Математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизации процесса формования кондитерских масс с использованием цифровой видеосъемки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Иванов, Яков Викторович

• Иванов, Яков Викторович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванов, Яков Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Автоматизация процесса формования лсгутов из вязко-пластичных масс

1.2 Основы цифровой видеосъемки.

1.3 Использование цифровых видеокамер в системах управления.

1.3.1 Использование цифровой видеокамеры в качестве интеллектуального датчика.

1.3.2 Использование цифровой видеокамеры в пищевой промышленности

1.4 Математические основы обработки видеокадров.

1.5 Краткие выводы

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ,

ПОСТУПАЮЩЕЙ ОТ ВИДЕОКАМЕРЫ В САР.

2.1 Определение последовательности векторных функционалов.

2.2 Краткие выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

3.1 Методика проведения эксперимента.

3.1.1 Методика проведения цифровой видеосъёмки.

3.2 Оценка стабильности скорости записи цифровой видеокамеры

3.3 Методика обработки экспериментальных данных.

3.3.1 Построение алгоритмов обработки видеокадра.

3.4 Краткие выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМОВАНИЯ КОНФЕТНОГО ЖГУТА КАК ОБЪЕКТА РЕГУЛИРОВАНИЯ.

4.1 Параметрическая модель процесса формования конфетных жгутов

4.2 Оценка влияния скорости транспортерной ленты.

4.3 Рабочий режим формования конфетных жгутов.

4.4 Переход к ускоренному нагнетанию конфетной массы

4.5 Переход к замедленному нагнетанию конфетной массы.

4.6 Сравнение разных выходных параметров процесса формования конфетных жгутов.

4.7 Динамические характеристики процесса формования конфетных жгутов как объекта управления.

4.8 Краткие выводы

ГЛАВА 5. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМОВАНИЯ КОНФЕТНЫХ ЖГУТОВ.\

5.1 Структурная схема системы регулирования процесса формования конфетных жгутов с использованием цифровой видеокамеры.

5.2 Обобщенная функциональная схема АСР с использованием цифровой видеокамеры.

5.3 Анализ динамических свойств САР с использованием видеокамеры

5.3.1 Анализ динамических свойств объекта регулирования.

5.3.2 Анализ устойчивости САР с использованием видеокамеры.

5.4 Блок-схема алгоритма принятия решения интеллектуальной системой об изменении регулирующих воздействий.

5.5 Краткие выводы.

ГЛАВА 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМОВАНИЯ КОНФЕТНЫХ ЖГУТОВ.

6.1 Математическая модель движения конфетного жгута после выхода из матричного отверстия.

6.2 Модель системы автоматического регулирования процесса формования конфетного жгута в программной среде MATLAB.

6.3 Краткие выводы.

ГЛАВА 7. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ШИРОКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИФРОВОЙ ВИДЕОКАМЕРЫ В КАЧЕСТВЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ДАТЧИКА ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ.

7.1 Краткие выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизации процесса формования кондитерских масс с использованием цифровой видеосъемки»

Актуальность темы. Обеспечение населения Российской Федерации качественными, разнообразными отечественными продуктами питания является первоочередной социально-экономической проблемой. Развитие отраслей агропромышленного комплекса требует широкого внедрения высокоэффективных поточно-механизированных линий, оборудованных средствами автоматического контроля и регулирования для обеспечения стабильности производственных процессов, соблюдения установленных технологических режимов.

Кондитерская отрасль является одной из ведущих в пищевой промышленности, ее продукция традиционно пользуется неизменным спросом. Большинство кондитерских изделий получают из полуфабрикатов и пищевых масс, имеющих вязкую или пластичную консистенцию. В общем комплексе производственных процессов кондитерской промышленности процессы формования таких пищевых масс занимают ведущее место. Из-за сложности и неоднородности кондитерских масс происходят частые колебания процесса формования, особенно при формовании конфетных жгутов. Стабилизация процессов формования с целью повышения их эффективности — одна из основных проблем кондитерской промышленности. Ее решение предусматривает создание устройств для непрерывного автоматического слежения за ходом процесса и введения соответствующих поправок. Однако, при решении задач автоматизации возникают значительные трудности из-за отсутствия измерительных преобразователей контроля, работающих в потоке во время формования.

В настоящее время все большей популярностью для бесконтактного контроля за состоянием различных процессов пользуются интеллектуальные измерительные преобразователи на основе цифровых видеокамер (ЦВК).

Эффективное использование цифровой видеотехники в системах автоматизации производства прежде всего наблюдается на наиболее развитых производствах с общей высокой культурой и технологией. На менее низком уровне на цифровые видеосистемы возлагается роль дополнения, расширяющего возможности и повышающего эффективность человеческого зрения, при ведущей роли человека-оператора технологического оборудования.

Более широкое использование цифровой видеосъемки в САР ТП пищевых производств сдерживается по нескольким причинам:

- отсутствие теоретических основ использования цифровой видеосъемки в САР ТП;

- отсутствие алгоритмов обработки цифровых видеокадров с целью выделения информации, на основании которой можно принять решение о необходимости корректировки режима технологического процесса;

- отсутствие прикладных НИР по определению связи визуальных характеристик (форма, размеры, цвет, текстура) пищевого материала, проходящего стадию технологического процесса, с его физико-химическими и технологическими свойствами.

Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является разработка научных основ автоматизации процесса формования кондитерских масс на базе использования в качестве интеллектуального датчика цифровой видеокамеры (на примере САР процесса формования конфетных жгутов).

Объектом исследования в данной работе являются контроль и регулирование процесса формования кондитерских масс с использованием в качестве средства получения информации интеллектуального датчика контроля (цифровой видеокамеры) (на примере процесса формования конфетных жгутов).

Предметом исследования является метод получения и обработки первичной информации о процессе формования кондитерских масс и разработка математического и алгоритмического обеспечения для автоматизации этого процесса.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследований:

- разработать теоретические основы обработки информации, поступающей от видеокамеры в систему автоматического регулирования (САР) и алгоритм получения первичной информации из исходного цветного изображения видеокадра;

- разработать параметрическое описание процесса формования конфетных жгутов с учетом визуальных параметров;

- определить динамические характеристики процесса формования по экспериментальным результатам видеосъемки;

- разработать математическую модель траектории движения конфетного жгута после выхода из матричного отверстия для определения его визуальных параметров;

- разработать математическую модель САР с использованием эталонного видеокадра в качестве задатчика и алгоритм принятия решений для формирования регулирующего воздействия на основе анализа видеоизображения;

- разработать схему контроля и регулирования процесса формования конфетных жгутов с использованием ЦБК в качестве интеллектуального датчика.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: цифровая видеозапись процесса формования конфетных жгутов в производственных условиях при различных режимах нагнетания конфетной массы; методы компьютерного зрения; математическая обработка в среде MATLAB цифровых видеофильмов, полученных в ходе эксперимента; математическое моделирование в Maple траектории конфетного жгута; математическое моделирование САР формования жгута из конфетной массы с использованием SIMULINK MATLAB; методы теории автоматического управления и математического моделирования; методы системного анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

-впервые определена последовательность функционалов для преобразования трёхмерной матрицы цветного изображения процесса формования жгута в численное значение визуального параметра;

- выполнено параметрическое описание процесса формования конфетных жгутов с учетом визуальных параметров;

- впервые введено понятие удельной площади в качестве визуального параметра процесса формования жгутов из пищевых масс;

-получена математическая модель траектории движения конфетного жгута после выхода из матричного отверстия для определения его визуальных параметров;

-разработана в Simulink в программной среде MATLAB схема САР процесса формования конфетного жгута, позволяющая исследовать переходные процессы, происходящие в системе регулирования, использующей цифровую видеокамеру в качестве интеллектуального датчика.

Практическую ценность работы определяют следующие полученные результаты:

1. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение для решения задач автоматизации процессов формования кондитерских масс.

2. Даны рекомендации по созданию программно-аппаратного комплекса системы контроля и регулирования процессом формования кондитерских масс с использованием ЦВК в качестве интеллектуального датчика. Данная разработка позволит контролировать состояние процесса формования кондитерских масс.

3. Сформулированы предложения по обеспечению широкого использования ЦВК в качестве интеллектуального датчика.

4. Результаты анализа процесса формования с точки зрения определения параметров, характеризующих качество формования и доступных для регистрации с помощью компьютерных видеотехнологий, и результаты исследования операций формования изделий конфетного производства в различных режимах с одновременным созданием базы видеоданных были переданы ОАО "Кондитерский концерн Бабаевский", что подтверждается соответствующим актом сдачи-приемки научно-технической продукции.

5. Полученные в рамках настоящего исследования научные и практические результаты внедрены в учебном процессе МГУПБ на кафедре "Автоматизация биотехнических систем" для студентов направлений "Автоматика и управление" и "Управление и информатика в технических системах", а также специальности "Автоматизация технологических процессов и производств". Имеется соответствующий акт внедрения.

6. По итогам работы поданы три заявки на изобретения: "Способ бесконтактного измерения геометрических параметров жгутов", "Способ контроля процесса формования жгутов из вязко-пластичных масс", "Способ автоматического регулирования процесса формования жгутов из вязко-пластичных масс".

Результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, были использованы при проведении научных исследований по заданию Федерального агентства по образованию Министерства образования и науки Российской Федерации.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается экспериментальными исследованиями процесса формования конфетных жгутов, проведенными в производственных условиях ОАО "Кондитерский концерн Бабаевский", а также обеспечивается совпадением расчетных данных и результатов эксперимента.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на:

- IV международной конференции-выставке "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации", Москва, МГУПП, 2006;

- V юбилейной школе-конференции с международным участием "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации", Москва, МГУПП, 2007;

- X Международной научно-практической конференции "Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве", Углич, ГНУ ВИМ Россельхозакадемии, 2008;

- Седьмой международной научной конференции "Живые системы и биологическая безопасность населения", Москва, МГУПБ, 2008;

- IX Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям, Кемерово, Институт вычислительных технологий СО РАН, 2008.

На различных этапах выполнения результаты исследований докладывались и обсуждались также на заседаниях кафедры "Автоматика и электротехника" МГУПП и кафедры "Автоматизация биотехнических систем" МГУПБ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ. Из них 2 статьи в журналах, входящих в список ВАК, и 3 доклада в сборниках докладов международных или всероссийских конференций. Поданы три заявки на изобретения.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Иванов, Яков Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации доказана возможность использования цифровой видеосъемки для автоматического регулирования технологических процессов пищевых производств на примере САР процесса формования конфетных жгутов. Использование цифровых видеокамер (ЦВК) в пищевом производстве позволит не только наблюдать, но и автоматизировать технологические процессы, в которых происходят визуальные изменения перерабатываемого полуфабриката. При этом ЦВК превращаются в интеллектуальные датчики, не контактирующие с пищевым полуфабрикатом и работающие в любых, в том числе и в герметичных условиях, что улучшает санитарные условия переработки пищевого сырья. Использование ЦВК в производственном процессе и внутри технологического оборудования позволит повысить надёжность и продлить срок эксплуатации технологического оборудования, а также снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт при одновременном увеличении качества выполняемых диагностических операций. В результате проведённых исследований получены следующие результаты.

1. Выполнен анализ возможности использования цифровой видеокамеры (ЦВК) в качестве интеллектуального датчика для систем контроля, регулирования и управления процессом формования пищевых жгутов на примере формования жгутов из конфетной массы.

2. Разработаны математические модели: 1) траектории движения конфетного жгута после выхода из матричного отверстия; 2) САР с использованием эталонного видеокадра в качестве задатчика в программной среде MATLAB. Разработана параметрическую модель процесса формования конфетных жгутов с учетом визуальных параметров.

3. Разработаны алгоритмы: 1) получения первичной информации из исходного цветного изображения видеокадра; 2) принятия решений для формирования регулирующего воздействия на основе анализа видеоизображения.

4. Разработана схема контроля и регулирования процесса формования конфетных жгутов с использованием ЦВК в качестве интеллектуального датчика.

5. Впервые предложены: 1) последовательность преобразования трёхмерной матрицы цветного изображения процесса формования жгута в численное значение визуального параметра этого процесса; 2) понятие удельной площади в качестве визуального параметра процесса формования жгутов из пищевых масс; 3) способ автоматического регулирования процесса формования конфетных масс с использованием ЦВК в качестве интеллектуального датчика.

6. С помощью цифровой видеосъемки исследованы переходные процессы при формовании конфетных жгутов и получены передаточные функции для визуальных параметров формования.

7. Полученные решения позволяют разрабатывать комплексы систем контроля и регулирования процессов формования жгутов из пищевых масс. Результаты анализа процесса формования конфетных жгутов переданы по акту ОАО "Кондитерский концерн Бабаевский". Научные и практические результаты настоящего исследования используются в учебном процессе МГУПБ на кафедре "Автоматизация биотехнических систем".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванов, Яков Викторович, 2008 год

1. Шапиро Л., Стокман Дж. Компьютерное зрение. -М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. 752 с.

2. Форсайт Д.А., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход. М.: Издательский дом "Вильяме", 2004. - 928 с.

3. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2005. - 1072 с.4 http://www.piline.hu5 http://www.syntegroup.ru/362/363/411/

4. Черкасов С. Установщик компонентов PLM 2000: качество и функциональность. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - № 6, 2006. - с. 92-93.7 http://www.taris.ru/pages/product/product 018.htm.8 http://www.divisy.ru/Areas-Of-Application/Video-Surveillance/

5. М.В. Ляховец, С.П. Огнев, М.В. Шипунов, Е.А. Глазунов Опыт внедрения системы теленаблюдения для контроля технологического цикла обогащения угля http://conference.kemsu.ru/conf/ink2007/index.htm7sec id=77110 http ://www.tahion.spb.ru/article 15 .shtml

6. Методы компьютерной обработки изображений / Под ред. В.А. Сой-фера. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 784 с.

7. Яне Б. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2007.584 с.27 http://www.maik.rssi.ru/cgi-perl/journal.pl71ang=rus&name=patrec

8. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. М.: "Техносфера", 2006. - 616 с.

9. Дьяконов В.П. Mathematica 4.1/4.2/5.0 в математических и научно-технических расчетах. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 696 с.

10. Бойер П., Фостер Дж. Использование Adobe Photoshop 7. Специальное издание. М.: Издательский дом "Вильяме", 2004. - 1056 с.

11. Бей И. Взаимодействие разноязыковых программ. Руководство программиста. — М.: Издательский дом "Вильяме", 2005. 880 с.

12. Наджафи М. М. Проекционный метод решения некоторых задач обработки и анализа изображений: Дис. канд. физ.-мат. наук : 05.13.18/ М., 2004

13. Гнеушев А. Н. Математическое моделирование выделения признаков видеоизображения в реальном масштабе времени: Дис. . канд. физ.-мат. наук: 05.13.18/Прософт.-М., 2006

14. Адилов Р. М. Исследование и разработка методов анализа многоградационных растровых изображений в системах технического зрения: Дис. канд. техн. наук : 05.13.17/ Пенза, 2005

15. Кулясов С. М. Математические методы преобразования изображений с целью выравнивания освещенности и контрастирования слаборазличимых объектов: Дис. канд. физ.-мат. наук: 05.13.17/ М., 2003

16. Мелихов М. В. Разработка и исследование алгоритмического аппарата обработки видеоинформации, распознавания объектов и сцен в предопределенной ситуации: Дис. канд. техн. наук: 05.13.01/М., 2005

17. Яковенко М. К. Разработка алгоритма распознавания сложных объектов на основе текстурной информации: Дис. канд. техн. наук: 05.13.01 / СПб., 2003

18. Яковлев А. В. Методы, модели и алгоритмы формирования и анализа изображений в системе контроля качества материалов и продукции машиностроительного предприятия: Дис. канд. техн. наук: 05.13.01 / Прософт. -М., 2003

19. Синенков Д. В. Методы и средства формообразования объектов изображения: Дис. канд. техн. наук: 05.13.17 / Н.Новгород, 2003

20. Панищев В. С. Методы, высокопроизводительные алгоритмы и устройства обработки изображений с использованием нейроподобных структур: Дис. канд. техн. наук: 05.13.05 / Курск, 2005

21. Даваев Е.В. Интеллектуальная система видеонаблюдения Видео1С>7. "Грани безопасности". -№ 6 (42), 2006. - с. 76-80.

22. Методы классической и современной теории автоматического управления. Т. 1: Математические модели, динамические характеристики и анализ систем автоматического управления. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 656 с.

23. Misimi Е., Mathiassen J.R., Erikson U. Computer Vision-Based Sorting of Atlantic Salmon (Salmo salar) Fillets According to Their Color Level. Journal of food science — Vol. 72, Nr. 1, 2007. - pp. 30-35.