Научная статья на тему 'Структурный синтез процессорных средств для измерения размеров объектов'

Структурный синтез процессорных средств для измерения размеров объектов Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
113
33
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
ПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ / ОПЕРАТОРНЫЕ УРАВНЕНИЯ / ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ / МАТРИЦА РАССТОЯНИЙ / ЭТАЛОННЫЕ МНОЖЕСТВА / ОБЫКНОВЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ / ИТЕРАТИВНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ / ПОСТРОЧНЫЕ КЛАСТЕРЫ / PROCESSING MEANS OF MEASUREMENT / THE OPERATOR OF THE EQUATION / PERFORMANCE INDICATORS / DISTANCE MATRIX / THE REFERENCE SET / STANDARD MEASUREMENT / ITERATIVE MEASUREMENTS / LINE-CLUSTERS

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Дорошенко В. А., Усачев М. С.

Дорошенко В.А., Усачев М.С. СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТОВ. В статье предложен метод выбора операторных уравнений и структуры процессорных средств измерения размеров на основе функции расстояния между множествами, позволяющий выполнить формализованный переход от параметров и признаков технологического процесса к структурным схемам процессорных измерителей размеров объектов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Doroshenko V.A., Usachev M.S. STRUCTURAL SYNTHESIS OF THE PROCESSING MEANS FOR MEASURING THE SIZE OF OBJECTS. The method of operator equations choice and the structure of the processing means for measuring an object, based on the function of the distance between the sets, which allows to carry out the formal transition from same parameters and characteristics of the technological process to the structural patterns of processing measurement instruments to determine object sizes, has been proposed in this article.

Текст научной работы на тему «Структурный синтез процессорных средств для измерения размеров объектов»

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

// Лесная таксация и лесоустройство. - 2005. -№ 1(34). - С. 28-39.

6. Ильючик, М.А. Разработка методов оценки текущих изменений в лесном фонде по данным дистанционного зондирования хвойных лесов Беларуси: автореф. дисс. ... канд. с.-х. наук / М.А. Ильючик.

- Минск: БГТУ 2004. - 26 с.

7. Козодеров, В.В. Методы оценки почвенно-растительного покрова по данным оптических систем дистанционного аэрокосмического зондирования: учебное пособие / Т.В. Кэндранин. - М.: МФТИ, 2008. - 222 с.

8. Способ определения полноты древостоев / В.Ф. Давыдов, А.В. Корольков, Е.К. Новиков и др.

- Патент РФ № 2294622, 2007.

9. Myneni, RB., A.L. Marshak, and Y. V Knyazikhin, Transport theory for a leaf canopy of finite-dimensional scattering centers, Quant. Spectrosc. Radiat. Transfe, 46, 25 9-280, 1991.

10. Myneni, R.B., J. Ross, and 0. Asrar, A review on the theory of photon transport in leaf canopies in slab geometry, Agric. For. MeteoroL, 45, 1-165, 1989.

11. Shabanov, N.V., Huang, D., Yang, W., Tan, B., Knyazikhin, Y., Myneni, R.B., Ahl, D.E., Gower, S.T., Huete, A., Aragao, L.E., Shimabukuro, Y.E. (2005). Analysis and Optimization of the MODIS LAI and FPAR Algorithm Performance over Broadleaf Forests. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 43(8): 1855-1865.

СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТОВ

В.А. ДОРОШЕНКО, проф. каф. управления автоматизированными производствами лесопромышленного комплекса МГУЛ, д-р техн. наук,

М.С. УСАЧЕВ, асп. каф. управления автоматизированными производствами лесопромышленного комплекса МГУЛ

Особенностью синтеза распределенных систем управления технологическими процессами является то, что многовариантность компоновки технологического оборудования имеет множество условий, параметров и признаков, определяющих структуру систем управления в целом, и в особенности структуру системы датчиков как непосредственно воспринимающих изменения в технологической структуре: изменение диапазонов измеряемых параметров (длина, диаметр, толщина, кривизна, площадь и т.д.), изменение способа перемещения объекта обработки (продольное, поперечное, поперечнопродольное), изменение ориентации объекта измерения в процессе его перемещения, состояние поверхности измеряемого объекта, изменение способа подачи в зоне измерения (поштучная, групповая), изменение методов раскроя, сортировки и учета.

Принципиальная особенность процессорных измерительных средств (ПрИС) состоит в том, что в них программируемая часть входит в состав измерительной цепи и участвует в получении результатов измерения для реализации части измерительной процедуры

usachevmaksim@mail.ru

в числовой форме на программной основе. Изменение структуры измерительной цепи существенно меняет как функциональные и предельные возможности измерительных средств, так и методы их анализа и синтеза. В состав ПрИС входят первичный преобразователь, измерительный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, процессор. Основой формализованного описания измерительной процедуры является уравнение измерения в операторной форме. Уравнения измерений являются исходными при анализе конкретных измерительных задач, системотехнических задач по синтезу рациональной структуры процессорных измерителей, по распределению функций между аппаратной и программной частями. Уравнениям в операторной форме соответствуют структурные схемы процессорных измерительных средств.

В целом задача синтеза процессорных измерительных средств на множестве технологических операций, параметров и признаков технологических операций является многовариантной, многокритериальной, ее решение затрудняется тем, что:

136

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2012

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Таблица

Операторные уравнения процессорных измерительных средств

№ задачи Типовые измерительные задачи Операторные уравнения измерения

1 Прямые обыкновенные неитеративные измерения для одноканальной структуры — для многоканальной структуры ^Н^К,Л(Т)]Л*Ф]ЛЛ

2 Прямые обыкновенные итеративные измерения - для одноканальной структуры ^=№,Л(т)]л*Ф]ДЛ — для многоканальной структуры *;=№,м)]л*ф]л*х

3 Прямые с усреднением неитеративные измерения - для одноканальной структуры X* [ W, )]Л*Ф]Л*е]ЛЛ — для многоканальной структуры ^;=[5,Д^;[^Л(Г)]А,ф]А48]Д,Х

4 Прямые с усреднением итеративные измерения для одноканальной структуры 4=[WXM)] Atq>]AtB]AtX — для многоканальной структуры

5 Косвенные обыкновенные неитеративные измерения - для одноканальной структуры х*=[аду(г,)]Д,ф]Д4х — для многоканальной структуры Ч=[*Лу(*,)]Д4ф]ДЛ

6 Косвенные обыкновенные итеративные измерения - для одноканальной структуры ^;=[^,[^,У(^)]А,Ф]АЛ — для многоканальной структуры *'ЛадЛ)]Д*ф]Д^

7 Косвенные с усреднением неитеративные измерения - для одноканальной структуры Х;=[^[^[^У(^)]А,Ф]А,е]АЛ — для многоканальной структуры Х;=[5,Д^[^,у(Х)]А,ф]А,е]А4Х

8 Косвенные с усреднением итеративные измерения для одноканальной структуры ^;=[5,;[i?2j7[^j7y(X)]At(p]Ats]AtX — для многоканальной структуры ^>[5,,7[i?2y„[^Y(r)]Atcp]At£]AtX

Примечание: X* - результат измерений при j-том измерении; Rl'1 - преобразование, обратное к преобразованиям, выполняемым в аналоговой форме; X(X) - меняющийся во времени входной сигнал; у(У) - входное воздействие при косвенных измерениях; l - 1, 2, ..., n, l-й цикл измерений в j - том измерении; Sd -оператор усреднения, d - параметр усреднения; Дкф - интервал квантования аналого-цифрового преобразования; Дке - интервал квантования промежуточного преобразования при усреднении измерений; Д kX - интервал квантования результата измерения

- недостаточно, с точки зрения струк- - недостаточно выявлены аналитичес-

турного синтеза, разработана модель синте- кие и логические зависимости для формали-

за; зованного перехода от множества параметров

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2012

137

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 1. Структура процессорных измерительных средств для прямых и косвенных, обыкновенных и с усреднением неитеративных измерений: а - одноканальная структура; б - многоканальная структура с коммутацией аналоговых сигналов; в - многоканальная структура с коммутацией кодовых комбинаций

Рис. 2. Структура процессорных измерительных средств для прямых и косвенных, обыкновенных и с усреднением итеративных измерений: а - одноканальная структура; б - многоканальная структура с коммутацией аналоговых сигналов; в - многоканальная структура с коммутацией кодовых комбинаций

138

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2012

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

и признаков технологических операций к операторным уравнениям измерения и структуре процессорных измерительных средств.

Построению структурных моделей выбора при проектировании датчиков различного назначения посвящен целый ряд работ [1-4].

В статье предложена структурная модель и ее реализация при выборе операторных уравнений и структуры ПрИС.

Исходными являются параметры и признаки технологического процесса, определяющие выбор уравнения и структуры ПрИС. В качестве показателей эффективности определены технические характеристики светооптических преобразователей: число элементов в линейке (матрице), размер фоточувствительного элемента линейки (матрицы), расстояние между светочувствительными элементами, частота считывания сигналов, интегральная чувствительность линейки (матрицы), неравномерность интегральной чувствительности линейки (матрицы).

Основное операторное уравнение имеет вид [1, 3]

X* = R2 K R у, где X* - результат измерения;

R1 - преобразование, выполняемое в аналоговой форме;

К - аналого-цифровое преобразование;

R2 - преобразование, выполняемое в числовой форме;

Y - входное воздействие.

Наиболее распространенной классификацией измерений в метрологии является разделение на прямые и косвенные измерения и соответствующие им операторные уравнения (таблица)

Измерения, в которых воздействие на вход измерительного устройства осуществляется самой измеряемой величиной Х(Х), относятся к прямым измерениям. При косвенных измерениях на вход воздействуют величины, функционально связанные с измеряемой X = Ху), т.е. у(Г). Обыкновенные измерения - это те, при которых входное воздействие соотносится с моментом времени фиксации результата, т.е. результат формируется по разовому измерению однократно.

Усредненные измерения - это те, в которых входные воздействия соотнесены с временным интервалом, т.е. результат формируется по n-му числу измерений в течение временного интервала.

Итеративные измерения - циклические измерительные процедуры, при этом в каждом цикле алгоритм изменяется на основе информации, полученной на предыдущем цикле.

Структуры процессорных измерительных средств, соответствующие уравнениям 1, 3, 5, 7 (таблица), показаны на рис. 1, где 1111

- первичный преобразователь; ИП - измерительный преобразователь; АЦП - аналогоцифровой преобразователь; П - процессор; К

- коммутатор.

Структуры, соответствующие уравнениям (2, 4, 6, 8) (таблица), представлены на рис. 2 где rXjl,r¥,r2jl,rK0Mjll ,гщ ,гщ ,r2Jil - управляющие команды, осуществляющие трансформацию операторов R1, R2, k при переходе от l-го цикла к (l + 1)-му циклу.

Непосредственно выбор операторного уравнения и структуры процессорных измерительных средств заключается в следующем.

1. Из множества параметров и признаков технологических операций формируется упорядоченный ряд в целом для технологического процесса.

2. На основе упорядоченного ряда формируются эталонные множества, определяющие операторные уравнения для каждого измеряемого параметра. Принцип формирования эталонных множеств состоит в следующем. В каждое эталонное множество в качестве его элементов входят объект измерения, признак состояния поверхности (черновая, чистовая), способ перемещения объекта в зоне измерения (продольное, поперечное), наличие или отсутствие ориентации объекта в зоне измерения, один из измеряемых параметров, подача объекта в зоне измерения (поштучная, групповая). При этом в эталонное множество не должны одновременно входить два взаимоисключающих признака (черновая или чистовая поверхность, продольное или поперечное перемещение, ориентирован-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 4/2012

139

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ная или неориентированная подача, поштучная или групповая подача и т.д.)

3. Формируется симметричная матрица расстояний между эталонными множествами D3m = atj , в которой строки и столбцы соответствуют эталонным множествам. Элементы матрицы определяются на основе выражения

d =1-

M, rM,

‘ J

M. и¥

(1)

Числитель выражает число общих элементов двух множеств, знаменатель - суммарное число разных элементов двух множеств. Это выражение дает количественную оценку расстояния между двумя множествами, которое принимает значение от 0 до 1, dtj =0, если элементы двух множеств совпадают, и равно 1, если два множества не имеют не одного общего элемента.

4. По данным матрицы расстояний определяется пороговое расстояние между множествами

d_„=dmm +dmax . (2)

пор

С учетом порогового расстояния формируются построчные кластеры, элементами которых являются множества, расстояния между которыми меньше или равно пороговому dij^dmp,

5. На основе матрицы расстояний D3m и сформированных построчных кластеров формируются группы сходных и разнородных множеств. Для оптимизации разбиения этих групп определяется среднегрупповое расстояние

m

E(J)e4 Ydv

Rd =^~m---------, (3)

Iflr

1=1

где 1= 1, 2 ..., m - число кластеров;

Aj - число пар множеств, входящих в кластеры, расстояние между которыми удовлетворяет условию dy<d ;

d. - расстояние между парами множеств A, входящих в кластер;

С2п - число внутригрупповых расстояний в кластере;

п - число элементов (множеств) в кластере.

С учетом данных матрицы расстояний D3m и среднегруппового расстояния (3) эталонные множества проверяются на разнородность. Множества являются разнородными при условии dj {R . Проверка эталонных множеств на разнородность выполняется для исключения неопределенности при выборе операторного уравнения и структуры ПрИС.

6. Для выбора операторных уравнений и структуры ПрИС для технологических операций необходимо сформировать множества параметров и признаков этих операций относительно измеряемых параметров на основе исходных данных технологического процесса. Для выделения сходных множеств и соответствующих им операторных уравнений формируется матрица расстояний между множествами операций технологического процесса и эталонными множествами DT = dh\. Строки матрицы соответствуют множествам операций, столбцы - эталонным множествам. Элементы матрицы определяются в соответствии с (1).

7. По данным матрицы DT определяется пороговое расстояние между множеством технологических операций и эталонными множествами(2). С учетом порогового расстояния формируются построчные кластеры, элементами которых являются множества, расстояния между которыми меньше или равно пороговому dtj <dnop.

8. Для выделения сходных множеств матрицы DT определяется среднегрупповое расстояние в соответствии с (3). По данным матрицы DT и среднегруппового расстояния выделяются сходные множества по условию dj (R. Каждая пара сходных множеств (множества параметров и признаков технологической операции и эталонного множества) соответствует определенному операторному уравнению и структуре ПрИС. В результате формируется таблица, в которой каждой технологической операции соответствует операторное уравнение и структура ПрИС для контролируемых параметров.

На основе изложенного метода разработан алгоритм и программное обеспечение для структурного синтеза процессорных измерительных средств. На следующем этапе

140

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2012

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.