Анализ эффективности и построение обобщенных алгоритмов адаптации подпокровного фрезерователя

Аннотация

В.П. Максимов

Сформулированы требования, обеспечивающие эффективность работы подпокровного фрезерователя (ПФ). Получено пространство дискретных состояний ПФ и описана траектория переходов состояний в соответствии с событием, отражающем изменение качества, что необходимо и достаточно для реализации управления ПФ в автоматическом режиме.
Ключевые слова: Солонцы, подпокровный фрезерователь, эффективность, алгоритмы адаптации, система управления.

Ключевые слова:

На сельскохозяйственных землях Северо-Кавказского региона распространены низкоплодородные солонцовые почвы общим объемом более чем 4,2 миллиона гектаров. При этом около 1,7 млн. га приходится на Ростовскую область. На этих площадях солонцы находятся чаще всего в виде небольших пятен и, занимая лишь относительно небольшую часть территории, резко снижают плодородие всех почв комплекса. Вовлечение этих земель в интенсивный хозяйственный оборот и, особенно в условиях орошаемого земледелия нерационально и неэффективно без проведения мелиоративных мероприятий по повышению их плодородия.
Одним из направлений повышения плодородия солонцов и солонцовых почв является глубокая мелиоративная обработка, обеспечивающая их рассолонцевание за счёт вовлечения в разрыхляемый слой гипсовых отложений из подпахотных горизонтов почвенного профиля, образуя  в результате окультуренный пахотный и корнеобитаемый слой без вносимых извне химических мелиорантов. После такой обработки значительно увеличивается урожайность, как сеяных трав, так и зерновых культур. Определяющим условием (требованием), обеспечивающим эффективность данного приёма (способа) и технологии рассолонцевания, является тщательное крошение и перемешивание солонцового и карбонатного почвенных горизонтов.
Указанное условие (требование) обеспечивается применением при обработке солонцов и солонцовых почв соответствующих конструкций почвообрабатывающих орудий и технологий.
Однако существующие орудия и технологии не удовлетворяют в полной мере требованиям по важнейшим агротехническим, экономическим и экологическим показателям. Поэтому известные конструктивные решения таких орудий нуждаются в дальнейшем совершенствовании, а технологии обработки таких почв в дальнейшей оптимизации.
Проектированию орудия для глубокой мелиоративной обработки солонцов и солонцовых почв предшествовала разработка агротехнических требований, основные положения которых следующие.
1.     При мелиоративной механической обработке солонцов и солонцовых почв необходимо максимально сохранить плодородие и состояние верхнего гумусового слоя и покрывающей его растительности, а свойства нижних подстилающих горизонтов изменить внедрением почвообрабатывающего орудия в подсолонцовый горизонт на глубину, обеспечивающую вовлечение достаточного для рассолонцовывающей обменной реакции количества солей кальция.
2.    Для рассолонцевания и повышения плодородия солонцов и солонцовых почв глубокой мелиоративной вспашкой и созданием оптимальных условий для реакции замещения ионов натрия ионами кальция необходимо:
– обеспечить крошение и перемешивание почв солонцового и карбонатных горизонтов без коренного нарушения поверхностного гумусового слоя;
– в процессе механического воздействия сформировать возможно бóльшую площадь взаимного контакта между взаимодействующими реагентами (солями натрия и калия) в почвенном поглощающем комплексе;
– обеспечить условия для проникновения влаги (увлажнения почвы) по всей глубине и объёму обрабатываемого почвенного пространства.
С учётом этого определены агротехнические требования, суть которых заключается в следующем: максимальная сохранность гумусового слоя при степени дробления солонцового и карбонатного горизонтов не менее 70 %; качество перемешивания перемешиваемых слоёв почвы не менее 80 %; содержание пылевидной фракции в почве не более 10 % и выносе солонцового горизонта на поверхность менее 15 %. 
3.   Условия проведения работ – средняя влажность почвы в обрабатываемом слое на уровне 18…23 % при температуре почвенной массы – 5…150 С.
4.  Условие адаптивности орудия – обеспечение возможности оптимизации контактной поверхности натриевых и карбонатных реагентов при обеспечении высокого уровня влагопроницаемости разрыхляемого слоя почвы – достигается соответствующим изменением режимов работы почвообрабатывающего орудия.
С учетом вышеприведенных требований разработана конструкция подпокровного фрезерователя (ПФ) где основные операции по дроблению и перемешиванию солонцового и карбонатного горизонтов выполняют работающие под покровом (гумусовым горизонтом) два встречно вращающихся фрезбарабана [1].
Решение задач инновационного проектирования ПФ предполагает подбор соотношений между геометрическими, кинематическими, силовыми и динамическими параметрами рабочих органов, при которых движение агрегата наилучшим образом соответствует требуемым условиям ведения процесса обработки почвы. Однако свойства почвы широко варьируются даже в пределах одного участка. В этой связи на первый план выдвигается проблема гибкости, приспосабливаемости конструкции рабочих органов требованиям технологического процесса, связанным с постоянным изменением состояния технологического объекта. Выполнение требуемых функций приспособления обеспечивается системой автоматического управления (САУ), осуществляющей перестройку закона движения рабочих органов в зависимости от состояний технологического процесса и внешних условий.
Известно, что состояние объекта характеризуется совокупностью текущих значений его атрибутов и связей. Полное пространство может представлять собой неопределенное, хотя конечное множество возможных (но не всегда ожидаемых или желанных) состояний [2]. Взаимодействие объектов во время работы системы приводит к изменению их состояний. Инициирует переход в следующее состояние событие. Таким образом, работа системы характеризуется последовательностью происходящих в ней событий.
Динамику системы исследуем с помощью диаграммы состояний (ДС). Она показывает пространство состояний данного класса, как множество его состояний; множество событий , которые влекут переход из одного состояния в другое; действия D, которые происходят при изменении состояния; и множество переходов  [3].
Рассмотрим основные особенности функционирования ПФ. Проблема эффективности его работы заключается в выборе способов действий, удовлетворяющим целевым функциям или критериям. Известны оценки качества мелиорации солонцовых почв, основанные на физико-химических методах анализа достаточно точны, интегральны и информационно насыщены, но, как отмечалось выше, не репродуктивны. Исследуемый объект – подпокровный фрезерователь с механическим воздействием на почву требует критерий с оперативными характеристическими функциями, адекватно отражающими качество мелиорации.
Возможны два подхода для решения этой задачи.
Первый основан на критериально-энергетическом анализе. Для этого выделим потоки энергии основных процессов: – резание;  – перемещение ходовой части; ,, – перенос и перемешивание, а так же потоки энергии процессов опосредованных:

– выталкивание смеси;– вторичное дробление в результате работы транспортирующего канала и– эффекты взаимодействия механических органов, как затратный результат связи нелинейных процессов между ними. Энергия характеризует структурную устойчивость агрегата относительно совокупности воздействий (сопротивлений) почвы.
Каждая из указанных энергий, моделируемая сложными функционалами содержит в общем виде аналитические модели следующих конструкций;
;
;
;

;
;     

;

(1)

где  – удельная подача фрез;
– геометрические параметры определяющие режимы работы ножей фрез, агрегата и исполнительного органа;
 – удельные сопротивления резания, смятия, разрушения, смещения, сцепления и сжатия почвы при выполнении фрезерователем функциональных операций;
– скорость подачи, частота вращения фрез, скорость потока почвы, разность частот вращения фрез, приведенная к поступательной скорости потока разрушенного слоя;
 – частоты собственно механизмов, вынужденные, обусловленные взаимодействием фрезерователя с почвой и частоты вибрационных процессов ПФ;
– высота фрезеруемых слоев и гумуса;
– коэффициенты разрыхления и дробления;
– расстояние между фрезами и их диаметры;

  – обобщенная и приведенная эпюра силовых воздействий в агрегате, как комплексная характеристика силового поля в механизмах;
– оценка турбулентности потока между фрезами;
-соответствующие функционалы.
Качество обработки почвы, с точки зрения эффективности процессов мелиорации, определяют энергии. Энергии  обеспечивают основные процессы. Поэтому одним из критериев качества будет отношение
 . (2)
Если связать энергию с производительностью ПФ, то справедлив критерий минимальных удельных энергозатрат
 (3)
характеризующий максимальную производительность в начале зоны насыщения кривой  где – объем потока почвы.
Процедуры оптимизации по (2) и (3) при полноте моделей (1) дают возможность параметрического синтеза оптимальных геометрических параметров ПФ. Оператор будет формировать при этом оптимальные управляющие воздействия и  .

  Такую информацию оператору могут дать кривые оптимального компаундирования, полученные теоретически для разных свойств почв. Однако использовать в оперативном управлении ПФ критерий (2) весьма сложно, так как совокупность свойств почв (возмущающих факторов) не определима. Кроме того, в понятие эффективности входят и показатели качества мелиоративной обработки, такие как дисперсный состав дробления, глубина рыхления и степень перемешивания генетических горизонтов (структурно-фракционный состав).
Условное разделение энергий дает логико-аналитическую основу для поиска иных путей, идентифицирующих косвенно критерии эффективности. Так при непрерывном движении ПФ и наличие не жесткой сцепки с тяговым агрегатом процессы формирования тягового усилия будут иметь колебательный характер. Примем первую гипотезу, что частота и амплитуда колебаний (при наличии фильтрации собственных частот агрегата) характеризует процессы разрушения карбонатных включений. Вторая гипотеза определена понятием эпюры силового взаимодействия рабочих органов ПФ. Нелинейность получаемых процессов формируется остаточным энергетическим принципом в виде      ,  (4)                                                         

где – энергии, измеряемые на двигателе (агрегате), ходовой части и исполнительном органе информационно-вычислительной системой. Из (1) и (4) при совместном решении можно найти в неявно выраженной форме определитель (индикатор) свойств переработанной почвы (косвенная оценка). Назовем его показателем свойств почвы, включающим мультипликативные связи  и введем его в критериальную оценку .

(5)
где – коэффициент потерь энергетических процессов;
– есть нелинейный функционал, численно имеющий тенденцию роста/убывании при снижении/возрастании составляющих эффективности работы ПФ;
– известная функция, определяемая из решений (1-3).
Тогда критерий качества примет вид
      (6)
Определяющими (системоформирующими) факторами в (6) могут быть режимные параметры  , которые при наличии конструктивных средств управления (СУ) могут изменяться с целью выполнения критерия (6). Но этот способ без коррекции по эффектам силового взаимодействия между элементами ПФ не дает эффективного управления режимом работы. Рассмотрим соотношение и.

Анализ причинно-следственных связей показывает, что нелинейность между энергетическими затратами органов ПФ и его структурной устойчивостью являются разными следствиями одной причины, которые распределяются на разные элементы системы – среду и сам объект. Гипотетически и должны быть пропорциональны и косвенно характеризовать обобщенный показатель. Следовательно отношение энергий и  можно назвать коэффициентом взаимосвязи, оцениваемый косвенно через и устанавливающий связь между энергиями. В области эффективной работы объекта справедливы соотношения      и          (7)
Из (7) решается задача нахождения . Тогда по математической модели (1) можно найти     (8)
и теоретическое значение порогового коэффициента.
Решение (8) имеет смысл для подтверждения второй гипотезы, хотя для оперативного управления ПФ достаточно знать и тенденцию его изменения.
Таким образом получается дополнительный корректирующий критерий (КУ), усиливающий эффективность оценки режима работы ПФ  

Величину можно определять через косвенные оценки режима работы ПФ, таких как разностное поле вибраций агрегата или через оценки авто и взаимно спектральных плотностей процессов- и . Для таких измерений необходимо иметь не менее двух акселерометров с последующей обработкой их данных избирательными фильтрами и бортовым компьютером. Машинистом-оператором через средства управления (СУ) или автоматическим управляющим устройством (УУ) может быть реализован многокритериальный подход к решению задачи эффективного управления режимом работы ПФ.
Второй подход основан на разработанном и апробированном [4] способе непрерывного определения качества перемешивания и является более удобным и точным. Этот способ, дополненный анализом сило-моментных характеристик, служит основой для разработки функционала качества системы автоматического управления. Применение предложенных функционалов возможно для объектов (ПФ) с расширенными возможностями и исчерпывающим составом исполнительных органов (см. рис.). Анализ влияния режимных и геометрических параметров на качество обработки почвы показывает, что получить приемлемый результат при имеющемся разнообразии состояний почвы, возможно только при многоуровневом управлении кинематическими и геометрическими параметрами рабочих органов. Поскольку оперативное изменение геометрических параметров в процессе работы довольно сложная технически и дорогостоящая операция, то предлагается на последнем уровне управления осуществлять переход в состояние, характеризующееся новыми геометрическими параметрами рабочих органов, путем замены после остановки агрегата.

Рис. Диаграмма состояний ПФ

Первый уровень управления осуществляет настройку скоростей вращения фрез–  и.

Это определяет необходимость двухъярусной, самостоятельной для каждого обрабатываемого слоя, кинематики фрез. Второй уровень управления производит в соответствии с и .настройку скорости передвижения тяговой машины – . Это возможно на тракторах с автоматической бесступенчатой трансмиссией. Третий уровень управления – корректирует качество путем внесения добавочных доз гипса. Если после этого требуемый уровень качества обработки–  достигнуть не удается, то производится соответствующая замена рабочих органов (четвертый уровень управления).
Диаграмма состояний, формализующая вышеперечисленные режимы функционирования ПА приведена на рисунке. Совокупность текущих состояний диаграммы ДС описывает множество событий ={Начало; Норма Сбой;Задания на изменения, ,  ДГ; Завершение изменений; Останов}; множество состояний С={Установка рабочих органов; Стационарный режим; Настройка скоростей вращения фрез; Анализ качества; Изменение; Изменение ; Изменение ; Изменение ДГ}; множество действий={Проверка условия;Выдача сигналов на изменение ; Выдача сигналов на завершение изменения}; множество переходов, где условиями переходов является несоответствие (соответствие) текущего значения k его требуемому значению. Проведенный анализ процесса функционирования ПА позволил получить пространство его дискретных состояний и описать траектории переходов состояний в соответствии с событием, отражающим изменение качества, что необходимо и достаточно для реализации управления ПФ в автоматическом режиме.

Литература:
1.Максимов В.П. Методология концептуального конструирования подпокровного агрегата // II съезд инженеров Дона: сборник докладов. – Ростов-на-Дону: ФГБОУ ВПО РГУПС. 2011
2.Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа: Учеб. для студентов вузов: Изд. 2-е, перераб. и доп. – СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999
3.Рамбо Дж., Якобсон Л., Буч Г. UML: специальный справочник. – СПб.: Питер, 2002
4.Максимов В.П. Оценка качества перемешивания генетических горизонтов при мелиорировании солонцовых почв // Ресурсосберегающие, экологически безопасные технологии мелиорации, рекультивации и охраны земель: Матер. межд. научн.-практ. конф. – Новочеркасск. 2004