УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР
DEVICE FOR AUTOMATIC CONTROL OF PROCESSES FOR CULTIVATION OF AGRICULTURAL CROPS

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к управляемым технологиям земледелия, и может быть использовано в отрасли полевого растениеводства.
Наиболее близкими к предлагаемому являются способ и устройство автоматического управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур, предусматривающие в сложной многофакторной системе «сельскохозяйственная культура - факторы окружающей среды - факторы управлений» выбор из числа параметров контролируемых процессов переменной порядка, наиболее быстро изменяющейся и наиболее сильно влияющей на процессы в системе (показатель функционального состояния возделываемой сельскохозяйственной культуры), и параметров управления, с помощью которых можно воздействовать на продукционные процессы растений (Патент RU 2350068, БИ №9, опубл. 27.03.2009 г.). Устройство реализации известного способа содержит таймер, блок памяти, датчики переменной порядка, контроля значений параметров управления, управляющий логический коммутатор, управляющие ключи, блок расчета эксэргии переменной порядка.
Недостатком известного технического решения является то, что при управлении технологическими процессами возделывания сельскохозяйственных культур необходимы сканирование значений переменной порядка, перебор и выявление влияния значений параметров управления на переменную порядка. Другим его недостатком является отсутствие прогноза изменений параметров и характеристик выполняемых процессов возделывания сельскохозяйственных культур. В результате этого сложно реализовать оперативное управление процессами в режиме реального времени, стоимость выполнения процессов увеличивается, не всегда удается обеспечить высокую урожайность сельскохозяйственных культур в реальных условиях производства.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение эффективности управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур, повышение их оперативности и сокращение стоимости за счет прогнозирования хода выполняемых процессов.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность спрогнозировать изменение параметров и характеристик выполняемых технологических процессов возделывания сельскохозяйственных культур, а при осуществлении управления процессами реализовать наиболее эффективные режимы.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ включает контроль параметров сложной многофакторной системы «сельскохозяйственная культура - факторы окружающей среды - факторы управлений», выбор из числа контролируемых параметров переменной порядка и параметров управления, при этом в ходе выполнения процессов возделывания сельскохозяйственных культур с помощью датчиков производят мониторинг параметров внешнего управления и переменной порядка, анализируют изменения переменной порядка за весь период их контроля и по результатам анализа осуществляют воздействия на процессы возделывания сельскохозяйственной культуры, а по результатам анализа переменной порядка и параметров внешнего управления формализуют законы изменения переменной порядка и параметров внешнего управления и составляют прогнозные сценарии изменений переменной порядка и параметров внешнего управления на заданный интервал времени, при этом для обеспечения заданных продуктивности возделываемой сельскохозяйственной культуры и технико-экономических показателей технологических процессов при существующих внешнем и типовом управлениях выбирают переменные корректирующего управления и формализуют законы изменения этих переменных, при этом осуществляют управляемые воздействия на технологические процессы возделывания сельскохозяйственной культуры, причем применяют соответствующие корректирующему управлению рабочие машины, а изменение режимов работы этих машин выполняют согласно законам изменения выбранного корректирующего управления.
Технический результат также достигается тем, что в устройство автоматического управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур, содержащее датчик переменной порядка, блок вычисления эксэргии переменной порядка, таймер, блок памяти, датчики внешнего управления, а именно датчик температуры окружающей среды, датчик температуры воздуха, датчик влажности почвы, управляющий логический коммутатор, четыре управляющих ключа, согласно изобретению введен блок прогноза, при этом выход блока памяти соединен с первым входом блока прогноза, второй выход блока вычисления эксэргии переменной порядка, второй выход таймера, выход датчика температуры окружающей среды, выход датчика температуры почвы, выход датчика влажности почвы подключены соответственно ко второму, третьему, четвертому, пятому и шестому входам блока прогноза, выход которого подсоединен к входу управляющего логического коммутатора.
Способ осуществляют следующим образом:
1) в сложной многофакторной системе «сельскохозяйственная культура - факторы окружающей среды - факторы среды управлений» нетехногенные воздействия окружающей среды на сельскохозяйственную культуру и на процессы ее возделывания, такие как интенсивность солнечного излучения, температура, влажность воздуха, состав, температура и влажность почвы и т.п., а также техногенные воздействия на сельскохозяйственную культуру, изменяя которые можно воздействовать на сельскохозяйственную культуру и на процессы ее возделывания изменением режимов работы соответствующих рабочих машин, таких как устройства полива, освещения, изменения органического и минерального состава почвы и т.д., разбивают на три группы, а именно:
- внешнее управление - неуправляемые нетехногенные, как правило, самоорганизующиеся воздействия окружающей среды;
- типовое управление - техногенные воздействия, реализуемые согласно технологическому регламенту выполняемого технологического процесса, практически не изменяющееся или изменяющееся незначительно длительный период эксплуатации по составу, параметрам и последовательности.
При конкретном внешнем управлении и идеальном по требованиям обеспечения задач высокоэффективного производства типовом управлении достаточно реализовать типовое управление для получения наилучшего результата;
- корректирующее управление - оперативные техногенные воздействия для реализации поставленных задач обеспечения высокоэффективного производства.
На практике внешнее управление может ухудшать или улучшать условия вегетации сельскохозяйственных культур, а типовое управление - быть недостаточным по требованиям высокоэффективного производства, и тогда для улучшения этих условий применяют корректирующее управление с привлечением дополнительных ресурсов. Парадигма корректирующего управления предполагает реализацию интеллектуального воздействия на процессы возделывания сельскохозяйственных культур, как реакцию на отклонения параметров и характеристик процесса от требуемых значений, поиск наилучшей стратегии по отношению к цели управления. Это - управление в режиме реального времени для положительного изменения характеристик сельскохозяйственной культуры и параметров процессов, инициированное объективной необходимостью выявленного несоответствия этих характеристик и параметров области допустимых значений, устойчивой динамики их изменения, могущей привести к такому несоответствию;
2) выбирают переменную порядка и параметры внешнего управления, измеряют их значения;
3) с заданным интервалом времени анализируют изменения переменной порядка и параметров внешнего управления за весь период осуществления их контроля, сравнивают результаты анализа с тестовой базой ретроспективных данных о реализациях аналогичных процессов и выбирают, какая из зависимостей, а именно:
- закон технического оптимума ,
- экспоненциальный закон ;
л
- линейный закон , (где,  - соответственно начальное и конечное значения контролируемой переменной, t - время, α, t - коэффициенты, характеризующие законы управления), описывает изменения контролируемых переменных (переменной порядка и внешнего управления), и принимают эту зависимость в качестве прогнозирующей для этой контролируемой переменной.
Если адекватно описать изменения переменной порядка и внешнего управления одной из приведенных зависимостей не удается, законы изменения этих переменных формируют из временных участков, на которых данные зависимости пригодны для описания процессов;
4) составляют прогнозные сценарии изменений контролируемых переменных (переменной порядка и внешнего управления), для этого экстраполируют выбранные в п. 3) зависимости, описывающие изменения переменной порядка и параметров внешнего управления, на заданный интервал времени;
5) определяют, обеспечивают ли прогнозные значения внешнего управления при существующем типовом заданную продуктивность возделываемой сельскохозяйственной культуры, устойчивость и высокие технико-экономические показатели технологических процессов, и если не обеспечивают, выбирают переменные корректирующего управления, причем переменные корректирующего управления изменяют по закону технического оптимума, экспоненциальному закону или линейному закону либо закон изменения управляемых переменных составляют из временных участков;
6) соответствующими рабочими машинами осуществляют управляемые воздействия на продукционные процессы сельскохозяйственной культуры, причем изменение режимов работы этих машин выполняют согласно законам изменения выбранного корректирующего управления;
7) с заданным интервалом времени оценивают состояние сельскохозяйственной культуры по переменной порядка или иному показателю, выбранному в качестве показателя функционального состояния, проверяют сходимость прогнозов изменения значений переменной порядка и внешнего управления, при этом, если реальные значения контролируемых переменных и значения этих переменных, посчитанные по прогнозирующим зависимостям, отличаются, производят корректировку законов изменения переменной порядка и внешнего управления, причем корректировку прогнозирующих зависимостей переменной порядка и внешнего управления осуществляют итерационными изменениями конечных значений соответствующих контролируемых переменных;
8) исходя из скорректированных прогнозных зависимостей изменений переменной порядка и параметров управления уточняют корректирующее управление;
9) соответствующими рабочими машинами осуществляют управляемые воздействия на продукционные процессы сельскохозяйственной культуры, причем изменение режимов работы этих машин выполняют согласно скорректированным законам изменения корректирующего управления.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема устройства.
Устройство содержит датчик переменной порядка 1, таймер 2, блок вычисления эксэргии переменной порядка 3, блок памяти 4, блок прогноза 5, управляющий логический коммутатор 6, датчики внешнего управления, а именно, датчик температуры окружающей среды 7, датчик температуры воздуха 8, датчик влажности почвы 9, управляющие ключи 10, 11, 12, 13.
Выход датчика переменной порядка 1 и первый выход таймера 2 подключены соответственно к первому и второму входам блока вычисления эксэргии переменной порядка 3. Первый выход блока вычисления эксэргии переменной порядка 3 подключен к входу блока памяти 4, выход которого соединен с первым входом блока прогноза 5. Второй выход блока вычисления эксэргии переменной порядка 3, второй выход таймера 2, выход датчика температуры окружающей среды 7, выход датчика температуры почвы 8, выход датчика влажности почвы 9 подключены соответственно ко второму, третьему, четвертому, пятому и шестому входам блока прогноза 5, выход которого подсоединен к входу управляющего логического коммутатора 6. Входы управляющих ключей 10, 11, 12, 13 подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому выходам управляющего логического коммутатора 6. Управляющие ключи 10, 11, 12, 13 связаны с рабочими машинами, осуществляющими воздействия на продукционные процессы сельскохозяйственной культуры.
Ретроспективные значения переменной порядка и параметров управления, определяющие оптимальные значения параметров управления, помещают в блок памяти 4. Кроме этого в блоке памяти 4 находятся тесты физиологического состояния сельскохозяйственной культуры. Информация блока памяти 4 используется блоком прогноза 5 при выборе параметров корректирующего управления для сравнения изменений мощности эксэргии переменной порядка в ходе реализации управления и обеспечения высокой эффективности выполняемых процессов.
Устройство работает следующим образом.
При выполнении технологических процессов возделывания сельскохозяйственной культуры через промежутки времени, определяемые таймером 2, с помощью датчиков температуры окружающей среды 7, температуры воздуха 8, влажности почвы 9 производят мониторинг параметров внешнего управления (температура, влажность воздуха, почвы, мелиоративный потенциал), а с помощью датчика переменной порядка 1 производят контроль состояния сельскохозяйственной культуры. Значение переменной порядка, измеренное датчиком переменной порядка 1, преобразуют блоком расчетной величины эксэргии переменной порядка 3, передают в блок памяти 4 и блок прогноза 5. Значения параметров внешнего управления, измеренные датчиками температуры окружающей среды 7, температуры почвы 8, влажности почвы 9, фиксируют блоком прогноза 5.
Через промежутки времени, определяемые таймером 2, формируют закон изменения переменной порядка и параметров внешнего управления. Для этого блок прогноза 5 использует информацию об изменениях переменной порядка и внешнего управления за весь период контроля, а именно информацию от датчика переменной порядка 1, обработанную блоком вычисления эксэргии переменной порядка 2, датчиков температуры окружающей среды 7, температуры воздуха 8, влажности почвы 9. При этом определяют, какая из зависимостей, а именно закон технического оптимума, экспоненциальной или линейный закон, адекватно описывает изменение контролируемых переменных, и выбирают эту зависимость в качестве закона изменения параметров переменной порядка и внешнего управления, либо закон изменения контролируемых переменных описывают временными участками, на которых перечисленные зависимости справедливы.
Кроме того, через промежутки времени, определяемые таймером 2, блок прогноза 5 составляет прогнозные сценарии изменений контролируемых переменных, для этого экстраполируют выбранные для описания контролируемых переменных зависимости, описывающие изменения переменной порядка и параметров внешнего управления. При этом блок прогноза 5 оценивает, обеспечивают ли прогнозные значения внешнего управления при существующем типовом заданную продуктивность возделываемой сельскохозяйственной культуры, устойчивость и высокие технико-экономические показатели технологических процессов, и если не обеспечивают, выбирает переменные корректирующего управления, причем переменные корректирующего управления изменяют по закону технического оптимума, экспоненциальному закону или линейному закону либо закон изменения управляемых переменных составляют из временных участков.
Осуществляют управляемые воздействия на продукционные процессы сельскохозяйственной культуры, причем изменение режимов работы этих машин выполняют согласно законам изменения выбранного корректирующего управления. Для этого через промежутки времени, определяемые таймером 2, информацию от блока прогноза 5 передают в управляемый логический коммутатор 6, который включает управляющие ключи 10, 11, 12, 13, и соответствующими рабочими машинами осуществляют управляемые воздействия на продукционные процессы сельскохозяйственной культуры, причем изменение режимов работы этих машин выполняют согласно законам изменения выбранного корректирующего управления.
Через промежутки времени, определяемые таймером 2, блок прогноза 5 оценивает состояние сельскохозяйственной культуры по переменной порядка или иному показателю, выбранному в качестве показателя функционального состояния, и значения внешнего управления, оценивают сходимость прогнозов изменения значений контролируемых переменных, при этом, если реальные значения контролируемых переменных и значения этих переменных, посчитанные по прогнозирующим зависимостям, отличаются, производят корректировку законов изменения переменной порядка и внешнего управления до тех пор, пока сходимость прогнозов изменения контролируемых переменных не будет удовлетворительной.
Осуществляют управляемые воздействия на продукционные процессы сельскохозяйственной культуры, причем изменение режимов работы этих машин выполняют согласно уточненным законам изменения. Для этого, исходя из скорректированных прогнозных зависимостей изменений переменной порядка и параметров управления, уточняют изменения корректирующего управления и соответствующими рабочими машинами корректирующего управления.
Рассмотрим пример практического применения предлагаемого способа.
Важнейший параметр, характеризующий потенциальную эффективность фотосинтеза сельскохозяйственных культур, - эксэргия оптического излучения (полезная энергия, которую усваивает сельскохозяйственная культура для ее выживания, развития и формирования урожая). Этот параметр целесообразно использовать в качестве переменной порядка. Для использования сельскохозяйственной культурой потенциально возможной эксэргии оптического излучения в отношении фотосинтеза необходимо обеспечить максимально-возможные значения эксэргии плодородия почвы, техногенной энергии, которые выбираются в качестве параметров управления. Физиологически и экономически рациональные значения эксэргии для каждого вида выращиваемых сельскохозяйственных культур и рекомендации по эксэргии плодородиям почвы и техногенной энергии устанавливаются опытным путем (табл. 1).
Процессы поглощения и использования энергии солнечного излучения протекают практически весь период роста и развития сельскохозяйственных культур. На разных фазах развития интенсивность этих процессов различна и зависит от многих факторов, в частности от почвенного и водного потенциала почвы, климатических условий стадии развития и т.п. Так, в начале развития сельскохозяйственных культур возможности использования энергии оптического излучения ограничены, т.к. культура не достигла нормального развития и размеры фотосинтезирующих поверхностей фрагментов растений не сформированы полностью. Накопление эксэргии оптического излучения можно описать экспоненциальным законом, состоящим из двух участков:
,
∞
∞2
1
2
где ε, ε - конечные значения эксэргии оптического излучения в отношении фотосинтеза растений соответственно в конце стадии роста, в конце процесса развития; α, α - коэффициенты, характеризующие динамику соответственно стадий роста и развития; t - время.
2
2
2
2
Расчетные показатели энергетической эффективности производства зерна яровой пшеницы (сорт Московская-35) для почвенных и метеорологических условий Московской области (данные Метеорологической обсерватории МГУ, средние значения за период 1971-1978) при урожае 40 ц/га, полученном Полевой опытной станцией Института почвоведения и фотосинтеза АН РФ, накопленная в зерне эксэргия равна 5,02 МДж/м, затраты эксэргии техногенной энергии - 1,56 МДж/м. Природная эксэргия - эксэргия плодородия земли составила 162,4 МДж/м. При этом показатель полезного действия эксэргетический по затратам техногенной энергии составил 3,22, а коэффициент полезного действия по использованию эксэргии плодородия земли равен 3,09%, что свидетельствует о больших возможностях повышения урожая. На практике в Московской области урожай этой культуры ниже. Соответственно меньше и показатели энергетической эффективности. Например, в почвенно-климатических условиях с-за Заокский Московской области, земли которого расположены рядом с Полевой станцией Института почвоведения и фотосинтеза, в этот же период при одинаковом значении эксэргии плодородия земли получен урожай зерна яровой пшеницы сорта Московская-35 18,5 ц/га. Затраты эксэргии техногенной энергии на агротехнологии (которая была принята без прогнозных расчетов на соответствие экологическим условиям земли) составили 1,98 МДж/м. В этом случае коэффициент полезного действия эксэргетический по использованию эксэргии плодородия земли составил примерно 1,4, а показатель полезного действия по использованию техногенной энергии - только 1,1.
∞2
∞
∞2
∞
∞2
∞
В соответствии с этими данными при формализации закона изменения переменной порядка и ее прогнозе по реальным характеристикам процессов: ε=3,1, ε определяется контролем в ходе процессов и обычно не превышает 1/3 ε, например, ε=0,9. Поскольку требуемое значение переменной порядка не достигается, выбирают корректирующее управление, например изменение эксэргии плодородия земли, а в прогнозные значения переменной порядка вводят ε=3,1, ε=0,9.