Производственные процессы в растениеводстве все еще мало изучены с точки зрения их автоматизации, опыт реализации которой невелик. Поэтому для создания конкурентоспособных автоматизированных сельхозмашин необходимо прежде всего создать концепцию автоматизации рабочих процессов в полеводстве. С одной стороны, она должна быть обоснована особенностями этих процессов, а ее общие идеи — органически выходить из передовых исследований в этой сфере. С другой стороны, она должна базироваться на современных достижениях теории автоматического управления, вычислительных технологиях и элементной базе современных систем регулирования и управления.
Производственные операции в полеводстве осуществляются при непрерывном движении машины и воздействии рабочих органов на обрабатываемый материал (почва, семена, растения), состояние которого можно определить вероятностными характеристиками. Среда воздействий рабочих органов и машин также имеет вероятностную природу. Поэтому алгоритмическое обеспечение систем управления технологическими процессами сельхозмашин не может быть универсальным.
В общем случае системы автоматического регулирования и управления (САУ и САР), применяемые на мобильных сельхозмашинах, подразделяются на основные и дополнительные. Основные предназначены для управления технологическим процессом и всем тем, что обеспечивает реализацию конкретной технологической операции, остальные системы — дополнительные (регулирование температурных режимов двигателя, обеспечение комфортных условий оператора и др.). Единая бортовая САУ создается с учетом специфических особенностей технологического процесса для достижения конкретной цели и распространяется на рабочие органы и силовые агрегаты.
Для любого технологического процесса в полеводстве принципы действия САУ и САР определяются исследованиями технологических процессов. Автоматика для выполнения рабочих процессов может быть одноконтурной или более сложной, адаптивной, оптимальной, но законы управления машиной, ее рабочими органами и силовыми агрегатами определяются ходом протекания операции.
В условиях работы машин с почвой и растениями необходимая для управления рабочими органами информация содержится в обрабатываемом материале в виде статистических показателей характеризующих его признаков. В зависимости от хода технологических операций информация управления проходит от уровня рабочих органов до уровня отдельных агрегатов и машины в целом.
Отсюда, с точки зрения формирования в ходе технологического процесса единого вектора управления, возникает новое соответствующее современному этапу автоматизации производственных процессов в полеводстве определение сельхозмашины — это мобильная машина, состоящая из энергетической установки с движителями и с.-х. орудия, рассматриваемых по распространению вектора управления как целая машина. При этом в процессе работы вес ресурсы САУ направляются на решение главной задачи — реализации технологического процесса.
Особенность автоматизации производственных процессов в полеводстве заключается в том, что независимыми координатами для машин являются промежутки Д/пройденного пути, формируемые при продольном перемещении машины как независимая координата l. Это связано с тем, что при использовании в качестве последней времени t задача синтеза систем управления усложняется в связи с необходимостью точного позиционирования рабочих органов, например, относительно обрабатываемых растений.
Изменение независимой координаты неизбежно создает особые условия реализации управления, среди которых запаздывание между опросом датчиков (измерительных систем) и подачей управляющего сигнала на приводы рабочих органов. Это при организации управления вызывает необходимость введения в систему устройств (программ) синхронного перемещения идентифицированных координат обрабатываемых материалов, например растений.
С этой целью используют бортовые цифровые вычислительные системы (БЦВС), способные решать сложные задачи в реальном масштабе времени. Для управления рабочими процессами мобильных сельхозмашин служат адаптивные системы, позволяющие оптимизировать управление в пределах заданного критерия. Адаптация к изменяющимся условиям с оптимизацией рабочих процессов происходит на основе измерений, оценки и идентификации параметров состояний обрабатываемого материала и машины. В общем случае подобные системы относятся к системам с совмещенным синтезом оптимального управления.
Оптимальные системы управления, воплощающие один из возможных путей реализации адаптации на основе идентификации и оптимизации работы машины, легче реализуются с использованием различных моделей процессов управления. При этом в общем случае в управляющем устройстве машины создаются эталонные [1] непрерывно корректируемые динамические модели процессов управления и идентификации, позволяющие быстро оценить состояние реализуемого технологического процесса и машины.
Следующая особенность управляющих систем мобильных сельхозмашин заключается в том, что машина как объект управления — многорядная (многокорпусная, многосекционная), реализующая технологический процесс на параллельно работающих рабочих органах при случайно изменяющихся параметрах обрабатываемых материалов и среды одновременно на всех "входах" и "выходах".
Анализ показывает, что в подобных случаях необходимо использовать интегрированные системы управления [2]. Обработка информации в них осуществляется в БЦВС. Это облегчает использование новых принципов построения систем управления и создает возможность значительного сокращения объема, массы, стоимости САУ с одновременным повышением точности, надежности, контролеспособности и эксплуатационной технологичности бортовых комплексов машин. Последняя заключается в том, что в соответствии с логикой управления простейшие первичные измерители и исполнительные механизмы (гидроприводы) размещаются доступно, а более сложное управление меньше зависит от аппаратной реализации электронных схем и в основном представляется в виде программ БЦВС и проверяется по компьютерным технологиям.
При этом резко возрастает роль математического обеспечения, которое, по существу, определяет облик интегрированной САУ сельхозмашины. В ней могут быть использованы алгоритмы не только численного, но и аналитического решения задач. Это требует высокой квалификации разработчиков и длительной подготовки алгоритма управления, но предполагает низкую трудоемкость формирования управления в процессе функционирования системы на машине.
В интегрированной системе предусматривается направление всех ресурсов на решение главной задачи, резкое повышение автоматизации управления, минимальная информационная избыточность, адаптивное оптимальное управление и т. п. В ней широко используются датчики с цифровым выходом, высокий уровень интеграции, параллельные обработка информации и алгоритмы вычисления управляющих воздействий, отказоустойчивое математическое обеспечение, резервирование программ и т.д. Таким образом, на многорядной сельхозмашине должна быть создана интегрированная система адаптивного управления, направленного на получение оптимальных результатов работы. Как показывают результаты построения системы на примере автоматического управления универсальной свекловичной машиной [1], характерные особенности интегрированной САУ следующие:
- наличие многочисленных взаимосвязанных информационных и управляющих подсистем;
- иерархическое построение с нижним и верхним уровнями;
- человекомашинный характер, обусловленный на личием оператора.
Для управляющего устройства многорядной машины целесообразно сначала объединить группы (подсистемы управления) по однотипным операциям оценивания, идентификации и формирования управляющих сигналов для рядных рабочих органов. Поскольку общий вектор управления решает задачу на уровне всей машины, на многорядной желательно объединить процессоры по функциональной иерархии. При этом методы распределенной обработки информации могут снизить необходимость передачи всех данных в один процессор и позволить распределить нагрузку по формированию управления между несколькими процессорами. Для этого желательно реализовать децентрализацию управления, когда отдельные управляющие устройства взаимодействуют и реализуют управление на одинаковом уровне, но по различным выделенным признакам. Таким образом, при создании интегрированной САУ многорядной машины необходима в определенных условиях декомпозиция управления.
Сформулируем основные принципы построения интегрированной системы автоматического управления (ИСАУ) многорядной сельхозмашины:
- стандартизация элементной базы технических средств автоматики и создание единых магистралей обмена информацией между отдельными группами под систем одного ряда и всех рядов с управляющим устройством верхнего уровня;
- четкая координация управления между различными уровнями иерархии на основе сочетания горизонтальной интеграции информационных подсистем отдельных рядков с вертикальной интеграцией в верхнюю подсистему, общую для всей машины;
- методическое единство алгоритмического и программного обеспечения информационных и управляющих подсистем на основе общего критерия качества в целом и на отдельных уровнях иерархии управления.
Эти принципы обычно реализуются на основе единства формализованного описания элементов объекта интеграции с учетом существующих связей между отдельными подсистемами и внешних воздействий, а также общего критерия качества функционирования системы в целом на основе аналитически сформированных критериев качества отдельных подсистем.
Такие ИСАУ могут быть построены, в первую очередь, для машин, реализующих основную обработку почвы, посев, внесение удобрений и гербицидов, междурядную обработку всходов, уборку зерновых и корнеплодов и ряд других процессов.
Одна из особенностей при возделывании с.-х. культур заключается в том, что машины выполняют технологические операции на одних и тех же площадях при движении по одним и тем же траекториям. Наряду с проведением конкретного технологического процесса в современных условиях представляется возможным организовать оценку и идентификацию параметров обрабатываемого материала, например состояния почвы, и дифференцированно зарегистрировать их в памяти Б1ДВС. Эта информация послужит исходной базой данных для выполнения последующих технологических операций.
Например, если оценить в зависимости от промежутков пройденного пути и характерных точек ("меток") на плантации урожайность культуры при уборке, можно будет определить потребное количество удобрений на каждом участке поля-
Таким образом, если использовать почву или формируемый урожай как источник первичной информации, параметры реализуемых технологических процессов можно определить:
- путем измерения, оценки и идентификации параметров обрабатываемого материала (например, состояния почвы, ее плотности, влажности, тягового сопротивления и др.) в процессе выполнения предшествующих технологических операций и ввода их в память БЦВМ для использования в ходе последующих технологических операций как априорной информации;
- путем оценки состояния материала непосредственно на рабочих органах.
Во всех случаях САУ должна анализировать формируемую информацию и реализовывать управление, соответствующее состоянию обрабатываемого материала, мобильной машины, поставленным условиям и ограничениям на операции технологического процесса.
Кроме того, возможности формирования информации о состоянии обрабатываемого материала и сельхозмашины определяют путем дифференцированной оценки прошлого и настоящего опытов и на их основе вырабатывается управление рабочими органами, силовыми агрегатами и машиной в целом.
Так, на многих сельхозмашинах рабочие органы (а если установить на них датчики, то измерительные преобразователи) располагаются последовательно и при работе проходят один и тот же путь. При этом, например, для плугов появляется возможность оценить характеристики состояния почвы и выделить сигналы, необходимые для управления многокорпусной автоматизированной машиной.
Задачи индустриализации растениеводства сопоставимы с аналогичными в промышленности, и для их решения требуется соразмерное экономическое обеспечение. Последнее осложняется тем, что с.-х. продукция должна оставаться традиционно дешевой. Тем не менее, разработка машин с БЦВС — перспективное направление, которое позволит вывести с.-х. производство на качественно новый уровень.
Список литературы
1. Ахмеров X. X. Моделирование рабочих процессов и проектирование систем автоматического управления свекловичных машин. — Уфа: БГАУ, 2001.
2. Бек В. В., Вишняков Ю. С., Махлин А. Р. Интегрированные системы терминального управления. — М.: Наука, 1989.
|
