МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ
ТАВРІЙСЬКА ДЕРЖАВНА АГРОТЕХНІЧНА АКАДЕМІЯ
Коваленко Олександр Іванович
УДК 631.362 – 523
ОБГРУНТУВАННЯ МЕТОДУ ТА ПРИСТРОЮ КЕРУВАННЯ
ЕЛЕКТРООБЛАДНАННЯМ ПОТОКОВОЇ
НАСІННЄОЧИСНОЇ ЛІНІЇ
05.09.16 – Електротехнології та електрообладнання
в агропромисловому комплексі
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Мелітополь – 2003
дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Таврійській державній агротехнічній академії, Міністерства
аграрної політики України.
Науковий | кандидат технічних наук, доцент
керівник : | Мунтян Володимир Олексійович, Таврійська державна
агротехнічна академія, декан факультету Енергетика сільсько-
господарського виробництва.
Офіційні | доктор технічних наук, професор
опоненти : | Черенков Олександр Данилович, Харківський державний
технічний університет сільського господарства, професор
кафедри Загальна електротехніка;
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
Герасимчук Юрій Васильович, Національний науковий центр
Інститут механізації та електрифікації сільського господарства
Української аграрної академії наук, завідуючий відділом
електрифікації сільського господарства.
Провідна | Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України,
установа : | м. Київ.
Захист відбудеться "16 " січня 2004 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 18.819.01 при Таврійській державній агротехнічній академії за адресою: 72312, Україна, Запорізька обл., м. Мелітополь, пр. Б. Хмельницького 18 навчальний корпус 1, конференцзал.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Таврійської державної агротехнічної академії за адресою: 72312, Україна, Запорізька обл., м. Мелітополь, пр. Б. Хмельницького 18.
Автореферат розісланий " 05 " грудня 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
К 18.819.01 к.т.н., доцент В.Т. Діордієв
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність. Сьогодні загальновизнано, що серед інших факторів підвищення продуктивності рослин особливе значення має якість посівного насіння. Проте в господарствах країни для сівби використовують лише 0,5...60 % насіння першого класу, що негативно впливає на врожайність культур.
Незадовільний стан насіннєвого фонду зумовлений, в першу чергу, незадовільною післязбиральною обробкою зерна. Очевидними причинами цього є недосконалість технологій, порушення технологічної дисципліни, низький рівень, або повна відсутність обладнання для визначення якості сепарації насіння та відсутність пристроїв керування електрообладнанням потокових насіннєочисних ліній за результатами аналізу зразків насіння.
У зв’язку з цим виникає необхідність розробки нових методів та технічних засобів визначення якості сепарації насіння та керування технологічним процесом.
Одним із перспективних шляхів вирішення цієї проблеми є застосування пристроїв технічного зору, в яких використовуються методи розпізнавання образів шляхом порівняння їх з еталоном, звісно при наявності таких еталонів.
Застосування для цих цілей універсальних оптико-електронних комплексів, призначених для дослідження характеристик об'єктів різної фізичної природи – не виправдане, через необхідності їхньої значної доробки і наступної адаптації до об'єкту дослідження, а також через значну вартість обладнання.
Таким чином, дослідження спрямовані на розробку та обґрунтування нових методів і пристроїв керування електрообладнанням потокових насіннєочисних ліній є актуальними. Ці методи та пристрої повинні забезпечувати високу точність аналізу зразка насіння та якнайменші витрати часу на його проведення, а також забезпечувати керування електрообладнанням насіннєочисної лінії за результатами аналізу, що веде до підвищення якості посівного насіння. Ціна таких пристроїв повинна бути виправданою при експлуатації їх на підприємствах по виробництву насіння.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з Науково-технічною програмою №1 Таврійської державної агротехнічної академії на 2001 – 2005 роки “Розробка наукових основ систем технологій і технічних засобів для забезпечення продовольчої безпеки Південного регіону України” (підпрограма 1.12. “Розробка методів ультразвукової технології та електротехнічних систем обробки та технічних засобів контролю якості сільськогосподарської продукції”, номер державної реєстрації 0102V000686; підпрограма 1.14. “Розробка засобів підвищення надійності електропостачання та нових електротехнологій для забезпечення виробничих процесів в АПК”, номер державної реєстрації 0102V000688), теми “Використання оптико-електронних методів для аналізу якості біологічних матеріалів у агропромисловому комплексі”, яка виконувалася у відповідності із протокольною угодою № 291200К між Таврійською державною агротехнічною академією та Харківським державним технічним університетом сільського господарства.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є обґрунтування методу та пристрою керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії, які забезпечують аналіз якості сепарації насіння та керування процесом розділення його на фракції, шляхом реєстрації результатів взаємодії електромагнітного випромінювання із зразком насіння, порівняння його геометричного образу з еталоном та вибору оптимальних параметрів керування насіннєочисною машиною на основі результатів аналізу.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:
1. Обґрунтувати інформативні параметри якості сепарації насіння та метод керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії за результатами аналізу зразка (проби) насіння.
2. Запропонувати методику побудови математичних моделей, що описують зовнішню форму насіння. Одержати математичні моделі (еталони) насіння основних типів сільськогосподарських культур.
3. Запропонувати модель зразка (проби) насіння з урахуванням особливостей технічних засобів для визначення якості сепарації насіння. Сформулювати основні вимоги до пристрою керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії.
4. Дослідити питання алгоритмізації процесу сприйняття зображення зразка насіння, перетворення аналогової інформації у цифрову модель та порівняння одержаних зображень з еталонами.
5. Вибрати та обґрунтувати параметри керування насіннєочисними машинами для досягнення оптимального режиму роботи насіннєочисної лінії.
6. Запропонувати апаратне, алгоритмічне та програмне забезпечення для керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії. Доповнити електрообладнання технологічної лінії пристроєм керування. Провести його апробацію.
Об'єкт дослідження – процес керування розділенням на фракції насіння за його фізико-механічними характеристиками в потокових насіннєочисних лініях.
Предмет дослідження – фізико-механічні властивості насіння, їх математичні моделі, метод керування електрообладнанням, способи та принципи створення пристрою керування, параметри керування машин потокової насіннєочисної лінії.
Методи дослідження. При побудові математичних моделей насіння використовувалися методи моделювання зовнішньої форми зерен на основі теорії R-функцій В.Л. Рвачева. Визначення фізико-механічних властивостей насіння для використання методу керування електрообладнанням насіннєочисної лінії проводилося за допомогою методів аналізу властивостей біологічних об'єктів без їх руйнування, методів розпізнавання образів та ідентифікації параметрів біологічних об'єктів. Розробка та дослідження пристрою керування виконувалися на основі методів кодування, перетворення і використання візуальної інформації для керування технологічним процесом.
Наукова новизна одержаних результатів.
Вперше на основі математичного апарату теорії R-функцій В.Л. Рвачова запропоновано методику побудови математичних моделей зовнішньої форми насіння сільськогосподарських культур, яка дозволяє описувати форму насіння будь-якої конфігурації та одержувати не лише рівняння межі зернини, але й відповідні нерівності, які однозначно визначають її внутрішні точки.
Побудовано математичні моделі зовнішньої форми: сочевицеподібного, подовженого, гречаного, плоского та близького до еліпсоїду обертання насіння, що дає можливість створити банк еталонів насіння як культурних рослин, так і супутніх бур’янів.
Запропоновано модель зразка (проби) насіння з урахуванням особливостей технічних засобів, для реалізації методу керування електрообладнанням насіннєочисної лінії, що дає можливість перейти від аналізу характеристик окремих насінин до аналізу характеристик зразка насіння, і дозволяє використовувати пристрої технічного зору для аналізу якості сепарації насіння та керування технологічним процесом.
Досліджено питання алгоритмізації процесу сприйняття зразка насіння і перетворення аналогової інформації у цифрову модель. Одержана цифрова модель дає можливість перейти до алгоритмів визначення якості сепарації насіння, шляхом порівняння його з еталоном та керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії за результатами аналізу.
Практичне значення одержаних результатів полягає в обґрунтуванні методу та розробці пристрою керування електрообладнанням насіннєочисної лінії. Впровадження такого пристрою до комплекту електрообладнання технологічної насіннєочисної лінії дозволяє підвищити якість сепарації насіння та знизити витрати електроенергії, так як обробка насіння виконується за один прохід через машину. А це в свою чергу дозволяє підвищити якість посівного насіння, збільшити врожайність культур і знизити собівартість зерна.
Розроблено модуль пристрою керування для сприймання зображення насіння, перетворення аналогової інформації у цифрову модель та передачі її до ПЕОМ.
Обґрунтовано параметри керування насіннєочисними машинами. Наведено алгоритм оптимального керування насіннєочисною машиною.
На основі результатів наукових досліджень та на основі створених математичних моделей насіння розроблене програмне забезпечення пристрою керування.
Виготовлено дослідний зразок пристрою керування електрообладнанням насіннєочисної лінії, який впроваджено і який пройшов виробничі випробування в СФП “Олександрівське” Харківської області та ПП “Аскон” Запорізької області, що підтверджується актами впровадження. Використання пристрою дозволяє підвищити якість сепарації насіння за рахунок періодичної корекції параметрів насіннєочисної машини за результатами аналізу якості насіннєвої суміші на виході із машини.
Новизну розроблених способів аналізу ФМВ насіння та керування електрообладнанням підтверджено патентами України: № 43648, № 43649, № 43650, № 45072.
Особистий внесок здобувача. Нові наукові результати отримані автором особисто. У патентах на винаходи [1 – 4] автором запропоновано: спосіб формування зразка насіння і технічна реалізація способу визначення числа і ваги зерен у зразку; критерій наявності рухливих шкідників у зразку насіння; спосіб багатобічного дослідження зразка насіння декількома телевізійними камерами; спосіб керування процесом сепарації за результатами аналізу якості насіння у фракціях і його технічна реалізація. В роботах [5, 7] автором запропоновані математичні моделі геометричної форми зерен основних типів сільськогосподарських культур і розглянуті особливості комп'ютерного моделювання еталонів зерен; у [6] запропоновано підхід, що дозволяє на основі дослідження характеристик зразка насіння перейти до раціонального керування процесом сепарації; у [8, 10] запропонована математична модель, що дозволяє формалізувати вимоги до геометричних характеристик зразка насіння з урахуванням особливостей комп'ютерного експрес - аналізу; у [9] запропоновано метод керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії на основі аналізу фізико-механічних характеристик зразка насіння, розглянуті основні складові структурної схеми пристрою керування на базі оптико-електронної системи.
Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на:
Ё
Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України”, секція “Електрофізичний та ультразвуковий методи та засоби обробки сільськогосподарської продукції в АПК” (Харків, Харківський державний технічний університет сільського гос-ва, 14-15 листопада 2001 р.);
Ё
Міжнародній науково-технічній конференції “Землеробська механіка на рубежі сторіччя”, секція "Розробка наукових методів і технічних засобів раціонального використання енергоресурсів АПК”, присвяченій розвитку землеробської механіки в XX столітті в Східній Європі і Північно-Східній Азії (Мелітополь, Таврійська державна агротехнічна академія, 29-30 травня 2001 р.);
Ё
VI Міжнародному форумі “Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті”, секція “Моделі, технології, інструментальні засоби розробки інформаційних систем” (Харків, Харківський
Національний університет радіоелектроніки, 22 – 25 квітня 2002 р.);
Ё
Міжнародній науково-технічній конференції, присвяченій 50-річному ювілею факультету Енергетики Таврійської державної агротехнічної академії (Мелітополь, Таврійська державна агротехнічна академія, 18 – 21 вересня 2002 р.);
Ё
семінарі “Технічна кібернетика АПК” при кафедрі кібернетики Харківського державного технічного університету сільського господарства: 2001, 2002 , 2003 рр.;
Ё
семінарі при кафедрі “Електропостачання сільського господарства” Таврійської державної агротехнічної академії, 2000, 2001, 2002, 2003 рр.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 робіт, у тому числі 6 статей у фахових виданнях та 4 патенти України на винаходи.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаної літератури та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 212 сторінок машинописного тексту, із них – 129 сторінок основного тексту, у тому числі 38 ілюстрацій на 34 сторінках та 6 таблиць на 6 сторінках, а також 13 додатків на 52 сторінках. Список використаних джерел містить 188 найменувань (в тому числі 11 на іноземних мовах) – на 16 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність тематики дисертаційного дослідження, висвітлено зміст положень, які становлять наукову новизну та її практичну цінність, сформульовані об’єкт, предмет, методи та мета досліджень, поставлені задачі досліджень.
У першому розділі “Стан питання та задачі досліджень” розглянуто основні властивості та, зокрема, фізико-механічні властивості (ФМВ) насіння і зразка насіння у цілому, на дослідження яких орієнтована розробка методу та пристрою керування електрообладнанням насіннєочисної лінії. До основних фізико-механічних характеристик насіння відносяться: геометричні розміри, об’єм, площа зовнішньої поверхні, форма, стан поверхні, вага, питома вага, аеродинамічні властивості та ін.
До основних характеристик зразка (проби) насіння відносяться: загальна кількість насіння у зразку; кількість насіння, що задовольняє вимогам якості; кількість насіння супутніх бур’янів; маса 1000 зерен; вирівняність насіння; кількість пошкодженого насіння; кількість рухомих шкідників у зразку та ін. Відмічено, що існує зв’язок між рядом ФМВ насіння (розміри, вага, вирівнянність, маса 1000 зерен) та їх біохімічними властивостями.
Проведено аналіз існуючих методів очищення та сортування зерна (насіння), в основу яких покладено розбіжності між ФМВ насіння якісного і неякісного, насіння основної культури і насіння домішок. Здійснено аналіз існуючих машин для обробки зерна (насіння). Для основних типів машин встановлено параметри, які впливають на якість очищення та сортування насіння. Також проведено аналіз існуючих способів і технічних засобів для визначення та дослідження ФМВ насіння. Встановлено, що найчастіше визначення якості сепарації насіння виконується органолептичними методами з використанням допоміжного обладнання. Недоліком таких методів є значні витрати часу на проведення аналізу, низька точність аналізу, обумовлена суб’єктивністю оператора. Окрім того визначення якості сепарації насіння за такими методиками виконується в лабораторіях, що робить неможливим оперативно виконувати керування технологічним процесом за результатами аналізу. Відмічено також, що існують оптико-електронні системи для визначення якості біологічних об’єктів, але такі системи мають значну вартість, використовуються для дослідження характеристик об'єктів різної фізичної природи і потребують значної доробки та адаптації до об'єкту дослідження. Також в розділі розглянуто системи регулювання режимів роботи зерноочисних та сортувальних машин. Основним недоліком таких систем є те, що вони контролюють непрямі показники якості сепарації, такі як просіювання зерна, подачу матеріалу, подачу повітря та ін. Такі системи потребують впровадження пристроїв прямої оцінки якості сепарації насіння.
З проведеного аналізу випливає, що для підвищення якості сепарації насіння необхідно розробити та обґрунтувати метод та пристрій керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії. В якості інформативного параметру запропоновано використовувати ФМВ насіння. Перспективним є застосування для керування технологічним процесом пристроїв технічного зору, в яких використовується метод розпізнавання образів шляхом порівняння їх з еталонами. Такі пристрої доповнять електрообладнання потокової насіннєочисної лінії, що дозволить виконувати керування електрообладнанням на основі результатів аналізу зразків насіння.
Технологічній процес сепарації насіння (рис. 1) із застосуванням методу та пристрою керування електрообладнанням насіннєочисної лінії повинен включати операції попереднього та періодичного аналізу якості насіння з подальшою корекцією параметрів насіннєочисних машин за результатами аналізу.
Рис. 1. Функціональна схема технологічного процесу сепарації насіння із використанням методу та пристрою керування електрообладнанням : 1 – зернова суміш, що надходить на сепарацію; 2 – попередній аналіз якості зернової суміші, що надходить на сепарацію; 3 – агрегат для сепарації насіння (зерна) за ФМВ; 4 – визначення якості насіння після сепарації;
5 – пристрій визначення якості насіння; 6 – розрахунок параметрів технологічного процесу;
7 – розрахунок значень параметрів керування виконавчими механізмами агрегату сепарації;
8 – виконавчі механізми.
Виходячи з викладеного вище сформульовані мета та задачі досліджень.
У другому розділі “Побудова математичних моделей зовнішньої форми насіння сільськогосподарських культур” розглянуто створення математичних моделей, що описують зовнішню форму насіння. В основу розроблення цих моделей покладено класифікацію насіння, запропоновану М.М. Ульріхом – П.М. Заікою, за співвідношенням їх характерних лінійних розмірів (ширини, товщини, довжини).
Побудова таких моделей сталася можливою завдяки тому, що вперше в даній роботі для опису зовнішньої форми насіння сільськогосподарських культур було застосовано математичний апарат теорії R-функцій академіка НАН В.Л. Рвачова. Це дало можливість одержати рівняння, які описують форму насіння основних типів сільськогосподарських культур у виді єдиних аналітичних виражень.
Одержано математичні моделі зовнішньої форми: зерен плоскої форми, сочевицеподібних, подовжених, гречаних та близьких до еліпсоїду обертання зерен. Такі моделі необхідні для одержання еталонів насіння основних типів сільськогосподарських культур, з метою їхнього застосування в процесі розпізнавання й оцінки якості насіння в аналізованих зразках. Розглянуто особливості моделювання насіння основних сільськогосподарських культур і одержання їхніх еталонних моделей.
Як приклад, наведемо побудову рівняння зовнішньої форми насіння гречки. На рис. 2 зображена насінина гречки з розвиненим ядром.
Відповідна булева функція на рівні теорії множин, з яких складається фігура зерна гречки, в цьому випадку має вид
(1)
де область D4 – коло з радіусом r1 (рис. 2), а області D1, D2 і D3 задаються лінійними нерівностями, що відтинають відповідні півплощини.
Тоді нерівність, що описує внутрішні і граничні точки зерна гречки (рис. 2) з використанням операції R-кон'юнкції та R-диз'юнкції має наступний вигляд
. (2)
Розкривши вираз (2), де – операція R-кон'юнкції, а – операція R-диз'юнкції Рвачев В.Л. Теория R-функций и некоторые ее приложения. - К.: Наукова думка, 1982. - 551 с одержимо нерівність
(3)
яка описує вид насіння гречки зверху (рис. 3). При цьому, якщо точка (x, y) належить межі зернини, то виконується рівність, а нерівність виконується для внутрішніх точок зернини.
У третьому розділі “Моделі зразків (проб) насіння для реалізації методу керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії” досліджено питання побудови моделей зразків насіння з урахуванням особливостей технічних засобів. В підрозділі 3.1 сформульовані основні вимоги до аналізованих зразків насіння, виходячи з особливостей комп'ютерного експрес-аналізу. В підрозділі 3.2 запропоновано математичну модель зразка насіння, що враховує його геометричні характеристики – умови належності насінин полю зору телекамери та умови не перетинання насіння у зразку (пробі) при його аналізі. Крім того, відстань між насінинами у зразку повинна бути узгоджена з кроком ПЗЗ- матриці телекамери та величиною підсилення оптичної системи об’єктива.
Умови не перетинання зерен Si, що мають межі si (i=1,2,…,n), між собою, та умови належності зерен полю зору , згідно з теорією множин, відповідно мають вигляд
(4)
де – перетин множин, \ – різниця множин, – порожня множина;
, (5)
де – об'єднання множин.
Що стосується моделі зразка, яка б враховувала його загальні геометричні характеристики та співвідношення (4 – 5) для довільно розташованого на площині насіння (рис. 3), то, згідно робіт член-кор. НАН Ю.Г. Стояна, її прикладна модифікація має наступний вигляд:
(6)
(7)
де Kij – відстань між зерниною i та зерниною j; Дk – крок ПЗЗ-матриці телекамери; kij – кількість кроків ПЗЗ-матриці між зерниною i та зерниною j; Ki – відстань між зерниною i та межею поля зору; кi – кількість кроків ПЗЗ-матриці між зерниною i та межею поля зору; – кут орієнтації зернини i, (xi ,yi) – параметри положення зернини i у полі зору.
Рис. 3. До побудови математичної моделі зразка насіння.
Для технічної реалізації співвідношень (6 – 7), відповідно до патенту України на винахід [1], запропоновано предметний столик з чарунками для розміщення насіння.
Питанню алгоритмізації процесу сприйняття зображення зразка насіння з наступним перетворенням аналогової інформації в цифрову модель – присвячено підрозділ 3.3. Отримана таким чином цифрова модель зразка насіння дає можливість перейти до алгоритмів визначення якості зразка насіння та керування електрообладнанням насіннєочисної лінії.
У четвертому розділі “Способи визначення якості сепарації насіння для керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії” викладено результати реалізації запропонованих моделей, методів і способів оцінки ФМВ насіння та оцінки якості його сепарації. Пріоритетність технічних рішень захищена патентами України на винаходи [1 – 4].
Як приклад (рис. 4) наведемо технічну реалізацію методу та пристрою для підвищення якості сепарації насіння на фракції шляхом корекції параметрів сепаратора за результатами аналізу якості зразка насіння.
Рис. 4. Узагальнена функціональна схема методу та пристрою підвищення якості сепарації насіння [3]: 1 – насінна суміш; 2 – сепаратор; 3 – зразок насіння; 4 – джерело світла; 5 – фотооб'єктив; 6 – телевізійна камера; 7 – ПЕОМ; 8 – цифро-аналогові перетворювачі; 9 – виконавчі механізми для встановлення параметрів сепаратора.
При цьому, за мету ставилась задача розробки технічних засобів для визначення: числа стандартних зерен у зразку та питання корекції параметрів сепаратора за результатами дослідження зразка насіння.
Запропоновано також спосіб визначення якості зразка насіння шляхом реєстрації й аналізу його зображення в декількох проекціях (підрозділ 4.2). Розглянуто питання технічної реалізації способу визначення рухливих шкідників у зразку насіння (підрозділ 4.3). Питання визначення числа і ваги зерен у зразку насіння досліджуються в підрозділі 4.4.
У п'ятому розділі “Метод та пристрій керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії” обґрунтовано метод керування електрообладнанням насіннєочисної лінії за результатами аналізу якості зразка насіння. Розглянуто технологію виробництва посівного насіння. За основу взято технологічну схему підготовки насіння на насіннєвій приставці СПЛ -5.
Для реалізації методу керування запропоновано доповнити технологічний процес підготовки посівного насіння операціями попереднього та періодичного аналізу якості сепарації насіння за допомогою пристрою керування електрообладнанням (ПКЕ). Також запропоновано виконувати керування зерноочисними машинами за результатами аналізу якості сепарації насіння (рис. 1).
Для дослідження роботи ПКЕ, запропоновано використати повітряно-решітну частину універсальної насіннєочисної та сортувальної машини К-531А, яка має ряд переваг в порівнянні із аналогічними машинами. Дана насіннєочисна машина може використовуватися для підготовки посівного насіння як в технологічних потокових лініях так і окремо.
Розглянуто параметричну схему повітряно-решітної машини як об’єкту керування. В якості параметру керування процесом сепарації обрано регулювання подачі насіннєвої суміші в машину. Сформульовано алгоритм оптимального керування процесом сепарації насіння. Критеріями оптимальності є максимум продуктивності машини, мінімум відхилення чистоти обробленого насіння від кондиційних показників та мінімум втрат якісного зерна у відходи.
Для машини К-531А експериментально одержані залежності чистоти насіння на виході (рис. 5) та продуктивності (рис. 6) від чистоти насіннєвої маси на вході і від завантаження машини.
Із одержаних залежностей видно, що якість сепарації (чистота насіння) і продуктивність машини залежать від чистоти зернової суміші на вході і від завантаження машини.
Оптимальне керування насіннєочисною машиною полягає у стабілізації чистоти насіння на виході на заданому рівні шляхом регулювання її завантаження в процесі сепарації. Для здійснення керування завантаженням насіннєочисної машини К-531 (для переміщення заслінки подачі зерна) встановлено кроковий двигун ШД-2.
Рис. 5. Залежність чистоти насіння на виході із машини від чистоти насіннєвої суміші на вході і від завантаження машини К-531А.
Рис. 6. Залежність продуктивності машини К-531А від чистоти насіннєвої суміші на вході і від завантаження машини.
Так як розрахунок та пошук оптимального завантаження машини пов’язані з певними труднощами (визначення функції цілі), у роботі запропоновано виконувати керування електрообладнанням машини за результатами відгуку системи (продуктивність машини та чистота насіння на виході). Виконання цих задач покладено на ПЕОМ, яка за допомогою виконавчого механізму крок за кроком змінює завантаження машини згідно із результатами аналізу якості насіння на виході. Узагальнена функціональна схема пошуку раціональних робочих параметрів повітряно решітної машини К-531А представлена на рис. 7.
Значну увагу в розділі приділено питанням розробки безпосередньо пристрою керування електрообладнанням (ПКЕ) і його технічній реалізації. Розроблено засоби введення, обробки та аналізу зображень. ПКЕ потокової насіннєочисної лінії виконує функції вимірювання, обчислювання параметрів насіння, порівняння одержаних зображень з еталонами, та функції керування технологічним процесом. ПКЕ складається із: телевізійної камери, системи спряження, спеціалізованого обчислювального приладу, ПЕОМ, блоку виконавчих механізмів. Для забезпечення роботи ПКЕ додатково використовується система освітлення та предметний столик для зразка (проби) насіння.
Розроблено функціональну схему ПКЕ потокової насіннєочисної лінії (рис. 8).
Рис.8. Функціональна схема ПКЕ потокової насіннєочисної лінії: 1 – аналогова телевізійна камера; 2 – аналогово-цифровий перетворювач; 3 – мікроконтролерний блок обробки відео зображень; 4 – інтерфейс; 5 – ПЕОМ; 6 – стабілізоване джерело живлення; 7 – силові ключі виконавчого пристрою; 8 – зовнішнє джерело живлення; 9 – пробовідбірник; 10, 11 – привід заслінок; 12 – датчик положення; 13 – пристрій з’єднувальний.
У розділі розроблено алгоритм сприйняття та перетворення у цифрову модель зображення зразка насіння, його аналізу та керування насіннєочисною машиною за результатами проведеного аналізу. Наведено блок схему цього алгоритму.
При здійсненні методу керування із застосуванням ПКЕ потокової насіннєочисної лінії виконуються наступні етапи:
- Введення інформації в ПЕОМ оператором (культура, режим роботи, еталони насіння, періодичність контролю та ін.).
- Попередній аналіз якості зернової суміші, вибір решіт, запуск та налагодження насіннєочисної машини.
- Періодичний забір проби насіння автоматичним пробовідбірником (У1-БПБ) та направлення її в поле зору телевізійної камери.
- Телевізійна камера (КТ-5М) сприймає інформацію про зразок насіння в площині зображення у вигляді світлової енергії та перетворює її в аналоговий сигнал на виході.
- Аналоговий сигнал надходить на вхід АЦП, який виконано на мікросхемі КР1107ПВ2. Перетворений сигнал виставляється на шину даних АЦП.
- Виставлені дані приймаються через порт мікроконтролером (АТ89S53-24РС) і по паралельній шині даних записуються в енергонезалежну пам’ять (КМ128U) із частотою дискретизації 1 мкс. Далі мікроконтролер виставляє код готовності передачі даних через інтерфейс (RS-232C) до ПЕОМ і переходить в режим очікування.
- З дозволу ПЕОМ розпочинається синхронна передача до неї кодованого зображення із енергонезалежної пам’яті на швидкості 57600 біт/с.
- ПЕОМ виконує аналіз якості зразка насіння шляхом обробки одержаного зображення та порівнює його з еталоном.
- Якщо розбіжність між реальним зображенням зразка насіння і еталоном знаходиться в допустимих межах, то надходить сигнал від ПЕОМ на блок керування виконавчими механізмами приводу заслінки – вона відкривається.
- Виконавчим механізмом системи є кроковий двигун (ШД–2–200), який ступінчато відкриває заслінку – подача збільшується (крок двигуна – 60). Успішне переміщення заслінки підтверджується первинним перетворювачем положення.
- При досягненні рівня подачі зерна, коли розходження між зображенням зразка насіння і еталоном перевищує задані межі, ПЕОМ подає команду на закриття заслінки (зменшується подача зерна).
- Під час зупинки насіннєочисної машини ПЕОМ дає команду на повне закриття заслінки, виробляється матеріал і машина зупиняється.
- Під час пуску машини виконавчий механізм здійснює відкриття заслінки в початкове положення (кут відкриття залежить від типу культури).
Для усіх вузлів модуля ПКЕ розроблено принципові електричні схеми. Для виготовлення вузлів використовувалися сучасні комплектуючі, призначені безпосередньо для роботи із відео зображеннями. Запропонована конфігурація модуля ПКЕ дозволяє проводити аналіз зображення зразка насіння і подавати команди на виконавчі механізми системи керування за час, який не перевищує 5 с.
Також в даному розділі розроблено принципову схему керування машиною К-531А, яка враховує використання ПКЕ в комплекті електрообладнання машини.
Для функціонування ПКЕ, для виконання операцій аналізу якості сепарації насіння та керування електрообладнанням розроблено програмне забезпечення. До складу програмного забезпечення входить програмний комплекс для ПЕОМ “Semia 2002 v. 01”, програма мікроконтролера, як буферного пристрою та підпрограма інтерфейсу.
Основу програмного забезпечення становить програмний комплекс “Semia 2002 v. 01”. До його складу входить: виконавчий файл Проект 1- основна програма, написаний у середовищі Borland Delphi 6; таблиці PrS.DBF, MEPar.DBF (разом із індексними файлами MEPar.MDX, Prs.MDX), розміщеними в каталозі DB , створені в середовищі Borland Database Desktop 7, драйвер DBASE; каталог “Исходные”; каталог “Оформления” каталог “Разложения”.
Окрім основних операцій аналізу якості сепарації насіння та керування технологічним процесом програмний комплекс дозволяє виконувати широкий спектр можливостей дослідження ФМВ насіння в інтерактивному режимі (рис. 9). Дана особливість дозволяє ефективно використовувати його в селекційній роботі.
Рис. 9. Дослідження характеристик насіння.
У шостому розділі “Виробничі випробування та оцінка техніко-економічної ефективності застосування методу та пристрою керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії” наведено результати виробничої перевірки ПКЕ, визначені показники якості роботи даного пристрою в процесі експлуатації, дана оцінка ефективності його використання в технологічних лініях по підготовці посівного насіння.
Виробничі випробування ПКЕ в складі технологічної лінії по підготовці насіння виконувалися в СФП “Олександрівське” (Ізюмський р-н., Харківська обл.) та ПП “Аскон” (Якимівський р-н, Запорізька обл.). Вони показали, що використання пристрою дозволяє підвищити чистоту насіння на 2% в порівнянні з базовим варіантом. Таких показників було досягнуто при обробці насіння за один прохід через машину, що веде до економії електроенергії. Усі елементи ПКЕ працювали надійно.
Річний економічний ефект від застосування ПКЕ потокової насіннєочисної лінії, при вирощуванні пшениці на площі 200 га складає 15760 грн. Такого ефекту досягнуто за рахунок підвищення врожайності пшениці. Термін окупності додаткових капіталовкладень становить 0,72 роки.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ
1.
Із аналізу способів очищення та сортування насіння, способів визначення його якості встановлено, що інформативним параметром якості сепарації та керування технологічним процесом – є фізико-механічні характеристики насіння: геометричні розміри, форма, стан поверхні, вирівняність, вага та ін. Встановлено зв’язок між фізико-механічними (розміри, вага, вирівняність) та біохімічними властивостями насіння. Цей зв’язок дозволяє, через регулювання фізико-механічних характеристик насіння, що обробляється, регулювати такі показники як схожість та врожайність.
2.
Для визначення якості сепарації насіння, безпосередньо в технологічному процесі та здійснення керування електрообладнанням машин насіннєочисної лінії, за результатами аналізу, запропоновано перейти від аналізу характеристик окремих насінин до аналізу характеристик проби насіння за параметрами: загальна кількість насіння, кількість насіння заданої якості, кількість насіння супутніх бур’янів, маса 1000 насінин, вирівнянність насіння, кількість чужорідних тіл, кількість рухомих шкідників у зразку насіння.
3.
Обґрунтовано метод керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії за результатами аналізу зразків насіння. Ефективним підходом в одержанні інформації про зразок насіння є застосування пристроїв технічного зору, в яких використовуються методи розпізнавання образів шляхом порівняння їх з еталонами. Реалізація такого методу керування передбачає наявність банку еталонів насіння сільськогосподарських культур та супутніх бур’янів.
4.
На основі математичного апарату теорії R- функцій запропонована методика побудови математичних моделей, що описують зовнішню форму насіння. Побудовано моделі: видовженого, сочевицеподібного, гречаного, плоского та наближеного до еліпсоїда обертання насіння. Така методика дозволяє описувати форму насіння будь-якої конфігурації. Окрім того вона дає можливість мати не лише рівняння для точок межі насіння, але і відповідні нерівності, що визначають його внутрішні точки. Наявність таких моделей робить можливим створення банку еталонів насіння.
5.
Для використання запропонованого методу керування електрообладнанням насіннєочисної лінії, з метою підвищення якості сепарації насіння, сформульовано вимоги до зразків насіння, що аналізуються. Запропоновано математичну модель зразка насіння з урахуванням особливостей технічних засобів, яка враховує його геометричні характеристики: умови належності насіння полю зору телевізійної камери та умови не перетинання насіння у зразку. Спільне використання одержаних моделей, методу розпізнавання зразків насіння шляхом порівняння з еталоном та пристроїв технічного зору дозволяє підвищити точність аналізу якості сепарації насіння та скоротити час аналізу із 30...50 хвилин до 5 секунд.
6.
Для реалізації задачі підвищення якості сепарації насіння розроблено і введено до складу електрообладнання насіннєочисної лінії пристрій керування електрообладнанням (ПКЕ), який дозволяє виконувати періодичний аналіз якості сепарації насіння і здійснювати корекцію параметрів насіннєочисних машин за результатами аналізу.
7.
Для дослідження методу та пристрою керування електрообладнанням насіннєочисної лінії вибрано повітряно-решітну частину машини К-531А. Експериментально підтверджено залежність чистоти насіння на виході із машини від її завантаження та чистоти насіння на вході. У зв’язку з цим, в якості параметру керування машиною вибрано переміщення заслінки подачі зерна. Оптимальне керування полягає у стабілізації на заданому рівні чистоти насіння на виході із машини шляхом періодичного регулювання, в процесі сепарації, завантаження зернової маси. Керування запропоновано здійснювати на основі результатів відгуку системи на чистоту насіння на виході із машини. Такий підхід дозволяє одержати необхідну продуктивність машини, як ланки технологічної лінії, при заданій якості (чистоті) насіння.
8.
Розроблено алгоритм одержання інформації про зразок насіння, її обробки та керування електрообладнанням насіннєочисної лінії. Для його реалізації розроблені пристрої спряження та обробки відеоінформації, виконані у вигляді модуля ПКЕ. Перетворення одного кадру зображення, що надходить від телевізійної камери, в цифрову модель, його обробка та відправлення на зберігання в пам’ять, здійснюється на протязі 640 мс із частотою дискретизації 1 мкс. Обмін зображеннями між модулем ПКЕ та ПЕОМ відбувається на швидкості 57600 біт/с пакетом у 16 байт. Час від одержання зображення до одержання сигналу керування, не перевищує 5 секунд, при використанні ПЕОМ із тактовою частотою не нижче 200 МГц.
9.
Виробничі випробування ПКЕ насіннєочисної лінії, що проводилися в СФП “Олександрівське” Ізюмського району Харківської області та ПП “Аскон” Якимівського району Запорізької області, показали, що його застосування дозволяє підвищити чистоту насіння на виході із повітряно-решітної частини машини К-531А на 2% (для пшениці “Харківська – 15” та “Харківська – 23”). Окрім цього, застосування ПКЕ дозволяє одержувати більш вирівняне за розмірами та вагою насіння. Таке насіння має більшу схожість та врожайність.
10.
Техніко-економічні розрахунки показали, що річний економічний ефект від застосування методу та пристрою керування електрообладнанням насіннєочисної лінії, при вирощуванні ярої пшениці на площі 200 га, насіння якої було оброблено на технологічній лінії із застосуванням ПКЕ, становить 15760 грн. Такого ефекту досягнуто за рахунок підвищення врожайності пшениці на 5%. Термін окупності капітальних вкладень на впровадження пристрою становить 0,72 року. Надалі пропонується провести дослідження по використанню ПКЕ для обробки насіння інших культур.
ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Патент. № 45072 А Україна, МКВ А01С1/00. Пристрій для визначення кількості та ваги зерен у зразку насіння / В.П. Путятін, В.О. Мунтян, О.І. Коваленко (Україна). – №2001042802; Опубл. 15.03.2002. Бюл. № 3.
2.
Патент. № 43650 A Україна, МКВ А01С1/00. Спосіб визначення якості зразка насіння / В.П. Путятін, В.О. Мунтян, О.І. Коваленко (Україна). – № 2001042804; Опубл. 17.12.2001. Бюл. № 11.
3.
Патент. № 43649 A Україна, МКВ А01С1/00. Спосіб підвищення якості вібросепарації насіння / В.П. Путятін, В.О. Мунтян, О.І. Коваленко, І.В. Чалий (Україна). – №2001042803; Опубл. 17.12.2001. Бюл. № 11.
4.
Патент. № 43648 A Україна, МКВ А01С1/00. Спосіб реєстрації рухомих шкідників у зразку насіння / В.П. Путятін, В.О. Мунтян, О.І. Коваленко, С.В. Ковальський. (Україна). – №2001042801 Опубл. 17.12.2001. Бюл. № 11.
5.
Коваленко А.И., Мунтян В.А., Путятин В.П. Математические модели семян по классификации Н.Н. Ульриха // Проблемы бионики. Всеукраинский межведомственный научно - техн. сб. Вып. 53. - Харків: Харк. держ. техн. ун-т радіоелектроніки, 2000. - С.70 - 78. (Запропоновано математичні моделі геометричної форми зерен основних типів сільськогосподарських культур і розглянуті особливості комп'ютерного моделювання еталонів зерен).
6.
Коваленко А.И., Мунтян В.А. Оценка качества образца семян в технологическом процессе вибросепарации // Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України. Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Вип. 6. - Харків: ХДТУСГ, 2001. - С. 26 - 29. (Запропоновано метод керування електрообладнанням зерноочисних машин на основі дослідження характеристик зразка насіння).
7.
Коваленко О.І., Мунтян В.О. Побудова математичної моделі насіння для оцінки його якості // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. Вип. 1. Том 24. - Мелітополь: ТДАТА, 2001. – С. 75 - 78. (Наведено методику побудови математичних моделей зовнішньої форми насіння на прикладі насіння сочевиці).
8.
Коваленко А.И. Математическая модель образца семян для компьютерного экспресс - анализа // Сб. науч. тр. по материалам 6-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке” Часть 2. – Харьков: Харьк. Национальный ун-т радиоэлектроники. – 2002.– С. 281 – 282.
9.
Мунтян В.О., Коваленко О.І. Обґрунтування засобів експрес - аналізу якості насіння зернових культур // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. Вип. 1. Том 21. - Мелітополь: ТДАТА, 2001. – С. 40 – 44. (Розглянуто основні складові структурної схеми пристрою керування на базі оптико-електронної системи).
10.
Коваленко О.І., Мунтян В.О. Використання оптико-електронної системи для оцінки якості насіння за його геометричними та фізико-механічними параметрами. // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. Вип. 5. – Мелітополь: ТДАТА, 2002. – С. 42 – 45. (Запропонована математична модель зразка насіння з урахуванням особливостей комп'ютерного експрес-аналізу).
АНОТАЦІЯ
Коваленко Олександр Іванович. Обґрунтування методу та пристрою керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.16 – Електротехнології та електрообладнання в агропромисловому комплексі. – Таврійська державна агротехнічна академія, Мелітополь, 2003.
Вперше на основі математичного апарату теорії R-функцій В.Л. Рвачева, та на основі класифікації насіння М.М. Ульріха – П.М. Заїки за співвідношенням його характерних лінійних розмірів, запропонована методика побудови математичних моделей, що описують зовнішню форму насіння основних типів сільськогосподарських культур. Побудовано математичні моделі зовнішньої форми: сочевицеподібного, подовженого, гречаного, плоского та близького до еліпсоїду обертання насіння.
Створено модель зразка (проби) насіння з урахуванням особливостей технічних засобів. Запропонована апаратурна підтримка прийняття рішень при аналізі якості сепарації насіння та керування агрегатами сепарації насіння. Пріоритетність цих технічних рішень захищена патентами України на винаходи.
Вибрані параметри оптимального керування електрообладнанням насіннєочисної лінії. Обґрунтовано метод та пристрій керування електрообладнанням потокової насіннєочисної лінії на основі результатів аналізу зразка насіння. В основу методу керування покладено застосування пристроїв технічного зору із застосуванням методу розпізнавання образів шляхом порівняння їх із еталонами. Запропоноване технічне, алгоритмічне та програмне забезпечення пристрою керування технологічним
