Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Донецький національний технічний університет
Ларін Віталій Юрійович
УДК 502.7:5.74
ІнформацІйно-вимірювальна система контролю
параметрів життЄдіяльності МОЛОДНЯКу свиней
05.11.16. - інформаційно-вимірювальні системи
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Донецьк - 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі електронної техніки у Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Винниченко Микола Григорович,
Донецький національний технічний університет,
МОН України, м.Донецьк
доцент кафедри електронної техніки
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор
Боличевцев Олексій Дмитрович
Українська інженерно-педагогічна академія
МОН України, м. Харків,
професор кафедри автоматики та радіоелектроніки
кандидат технічних наук, доцент
Сагайда Павло Іванович,
Донбаськадержавна машинобудівна академія,
МОН України, м. Краматорськ,
доцент кафедри комп’ютерних інформаційних технологій
Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ” МОН
України (кафедра автоматизаціі наукових досліджень), м. Київ
Захист дисертації відбудеться 20.03.2003р. o 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.052.03. у Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1-й учбовий корпус, к.201
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й учбовий корпус
Автореферат розісланий 17.02.2003 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради К 11.052.03
кандидат технічних наук, доцент Г.В. Мокрий
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В умовах побудови соціально-орієнтованої ринкової економіки України головною умовою розвитку трудового потенціалу є використання можливостей наукового потенціалу. Однією з найважливіших є задача забезпечення населення м'ясними продуктами вітчизняного виробництва. У вирішенні питань продовольчої безпеки галузь свинарства має безсумнівні переваги перед іншими галузями сільськогосподарського (с/г) тваринництва як найбільш ефективна. Особливо актуальною є проблема збереження молодняку свиней у віці до 60 і більш днів, тому що відхід їх у цьому віці в деяких господарствах досягає 60%. Збереження кожного поросяти підвищує ефективність відтворення потужностей господарств України.
Як у великих, так і в дрібних господарствах із-за відходу молодняку домогтися збіжності потенціально можливих і дійсних показників продуктивності без допомоги інформаційно-вимірювальних систем контролю параметрів життєдіяльності (ІВС КПЖ) практично неможливо. Контрольований моніторинг продуктивного циклу життєдіяльності молодняку дає можливість оперативно приймати рішення і підвищувати ефективність ветеринарної служби підприємств по проблемі збереження поголів'я.
Вирішенням цієї проблеми займалися багато організацій. Значні успіхи досягнуті фахівцями інституту свинарства Академії аграрних наук (ААН) України. Ними розроблені біотехнології виробництва свинопоголів’я. Велика різноманітність використовуваних станків для розміщення усіх вікових груп дозволяє підвищити їхні функціональні можливості шляхом оснащення інтелектуальними вимірювальними засобами. Розроблено способи присвоєння номерів молодняку, забезпечується контроль і підтримка температурного мікроклімату, системи контролю процесу годівлі на свинофермах фірм Німеччини, Нідерландів. Однак проблема збереження молодняку в даний час залишається актуальною. Відхід молодняку пояснюється інтенсивністю і швидкоплинністю патологічних відхилень процесу життєдіяльності, при яких заходи ветеринарних служб виконуються з запізненням. Складність проблеми збільшується багатьма параметрами які характеризують процес життєдіяльності молодняку на різних вікових контрольованих періодах.
В даний час відсутні системи для своєчасної організації лікувально-профілактичних, діагностичних заходів, усунення першопричин захворювань, ліквідації причин стресу молодняку. Отже, виникає проблема розробки прямих і непрямих методів та засобів контролю параметрів життєдіяльності молодняку свиней і створення на їхній основі адаптивних до вікових періодів ІВС. Створення ІВС КПЖ повинне базуватися на апробованих моделях.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Представлена дисертація є результатом НДР науково-технічної тематики Донецького національного технічного університету, номера тем 92-292, 94-292, Г15-94, Г14-94, Г8-99. Номера державної реєстрації: 81036707, 80023714, 01890004521, 0199U001143. НДР виконані відповідно до планів наукових досліджень, а також на підставі програми робіт з розробки методології й апаратури експрес-контролю обітованого середовища і стану біооб'єктів, затвердженої в 1993р. інститутом свинарства ААН України і програми науково-технічного розвитку Донецької області на період до 2020 року в сфері біотехнологій.
Мета і задачі роботи: Метою роботи є розробка інформаційно-вимірювальної системи контролю параметрів життєдіяльності молодняку свиней шляхом встановлення інформативних параметрів для контрольованих періодів життєдіяльності, виміру і безупинному спостереженні за їхніми відхиленнями від установлених норм з урахуванням вікових змін, автоматизації процесу вимірів і оперативній видачі інформації про стан здоров'я молодняку ветеринарній службі для прийняття рішень.
Для досягнення мети потрібно вирішити наступні основні наукові задачі.
1. Встановити контрольовані періоди процесу життєдіяльності молодняку свиней, знайти й обґрунтувати основні інформативні параметри оцінки здоров'я молодняку свиней.
2. Розробити метод і засоби присвоєння індивідуального гніздового номера (коду) з використанням природної ознаки, що забезпечують ідентифікацію номера молодняку свиней.
. Знайти способи стаціонарного виміру кислотності слини і температури молодняку, а також вологості приміщення для створення інформаційно-вимірювальної підсистеми контролю параметрів раннього періоду життєдіяльності молодняку.
. Розробити адаптивну до вікових періодів життєдіяльності з потрібними метрологічними характеристиками (МХ) інформаційно-вимірювальну підсистему контролю інтенсивності росту молодняку свиней.
. Розробити універсальні мобільні багатоканальні вимірники (УМВ) температури, фоно- і електрокардіограм, і на їхній основі інформаційно-вимірювальну підсистему що забезпечує автоматизацію процесу вимірювання і аналізу електрофізіологічних параметрів молодняку свиней.
. Розробити структуру ІВС КПЖ, адаптивну до контрольованих періодів життєдіяльності молодняку.
Об'єктом досліджень є моніторинг продуктивного циклу життєдіяльності молодняку свиней.
Предметом досліджень є технічні засоби вимірювання, способи іх установки, і інформаційно-вимірювальні системи контролю параметрів життєдіяльності.
Методи досліджень. Сформульовані в дисертаційній роботі наукові задачі досліджень реалізовані з використанням наступних методів. Встановлення інформативних параметрів, обґрунтування і мінімізація незалежних контрольованих змінних для вікових груп виконані методами експертних оцінок, і планування експерименту. Розробка математичних моделей для відновлення електрофізіологічних сигналів і одержання аналітичних залежностей типових фрагментів пульсограм виконана методом перетворення Фур'є. Розробка вимірювальних засобів базується на використання положень теорії похибок, цифрових методів підвищення якості метрологічних характеристик за рахунок уточнення метрологічної моделі, методів структурування вимірювальних каналів, оптимальної лінеаризації. Перевірка адекватності теоретичних положень реальним процесам виконана методами імітаційного моделювання і САПР із використанням пакетів прикладних програм.
Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі отримані і сформульовані наступні нові наукові результати:
. Знайдені й обґрунтовані інформативні параметри, що характеризують установлені контрольовані періоди, які забезпечують моніторинг за станом здоров'я молодняку свиней.
2. Запропоновані вперше метод і засоби присвоєння індивідуального гніздового номера (коду) з використанням природної ознаки молодняку свиней шляхом нанесення на кінцівки металізованих міток, що замикають при перебуванні його на ідентифікаційній площадці приводні елементи, виконані у виді вилучених від вимірювального формувача коду металевих не замкнутих накоротко витків.
. Розроблено новий спосіб контролю параметрів життєдіяльності молодняку раннього періоду, при якому відсутня зворотна дія вимірювального засобу, а кислотність слини і температуру тіла вимірюють в момент натискання носовим дзеркалом на механізм стаціонарних автопоїлок, у які вбудовують швидкодіючі іон-чуттєві і напівпровідникові плівкові термоперетворювачі..
4. Реалізовано спосіб визначення інтенсивності росту молодняку, що виключає стресові ситуації при зважуванні за рахунок непомітно вбудованих ваговимірювальних засобів, що використовують магнітопружні первинні перетворювачі (МПП), що відрізняються від відомих ідентичністю номінальних характеристик перетворення, досягнутих виключенням сукупності компенсованих систематичних складових похибок від збурюючих електромагнітних факторів і конструкції чуттєвого єлемента.
5. Запропоновано метод відновлення ЕКГ-сигналів і одержання аналітичних залежностей типових фрагментів з метою автоматизації аналізу інформації.
. Розроблена багатоканальна структура ІВС КПЖ, що забезпечує контроль вікових груп і вибіркову оцінку процесу життєдіяльності молодняку з метою ліквідації падіжу на всіх контрольованих періодах.
Практичне значення отриманих результатів. На основі запропонованого класифікаційного аналізу особливостей і визначеного для контрольованих періодів мінімально необхідного набору інформативних параметрів створюєтся можливість оцінки процесу життєдіяльності з допомогою вимірювальних засобів вбудованих в станки для утримання вікових груп молодняку. Удосконалені таким чином станки пристосовані для застосування ІВС КПЖ.
Розроблені вимірювальні засоби, підсистеми, ІВС КПЖ є завершеними технічними рішеннями і можуть використовуватися частково, або в повному обсязі в залежності від призначення та специфіки підприємства.
Виконані у дисертаційній роботі дослідження впроваджені наступним чином.
. Впроваджені підсистеми контролю індивідуального приросту ваги молодняку на підприємстві “1 Травня” Кагарлицького району, Київської області. Розроблені ваговимірювальні пристрої високої чутливості установлюють на нульовій відмітці станка або приміщень непомітно для тварини, що виключає стресові явища і, як результат, утрату ваги при зважуванні. Використання їх для зважування свиней, що досягли товарної ваги, чи на будь-яких с/г підприємствах принесе значний економічний ефект.
. Розроблена методика визначення класу точності ІВС у реальному часі, і пристрої зважування на основі розроблених магнітопружних первинних перетворювачів (МПП) впроваджені в ІВС контролю маси доз компонентів установки типу АДС для підвищення точності складу рецептурних сумішей у цеху №2 Черкаської бісквітної фабрики.
3. Запропоновані структури УМВ, а також алгоритми відновлення сигналів використані в НДР № Г8-99 ДонНТУ при розробці ІВС контролю реакції живого організму на зовнішні фактори й у системах реєстрації біомедичних сигналів. При цьому підвищується вірогідність відновленого сигналу.
4. Розроблені в ІВС КПЖ методи і засоби використані при складанні бізнес-плану для проведення наукових досліджень на біотехнологічних комплексах з метою відпрацьовування оптимальних рецептур і доз кормових сумішей шляхом дослідження реакції організму на споживану дозу і вид компонента суміші, що гарантує якість виробленого м'яса. Бізнес-план одержав схвалення на інвестиційне фінансування.
5. Розроблені теоретичні і практичні результати використовуються при проведенні науково-дослідної роботи зі студентами, у лекціях, лабораторних роботах, методичних вказівках по курсам “Основи інженерної творчості”, “Системи автоматизованого проектування”, “Мікропроцесорні системи контролю і керування”, у курсовому і дипломному проектуванні кафедри електронної техніки ДонНТУ.
Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів, що виносяться на захист. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачу належить: у [1] запропоноване використання ЕОМ і автоматизація контролю параметрів життєдіяльності; у [5] –принцип дії вологоміра; у [8] - методи уніфікації вимірювальних пристроїв; у [10] –методи ідентифікації коду молодняку;
Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення, прикладні результати й апробація роботи доповідалися, обговорювалися і були схвалені на 15 всеукраїнських і міжнародних наукових конференціях у містах: Києві, Харкові, Полтаві, Таганрозі, Донецьку, Севастополі, Одесі, Черкасах, Сумах, Львові: “Удосконалювання існуючих, створення і використання нових генотипів і технологій у свинарстві”, Полтава, 1993. “Охорона навколишнього середовища і раціональне використання природних ресурсів”, Донецьк, 1995. “Екологія промислового регіону”, Донецьк, 1995. “Сучасна електроніка - каталізатор НТП”, Харків, 1996. VII Усеукраїнська, Донецьк, 1997. 2 форум “Радіоелектроніка і молодь у ХХ1 столітті”, Харків, 1998. “Комп'ютерні технології в інженерній і управлінській діяльності”, Таганрог, 1999. “СІЕТ-99”, Донецьк, 1999; Київ, 2000. “Практика і перспективи розвитку інституційного партнерства”, Таганрог, 1999, 2002. “Інформаційні технології в науці й освіті”, Черкаси, 1998, 2000. “Наука і молодь”, Київ, 2001. “Проблеми аграрного виробництва”, Львів, 2002.
Публікації. По темі дисертації опубліковано 22 роботи, у тому числі 11 статей у виданнях, затверджених ВАК України, з них 7 без співавторів.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з введення, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел і додатків.
Робота містить –сторінок тексту, з них –стор. основного тексту, 82 рис., 27 табл., 2 додатків, 155 використаних першоджерел - на 10 сторінках.
У вступі обґрунтована актуальність теми, визначена мета, поставлені наукові задачі досліджень, сформульовані наукові положення і практична цінність, приведені зведення про реалізацію й апробацію дисертаційної роботи.
У першому розділі приведені результати досліджень продуктивного циклу життєдіяльності молодняку свиней. Установлено, що навіть на передових закордонних підприємствах не вирішене питання збереження молодняку: від однієї свиноматки вони мають у рік всього 20-22 одиниці, що досягають товарної ваги, при можливих 42-х. Аналіз відомих способів і засобів контролю прямих і непрямих параметрів життєдіяльності виявив відсутність придатних для побудови ІВС КПЖ для умов свиноферми.
Визначено три контрольовані вікові періоди: перший (ранній) –від 1-го до 7-ми днів, другий - від 8-ми до 60-ти днів і третій - до досягнення товарної ваги. Встановлено інформативні параметри моніторингу за станом здоров'я молодняку свиней.
Обґрунтовано спосіб контролю інтенсивності росту шляхом визначення середньодобового приросту ваги молодняку за допомогою вагових пристроїв, побудованих на базі МПП. Спосіб придатний для непрямого судження про процес життєдіяльності усіх вікових груп.
Установлено, що відомі конструкції і схемні рішення МПП не враховують впливаючі факторі, від яких залежить їхня взаємозамінність і висока чутливість при малих навантаженнях.
На підставі проведених досліджень визначені наукові задачі дисертаційної роботи.
В другому розділі на підставі аналізу основних фізіологічних констант і особливостей молодняку свиней розроблені вимірювальні технічні засоби (ВЗ) для побудови ІВС КПЖ і можливі способи їхньої установки на об'єкті.
Обґрунтовано необхідність комплексного контролю температури шкірного покриву tkп. При цьому враховується характер розподілу tkп і параметри повітря: температура tв, швидкість в і вологість Wв. Отримане в результаті обробки інформації наглядне відображення розподілу tkп (рис.1), що відповідає природному а) і тривожному б) станам, зберігається в базі даних і використовується для оцінки життєздатності молодняку.
|
tкп tв = 25С а) |
tкп tв = 5С б) |
Рис. 1. Зміни температури шкірного покриву tkп від температури повітря tв
При сприятливій tв, = 25С розподіл tkп при максимальній tkпmax = 37С рівномірний. Різниця температур не перевищує 1С, стосовно ректального яка дорівнює 39С, tkр = 3С При зниженні tв до 5С –нерівномірність температури шкірного покриву значно збільшується : розкид tkп при максимальній tkпmax= 30С досягає 15С стосовно tkр = 24С.
Таким чином, при зниженні tв від 25 до 5С середня tkп знижується від 37 до 25С, середньоквадратичне відхилення tkп збільшується від 0,44 до 4,4. Якщо розкид температур між кінцівками і центральною частиною значний, у 1м/с, то перебування при підвищеній вологості приводить до масових захворювань. Падіж з цієї причини складає 20-30% і вище.
Для вимірювання температури пропонуються способи установки ВЗ на об'єкті - з використанням спеціальних мікроелектронних модулів, що закріплюються всередині вушної раковини чи на вимірювальному поясі, який служить одночасно прив'язним.
Як ідентифікатор коду поросят, число яких в одному станку не перевищує 14, використовується природна ознака об'єкта - чотири кінцівки. На них з необхідною комбінацією, що забезпечує вироблення 4-х розрядного двійкового коду, наносяться металізовані мітки.
При дії на площадку вони утворять короткозамкнуті витки, що вносять утрати у відкритий контур чутливих елементів (ЧЕ), ввімкнутих у зворотний зв'язок генераторів, працюючих у м'якому режимі збудження. На виході пристрою дискретної дії відповідно до коду з'являються сигнали логічної одиниці. Площадка пристрою ідентифікації служить силовводним елементом пристрою контролю.
Для контролю вологості повітря в приміщенні розроблений універсальний вологомір. Принцип дії його заснований на вимірі часу падіння сорбенту в повітряному середовищі під дією сили ваги між двома фіксованими точками простору. На підставі використання рівняння руху сорбенту визначені значення сил через параметри сорбенту і взаємодіючого з ним середовища. Отриманий час t падіння сорбенту:
,
де: - щільність падаючого сорбенту, g прискорення вільного падіння, з - щільність повітря, t - t1- промежуток часу падіння сорбенту з вихідної точки відповідно до першої А і до другої В (на відстані а і b). Якщо відлік часу починається і закінчується у фіксованих точках А і В, то формула для визначення прийме вид:
.
З урахуванням щільності сорбенту св при нормальних умовах барометричного тиску повітря P у мм. рт. ст, температури повітря в приміщенні, вологості повітря W по знайденій визначається як:
.
Результат виміру не залежить від відстані між точками в межах падіння S = 0,60 (рис 2, а) м і S = 0,10 м рис 2, б), але залежить від щільності сорбенту. W при різних значеннях: св =1,4кг/м; і 1,6 кг/м 2,0 кг/м.
Час падіння t(S = 0,10, 1,6) = 0,027 і t(S=0,60,1,6)=0,828, а вологість W(t, S =0,10, 1,6) = 3,629; W(t, S = 0,60, 1,6) = 3,629 не зміниться.
Рис. 2. Визначення вологості повітря W |
Виконаний аналіз відомих засобів виміру параметра кислотності (рН) і конструкцій автопоїлок дозволяє забезпечити реалізацію ВЗ контролю кислотності слини. У якості первинного перетворювача використані сучасні іон-чуттєві елементи фірми Leeds-Northrup зі швидкодією 0,45с. Це дозволяє вимірювати кислотність (рН) слини до початку вживання рідини твариною. Убудовані в стандартні автопоїлки ВЗ не роблять зворотного впливу на об'єкт перших семи днів життєдіяльності.
Експериментально, на основі виготовлених ВЗ у виді модулів реєстрації електрофізіологічних параметрів, установлено, що вони придатні для використання в стаціонарних умовах дослідження процесу життєдіяльності живого організму: фіксації частоти пульсу, температури і відхилень цих параметрів від норм. Ці ВЗ мають аналогові вихідні сигнали, що знижує їх завадостіїкість.
Результати моделювання поетапної обробки отриманих ЕКГ- сигналів (рис. 3): фільтрація, диференціювання, випрямлення забезпечують покрокове визначення QRS-комплексу і ритмограми, для подальшого ЕКГ- аналіза алгоритмічними методами.
На підставі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень розроблена структура ІВС КПЖ (рис. 4), що складається з трьох підсистем, що можуть використовуватися в сукупності і як самостійні.
Процес життєдіяльності поросят-сосунів від 1 до 7 днів оцінюється підсистемою контролю параметрів у ранньому періоді (ІВС КРП). Характеристикою цього періоду є інформація, що надходить від зовнішніх стосовно об'єкта ВЗ. Контрольовані параметри: кислотність слини і температура тіла, вологість повітря.
Рис. 3. Фрагмент покрокового визначення QRS-комплексу і ритмограми
Вимірювальний канал вологості повітря включає: пристрій переміщення сорбенту ППС, блоки: приводних і чуттєвих елементів ПБЧЕ, генератора БГ, приймача БП, контролера БК, пристрій зв'язку (ПЗО) з ПЕВМ і цифровий індикатор вологості ЦІВ, а також електромагніт приводу руху сорбенту ЕМ.
Вимірювальний канал параметрів кислотності слини і температури складається відповідно з вбудованих в автопоїлки датчиків температури ті кислотності слини, в вигляді блоків 1ДТ –ДТ і 1ДК–ДК, де 14 –кількість об’єктів в станку, з нормуючими перетворювачами, підключеними до блоків PIK-контролерів.
Контроль інтенсивності росту поросят усіх вікових груп забезпечує підсистема ІВС ІР, що складається з вимірювальних каналів (ВК) маси з ідентифікаторами коду. Відмінна риса - відсутність наглядної ознаки зважування з метою виключення стресових ситуацій, рішення проблеми присвоєння індивідуального коду і використання МПП для виміру малих значень сил.
Структура третьої підсистеми ІВС КФП складається з каналів виміру електрофізіологічних параметрів і забезпечує визначення температурного гомеостазу, параметрів серцевої діяльності.
Рис. 4. Структурна схема ІВС КПЖ
Для промислового застосування розроблений УМВ що включає датчики температури, фоно- і кардіограми, передавач і приймач. До складу передавача УМВ входять датчики: ДТ1 - ДТ3температури tkп, Декг/ефг датчики фоно- чи кардіосигналів, К1-К3 електронні ключі, ДШ1 дешифратор, СТ лічильник, ТГтактовий генератор, АЦП - аналого-цифровий перетворювач, ЗГ генератор несучої частоти, Ммодулятор, П передавач. У випадку використання радіоканалу замість оптичного випромінювача підключається високочастотний підсилювач потужності з антеною. На вхід АЦП із послідовністю (1с:1с:1с:1с), що задається розрядністю дешифратора DC, лічильника СТ і частотою тактового генератора ТГ подаються дані про температуру шкірного покриву.
Аналогічно надходять сигнали про кардіограму чи фонограму. Дані перетворюються в послідовну цифрову форму, потім складаються з тактовими синхроімпульсами в амплітудних співвідношеннях 4:1 і надходять в амплітудний модулятор М, що модулює коливання генератора ЗГ. Їх випромінює оптичний випромінювач, що працює в інфрачервоному діапазоні з довжиною хвилі 0,94 мкм. або через радіопередавач.
Сигнали приймає ФЕП- фотоелектронний пристрій, підключений через резонансний підсилювач А2 (а) або через радіоприйомний пристрій ПУ (б). Далі сигнал відновлюється до логічних рівнів КМОП - мікросхем компараторами сигналу і тактових синхроімпульсів К1 і К2. Синхронізовані по фазі і частоті, тактові імпульси перетворяться дільником частоти 2 в імпульси з частотою 1Гц, надходять на вхід лічильника СТ, а потім на дешифратор DC, що керує роботою ключів МХ, комутуючих виходи відповідно каналів температур шкірного покриву, кардіо- чи фонограм.
Третій розділ присвячений розробці математичних моделей, що забезпечують одержання максимальної потужності досягнутої в результаті скорочення відходу за рахунок видачі оперативної інформації ветерній службі в процесі роботи ІВС КПЖ на заданому промежутку часу продукційного циклу життєдіяльності молодняку:
max ,
де - добуток кількості голів на товарну вагу.
ІВС КПЖ складається з 3-х підсистем (PSI ,i= 1, 2, 3). Кожна PSI характеризується своїми змінними, взаємозалежними певним чином у виді моделей, (MPSI j , j = 1, 2, 3), що описує властивості об'єкта. Модель функціонування ІВС представимо у виді:
MIIS=(X,Н,Y,R,,),
де X - безліч станів об'єктів, контрольованих на визначеному проміжку часу продуктивного циклу життєдіяльності молодняку, Н - параметри, що відповідають нормі, Y - безліч вихідних цільових функцій підсистем, визначених на безлічі X, H, R - безліч рішень, моделюючих у системі для вироблення пропозицій обслуговуючому персоналу. х R - безліч функцій зміни підсистеми під впливом прийнятих рішень, х R вых - безліч змін функцій виходів, отриманих у результаті впливу функцій R. Для досягнення ІВС КПЖ свого цільового призначення в усі періоди життєдіяльності молодняку свиней для інформаційно-вимірювальних підсистем розроблений ряд методів, спрямованих на підвищення точності визначення параметрів.
|
Рис. 5. Модель функціонування ІВС КПЖ |
Для реалізації запропонованої підсистеми ІВС ІР вирішені задачі зменшення похибок, підвищення чутливості й ідентичності статичних характеристик МПП. Відповідно до закону електромагнітної індукції діюча напруга Uі на вимірювальній обмотці wи визначається як Uі = кВm f. Звідси випливає, що рівень вихідного сигналу залежить від частоти напруги, що живить обмотку збудження МПП. На підставі досліджень принципових основ магнітопружного ефекту, а також стендових випробувань розроблений метод підвищення чутливості ваговимірювальных пристроїв за рахунок підвищення частоти в обмотці збудження МПП, створюваної цифровим джерелом напруги, частота, форма й амплітуда якого стабілізуються в обраному діапазоні. Виконаний аналіз результатів експериментальних досліджень виявив причини розкиду статичних характеристик МПП (рис. 6). На рис. 7 приведені характеристики намагнічування МПП нормованої конструкції при f = 50, 200, 400. 800, 1000 Гц відповідно зверху вниз. Висока чутливість і лінійність характеристик перетворення отримана на частоті 1000 Гц при включенні вимірювальних обмоток МПП у контур схеми LC - генератора, що виконує функції підтримки вихідного детектора вимірювальної схеми у відкритому стані при малих рівнях сигналу, динамічний діапазон розширюється: для великих сил обмежений механічною міцністю, для малих сил –чутливістю вторинного перетворювача. У результаті запропонована структура пристрою зважування і джерела живлення МПП. Розроблено заходи щодо виключення додаткових похибок пружних механічних вузлів конструкції МПП. Установлено що, на відміну від відомих способів конструювання, зусилля стиску пакета повинне бути контрольованим і визначене його кількісне значення для ЧЕ ваг молодняку свиней у діапазоні від 0 до 200 кг. При виконанні цих умов ідентичність статичних характеристик складає 0,5% для заданої межі виміру.
|
Рис. 6. Область розкиду характеристик МПП |
Рис. 7. Характеристики намагнічування МПП нормованої конструкції |
Для досягнення збіжності лінійних характеристик перетворення двох МПП: у=k(a+b x) і y=k(a+b x) (рис. 8) необхідно виконати умову: у(x)=у(x) за рахунок зміни коефіцієнтів уніфікації сигналів k, k за умови, що
|
. З отриманого рівняння випливає, що при k=const для забезпечення ідентичності при будь-яких значеннях x необхідно виконати умови a= 0 і a =0, тоді k= і не залежить від величини x. У такому випадку при x близьких kx характеристики збігаються. |
Рис. 8. Характеристики перетворення МПП |
Якщо відрізняються - відносна різниця для ряду значень x виявиться рівною:
,
то для зменшення похибок градуювання треба робити в точці .
Вирішено задачі відновлення вимірювальної інформації за допомогою рядів Фур'є. Метод відрізняється від відомих тим, що шляхом додаткової апроксимації рядом Фур'є інтервалов досліджуваної цифрової функції відрізками в інтервалі (0, 2) забезпечується визначення коефіцієнтів ряду Фур'є з найменшою похибкою. У результаті відновлення ЕКГ-сигналів молодняку свиней можна аналітично описати обмірювані вибірки, інформативним параметром яких є коефіцієнти ряду. Це дає можливість порівнювати поточну інформацію з нормами відповідними відомим признакам захворюваннь, відкідати ту що не потребує аналізу і видавати інформацію, що відрізняеться, фахівцям для прйняття рішень.
Розроблено алгоритм відновлення кардіосигналу:
1. Визначається кількість точок n, якими заданий графік пульсограми.
. Виконується узгодження цієї кількості точок з числом членів ряду Фур'є:
(Kmax=[ціла част. Kish/n]*n)+n-1,
де Kish –початкова кількість точок після лінеаризації кардіограми відрізками, що забезпечує визначення коефіцієнтів ряду Фур'є з найменшою похибкою і побудову функції виду:
.
. Виконується розрахунок а .
4. Виконується підвищення точності відновлення сигналу. Для цього дві сусідні точки в інтервалі (0, 2) досліджуваної пульсограми з'єднуються прямою і знаходиться її рівняння виду y=аk x+bk. Цей відрізок розбивається на k точок.
. Розраховуються коефіцієнти аkі bk при cos kx і sin kx для всіх k.
Тому що інтервал (0, 2) поділяється на n рівних частин за допомогою точок
x= 0, x, x, xn-1 , xn = 2, xi = i 2 / n, x = 2/n, то:
, , де yi = f(xi).
6. Виконується побудова графіка функції, що задана точками.
У четвертому розділі проведені теоретичні й експериментальні дослідження МХ підсистеми контролю інтенсивності росту. Обґрунтовано форму представлення показників точності вимірів (ПТВ) і оцінку МХ при атестації МПП. З метою атестації вимірювального засобу, побудованого на базі МПП, розроблена експериментальна установка, визначена форма представлення ПТВ інтервалом , у якому з встановленою імовірністю Р знаходиться не виключений залишок систематичної складової похибки вимірів , стандартною апроксимацією щільності розподілу імовірностей , випадковою складовою похибки виміру й оцінкою , СКВ випадкової складової похибки вимірів:
.
З урахуванням приведених розрахунків, задана форма представлення ПТВ задовольняє поставленим вимогам для даного діапазону вимірів від 0 до 200 кг. Виходячи з принципу дії МПП і на основі експериментальних даних прийнято антимодальний закон розподілу ІІ роду. При контролі і регулюванні параметра ваги з двостороннім обмеженням припустима похибка в кілограмах, що не перевищує 1/6 допуску на параметр. Остаточно форма представлення показників точності МПП:
від 0,0015 до 0,025; Р = 0,997; 0,012 ан II.
Розроблена методика перевірки МХ ІВС ІР дозволяє оцінювати клас точності ІВС у виробничих умовах. Установлено граф складових похибок виміру і розроблена схема експериментальної установки. Розглянуто складові похибок, джерела їхнього виникнення і знайдені шляхи їхнього скорочення.
На підставі експериментального визначення функції перетворення абсолютних і випадкових похибок вимірів, виконаний аналіз метрологічної моделі для структурної схеми прямого перетворення у випадку нелінійної вихідної характеристики системи. Для визначення метрологічних характеристик прийнята наступна модель:
|
, |
де |
відповідно систематична, випадкова і мультиплікативна погрішності щодо вихідної величини. За час вимірів установлено, що = 0, тоді метрологічна модель буде.
Для інтервалу [xi, xi+1] приймаємо . Основна похибка виміру:
|
по у: |
по х: |
Уточнена метрологічна модель: |
|
. |
На підставі виконаних розрахунків визначено максимальне значення систематичної похибки, максимальне значення випадкової похибки та отримано значення основної похибки вимірів:
|
по виходу у: |
по входу х: |
значення основної похибки, кг: |
|
=0,0323+0,0416=0,0739 |
Проведені дослідження дозволяють визначити клас точності kt вимірювального засобу:
kt=[(+)/P S x]100, ,
де Sx –номінальна функція прямого перетворення
У випадку нелінійної вихідної характеристики системи шляхом метрологічних досліджень структурних схем вимірювальних каналів за принципом урівноваженого перетворення, побудовані канали виміру маси ІІС ІР. Розроблено методику перевірки МХ, що дозволяє оцінювати клас точності ІІС ІР у виробничих умовах. На підставі приведених вище досліджень розроблена програма метрологічної атестації ваговимірювальних пристроїв і методика конкретного використання результатів для визначення класу точності ІВС у реальному часі.
У п'ятому розділі приведені алгоритми функціонування ІВС КПЖ, використання і впровадження результатів роботи. Найбільш складним у запропонованій ІВС КПЖ є аналіз
фізіологічних параметрів, виконуваний підсистемою ІВС КФП.
У залежності від області використання ІВС КФП виконуються наступні функції:
- на свинофермах - реєстрації перевищення чи зниження температури шкірного покриву і частоти пульсу над припустимими межами, аналіз інтенсивності цих відхилень, відображення результатів, формування списків першочергового ветеринарного обслуговування;
- на біотехнологічних комплексах чи комбікормових заводах, де молодняк утримують у якості дослідного свинопоголів'я для наукових досліджень. Виконуються функції відновлення сигналів рядом Фур'є, накопичення інформації, ідентифікації пульсограм; дослідження реакцій живого об'єкта на зовнішні впливи.
Для дослідження адекватності теоретичних положень виконані моделювання і розроблено алгоритм візуального сприйняття динаміки зміни характеру розподілу температур на шкірному покриву молодняку. У реальному часі відбувається відображення зміни температури в характерних точках організму і порівняння з нормами. Використовуючи статистичні дані і результати вимірів стає можливим аналіз стану молодняку і вживання необхідних заходів для його стабілізації.
За результатами експериментальних досліджень на різних с/г підприємствах перевірена адекватність теоретичних положень реальним фізичним процесам. Інструментальні дані про основні параметри (температури і пульсу) дозволили шляхом моделювання статистичних даних установити рівні кореляційної залежності між ними на різних стадіях стану здоров'я молодняку свиней. Прийнято поріг кореляції rб=0,53, після досягнення якого необхідно видавати інформацію про негайне прийняття лікувальних заходів.
Результати впровадження підсистеми визначення інтенсивності росту з ідентифікацією номера в умовах с/г підприємства “Травня”, Кагарлицького району, Київської області показали ефективність використання даного показника для оцінки стану здоров’я молодняку свиней та високу надійність роботи вагового вимірювального пристрою.
У ІВС контролю маси доз установки типу АДС на Черкаській бісквітній фабриці впроваджені методики перевірки МХ і алгоритм визначення класу точності ІВС у реальному часі. Це дає можливість скоротити час, затрачуваний на перевірку, ліквідувати ризики випуску бракованої продукції, підвищити прибуток підприємства.
Результати аналітичних досліджень, залежності типових фрагментів електрофізіологічних параметрів і їхні графічні інтерпретації, та розроблені модулі використані при проведенні наукових досліджень у д/б тематиці Дон НТУ № Г8-99.
Розробки по підвищенню чутливості й ідентичності характеристик і виконані в співавторстві експериментальні зразки МПП і НТД передані хлібозаводу №14, м. Донецька відповідно до г/д тематики № 00-292, 2000 р.
Розробки по темі дисертації широко використовуються в навчальному процесі
У висновку сформульовані наукові і практичні результати дисертаційної роботи.
ВИСНОВОК
У дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача розробки ІВС КПЖ молодняку свиней. Рішення цієї задачі має важливе народногосподарське значення для всіх галузей тваринництва в зв'язку з необхідністю збереження поголів'я. Реалізація ІВС внесе істотний внесок у науково-технічний прогрес створення ІВС для вітчизняного тваринництва. Наукові і практичні результати роботи полягають у наступному.
1. Обґрунтовано види інформативних параметрів, що характеризують контрольовані періоди процесу життєдіяльності молодняку. Установлено показові рівні кореляції для оцінки стану здоров'я між частотою пульсу і температурою шкірного покриву. Запропоновано класифікаційний аналіз особливостей, і необхідний набір вимірювальних засобів для оцінки процесу життєдіяльності в контрольовані вікові періоди дає можливість удосконалити станки для розміщення різних вікових груп молодняку і вибрати найбільш оптимальні для господарств.
. Запропоновано метод і засоби присвоєння індивідуального номера (коду) з використанням природної ознаки об'єкта шляхом нанесення металізованих міток на кінцівки. Розвинуто теорію статично безконтактних вимірювальних засобів у напрямку взаємодії приводних і чуттєвих елементів, включених у чотириполюсник зворотного зв'язку генератора, що працює в режимі м'якого збудження. При цьому виключається взаємний вплив системи “ВЗ- об'єкт”і підвищується надійність ІВС.
. Розроблені вимірювальні засоби, підсистеми і в цілому ІВС КПЖ є завершеними технічними рішеннями і можуть використовуватись частково чи в повному обсязі в залежності від призначення і специфіки с/г підприємства.
. Запропоновано метрологічну модель автоматизованої повірки в виробничних умовах вбудованих ваговимірювальних засобів, розроблених на основі МПП, що відрізняються від відомих ідентичністю номінальних характеристик перетворення, досягнутих виключенням сукупності компенсованих систематичних складових похибок від збурюючих електромагнітних факторів і конструкції чутливого елемента.
Реалізовано спосіб визначення інтенсивності росту молодняку під час звичного способу життя, що виключає стресові ситуації при зважуванні і утрати ваги.
. Запропоновані алгоритми відновлення електрофізіологічних сигналів рядом Фур'є можуть знайти практичне застосування в системах реєстрації аналогових біомедичних сигналів. При цьому підвищується вірогідність відновленого сигналу і розширюються можливості автоматизації ЕКГ-аналізу в реальному часі за рахунок поточного аналітичного представлення вимірюваних пульсограм .
6. Запропоновано багатоканальну структуру ІВС КПЖ і математичну модель процесу життєдіяльності молодняку, що забезпечує контроль вікових груп та вибіркову оцінку процеса життєдіяльності молодняку з метою ліквідації відходу на всіх контрольованих періодах. Підвищується ветерінарне обслуговування, якість та рівень автоматизації вимірюваннь.
Пропозиції по розробках дисертаційної роботи ввійшли в програму науково-технічного розвитку Донецької області на період до 2020 року в сфері біотехнологій.
ОПУБЛІКОВАНІ ПРАЦІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
АНОТАЦІЇ
Ларін В.Ю. Інформаційно-вимірювальна система контролю параметрів життєдіяльності молодняку свиней. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 –інформаційно-вимірювальні системи. –Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2003.
Дисертацію присвячено розв’язанню важливої науково-технічної задачі –розробці інформаційно-вимірювальної системи контролю параметрів життєдіяльності (ІВС КПЖ) молодняку свиней. На підставі дослідження моніторингу продуктивного циклу молодняку свиней обгрунтовано інформативні параметри, за допомогою яких стає можливою реалізація побудови підсистем КПЖ в різні вікові групи. Для контролю раннього періоду життєдіяльності розроблено підсистему ІВС КРП, яка базується на вимірювальних засобах параметрів температури, кислотності слини, вбудованих в автопоїлки, та параметрів стану навколишнього середовища, для чого розроблено не існуючі до теперішнього часу засоби вимірювання вологості повітря в умовах свиноферм. Для всіх вікових груп буде доцільною запропонована підсистема інтенсивності росту ІВС ІР. Для її реалізації вдосконалені вимірювальні засоби маси на основі магнітопружних первинних перетворювачів в напрямку розширення динамічного діапазону вимірювання малих значень мас, а також удосконалення конструкції магнітопружного пакета та контрольованого зусилля стискання. Розроблено метрологічну модель та методику повірки ІВС ІР в реальному часі. Для контролю електрофізіологічних параметрів фоно- та кардіограми, температурного гомеостазу розроблено універсальний мобільний, багатоканальний пристрій та метод відновлення сигналів, що забезпечує побудову підсистеми ІВС КФП. Ці підсистеми складають ІВС КПЖ, впровадження якої направлено на досягнення єдиної цільової функції –мінімум втрат молодняку по причині несвоєчасного одержання необхідної інформації про його стан здоров’я для прийняття першочергових профілактичних та лікувальних заходів.
Результати роботи впроваджені на сільськогосподарських підприємствах, в системах контролю маси, при виконанні держбюджетних НДР. Широко використовуються в учбовому процесі кафедри “Електронна техніка ”Дон НТУ
Ключові слова: параметри життєдіяльності, вимірювальні засоби, комп’ютерний аналіз, метрологічна модель, контрольовані періоди, ІВС.
Larin V.Y. The information –measuring monitoring system of parametrs of ability to live a young of pigs. –Manuscript.
Thesis for candidate degree by speciality 05.11.16 –“Information –measuring systems”. Donetsk national technical university, Donetsk, 2003.
The dissertation is devoted to the decision of the important scientific and technical task –development the information – measuring monitoring system of parametrs of ability to live (IIS MPL) a young of pigs. On the basis of research of monitoring of a productive cycle young of pigs are proved information parameters through which to become possible realization of construction of systems MPL in different age groups. For the control of the early period of ability to live the subsystem IMS CEP is developed which is based on measuring means of parameters of temperature, acidy of the saliva which has been built - in autodrinker, and parameters of a status of an environment, for what is developed not existing till now means of measurement of humidity of air in conditions pigstry farm. For all age groups use of a subsystem of intensity of growth IMS IG will be rational. For realization the devises of measurement of weigth on a basis magnitoelastic of primary converters in a direction of expansion of a dynamic range of measurement of small values of weigth and also improvement of a design magnitoelastic of a package and conroled of effort of compression are advanced. Is developed metrological model and cheking technique of IMS IG in real time. For the control of electrophysiological parameters fon- and cardiogram, temperature gomeostaze is developed universal mobile multichanel meter and method of restoration of a signals, which provides consructions of a subsystems IMS CPP. These subsystems make IMS IPL, which introduction is directed on achievement of uniform criterion function – minimum of a case young owing to delayed reception of the necessary information about a status of its health for acceptance of prime preventive and medical measures.
The results of work are introduced at the agricultural enterprices, in monitoring systems of weigth, at performance science work. The chair of “Electronic engineering” in DonNTU is widely used in educational process of faculty.
Keywords: parameters of ability to alive, measuring means, computer analysis, metrological model, control periods, IMS
Ларин В.Ю. Информационно-измерительная система контроля параметров жизнедеятельности молодняка свиней. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 11. 16 –Информационно-измерительные системы. –Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2003.
В результате выполненных исследований в диссертации решена актуальная научно-техническая задача разработки ИИС контроля параметров жизнедеятельности (КПЖ) молодняка свиней. Решение этой задачи имеет важное народно-хозяйственное значение для отрасли свиноводства в связи с необходимостью сохранения поголовья.
Конечный научный и практический результат заключается в разработке структур информационно-измерительных подсистем для контроля прямых и косвенных параметров раннего (от 1-го до 7-ми дней) периода жизнедеятельности, (ИИС КРП), интенсивности роста (ИИС ИР), контроля электрофизиологических параметров молодняка свиней (ИИС КФП). Подсистемы составляют ИИС КПЖ, обеспечивающую контроль в разные возрастные периоды и автоматизацию укрупненного анализа состояния объектов для достижения конечной цели –минимум отхода молодняка за период от 1-го до 60 и более дней.
Проведен анализ существующих способов контроля мониторинга продукционного цикла, разработаны недостающие измерительные технические средства контроля температуры и кислотности слюны молодняка, влажности воздуха в помещении.
Предложен метод и средства присвоения индивидуального номера молодняка путем нанесения на конечности металлизированных меток, соответствующих двоичному коду, замыкающих при нахождении объекта на идентификационной площадке приводные элементы, выполненные в виде удаленных от измерительного формирователя кода металлических, не замкнутых накоротко витков. Одновременно с фиксацией кода контролируется наличие объектов в местах обязательного пребывания (у кормушек, автопоилок, у двери станка), по частоте появления которых определяется их жизненная активность.
Разработан способ контроля кислотности слюны и температуры тела с помощью встроенных в автопоилки быстродействующих ион-чувствительных и полупроводниковых пленочных термопреобразователей. Измерения выполняются в момент нажатия носовым зеркалом свинки на механизм автопоилок. При этом отсутствует обратное воздействие на объект, что особенно важно для раннего периода жизнедеятельности молодняка.
Разработан метод повышения чувствительности весоизмерительных устройств за счет повышения частоты в обмотке возбуждения магнитоупругого первичного преобразователя (МПП), создаваемой цифровым источником напряжения, частота, форма и амплитуда которого стабилизируется в выбранном диапазоне. Это позволяет фиксировать незначительные изменения коэффициента трансформации, изменяющегося в пределах от 0 до 1,5, первичного преобразователя, как вырожденного трансформатора, включенного в измерительную обмотку фонового генератора низкой частоты, поддерживающего входной детектор измерительной системы в открытом состоянии, что дает возможность фиксировать низкие уровни входного сигнала.
Разработаны способ расширения динамического диапазона МПП в сторону измерения малых сил и получения идентичных характеристик первичных преобразователей на базе магнитоупругого эффекта и незаметно встроенные весоизмерительные устройства, исключающие стрессовые ситуации и присущие потери веса молодняка при существующей процедуре взвешивании. На их основе реализована подсистема ИИС ИР молодняка для контроля процесса жизнедеятельности по фактору среднесуточного прироста веса.
Разработан беспроводный способ и средства получения информации о физиологических параметрах: электро- и фонограмм, температуре кожного покрова в реальных условиях пребывания объекта. Разработан алгоритм восстановления ЭКГ-сигналов рядом Фурье, с помощью которого получены аналитические зависимости типовых пульсограмм, что позволяет выполнять предварительный ЭКГ- анализ и выдавать ветеринарной службе обработанную информацию для принятия решений.
Предложенная математическая модель ИИС КПЖ выполняет ряд функций для определения параметров в разные периоды жизнедеятельности молодняка свиней: адаптацию к возрастным группам; оценку и визуализацию температуры тела по результатам измерений температуры кожного покрова; ЭКГ- анализ по результатам восстановленных рядом Фурье сигналов пульсовой волны; среднесуточный прирост веса молодняка.
Предложены модели оценки метрологических характеристик весоизмерительных средств, разработана методика определения класса точности и метрологической поверки их в производственных условиях. Реализация разработок вносит существенный вклад в научно-технический прогресс создания ИИС для отечественного животноводства.
Ключевые слова: параметры жизнедеятельности, измерительные средства, компьютерный анализ, метрологическая модель, контролируемые периоды, ИИС.
Підписано до друку 10.02.2003р. Формат 60х90/16Папір офсетний.
Формат видання 145х215мм. Умови друку. арк. 2,0. Тираж100 прим.
Замовлення №
Донецький національний технічний університет
, м. Донецьк, вул. Артема 58