Параметричний синтез адаптивної мехатронної системи продуктопроводу транспортування харчових продуктів до дозаторів

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково- прикладної задачі підвищення ефективності процесів дозування харчових продуктів шляхом параметричного синтезу адаптивної мехатронної системи, що забезпечує автоматизовану зміну режимів подачі в умовах змінних фізико-механічних властивостей продукту. Основу дослідження становить аналіз динамічних характеристик та процесів керування приводами продуктопроводу в дозувальних модулях з урахуванням впливу конструктивних, пневматичних та масообмінних факторів на точність і стабільність подачі. Об’єктом дослідження є процес транспортування та дозування харчових продуктів у мехатронних пакувальних системах із продуктопроводом. Предметом дослідження є параметри та закономірності функціонування адаптивних мехатронних систем дозування з продуктопроводом, математичні моделі процесів подачі, а також методи параметричного синтезу систем керування, що визначають точність і стабільність дозування рідких і сипких харчових продуктів. Метою дисертаційної роботи є встановлення закономірностей впливу параметрів адаптивної мехатронної системи продуктопроводу дозувальних модулів для сипких і рідких харчових продуктів на точність та ефективність процесів дозування, а також розроблення підходів параметричного синтезу для удосконалення структурно-керуючих рішень цих систем у складі фасувально-пакувального обладнання. Для досягнення мети дослідження використано сукупність теоретичних і експериментальних методів, зокрема методи математичного моделювання процесів дозування з урахуванням нелінійної динаміки об’єктів керування, а також методи структурної і параметричної ідентифікації систем; імітаційне моделювання адаптивної мехатронної системи дозування реалізовано в середовищі Matlab/Simulink. Запропоновано методи формалізації вимог до функціонування системи у вигляді критеріальних функцій точності, швидкодії та енергоефективності, на основі яких проведено оптимізацію її параметрів із застосуванням інструментів чисельного моделювання, машинного навчання та стимуляційної оптимізації. Виконано аналіз впливу робочих коливань тиску, зміни в'язкості або сипкості продукту на характеристики дозування, розроблено адаптивні алгоритми компенсації таких збурень. Проведено експериментальну верифікацію моделі та підтверджено її здатність забезпечувати стабільну якість дозування як для рідких, так і для сипких харчових продуктів. Отримані результати забезпечують підґрунтя для створення ресурсоощадного та високоточного обладнання дозувально-фасувального типу з розширеним функціоналом самоналаштування. Дисертаційна робота складається зі вступу,п’яти розділів, висновків, списку літературних джерел та додатків.This thesis addresses the pressing scientific and applied challenge of improving the efficiency of food product dosing processes through the parametric synthesis of an adaptive mechatronic system that enables automated adjustment of feeding modes in response to changes in the product’s physical and mechanical properties. The research is based on an analysis of the dynamic characteristics and control processes of the product conveyor drives in dosing modules, taking into account the influence of structural, pneumatic and mass transfer factors on the accuracy and stability of the feed. The object of the study is the process of transporting and dosing food products in mechatronic packaging systems with a product conveyor. The subject of the study is the parameters and patterns of operation of adaptive mechatronic dosing systems with product conveyors, mathematical models of feeding processes, as well as methods of parametric synthesis of control systems that determine the accuracy and stability of dosing for liquid and bulk food products. The aim of this thesis is to identify the patterns governing the influence of the parameters of an adaptive mechatronic system for dosing modules in products conveyors for bulk and liquid foodstuffs on the accuracy and efficiency of dosing processes, as well as to develop parametric synthesis approaches for improving the structural and control solutions of these systems within filling and packaging equipment. To achieve the research objective, a combination of theoretical and experimental methods was employed, including methods of mathematical modellingof dosing processes taking into account the non-linear dynamics of controlled objects, as well as methods of structural and parametric system identification; simulation modelling of an adaptive mechatronic dosing system was implemented in the Matlab/Simulink environment. Methods are proposed for formalising system performance requirements on the form of performance criteria for accuracy, speed and energy efficiency, on the basis of which the system’s parameters have been optimised using numerical modelling, machine learning and simulation-based optimisation. An analysis has been carried out of the influence of operational pressure fluctuations and changes on the viscosity or flowability of the product on dosing characteristics, and adaptive algorithms have been developed to compensate for such disturbances. Experimental verification of the model has been carried out, confirming its ability to ensure stable dosing quality for both liquid and free-flowing food products. The results obtained provide a basis for the creation of resource-efficient and high-precision dosing and packaging equipment with extended self-tuning functionality. The thesis consists of an introduction, five chapters, conclusions, a list of references and appendices.