извлекаться функции Габора, что ведет к увеличению времени формирования управляющих воздействий.

На рис. 4 и 5 приведены примеры снятых в режиме «online» осциллограмм сигналов материалопотока на выходе порционного дозатора на интервале 17.7с, и соответствующих им двумерных время-частотных МСМ-карт (карт Вигнера).

На рисунках 4а) и 5а) даны осциллограммы материалопотока при напряжении U на двигателе электропривода дозатора порционного типа, равном 40 В и 100 В соответственно. Здесь приведены реальные сигналы дозирования, снятые с пьезоэлектрического преобразователя, ниже - рис. 4б) и 5б) - реконструированные (восстановленные) 1D-сигналы материальных потоков дозирования, полученные в результате адаптивной аппроксимации средствами алгоритма вейвлет-поиска соответствия. Карты модифицированных сигналов материалопотоков показаны на рис. 4в) и 5в). Преобразование 1D-осциллограмм в 2D-модифицированные сигналы произведено с использованием 4 вейвлетов из алгоритма избыточного словаря Габора - при U=40 В, а при U=100 В - с использованием 7 вейвлет-функций.

Рис. 4. Преобразование одномерного первичного материалопотокового сигнала в 2D-отображение:

а) реальный сигнал, б) реконструированный по 4 вейвлетам сигнал; в) карта Вигнера. Напряжение U=40в

Анализ осциллограмм первичного сигнала материалопотока показал, что на средний интервал дозы Dt =1.1 с приходится 70-80 периодов (см, например, рис 4.3.15), что соответствует мгновенной частоте в диапазоне 58.5-66.6 Гц. При количестве отсчетов в АЦП, равном 2¹²=4096 на интервале D t=17.7 с, частота дискретизации составляет 232.6 Гц. В соответствии с теоремой отсчетов Уиттеккера - Котельникова - Шеннона, первичный недискретизированный сигнал может быть восстановлен из дискретной (решетчатой) функции при выполнении условия:, где f_xmax – мгновенная максимальная частота в спектре сигнала материалопотока; f_xd - частота временной дискретизации аналогового сигнала в АЦП.

В нашем случае частота Найквиста, равная 116,3 Гц, превышает максимальную частоту (58.5-66,6) Гц в спектре сигнала, что соответствует допустимости дискретизации с частотой 232,6 Гц. При этом количество отсчетов на длительности дозы в 1.1 сек. составляет 256 значений.

Рис. 5. Преобразование одномерного первичного материалопотокового сигнала в 2D-отображение:

а) реальный сигнал, б) реконструированный по 7 вейвлетам сигнал; в) карта Вигнера при напряжении U=100в

Обработка карт Вигнера (на примере рис. 4 и 5) по разработанному способу формирования управляющих воздействий является основой для функционирования контура системы автоматического регулирования режимов работы соответствующего дозирующего устройства. Поддержание режимов работы всех дозаторов в составе дозаторного блока на номинальном уровне позволяет гармонизировать предсмесительные потоки, что в итоге способствует получению смесей заданного качества.

Выводы

1. Сформированная структурная схема СМПА и её анализ позволяют моделировать внутриагрегатные процессы для установления совокупности параметров, соответствующих рациональным режимам работы агрегата.

2. Созданы процедуры обработки, идентификации и управления динамикой процессов СМПА. Это позволяет эффективно управлять электроприводами дозаторов, что создаёт предпосылки для интенсификации процесса смесеприготовления.

3. Предложены вейвлет-модели отображений текущих режимов дозирования, позволяющие эффективно управлять структурой потока на предсмесительной стадии, интенсифицируя процесс смесеприготовления.

4. Спроектирована, разработана и проверена на полупромышленном оборудовании многоконтурная (векторная) система автоматизированного управления агрегатом, функционирующая на базе цифровых методов вейвлет-преобразований, и позволяющая интенсифицировать процессы получения смесей заданного качества.