CC BY
72
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для внедрения ИТ в производство должны быть разработано соответствующее алгоритмическое и программное обеспечение для указанных выше задач.
Эффективность использования ИТ в с.-х. производстве будет достигаться за счет:
- повышения эффективности документооборота, снижения погрешностей при выполнении учетных операций, своевременности получения информации и принятия производственных решений;
- оптимизации использования ресурсного обеспечения хозяйства, рационального распределения ресурсов по отраслям производства;
- принятия оптимальных решений при изменении условий производства и рыночной конъюнктуры цен на производимую продукцию;
- оптимального выбора технологий производства;
- оптимизации структуры машинотракторного парка.
Получено 17.03.2008.
УДК 631.531.17-52:633(470.31)
В.Н. БРОВЦИН, д-р техн. наук
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
ПОСРЕДСТВОМ ПРИЛОЖЕНИЯ SIMULINK ПАКЕТА MATLAB
В статье приведен пример идентификации параметров пахотного агрегата по каналу управления положением линии тяги пахотного агрегата, составленного из колесного трактора МТЗ-82 и навесного плуга ПИН-4-35. Идентификация проведена с использование приложения Simulink® Parameter Estimation ППП MATLAB®.
Наиболее часто используемые методы идентификации параметров моделей сельскохозяйственных процессов пригодны, как правило, для линейных по параметрам математических описаний, и, кроме того, распределенных по нормальному закону возмущающих воздействиях [1] (или имеющих специальный вид, например, единичный
196
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2008. Вып. 80.
скачок). Тем не менее, для сельского хозяйства характерны существенно нелинейные процессы, экспериментальное исследование которых по существующим методикам организовать сложно, а часто и невозможно, в связи с чем целесообразно использовать метод, свободный от отмеченных ограничений - вариационный метод решения экстремальных задач. Метод позволяет провести идентификацию параметров моделей или модельных коэффициентов при любом удобном для исследователя наборе экспериментальных данных. Программная реализация метода представлена в приложения Simulink® Parameter Estimation ППП MATLAB®.
В качестве примера проведем идентификацию параметров пахотного агрегата по каналу управления положением линии тяги (рис. 1).
Рис. 1. - схема плуга:
е - смещение линии тяги, см; РТ - тяговое сопротивление, кН; Rex - усилие на бороздном колесе вдоль линии тяги, кН
По данным экспериментальных исследований построен график зависимости тягового сопротивления ( РТ ) и усилия (Лбх) на бороздном колесе (реакции по направлению движения) от смещения линии тяги на супесчаной почве (рис. 2).
197
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Рис. 2. Зависимость тягового сопротивления плуга и усилия на бороздном колесе от смещения линии тяги на супесчаной почве [1]:
1 - тяговое сопротивление, кН; 2 - усилие на бороздном колесе
Из графика (см. рис. 2) видно, что с увеличением ширины захвата увеличивается тяговое сопротивление плуга. Также из графика видно, что при оптимальном положении линии тяги плуг имеет минимальное значение тягового сопротивления и максимальное значение усилия на бороздном колесе. Со смещением линии тяги в сторону от оптимального наблюдается увеличение тягового сопротивления плуга и уменьшение усилия на бороздном колесе. Это объясняется тем, что при смещении линии тяги в сторону от оптимального нарушается устойчивость плуга, тяги механизма навески трактора перекашиваются, и трактор начинает «уводить» в сторону вспаханного поля [1]. Если принять, что допустимое увеличение удельного сопротивления по потенциальной эксплуатационной характеристике должно быть не более 3-6%, то из графика (см. рис. 2) видно, что предел изменения линии тяги, при котором сохраняется устойчивое положение плуга находится в довольно узком диапазоне 50-100 мм, поэтому при работе необходимо добиваться более точной установки положения линии тяги. Для
198
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2008. Вып. 80.
более точной установки линии тяги желательно иметь устройство, которое автоматически при изменении условий работы плуга установит необходимое положение линии тяги.
В связи с тем, что зависимости РТ и Лбх как функции смещения линии тяги имеют ярко выраженный унимодальный характер, целесообразно в качестве управляющего устройства использовать экстремальный регулятор, для синтеза которого необходимо разработать модель по каналу управления положением линии тяги и определить численные значения ее параметров. С этой целью были проведены экспериментальные исследования на супесчаной почве при скорости движения агрегата 2,5 м/с с дискретностью записи 0,05 с. В качестве входного воздействия записывали величину напряжения (и,в) на обмотке электромагнитного клапана (см. рис. 4, а) , а выходными - движение штока (Ь,см) гидроцилиндра (см. график 1 на рис. 4, б) и усилие (Лбх, кН) на бороздном колесе (см. график 1 на рис. 4, в).
При определении структуры примем во внимание, что порядки передаточных функций по каналам управления для плугов, культиваторов и лущильников my, пу<2 [2].
Предположим, что динамические свойства объекта Wo6 (усилие
на бороздном колесе - положение штока гидроцилиндра) описывается выражением
Wоб (s)
1
г2 s2 + Ts + г
(1)
где Т1 и Т2 - параметры, с,
а экстремальная характеристика процесса (нелинейное звено) -простой параболой.
Рб = аЬ2 + bL + c, или Рб = Рб0 + А(Ь-Ь0)2, (2)
где А = а, Рб = -Ь/2а, Ь0 = (4ас - b2)/4a.
Передаточную функцию электромагнитного клапана запишем
в виде:
WK (s) = —^, (3)
к T +1
где Тк - обобщенная постоянная времени электромагнитного клапана и маслопровода, с.
199
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Движение штока гидроцилиндра соответствует интегрирующему звену:
Wg (s) =-k (4)
Tg
где Tg - постоянная интегрирования гидроцилиндра, с; Tg = Tgs при движении штока в прямом направлении и Tg = Tgi - в обратном.
В выражениях (1), (2) и (3) коэффициенты Т1, Т2, Тк, A, L0, Tgs, Tgi и R0 являются параметрами объекта управления и подлежат определению по результатам обработки экспериментальных данных.
Модель по каналу управления S, в соответствии с уравнениями (1) - (4), представлена на рис. 3.
Рис. 3. Модель по каналу управления положением линии тяги
Блок Вход 1 модели используется для подачи входного воздействия - напряжения, подаваемого на обмотку электромагнитного клапана. Блоки Выход 1 и Выход 2 используются для формирования процессов изменения положения штока гидроцилиндра и усилия на бороздном колесе, соответственно.
200
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2008. Вып. 80.
Рис. 4. Результаты идентификации параметров пахотного агрегата:
а - процесс изменения напряжения на обмотке электромагнитного магнитного клапана; б - смещение линии тяги;; в - усилие на бороздном колесе
1 - экспериментальные данные; 2 - идентифицированные данные
Итак, задача заключается в том, чтобы на решениях S-модели получить численные значения идентифицируемых параметров, обеспе-
201
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
чивающих при заданных на них ограничениях минимальное значение квадратичного критерия качества.
Для решения задачи идентификации использовали нелинейный метод наименьших квадратов (Nonlinear least squares), реализованный в алгоритме Гаусса-Ньютона (Gauss-Newton), программная реализация которого представлена в приложении Simulink® Parameter Estimation ППП MATLAB®.
Результаты идентификации параметров технических средств канала управления положением линии тяги представлены на табло S-модели (см. рис. 3).
На рис. 4 приведены процессы изменения положения штока гидроцилиндра (рис. 4, б) и усилия на бороздном колесе (рис. 4, в) при изменении напряжения на входе электромагнитного клапана (рис. 4, а). Близость графиков, построенных по экспериментальным данным и по результатам оценки параметров модели свидетельствует о высоком качестве идентификации.
Малые возмущения начальных условий приводят к тому же результату, что подтверждает корректность (адекватность) модели экспериментальным данным [3].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Степанов А.Н. Повышение эффективности вспашки путем пользования плугов с изменяемыми параметрами /А.Н. Степанов: Дис. ... канд. техн. наук. - СПб. - Пушкин, 1999.
2. Лурье А.Б., Еникеев В.Г., Теплинский И.З., Смелик В.А. Сельскохозяйственные машины (машины для обработки почвы, посева, посадки, внесения удобрений и хим. защиты растений) /А.Б. Лурье и др. - СПб.: изд-во СПбГАУ, 1988.
3 Бровцин В.Н. Исследование и оптимизация динамических объектов сельскохозяйственного назначения средствами вычислительного эксперимента /В.Н. Бровцин. -СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2004. -ISBN 5-88890-027-3.
Получено 24.03.2008.
202
