CC BY
15ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Единый математический подход при проектировании цветоизмерительных
приборов
Марышева Л. Т.1, Шеина И. Е.2, Тухташев У. Ф.3
'Марышева Лариса Тимофеевна /Marisheva Larisa Timofeyevna — кандидат технических наук, доцент;
2Шеина Ирина Евгеньевна/Sheina Irina Yevgenyevna — преподаватель;
3Тухташев Умарали Файзирахманович / Tuhtashev Umarali Fayzirahmanovich — студент, кафедра информационных технологий, Ташкентский государственный педагогический университет, г. Ташкент, РеспубликаУзбекистан
Аннотация: в данной статье приведены основные критерии, учитываемые при проектировании цветоизмерительных приборов, описаны все этапы проектирования цветоизмерительных приборов. Единый математический подход при автоматизации проектирования измерительных устройств представляет собой разработку метода математической формализации функционирования измерительных устройств и процедуру определения их оптимальных параметров. Такой подход применяется на различных этапах проектирования измерительных устройств. На этапе автоматизации исследования структуры измерительного устройства главной задачей является её оптимизация. Программные средства позволят разработчику исследовать их, сравнить по различным критериям. Ключевые слова: цветоизмерительный прибор, спектрофотометр, люминесценция, математическое обеспечение, программное обеспечение, информационная база данных, пакеты прикладных программ, система автоматизированного проектирования, оптимизация, техническое задание, формализация, пигмент, спектр, лучистый поток, сопряженные элементы.
Введение
На современном этапе развития науки и техники системы автоматизированного проектирования являются одним из наиболее эффективных средств повышения производительности инженерного труда и научной деятельности. К настоящему времени накоплен большой опыт по созданию систем автоматизированного проектирования в различных отраслях народного хозяйства, инженерных конструкций и сооружений в частности, опубликованы огромное число статьей, монографий, учебников и учебных пособий. Создано большое число ППП, которые в той или иной степени решают отдельные и совокупности задач проектирования. Но, несмотря на это САПР в области проектирования инженерных конструкций и сооружений, тем более проектирования с оптимизацией до конца еще не решена.
Постановка задачи
Методы оценки по цвету являются одним из наиболее эффективных средств контроля качества вещества. Проблемы измерения цвета имеют очень важное значение в таких отраслях промышленности, как химическая, легкая, текстильная, пищевая, в медицине, строительстве, при производстве красителей и пигментов, синтетических волокон и пластмасс, а также в ряде других отраслей.
Развитие средств вычислительной техники создало предпосылки для успешной разработки систем автоматизированного проектирования современных цветоизмерительных приборов и их составных частей, в связи с чем задача исследований, позволяющих создать математическое обеспечение проектирования и создание цветоизмерительных приборов и их составных частей, основанное на использовании информационной базы данных, является актуальной научно-технической проблемой.
Единый математический подход при автоматизации проектирования измерительных устройств представляет собой разработку метода математической формализации функционирования измерительных устройств и процедуру определения их оптимальных параметров. Такой подход применяется на различных этапах проектирования измерительных устройств [1].
На этапе автоматизации исследования структуры измерительного устройства главной задачей является её оптимизация. Программные средства позволят разработчику исследовать их, сравнить по различным критериям.
На этапе автоматизации технического проектирования завершается детализация проекта измерительного устройства и корректируется основная техническая документация.
В отличие от традиционного метода проектирования, основанного на интуиции и опыте индивидуального проектировщика, единый математический подход создает основу объективного выбора решения.
Создается единство модели объекта и процесса, что значительно упрощает проблемы проектирования. Исключение этапов предварительного и основного проектирования измерительных устройств создает
15
предпосылки к созданию замкнутой автоматической системы, которая определяет принцип действия, структуру и конструктивные средства измерения в соответствии с техническим заданием.
Рассматриваемая задача является актуальной и для класса спектральных приборов.
При проектировании спектральных приборов необходимо учесть ряд индивидуальных особенностей, определяемых их тактико-техническим назначением и условиями эксплуатации.
Разложение на спектральные компоненты лучистого потока, направленного от объекта к глазу наблюдателя и измерение каждого компонента в отдельности дает новый способ измерения цвета объекта.
Несмотря на разнообразие особенностей можно выделить общие этапы проектирования цветоизмерительных приборов:
1. Анализ требований, ограничений, систематизации, формализации исходной информации.
2. Установление множества допустимых вариантов построения, разрабатываемого цветоизмерительного прибора.
3. Поиск новых технических решений.
4. Конструкторская проработка общих принципов построения цветоизмерительных приборов.
Все это приводит к необходимости решения таких задач, как разработка методики формализованного представления исходной информации, разработка методики определения компактного множества элементарных технических решений и направленного перебора возможных вариантов построения цветоизмерительных приборов.
Главной составной частью системы автоматизированного проектирования цветоизмерительных приборов является её информационное обеспечение, в которое входят данные о составляющих элементах цветоизмерительных приборов, данные о физических эффектах, имеющих место в спектрофотометрии, основные уравнения физических преобразований, а также математическая модель функционирования цветоизмерительных приборов. В качестве составляющих элементов могут быть использованы: источник света, щель, объективы, призмы, монохроматор, фотоэлемент, блок регистрации, приемник, держатель масок и другие.
Формализация перечисленного набора данных позволит использовать ЭВМ для решения задачи автоматизированного проектирования цветоизмерительных приборов. В результате чего осуществляется оптимизация параметрического ряда цветоизмерительной системы. Взаимосвязь составляющих элементов определяется сетью ограничений, выражающих совместимость этих элементов по исходным и выходным параметрам и необходимость выполнения заданного уравнения преобразования при минимальном числе промежуточных преобразований.
III и IV этапы являются наиболее трудоемкими, так как априорная информация является статистической.
В качестве структуры поиска оптимального принципа действия цветоизмерительного прибора предлагается граф. Здесь вершинами графа служат составляющие элементы цветоизмерительного прибора, а дуги определяют взаимосвязь между этими элементами.
Предлагаемый набор принципа действия основан на возможности использования матрицы связности, в которой входные и выходные величины определяются видом составляющего элемента цветоизмерительного прибора, реализующего тот или иной физический эффект. Номер матрицы (строки) указывает на входную величину, номер столбца - на выходную.
При такой постановке задачи накладываются следующие ограничения:
I. Эффекты сопряженных элементов цветоизмерительного прибора должны состыковываться.
II. Выбранная цепь элементов должна осуществлять заданное уравнение преобразования.
III. Выбранная цепь элементов должна соответствовать выбранному критерию оптимальности.
В настоящее время существуют различные подходы к выбору критерия технического совершенства измерительных устройств, в том числе спектральных. Наиболее перспективной и охватывающей различные аспекты измерительного устройства является квалиметрическая модель прибора.
Формализация задач разработки опытного проектирования цветоизмерительных приборов даст возможность сократить время проектирования, разрабатывать приборы, удовлетворяющие техническим требованиям производства, унифицировать разработку приборов на модульном принципе. В зависимости от задач цветового контроля оптимальными могут быть признаны различные цветоизмерительные приборы. Поэтому для выбора самого лучшего и экономичного прибора с учетом конкретно поставленной задачи необходимо четко сформулировать свои требования к нему. Рассмотрим ряд требований к спектрофотометрическим приборам:
Нужно знать характер измеряемых образцов, для чего следует составить перечень всех видом образцов, подлежащих измерению. Они делятся на три основные категории: прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные.
Нужно знать, какие физические размеры имеют измеряемые образцы, ибо любой спектрофотометр приспособлен для измерения образцов лишь определенных габаритов; следовательно, либо размеры
16
образцов не должны превышать заданных, либо должна иметься возможность доведения их до нормы перед измерением.
Важен такой фактор, как устойчивость образцов к воздействию светового и теплового излучений, так как в процессе измерений образцы подвергаются действию лучистой энергии в течение определенного, причём иногда довольно длительного, периода времени. В зависимости от конструкции спектрофотометра или метода измерений лучистый поток, падающий на образец, может быть либо ограничен спектральным интервалом, либо содержать все длины волн в спектре излучения встроенного источника света. Последний случай может оказаться неблагоприятным для образцов, так как сфокусированный на нем пучок обычно обеспечивает высокую интенсивность облученности поверхности (как в видимом, так и инфракрасном диапазонах спектра), что вызывает нагрев образца и, возможно, изменение его спектральной характеристики до завершения измерений. Помимо нагрева падающий поток может также вызвать в процессе измерений обесцвечивание образца с последующим изменением спектральной характеристики.
Ряд материалов обладает свойством поглощать лучистый поток одной длины волны и излучать его при большей длине волны. Этот процесс называют люминесценцией. Материал, поглощающий энергию в средней (зеленой) части спектра, и излучающий её при люминесценции в длинноволновой (красной) части, может при дневном свете иметь красноватый оттенок, однако, любой спектрофотометр, не приспособленный для анализа потока, излучаемого образцом, дает завышенные значения коэффициента отражения в средней (зеленой) части спектра и не зарегистрирует поток люминесценции в длинноволновой (красной) части спектра. Такие ошибки имеют место в тех случаях, когда люминесцирующий образец установлен между выходной щелью монохроматора и приемником. Правильные измерения получаются тогда, когда образец непосредственно освещается источником света, а отраженный поток и поток люминесценции анализируется монохроматором при сканировании спектра. Однако результат измерений будет зависеть от спектрального распределения потока, излучаемого источником.
Существует тип образцов, которые вызывают трудности при спектрофотометрировании - это поляризующие образцы, например, слюда, целлофан, атласные ткани. Регистрирующие спектрофотометры, в которых образцы освещаются плоскополяризованным светом с постоянно меняющейся ориентацией, непригодны для измерения поляризующих образцов. Только специальная модификация прибора дает возможность обойти эти трудности.
Некоторые промышленные изделия обнаруживают неоднородность цвета от точки к точке, либо с правильным распределением неоднородности (текстильные изделия), либо с неправильным распределением неоднородности (окрашенные кистью изделия, обработанное дерево). Если структура неоднородности существенная в сравнении с размером освещенного пятна, единственная кривая спектрального отражения (пропускания) не может быть надежным средством для определения среднего цвета неоднородного образца. Эту трудность можно преодолеть повторными измерениями нескольких участков образца и усреднением результатов.
Алгоритм формирования технических требований к цветоизмерительным приборам
Суть алгоритма - выбор лучшего и экономического прибора для решения конкретных проблем. Рассматриваемая задача актуальна для спектрофотометрических цветоизмерительных приборов и трехцветных колориметров, используемых в технологическом контроле качества продукции в различных отраслях промышленности. Предлагаемый нами алгоритм состоит из следующих шагов:
Шаг 1. Уточняется номенклатура образцов, подлежащих контролю. Их можно разделить на N категорий (по основной оптической характеристике).
Шаг 2. Формируются ограничения на геометрические размеры образцов. Последние определяются возможностями фотометрического приемника измерителя.
Шаг 3. Осуществляется проверка образцов по критерию устойчивости к возведению светового и теплового излучения. В зависимости от конструкции цветоизмерительного прибора или метода проведения измерений лучистый поток, падающий на образец, моют быть либо ограничен узким спектральным интервалом, либо содержать все длины волн в спектре излучения встроенного источника света.
Шаг 4. Проверяется люминесцирующий эффект материала образца.
Шаг 5. Проверяется поляризующий эффект образца, последний предопределяет специальную модификацию прибора.
Шаг 6. Образец проверяется на неоднородность цвета. В случае, когда неоднородность существенна в сравнении с размером освещенного пятна, единственная кривая спектрального отражения (пропускания) не может быть надежным средством для определения среднего значения цвета неоднократного образца. Необходимы повторные измерения.
Шаг 7. Согласно шагу I при обнаружении ]-го свойства образца различают К его вариантов.
Шаг 8. В случае полупрозрачных образцов условия не стандартизированы.
17
Шаг 9. Оценивается количество измерений. На этом шаге решается вопрос о типе прибора (регистрирующий или нерегистрирующий).
Шаг 10. Решается вопрос о диапазоне спектра. Шаг 11. Оценивается воспроизводимость прибора. Шаг 12. Определяется точность прибора.
Резюмирующим шагом предложенного алгоритма является реконструкция соответствующего класса цветоизмерительной аппаратуры для конкретного производства и конкретных типов измеряемых образцов. Заключение
В заключение следует отметить, что формализация задач разработки опытного проектирования цветоизмерительных приборов даст возможность сократить время проектирования, разрабатывать приборы, удовлетворяющие техническим требованиям производства, унифицировать разработку приборов на модульном принципе. В зависимости от задач цветового контроля оптимальными могут быть признаны различные цветоизмерительные приборы. Поэтому для выбора самого лучшего и экономичного прибора с учетом конкретно поставленной задачи необходимо четко сформулировать свои требования к нему.
Литература
1. Кортнев В. В. Автоматический контроль цветоизмерительных приборов/ Москва, 2008.
2. Мороз И. И. Автоматизация производства цветоизмерительных приборов. Киев: Техника, 1999. с. 259.
3. Лощинская А. В. и др. Автоматическое регулирование процессов цветометрии. Л.: Стройиздат, 1989. с. 200.
4. [Электронный ресурс]: Материалы XV Международной научно-технической конференции. URL: http://new.elib.altstu.ru/disser/conferenc/2014/IKI.pdf.
Разработка эффективных методов, алгоритмов и программ устройств силовой электроники в информатике и вычислительной технике Аверина А. Е.1, Аверин А. И.2
'Аверина Алена Евгеньевна / Averina Alena Evgen'evna — преподаватель, факультет довузовской подготовки и СПО;
2Аверин Андрей Игоревич /Averin Andrei Igorevich — аспирант, кафедра электроники и электротехники, Институт электроники и светотехники, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева, г. Саранск
Аннотация: в данной работе рассматриваются принципы построения и моделирования работы устройств силовой электроники, а также специализированные программные пакеты для исследования электрических схем.
Ключевые слова: устройства силовой электроники, трансформаторно-тиристорные преобразователи, алгоритм, модель.
Компьютерное моделирование в настоящее время является основным инструментом исследования, которое позволяет просчитать различные режимы работы электротехнического устройства и предсказать его поведение в аварийных режимах работы. Оно сочетает в себе малые затраты на проведение научных исследований и высокую эффективность [2].
В настоящее время разработка надежных бесконтактных устройств для регулирования напряжения нагрузки, ограничения токов КЗ или улучшения качества напряжения в схемах питания мощных электроприемников и их последующее внедрение невозможны без изучения электромагнитных и коммутационных процессов в переходных режимах работы, когда происходит перевод устройства из одного режима работы в другой. Учет характера таких динамических процессов необходим для определения оптимального алгоритма работы устройства. Это, в свою очередь, обеспечит минимальную перегрузку элементов силовой цепи устройства, а также позволит осуществлять надежную коммутацию полупроводниковых вентилей (тиристоров).
Программно-аппаратное моделирование (ПАМ, англ. hardware-in-the-loop simulation) представляет собой метод, который используется в разработке и испытании сложных встроенных систем реального времени. ПАМ обеспечивает эффективную платформу, при помощи добавления сложной системы управления для тестирования платформы.
