ВВЕДЕНИЕ
Несоответствие сложных технологических процессов и объектов сельскохозяйственного производства методам их проектирования является объективной причиной их недостаточной эффективности и, прежде всего, при: использовании; энергоресурсов. В современных условиях ликвидация такого несоответствия возможна на основе математических методов проектирования с применением современных средств; вычислительной техники, а также ее использования непосредственно в контурах контроля и управления технологическими процессами.
Последнее обстоятельство особенно важно для России. Дело в том, что наша страна еще только переходит "порог компьютеризации" сельского хозяйства, а, как известно, в странах с "компьютеризованным" сельским хозяйством производительность труда в 3-4 раза выше, чем в нашей стране. Особенно остро необходимость интенсификации отрасли обозначилась в условиях спада сельскохозяйственного производства. Валовые сборы зерна в России за последние годы [117,188] снизились до уровня 1937 г., мяса - 1963 г., молока -1962 г. Эффективность энергозатрат на получение сельскохозяйственной продукции остается крайне низкой. Производство одной тонны пшеницы, молока, мяса в США обходится в 2 - 3 раза дешевле по сравнению с Россией.
Исходя из сказанного, уже в недалеком будущем, основным аргументом при использовании сельскохозяйственной техники будет экономия топливно-энергетических, кормовых и финансовых ресурсов, т.е. ее насыщенность эффективными электронными средствами, управления, обеспечивающими вышеуказанные требования.
Однако, несмотря на бурное развитие средств вычислительной техники и их относительно невысокую стоимость и доступность, к настоящему времени не удалось существенно улучшить качество и экономические показатели технологических процессов: Дело в том, что здесь значительную роль играют особенности сельскохозяйственного производства: сезонный характер работы,
12
сильное влияние возмущений и их ярко выраженный случайный характер, большое разнообразие видов деятельности, неоднородность обрабатываемого сырья, включение в контура управления < биологических объектов (животных, растений). Разработанные к настоящему времени методы управления! и их математическое обеспечение неспособны адекватно отразить эти особенности.
Таким образом, возникла необходимость разработки новых моделей и алгоритмов управления сельскохозяйственными машинами и технологическими процессами сельскохозяйственного производства на основе теории самообучающихся (адаптивных) систем управления, которые должны работать в условиях, при которых необходимо автоматически учитывать особенности управляемого процесса и приспосабливаться к ним с целью формирования управляющих воздействий, оптимальных не в "среднем", а на каждом шаге управления с учетом технологических и ресурсных, постоянно изменяющихся, ограничений и непредвиденных обстоятельств, например, изменения свойств обрабатываемого материала, тяглово-сцепных свойств энергетического средства, питательности корма, погодных условий и т.п.
Адаптация как способ приспособления к сложившейся ситуации является естественным явлением в живой природе. Однако, несмотря на широкую распространенность адаптации в живой природе (и обществе), она еще мало используется в искусственных и прежде всего в технических системах. Тем не менее, для сельского хозяйства это чрезвычайно важно. Сельское хозяйство, в основном, имеет дело с живыми организмами - животными и растениями, а также с почвами, которые, например, Докучаев и Вернадский также считали живыми, а живые организмы адаптируются по законам внутренней самоорганизации. "Поэтому на результаты наших воздействий i с помощью существующих моделей можно полагаться только в достаточно краткосрочной перспективе, гораздо более краткосрочной, на которую рассчитывали их авторы. Реагировать на наши воздействия Природа будет не по правилам, заложенным в эти модели, а по собственным законам самоорганизации, о которых, увы, мы знаем пока очень мало" [155]. Однако,.в последнее время, очевидными:стали
13
нарушения этих законов. Так, например, из произрастающих в Ленинградской области естественных и искусственных ценозов невозможно составить сбалансированный рацион согласно зоотехническим требованиям [194]. В [52] сообщается об одной из попыток составления- такого рациона, результаты которой свидетельствуют о том, что при удовлетворении зоотехнических требований к органическим веществам, минеральных веществ (кроме калия и фосфора) недостаточно и требуются, согласно нормам, искусственные добавки, причем значительные (от 20 до 70%), что нарушает естественный симбиоз агроценоза и животных, сложившийся согласно закону самоорганизации. Нарушение этой гармонии должно создавать внутреннее напряжение в организме животного, что приводит к его неполноценному существованию и ухудшению биологической оценки (для человека) его продукции.
Кроме того, следует учесть, что созданные человеком подсистемы в АСУ ТП производства молока, такие, как подсистемы вентиляции, микроклимата и др., наделены причинным назначением при конструировании (т.е. должны соответствовать своим целям - зоотехническим требованиям к газовому составу и температуре, соответственно), в то время, как основное звено управления -животное, развивается в соответствии со своими целями по законам внутренней самоорганизации.
Таким образом, для эффективного использования кормовых и энергетических ресурсов без нежелательных последствий, необходима, непрерывная согласованность между целями человека и изменяющимися потребностями животного для максимального использования его генетического потенциала, т.е. необходимо использовать ресурсы в соответствии с законами самоорганизации, которые нам неизвестны.
Можно констатировать, что изложенное выше справедливо для многих процессов сельскохозяйственного производства, в том числе при обработке почвы (например, Докучаев считал почву живым существом [184]),
С другой стороны, выведение параметров среды из зоны адаптации растений и животных, с целью повышения продуктивности, требует неадекватных
14
энергетических затрат. Например, урожайность зерновых в последние 50 лет увеличилась в 3 раза, в то время как затраты в энергетическом эквиваленте увеличились более, чем в 100 раз [141]. Кроме того, нередкими стали случаи бифуркации и бумеранга. Понятно, что изменить сложившуюся ситуацию, можно, используя адаптивные, т.е. естественные методы управления.
Решение отмеченных выше проблем возможно на основе современной технологии научных исследований, основанной на изучении математических моделей с помощью вычислительных. средств. Такая технология известна под названием "вычислительный эксперимент", являющийся наиболее высокой ступенью математического моделирования с использованием ЭВМ и численных методов для изучения математических моделей.
На основании вышеизложенного, общая цель исследования в диссертации заключалась в повышении эффективности использования-энергетических ресурсов в технологических процессах и объектах путем применения современной методологии проектирования, основанной на изучении математических моделей, учитывающих особенности сельскохозяйственного производства, и адаптивных алгоритмов в контурах управления.
Исследования ограничены первым уровнем иерархической структуры организации сельскохозяйственного производства.
Первые работы, посвященные исследованию и проектированию сельскохозяйственных объектов методами вычислительного эксперимента, принадлежат А.Т. Болотову, И.Ф.Бородину, С.А. Иофинову, А.Б. Лурье, И.И. Мартыненко, И.С. Нагорскому, К.С. Нерпину, Л.Г. Прищепу, Д.С. Стребкову, А.Ф. Чудновско-му, В Д. Шеповалову.
Труды этих ученых получили развитие в исследованиях Л.Е. Агеева, В .Р. Алешкина, А.Г. Бондарева, В;А. Борзенкова, М.И. Будыко, Г.А. Булаткина, Б.И. Вагина, В.И; Вайнруба, А.М. Валге, А.А. Григорьева, Г.А. Гуляева, А.М. Гуреви-ча, В.В. Гуськова, Е.И. Давидсона, В.Г. Еникеева, К.В. Зворыкина, В.Н. Карпова, Н.А. Колташова, В.Р. Крауспа, И.М. Михайленко, Б.Г. Михайлова, Ф.Ф. Муха-мадьярова, А.Н. Никифорова, В.Д. Попова, Л.Г. Раменского, В:А. Русанова, B.C.
15
Сечкина, А.В: Симонова, В.А. Смелик, В.А. Сысуева, А.В: Судакова, В.Н. Суда-ченко, А.В. Тихомирова, И.Б. Ускова,Р.Ш. Хабатова, Д.И. Шашко, Г.П. Шипи-левского, Г.В. Новикова и многих других. Научная новизна работы:
- математические модели технологических процессов тепло- и влагопе-реноса, вещественной средой которых являются капиллярно-пористые материалы (профилированные почвы, стеллажи с растительным субстратом, наво-зосборные каналы, шахтные сушилки), с учетом их многокомпонентное™, краевых эффектов, несимметричности;граничных условий и реальных изменений внешних возмущающих воздействий, а также методики их параметрической идентификации.
- методика вычислительного эксперимента для анализа и синтеза адаптивных алгоритмов с настраиваемой моделью и результаты ее использования на примерах синтеза алгоритмов управления раздачи концкормов в подсистеме кормления, входящей в состав АСУ ТП молочной фермы, и управления пропашным агрегатом при культивировании посевов посадок кукурузы.
- методика вычислительного эксперимента для исследования процессов сушки в шахтных зерносушилках. Разработан адаптивный алгоритм с настраиваемой моделью для подсистемы сушки зерна в шахтной зерносушилке С-20, входящей в комплекс технических средств послеуборочной обработки зерна.
- методика вычислительного эксперимента для анализа и синтеза экстремальных систем управления и результаты ее использования на примерах синтеза алгоритмов управления пахотным агрегатом с изменяемой шириной захвата плуга и его устойчивостью в горизонтальной плоскости.
Основные положения; выносимые на защиту:
- математическая модель процессов тепло- и влагопереноса в профилированных почвах и сравнительный анализ процессов в гребнях и грядах для супесчаных почв Тосненского района Ленинградской области.
16
- математическая модель процесса теплопереноса в электрообогреваемом стеллаже для зеленого черенкования гвоздики ремонтантной; конструктивные и энергетические параметры электронагревательного устройства (ЭНУ); параметры двухпозиционной (Д) и пропорциональной (П) систем регулирования? температуры субстрата и их сравнительный анализ.
- теоретическое и экспериментальное обоснование возникновения транспортирующего слоя в самотечных системах удаления навоза при подогреве дна навозосборного канала; конструктивные и энергетические параметры ЭНУ дна канала.
- методики проектирования адаптивных алгоритмов управления-объектами сельскохозяйственного назначения с настраиваемой моделью в двух вариантах: 1 - с определением оптимальных значений управляющих воздействий на решениях настраиваемой модели на примере синтеза адаптивного алгоритма для подсистемы раздачи концентрированных кормов в составе АСУ ТП молочной фермы); 2-е непосредственным определением оптимальных значений параметров регулятора основного контура по результатам идентификации настраиваемой • модели (регулятор с минимальной дисперсией РМД); на примере синтеза алгоритма управления пропашным агрегатом.
- математическая модель процесса сушки зерна в шахтных зерносушилках; адаптивная подсистема управления сушки семенного зерна (ПУGC3) для сушилки С-20 в составе комплекта технических средств (KTG) послеуборочной обработки зерна.
- методика исследования экстремальных систем управления мобильными агрегатами; параметры экстремальных систем управления пахотным агрегатом, составленным из трактора МТЗ-82 и плуга ПИН-4-35 с изменяемой шириной захвата плуга, и его устойчивостью в горизонтальной плоскости.
По теме диссертации опубликовано 35 научных работ. Апробация работы:
Материалы исследований доложены и.обсуждены на заседаниях Ученого совета СЗНИИМЭСХ (1995, 1999, 2003 г. г.), на научно-практической конферен-
17
щш "Вклад молодых ученых в решение задач научного обеспечения АПК Северо-Запада РФ (СПб. - Пушкин, 1999), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГАУ (1988,. 1998, 2000-2004 г.г.), на международной конференции "Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве" (Минск, 2000 т.), на 3-ей международной научно-практической конференции "Экология; и сельскохозяйственная техника" (Санкт-Петербург, 2002 г.), на XI международной научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России - проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции" (Москва, ГНУ ВИМ 2002 г.), на международном научно-техническом семинаре "Проблемы разработки автоматизированных технологий и систем автоматического управления сельскохозяйственного производства (Углич, 2002 г.), на научной сессии СЗНМЦ Россельхозакадемии "Научные основы создания современных адаптивных машинных технологий производства сельскохозяйственной продукции: состояние, опыт, проблемы" (СПб-Пушкин, 2002 г.), на координационных совещаниях СЗНМЦ (1999,2002,2003 г.г.).
Практическая ценность:
Все материалы, сопутствующие проведению работы (методики, программы и примеры), имеют общий характер и могут быть использованы при исследовании технологических объектов первого уровня в системе управления сельскохозяйственным производством.
Результаты исследований нашли применение:-
- при выборе профиля для;супесчаных почв Тосненского района Ленинградской области;
- при разработке электронагревательного устройства и автоматизированной системы управления; температурой субстрата в стеллажных теплицах. Разработанное ЭНУ внедрено в Ленинградском производственном объединении "ЦВЕТЫ". Экономический эффект с 1 м2 стеллажной теплицы составил 345 руб. Он получен за счет сокращения срока черенкования (что позволило
|