Идентификация технологического процесса функционирования туковысевающего приспособления как объекта контроля экологической безопасности применения удобрений

9. Лебедев В.А., Дресвянкин B.C., Карабута B.C. Оценка эффективности основных элементов оборудования паросилового цикла тепловой электростанции эксергетическим методом // Молодой ученый. - 2016. - №1. - С. 179-184.

УДК 631.334

Аспирант О.Н. ТЕПЛИНСКАЯ

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТУКОВЫСЕВАЮЩЕГО ПРИСПОСОБЛЕНИЯ КАК ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЙ

Внесение удобрений, экологическая безопасность, припосевной способ, туковысевающее приспособление, модель функционирования, математическая модель

Управление продукционным процессом при интенсивном производстве растениеводческой продукции с помощью широкого использования средств химизации усугубило проблему сохранения экологического равновесия в агроэкосистемах. Во многом это вызвано низкой квалификацией работников, а также конструктивным несовершенством применяемой отечественной техники для выполнения агрохимических и фитосанитарных работ, приводящих к заметному антропогенному химическому загрязнению сельскохозяйственной производственной среды и продовольственной продукции. Поэтому в условиях осуществления интенсификационных процессов в земледелии обеспечение техногенной безопасности машиноиспользования при применении средств химизации приобретает первостепенное значение и требует заметного совершенствования теории безопасности функционирования сельскохозяйственных технологических систем.

Одним из путей решения данной проблемы является осуществление постоянной диагностики состояния сельскохозяйственной производственной среды по отношению к антропогенным загрязнителям [1]. Используя оперативные методы экологического мониторинга качества выполнения работ технологическими системами для применения средств химизации, возможно на ранней стадии прогнозировать нарушения установленных регламентов их функционирования.

Эффективным методом техногенного характера по предубеждению химического загрязнения агроэкосистемы при механизированном внесении удобрений является оснащение машинно-тракторных агрегатов автоматизированными устройствами оперативного контроля экологической безопасности применения агрохимикатов, выполненных в виде бортовых информационно-советующих систем [2].

В современном высокоинтенсивном производстве точное выполнение технологических процессов автоматизированными машинно-тракторными агрегатами обеспечивается на основе использования ГИС-технологий и глобальных навигационных систем [3,4]. Такое оснащение технологических процессов функционирования агрегатов для применения удобрений с использованием припосевного способа позволит в режиме реального времени обеспечить мониторинг хода технологического процесса функционирования туковысевающих приспособлений комбинированных посевных и посадочных машин. На основании результатов такого мониторинга человек-оператор машинно-тракторного агрегата сможет оперативно принимать оптимальные решения для наилучшего выполнения технологического процесса. В случае отклонения объекта контроля (технологического процесса) от правильного функционирования оператор сможет своевременно проводить его поднастройку (восстановление) дистанционно с рабочего места. При дополнительном оснащении машинно-тракторного агрегата устройствами активного контроля поднастройка технологического процесса выполняется автоматически. Оперативное восстановление правильного функционирования объекта контроля в режиме реального времени позволит

существенно минимизировать технологические и экологические риски, возникающие при машинном применении агрохимикатов.

При создании устройств автоматизированного контроля экологической безопасности применения агрохимикатов следует учитывать, что туковысевающие приспособления комбинированных машин являются сложными динамическими системами, состоящими, как правило, из трех основных подсистем: дозирующей (ДП), распределительной (РП) и заделывающей (ЗД), которые последовательно изменяют состояние непрерывного потока материала, поступающего из ёмкости вплоть до его заделки в почву, выполняя при этом подпроцессы дозирования удобрений, распределения их по ширине захвата машины и внутрипочвенной заделки на заданную глубину.

Как известно [5], функционирование сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов происходит в условиях изменяющихся внешних возмущений, обусловленных многочисленными и разнообразными факторами, влияние которых сказывается на показателях качества выполняемых технологических процессов. Характер изменения большинства возмущений, определяющих условия функционирования описывается случайными в вероятно-статистическом смысле процессами [6]. Отмеченные особенности функционирования сельскохозяйственных агрегатов были учтены при разработке информационной модели технологического процесса функционирования туковысевающего приспособления комбинированной машины как объекта контроля экологической безопасности применения удобрений. Её блок-схема приведена в работе [7]. Анализ разработанной модели показал, что рассматриваемый технологический процесс относится к классу стохастических многомерных объектов. Поэтому для выбора и обоснования рациональных параметров проектируемых устройств контроля необходимо провести теоретические и натурные экспериментальные исследования, важным этапом которых является построение математической модели технологического процесса функционирования туковысевающего приспособления как объекта контроля экологической безопасности применения удобрений.

Построение математической модели рассматриваемого объекта контроля с использованием механических, физических и других закономерностей является весьма сложной задачей, требующей при практической реализации принятия значительных допущений. Для технологических процессов функционирования сельскохозяйственных машин решение этой задачи существенно упрощается при использовании методов статистической идентификации [5,8]. В этом случае математическая модель (оператор) исследуемого объекта определяется на основе, полученных в результате натурного эксперимента, синхронных реализаций входных и выходных переменных его частных моделей, характеризующих функционирование отдельных подсистем. Для выделения частных моделей рассмотрим функциональные особенности данного типа объектов контроля. С этой целью конкретизируем разработанную информационную модель технологического процесса, представив её в виде функционально связанных звеньев, выполняющих отдельные подпроцессы. Несмотря на некоторые конструктивные различия туковысевающих приспособлений комбинированных посевных и посадочных машин, технологические процессы, выполняемые ими, имеют много общего. Поэтому обобщенную модель исследуемого технологического процесса как объекта контроля экологической безопасности представим в виде четырехзвенной системы (рис.1), в которой звенья 1 и 2, входящие в ДП, выполняют подпроцессы дозирования удобрений, а звенья 3 и 4 входят соответственно в РП и ЗП и выполняют подпроцессы распределения материала по ширине захвата машины и его внутрипочвенной заделки.

X

F <

Г ДП

т if

т

рц

т

1

I зп

~~I

Zn(0

1 "(0 ш \%0) 4 1 1 °(0

\ 1

I__

_1

h

н,

н„

ь

Y

и

Рис 1. Блок-схема обобщенной модели технологического процесса функционирования туковысевающего приспособления как объекта контроля безопасности применения удобрений

Экологическую безопасность функционирования этой системы будем оценивать предложенными в работе [2] стохастическими показателями, в основе расчета которых лежат характеристики параметров выходной векторной функции рассматриваемой модели в виде таких её компонентов, как расход q(t) и глубина заделки в почву a(t) удобрений, являющихся случайными процессами [7,9], а также соответствующие этим компонентам требования технологического регламента.

Данная система находится под воздействием входных переменных, входящих составляющими компонентами векторных функций F, U и X. Возмущениями, оказывающими существенное влияние на выходные параметры функционирования как отдельных звеньев, так и всей модели являются составляющие векторной функции условий функционирования F в виде случайных процессов сопротивления почвы r(t), оцениваемого в наших исследованиях её твердостью и профиля поверхности поля Zn(t). Эти возмущения вызывают случайные колебания трактора и рамы машины, которые передаются всем звеньям модели объекта контроля.

Векторная функция хода технологического процесса X включает случайные и детерминированные воздействия в виде: возмущения e(t), характеризующего в зависимости от используемого в конкретном агрегате вида системы привода дозатора туков, скольжение или буксование опорных колес машины; изменения уровня удобрений в ёмкости Y(t); объемной массы удобрений y(t) и ширины междурядья Ь.

Векторная функция управляющих воздействий U включает случайные компоненты в виде поступательной скорости агрегата V(t) и положения рамы машины относительно поверхности поля h(t), а также детерминированные составляющие в виде выбранных для конкретных условий функционирования агрегата настроечных параметров: рабочей скорости Hv, дозы расхода удобрений Hq и глубины хода заделывающих рабочих органов На.

Звено 1, входящие в ДП, представляет собой систему привода дозатора туков. Оно преобразует входные управляющие воздействия V(t) и Hv в выходной процесс n(t) - частоту вращения вала дозатора. Возмущение e(t), действующее на это звено, определяет ход технологического процесса. При этом в случае применения синхронного привода дозатора туков, например, от опорных колес машины, возмущением e(t) будет являться их скольжение, а при применении несинхронного привода (от ВОМ, гидро-или электропривода) - буксование.

Звено 2 подсистемы дозирования состоит из собственно дозатора туков и ёмкости для перевозки определенного запаса удобрений. В зависимости от конструктивных особенностей приспособления может применятся одно-или многоканальный дозатор с общей или индивидуальной ёмкостью. На входе этого звена имеем воздействия в виде случайного

процесса п(1:) и детерминированной составляющей Ну. Ход протекания технологического процесса для этого звена определяется следующими компонентами: случайными У(1:) и у(1:) и детерминированной Ь. В результате воздействия всех перечисленных компонентов на выходе дозирующей подсистемы туковысевающего приспособления получаем, в зависимости от применяемого типа дозатора, одно-или многоканальный поток удобрений, оцениваемый случайным процессом который поступает в тукопроводы распределительной

подсистемы. Анализ подпроцессов дозирования различных материалов, вносимых комбинированными посевными и посадочными машинами с многоканальными дозаторами, приведенный в работе [8] показал, что сформированные ими случайные потоки материалов синхронно реагируют на внешние возмущения и имеют практически совпадающие числовые характеристики и частотный состав. Поэтому в качестве информационного параметра контроля расхода удобрений возможно использовать оценки характеристик случайного процесса q(t) одного из потоков. При этом в оставшихся неконтролируемых потоках материалов необходимо обеспечить аварийную диагностику. В туковысевающих приспособлениях более технологично её совместить с аварийной диагностикой тукопровода подсистемы распределения удобрений.

Звено 3 рассматриваемой модели выполнено в виде тукопроводов, входящих в РП. Они распределяют потоки удобрений поступающие от дозатора к рабочим органам звена 4. На выходе звена 3 будем иметь потоки удобрений цР0:) с несколько измененными числовыми характеристиками по сравнению с q(t). Однако исследования показали, что в условиях нормального функционирования туковысевающих приспособлений этими изменениями можно пренебречь. Ход технологического процесса для этого звена определяется детерминированной составляющей Ь.

Звено 4 представляет заделывающую подсистему туковысевающего приспособления. Оно выполнено в виде сошников комбинированных посевных и посадочных машин или специальных туковых сошников и других рабочих органов. Рабочие органы, заделывающие удобрения, находятся под воздействием входных возмущений, характеризующих условия функционирования машины г(1:) и Zп(t), управляющих воздействий Ь(1:) и У(1:) и Нд и составляющей Ь вектора, определяющего ход технологического процесса. Взаимодействие заделывающих рабочих органов с почвой приводит на соответствующей рабочей скорости агрегата к случайному распределению агрохимикатов вдоль рядков с]/(1:) и по глубине заделки а.(\). Для каждого их этих выходных параметров контроль возможно осуществлять по одному информационному каналу [8].

Проведенный анализ модели технологического процесса функционирования туковысевающего приспособления, представленный на рис. 1 в виде многомерного объекта контроля безопасности применения агрохимикатов, показал, что при идентификации эту систему можно упростить, рассматривая её как совокупность двух частных моделей: одномерной для подпроцесса дозирования удобрений и двухмерной для подпроцесса внутрипочвенной заделки удобрений. Структурные схемы этих моделей, отражающие определенные каналы связи показаны на рис. 2. Анализ результатов натурных исследований входных и выходных переменных рассматриваемых частных моделей туковысевающих приспособлений рядовой комбинированной сеялки и картофелесажалки показал, что между ними по всем установленным каналам имеется существенная корреляционная связь. Для таких моделей при идентификации рекомендуется использовать [5] оптимальные в смысле минимума среднего квадрата ошибки оценки условного математического ожидания, т. е. регрессии выходной переменной относительно фиксированных значений входного воздействия или в случае множественной регрессии - всей совокупности воздействий. Проверка гипотезы о линейности рассматриваемых систем по Б критерию показала, что поиск операторов следует искать в виде линейный уравнений регрессии.

т

а) б)

Рис 1. Структурные схемы частных моделей объекта контроля: а) подпроцесса дозирования удобрений; б)

подпроцесса внутрипочвенной заделки удобрений

Оператор для одномерной частной модели подпроцесса дозирования удобрений будет иметь вид, характерный для уравнения линейной регрессии первого порядка:

mq[v = mq+^- pvq(Vi - mv),

где mq\v - условное математическое ожидание реализации выходного параметра q(t) при фиксированных значениях V,- входного управляющего воздействия; mq, mv, aq и ov -средние значения и средние квадратические отклонения реализаций переменных q(t) и V(t); pvq - наибольший коэффициент корреляции между реализациями переменных V(t) и q(t). Идентификация этой модели сводится к определению наиболее вероятных значений коэффициентов а иЪ, определяемых как а = mq — Ъ mv\ Ъ = pvq Имея достаточное число

синхронных реализаций переменных q(t) и V(t), получаем совокупности этих коэффициентов, которые рассматриваем как реализации случайных величин аj и bj.

После вычисления их статистических характеристик и 95-ти процентных доверительных интервалов получаем оценки рассматриваемого уравнения регрессии со средними значениями коэффициентов. Результаты идентификации данной частной модели приведены в таблице.

Таблица. Оценки числовых характеристик коэффициентов уравнений регрессии для частных моделей технологического процесса функционирования туковысевающего приспособления

Коэффициенты уравнения регрессии

Тип подсистемы Оценки числовых характеристик

Машина Модель Обозначение m а V,% Доверительный интервал

Рядовая сеяжа Дозирующая с а 2,73 0,69 25,3 4,81-0,66

катушечно-штифтовыми V«) ¡1

аппаратами Ь 3,76 0,28 7,4 4,63-2,92

Картофелесажалка Дозирующая с а 4,72 0,81 17,4 7,15-2,29

дисково-скребковыми l'd^ чс^

аппаратами Ъ 1,56 0,17 11,2 2,07-1,05

Рядовая сеяжа Заделывающая с r(l)^ ал 1,31 0,13 9,9 0,91-1,71

двухдисковыми сошниками J , tr.l a(t^ Ьг 2,5-1 (Г1 (0,06)10"; 2,4 (2,31-2,69)10";

ь2 62-10"J 5,5-10" 5,6 (51-72)10";'

Картофелесажалка Заделывающая с ал 2,55 0,02 0,9 2,48-2,61

анкерными сошниками ап)^ ь, 6,55-10"' (0,04)10"3 0,6 (6,44-6,66)10"3

¿2 172-Ю"3 З-Ю"3 1,7 (163-181)10""

Оператор для двухмерной модели подпроцесса внутрипочвенной заделки удобрений с некоррелированными входами r(t) и Zn(t) согласно [8] будет представлять собой уравнение множественной регрессии вида:

ma\r.z = «1 + b-^irij. + b2mz + b2][m2 + a2r) + b2 (m 2 + а + 2 bt  b2m2  mz. Здесь ma\rz - множественная регрессия реализации выходного параметра a(t) относительно совокупности входных воздействий r(t) и Zn(t); mr , mz , ог и oz -соответственно средние значения и средние квадратические отклонения реализаций входных воздействий r(t) и Zn(t); а1з Ъ1иЪ2- коэффициенты уравнения регрессии. Ограничиваясь в этом выражении только членами первого порядка, получим уравнение линейной регрессии:

ma\r.z = ai + b1mr + b2mz

Наиболее вероятные значения коэффициентов , и Ъ2 определяются при идентификации также, как и для одномерной модели. В таблице приведены числовые характеристик этих коэффициентов и 95-ти процентные доверительные интервалы, рассчитанные по совокупностям уравнений множественной регрессии. Анализ полученных линейных моделей показал, что их степень идентичности высокая и составляет > 0,6.

Полученные в результате статистической идентификации математические модели объекта контроля позволяют с помощью методов имитационного моделирования провести выбор и обоснование параметров информационно-советующих систем, обеспечивающих оперативный контроль экологической безопасности применения агрохимикатов.

Литература

1. Щеткин Б.Н. Утилизация отходов птицеводства - решение проблем экологической безопасности и ресурсосбережения / Под редакцией В.Г. Еникеева. - Пермь, 2002. - 136 с.

2. Смелик В.А., Теплинский И.З., Первухина О.Н., Теплинский О.И. Методология оперативной оценки состояния технологической системы при выполнении работ по химизации в сельскохозяйственной производственной среде // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2015. - №40. - С. 274-280.

3. Свойства, получение и применение минеральных удобрений: Учебное пособие / Сост. Дмитриевский Б.А., Юрьева В.И., Смелик В.А., Теплинский И.З., Цыганова H.A. - СПб.: Проспект Науки, 2013. - 326 с.

4. Ружьев В.А., Смелик В.А., Теплинский И.З. Эксплуатация транспортно-технологических комплексов в информационно-навигационных системах управления точными агротехнологиями // Технологии и средства механизации сельского хозяйства: Сб. науч. тр. / СПбГАУ. - СПб., 2013. - С. 77-80.

5. Лурье А.Б., Еникеев В.Г., Теплинский И.З. Курсовое и дипломное проектирование по сельскохозяйственным и мелиоративным машинам - Л.: Агропромиздат, 1991. -224 с.

6. Еникеев В.Г., Абелев Е.А., Теплинский И.З., Михайлова М.С. Моделирование на ЭВМ технологических процессов мобильных с.-х. агрегатов // Контроль и управление технологическими процессами сельскохозяйственных машин: Сб. науч. тр. / ЛСХИ. - Л., 1988,— С. 10-14.

7. Теплинская О.Н. Оценка влияния антропогенных химических факторов на агроэкосистему при функционировании туковысевающих приспособлений комбинированных машин // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2016. - №43. - С. 351-354.

8. Смелик В.А. Технологическая надежность сельскохозяйственных агрегатов и средства её обеспечения. - Ярославль, 1999. - 230с.

9. Калинин А.Б., Смелик В.А., Теплинский И.З., Первухина О.Н. Выбор и обоснование параметров экологического состояния агроэкосистемы для мониторинга технологических процессов возделывания сельскохозяйственных культур // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2015. - №39. - С. 315-320