В1СНИК ХНТУ №3(66), ТОМ 2, 20181р.
УДК 681.513
1НЖЕНЕРНТ На) УКИ
О.О. БРОВАРЕЦЬ
Кшвський кооперативний iнститут бiзнесу i права
МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ФУНКЦ1ОНУВАННЯ 1НФОРМАЩЙНО-ТЕХШЧНО1
СИСТЕМИ ЛОКАЛЬНОГО ОПЕРАТИВНОГО МОН1ТОРИНГУ ВАР1АБЕЛЬНОСТ1 АГРОБ1ОЛОГ1ЧНОГО СТАНУ ГРУНТОВОГО СЕРЕДОВИЩА С1ЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ УГ1ДЬ ЗАЛЕЖНО В1Д ПАРАМЕТР1В ВАЖ1ЛЬНО1
П1ДВ1СКИ II РОБОЧИХ ЕЛЕКТРОД1В
lснуючi способи керування агробiологiчним станом Грунтового середовища та вiдбором проб Грунту за наявними методиками не враховують варiабельностi Хх параметрiв по площi альськогосподарських угiдь. Для реалгзаци технологи диференцтованого внесення технологтного матерiалу переважно використовуеться спрощений споаб рiвномiрного розбиття поверхнi поля на рiвнi квадрати (переважно площею 5-15 га) для подальшоХ дiагностики та керування полем з використанням такоХ диференцiацii. З однiеi сторони, такий подш обумовлений зручнктю та простотою даного методу, з гншог - вiдсутнiстю достовiрних оперативних даних про поле та, вiдповiдно, тструмента для подшу поля за iншими критерiями на основi вихiдних даних. За цiею методикою до умовно рiвного квадрата на полi можуть потрапляти дшянки з принципово р1зними параметрами, середне значення яких не вiдображатиме реальних параметрiв даноХ дшянки. Споаб рiвномiрного розбиття на рiвнi квадрати поверхнi поля не враховуе специфiки поля та зон неоднорiдностi, як на^док, мае мкце низька достовiрнiсть даних, отриманих з використанням такого методу, а вiдповiдно, i можливiсть використання таких даних для яюсного керування технологiчним процесами з застосуванням технологи диференцтованого внесення технологiчного матерiалу.
У деяких випадках значення параметрiв Грунтового середовища будуть заниженi, а по деяких завищенi в межах одного квадрата. Диференцшоване керування нормою внесення технологiчного матерiалу, у межах даного квадрата, повинне буде здтснюватися саме на пiдставi середнього значення цього параметра. Тому такий споаб реалгзаци диференцтованого внесення технологiчного матерiалу буде неефективним.
За цих умов виникае необхiднiсть пошуку бшьш ефективного способу для оперативного мотторингу агробiологiчного стану альськогосподарських угiдь.
Найбыьш ефективним способом оперативного монiторингу агробiологiчного стану альськогосподарських угiдь е вимiрювання електропровiдних характеристик Грунтового середовища. Електропровiднi властивостi Грунтового середовища е комплексним показником його агробiологiчного стану, який враховуе твердiсть, вологiсть, вмкт поживних речовин у Грунтi, насиченкть основами, емнкть катюнного обмiну тощо.
Високий вмiст вологи, солей та поживних речовин у Грунтi сприяють пiдвищенню показниюв електропровiдностi Грунтового середовища у межах одного поля. Ц показники рееструеться iнформацiйно-технiчною системою локального оперативного монiторингу агробiологiчного стану альськогосподарських угiдь. Така iнформацiя дозволяе видшити зони варiабельностi Грунтового середовища та у подальшому здтснювати керування агробiологiчним станом альськогосподарських угiдь з врахування зон неоднорiдностi.
Ставиться завдання отримання оперативних достовiрних даних про агробiологiчний стан Грунтового середовища шляхом зменшення похибки при визначеннi величини електропровiдних властивостей Грунту. Для розв 'язання означених задач використовують iнформацiйно-технiчну систему локального оперативного монторингу агробiологiчного стану альськогосподарських угiдь шляхом вимiрювання електропровiдностi Грунтiв з разними типами пiдвiски и робочих електродiв.
lнформацiйно-технiчну систему локального оперативного мотторингу агробiологiчного стану альськогосподарських угiдь використовують: перед виконанням технологiчноi операцИ, одночасно з виконанням технологiчноi операцИ (авба, внесення мтеральних добрив тощо); протягом вегетаци та тсля збирання врожаю.
Проведено фгзичне моделювання функцюнування iнформацiйно-технiчноi системи локального оперативного мотторингу стану альськогосподарських угiдь.
Це вiдкривае новi перспективи для ведення органiчного землеробства з використанням таких "розумних" альськогосподарських машин.
Ключовi слова: iнформацiйно-технiчна система, оперативний монторинг, математична модель, важшьна пiдвiска.
В1СНИК ХН ТУ №3 (66), ТОМ 2, 2018 р.
1НЖЕН ЕРН I НАУКИ
А.А. БРОВАРЕЦ
Киевский кооперативный институт бизнеса и права
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЛОКАЛЬНОГО ОПЕРАТИВНОГО МОНИТОРИНГА ВАРИАБЕЛЬНОСТИ АГРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ ПОЧВЕННОЙ СРЕДЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УГОДИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПАРАМЕТРОВ РЫЧАЖНОЙ ПОДВЕСКИ ЕЕ РАБОЧИХ
ЭЛЕКТРОДОВ
Существующие способы управления агробиологическим состоянием почвенной среды и отбором проб грунта по имеющимся методикам не учитывают вариабельности их параметров по площади сельскохозяйственных угодий. Для реализации технологии дифференцированного внесения технологического материала преимущественно используется упрощенный способ равномерного разбиения поверхности поля на равные квадраты (преимущественно площадью 5-15 га) для дальнейшей диагностики и управления полем с использованием такой дифференциации. С одной стороны, такое разделение обусловлено удобством и простотой данного метода, с другой - отсутствием достоверных оперативных данных о поле и, соответственно, инструмента для разделения поля по другим критериям на основе исходных данных. По этой методике в условно равный квадрат на поле могут попадать участки с принципиально разными параметрами, среднее значение которых не отражает реальных параметров данного участка. Способ равномерного разбиения на равные квадраты поверхности поля не учитывает специфики поля и зон неоднородности, как следствие, имеет место низкая достоверность данных полученных с использованием такого метода, а соответственно, и возможность использования таких данных для качественного управления технологическим процессами с использованием технологии дифференцированного внесения технологического материала.
В некоторых случаях значения параметров почвенной среды будут занижены, а в некоторых -завышены в пределах одного квадрата. Дифференцированное управление нормой внесения технологического материала, в рамках данного квадрата, должно будет осуществляться именно на основании среднего значения этого параметра. Поэтому такой способ реализации дифференцированного внесения технологического материала будет неэффективным.
В этих условиях возникает необходимость поиска более эффективного способа для оперативного мониторинга агробиологического состояния сельскохозяйственных угодий.
Наиболее эффективным способом оперативного мониторинга агробиологического состояния сельскохозяйственных угодий является измерение электропроводящих характеристик почвенной среды. Электропроводящие свойства почвенной среды является комплексным показателем его агробиологического состояния, учитывающим твердость, влажность, содержание питательных веществ в почве, насыщенность основаниями, емкость катионного обмена и др.
Высокое содержание влаги, солей и питательных веществ в почве способствуют повышению показателей электропроводности почвенной среды в пределах одного пол. Эти показатели регистрируются информационно-технической системой локального оперативного мониторинга агробиологического состояния сельскохозяйственных угодий. Такая информация позволяет выделить зоны вариабельности почвенной среды и в дальнейшем осуществлять управление агробиологическим состоянием сельскохозяйственных угодий с учетом зон неоднородности.
Ставится задача получения оперативных достоверных данных об агробиологическом состоянии почвенной среды путем уменьшения погрешности при определении величины электропроводящих свойств почвы. Для решения указанных задач используют информационно-техническую систему локального оперативного мониторинга агробиологического состояния сельскохозяйственных угодий путем измерения электропроводности почв с различными типами подвески ее рабочих электродов.
Информационно-техническую систему локального оперативного мониторинга агробиологического состояния сельскохозяйственных угодий используют: перед выполнением технологической операции, одновременно с выполнением технологической операции (сев, внесение минеральных удобрений и т.п.); в течение вегетации и после уборки урожая.
Проведено физическое моделирование функционирования информационно-технической системы локального оперативного мониторинга состояния сельскохозяйственных угодий.
Это открывает новые перспективы для ведения органического земледелия с использованием таких "умных" сельскохозяйственных машин.
Ключевые слова: информационно-техническая система, оперативный мониторинг, математическая модель, рычажная подвеска
В1СНИК ХНТУ №3(66), ТОМ 2, 2018 р.
1НЖЕНЕРН1 НАУКИ
О.О. BROVARETS
Kyiv Cooperative Institute of Business and Law
MATHEMATICAL MODEL OF INFORMATION TECHNOLOGY OPERATIONAL
MONITORING SYSTEM OF LOCAL VARIABILITY OF AGROBIOLOGICAL SOIL MEDIA FARMLAND WITHIN THE PARAMETERS LEVER SUSPENSION OF WORKING ELECTRODE
Existing methods for controlling the agrobiological state of the soil and sampling soil according to available methods do not take into account the variability of their parameters in the area of agricultural land. In order to realize the technology of differentiated introduction of technological material, a simplified method of uniformly dividing the surface of the field at the squared (preferably 5-15 hectares) is used for further diagnostics and control of the field using such differentiation. On the one hand, such a division is due to the convenience and simplicity of the method, on the other hand, the lack of reliable field data and, accordingly, the instrument for splitting the field according to other criteria based on the original data. According to this method, a zone with essentially different parameters, the average value of which does not reflect the real parameters of this site, can fall into a conditionally equal square on the field. The method of uniform division at the level of the square of the surface of the field does not take into account the specifics of the field and the heterogeneity zones, as a result of the low reliability of the data obtained using this method, and, accordingly, the possibility of using such data for the quality control of technological processes using the technology of differentiated introduction of technological material.
In some cases, the values of the soil environment parameters will be understated, and some will be overestimated within one square. Differentiated control of the norm of making a technological material, within the limits of a given square, should be carried out precisely on the basis of the average value of this parameter. Therefore, such a method of implementing a differentiated introduction of technological material will be ineffective.
Under these conditions, there is a need to find the most effective way for operational monitoring of the agrobiological state of agricultural lands. The most effective way of operational monitoring of the agrobiological state of agricultural lands is the measurement of the conductive characteristics of the soil environment. The conductive properties of the soil environment is a complex indicator of its agrobiological state, which takes into account the hardness of moisture, the content of nutrients in the soil, the saturation of the bases, the capacity of the cation exchange, and others like that.
High moisture content, salts and nutrients in the soil contribute to increasing the electrical conductivity of the soil environment within the same field, which is recorded by the information and technical system of local operational monitoring of the agrobiological state of agricultural land. Such information makes it possible to isolate the zones of variability of the soil environment and, in the future, to manage the agrobiological state of agricultural lands, taking into account heterogeneity zones.
The task is to obtain reliable reliable data on the agrobiological state of the soil environment by reducing the error in determining the magnitude of the conductive properties of the soil. To provide the indicated tasks, the information and technical system of local operational monitoring of the agrobiological state of agricultural lands is used by measuring the electrical conductivity of soils with different types of suspension of its working electrodes.
The information and technical system of local operational monitoring of the agrobiological state of agricultural lands is used: before the execution of the technological operation, simultaneously with the implementation of the technological operation (seed, application of mineral fertilizers, etc.); during the growing season and after harvesting. The physical modeling of the functioning of the information and technical system of the local operational monitoring of the condition of agricultural lands is carried out.
This opens new prospects for organic farming using such "smart" agricultural machines.
Keywords: information-technical system, operational monitoring, information and technical system, operational monitoring, mathematical model, lever suspension.
Постановка проблеми
Сучасш шформацшно-техшчш системи локального оперативного мониторингу стану сшьськогосподарських упдь дають можливють забезпечити належну яшсть керування виконанням технолопчних операцш з використанням сучасних мехатронних та робототехшчних систем керування, пов'язаних з датчиками контролю якосп виконання технолопчних операцш, як у сучасному контекст гх розвитку отримали назву "розумних" або "смарт" машин (Smart machinery) [1-25].
Так "розумш" машини з датчиками оперативного мониторингу стану сшьськогосподарських упдь можуть широко використовуватися на вах стадях виробництва сшьськогосподарськог продукци рослинництва: основного обробгтку, авби (садшня), на еташ догляду за поавами у перюд вегетаци та при збиранш врожаю. Це дае можливють забезпечити належну яшсть виконання технолопчних операцш при оптимiзацií витрат на гх виробництво. "Розумш" машини "адаптуються" до агробюлопчного стану грунтового середовища на основi шформаци з датчиков про агробюлопчний стан грунтового середовища.
Неоднорвдшсть грунту можна представити як iерархiчну шдпорядковашсть явищ. Питання про шкалу вимiрювання неоднорвдносп. Звичайно, неоднорвдшсть порiвняно просто вираховуеться, коли
В1СНИКХНТТ№3(бб), ТОМ 2, 2Q1S р._ШЖЕНЕРНТНАУКИ
xаpактepиcтики oб'eктiв, яш пopiвнюютьcя, вимipюютьcя ильк^та i при цьoмy викopиcтoвyютьcя шлькюш кpитepiï. Нeoднopiднicть вважають фактopoм, ввдшвщальним за бiopiзнoмаиiття, тoмy щo завдяки ш фopмyeтьcя eкoлoгiчна cкладoва i забeзпeчyeтьcя багатoгpаннicть opганiзмiв грунту [2]. У цьoмy аcпeктi важдиву poль вiдiгpаe визначeния гpyнтoвoï eлeктpичнoï пpoвiднocтi для визначeния вeличини прибутку на ocнoвi даних пpocтopoвoï мiнливocтi та вмюту пoживниx peчoвин y груш! Знання пeвнoï cтpyктypнoï ваpiабeльнocтi гpyнтoвoгo пoкpивy дoзвoдяe прийняти eфeктивнi piшeння для yпpавлiния агpoбioлoгiчним пoтeнцiалoм ciльcькoгocпoдаpcькиx yгiдь [1]. Втiлeння cyчаcниx тexнoлoгiй зeмлepoбcтва дoзвoляe планувати витрати наciннeвoгo матepiадy, дoбpив, пecтицидiв та шших тexнoлoгiчниx матepiалiв, y тoмy чи^ палива, визначати загальну cтpатeгiю управлшня агpoбioлoгiчним пoтeнцiадoм пoдя тoщo. Пpoтe, на cьoгoднi при peалiзацiï даних тexнoлoгiй бpакye eфeктивниx cиcтeм збopy та peecтpацiï (мoнiтopингy) мicцeвизначeнoï iнфopмацiï (агpoбioлoгiчнoï та фiтocанiтаpнoï) пpo стан ciльcькoгocпoдаpcькиx yгiдь y тexнoлoгiяx точтого зeмлepoбcтва. Icнyючi cпocoби i зашби peадiзацiï цьoгo пpoцecy e нeдocкoналими [2, 3, 4]. У цьoмy ceнci набyваe актyальнocтi poзpoбка та ви^р^тая^ пpинципoвo нoвoгo клаcy ciльcькoгocпoдаpcькиx машин - iнфopмацiйнo-тexнiчниx cиcтeм лoкальнoгo oпepативнoгo мoнiтopингy ваpiабeльнocтi агpoбioлoгiчнoгo стану гpyнтoвoгo cepeдoвища ciльcькoгocпoдаpcькиx упдь.
Aнaлiз ocTaHHix доcлiджень i публiкaцiй
Aналiз дocлiджeнь i пyблiкацiй пoказye, щo тpадицiйнi фактopи пiдвищeння eфeктивнocтi ciльcькoгocпoдаpcькoгo виpoбництва за pаxyнoк oптимiзацiï мexанiкo-кoнcтpyктивниx матepiалiв, викopиcтания нoвiтнix машинoбyдiвниx матepiалiв (надмiцнoгo плаcтикy, cплавiв мeтадy тoщo) на cyчаcнoмy eтапi poзвиткy тexнiки, нe дають cyттeвoгo пiдвищeния eфeктивнocтi. Така cитyацiя виникаe чepeз oб'eктивнi причини, пoв'язанi з викopиcтаниям oбчиcлювальниx пpoцeciв y кoнтeкcтi oпиcy пoтoчнoгo poзвиткy cиcтeми в рамках oднoгo виpoбничoгo циклу [1]. При татому пiдxoдi пpактичнo вiдcyтнe cepeдoвищe автоматизаци пpoцeciв дoвгocтpoкoвoгo i cepeдньocтpoкoвoгo планування, а мeтoдика планування, щo peалiзoвyeтьcя, нe дoзвoдяe iнтeгpyвати в iнфopмацiйнy cиcтeмy мeтoди eфeктивнoгo кopeктyвания вiдxилeнь з мeтoю виxoдy на плашвий piвeнь, щo базyютьcя на виюэристанш oптимiзацiйниx матeматичниx мoдeлeй. Одним з пepcпeктивниx напpямiв e забeзпeчeння нeoбxiднoï якocтi викoнания тexнoлoгiчниx пpoцeciв за рахушк oдepжания бiльш виcoкoгo (y пopiвняннi з фiзioлoгiчними мoжливocтями людини) piвия iнфopмацiï та oпepативнoгo кepyвання poбoчими пpoцecами машин i на ocнoвi цьoгo пepexiд дo швих пpoгpecивниx тexнoлoгiй з викopиcтаниям "poзyмниx" ciльcькoгocпoдаpcькиx машин. Тoмy виникаe нeoбxiднicть y poзpoбцi та викopиcтаннi пpинципoвo нoвoгo кдаcy ciльcькoгocпoдаpcькиx машин пвдтримки виpoбництва пpoдyкцiï pocлинництва - iнфopмацiйнo-тexнiчниx cиcтeм лoкадьнoгo oпepативнoгo мoнiтopингy ваpiабeльнocтi агpoбioлoгiчнoгo cтанy гpyнтoвoгo cepeдoвища ciльcькoгocпoдаpcькиx упдь.
Oчeвиднo, щo за таких yмoв виникаe нeoбxiднicть y пpинципoвo нoвиx пiдxoдаx дo вeдeния агpoпpoмиcлoвoгo виpoбництва, щo пoдягаe y забeзпeчeннi налeжиoï якocтi викoнания тexнoлoгiчниx oпepацiй. Якicть викoнания тexнoлoгiчниx oпepацiй e iнтeгpальним пoказникoм eфeктивнocтi виpoбництва ciльcькoгocпoдаpcькoï пpoдyкцiï в мeжаx агpoбioлoгiчнoгo шля. Нeoбxiдна якicть викoнания ocнoвниx тexнoлoгiчниx пpoцeciв y pocлинництвi забeзпeчyeтьcя за рахушк iнтeгpoваниx iнфopмацiйнo-тexнiчниx cиcтeм oпepативнoгo мoнiтopингy агpoбioлoгiчнoгo cтанy ciльcькoгocпoдаpcькиx упдь [13-15].
Структура грунту змiнюeтьcя в значних мeжаx на багатьox ciльcькoгocпoдаpcькиx пoдяx. Фiзичнi влаcтивocтi грунту, як наприклад гpyнтoва cтpyктypа, мають прямий вплив на вoдoмicткicть, eмнicть катioннoгo oбмiнy, вpoжайнicть тoщo. Пoживнi peчoвини, щo мicтятьcя y грунтах, викopиcтoвyютьcя pocлинoю, i ïx вмicт y грунл змeншyютьcя. Загадьнoпpийиятoю xаpактepиcтикoю вмюту пoживниx peчoвин y грунтах e вмют азoтy, наявнicть якoгo y грунл значнoю мipoю визначаe вpoжайнicть. Kаpтoгpафiя гpyнтoвoï eлeктpичнoï пpoвiднocтi, шиpoкo викopиcтoвyeтьcя як eфeктивний заciб вiдoбpажeння гpyнтoвoï cтpyктypи i iншиx грунтових влаcтивocтeй [5]. Швидкий oпиc мiнливocтi ciльcькoгocпoдаpcькиx yгiдь -важдивий кoмпoнeнт для зoнальниx мeтoдiв yпpавлiния [б].
Сучасш методики та засоби реестраци властивостей Грунту. Ic^e пpoблeма opганiзацiï cпeцiальниx cиcтeм cпocтepeжeнь, rampo™ i oцiнки cтанy пpиpoднoгo cepeдoвища (мoнiтopингy) як в мicцяx iнтeнcивнoï антpoпoгeннoï дiï, так i в глoбальнoмy маcштабi [3]. Важдивe мюш на cyчаcнoмy eтапi займаe peecтpацiï eлeктpoмагнiтниx xаpактepиcтик грунту. Елeктpoмагнiтнi xаpактepиcтики грунту oб'eднyють багатo влаcтивocтeй грунту, щo впливають на вpoжайнocтi ciльcькoгocпoдаpcькиx культур. Дo них вiднocятьcя вмют гpyнтoвoï вoлoги, гpанyлoмeтpичний cклад грунту, £КО, заcoлeнicть, вмicт oбмiнниx катюшв кальцiю (Ca) i магнiю (Mg) та ш. Елeктpoмагнiтнi xаpактepиcтики грунту ш дoзвoляють бeзпocepeдньo вимipяти вмют пoживниx peчoвин, алe пoказyють ваpiативнicть важдивих xаpактepиcтик, таких як структура грунту i вмют oбмiнниx катюшв. Ця ваpiативнicть занадтo важлива, щoб ïï iгнopyвати, i пoвинна вpаxoвyватиcя при вiдбopi пpoб (pиc. 1). Oчeвиднo, щo для пpавильнoï opганiзацiï yпpавлiния якicтю навкoлишньoгo пpиpoднoгo cepeдoвища абcoлютнo нeoбxiднoю yмoвoю e opганiзацiя cиcтeми eфeктивнoгo мoнiтopингy. Для oцiнки cтанy навкoлишньoгo cepeдoвища важдива oб'eктивна oпepативна iнфopмацiя пpo кpитичнi чинники антpoпoгeннoï до, пpo фактичний стан бiocфepи i пpoгнoзи ïï майбyтньoгo cтаиy.
Глин а
1 . I
_____ _—к I
Мульчуватий грунт ■
В 1 10 100 1000
Електропровщжсть (мСм/м)
Рис. 1. Електропров1дтсть р1зних тип1в Грунтв.
Мета досл1дження
Метою статтi е побудова математично! моделi для визначення робочих парамет^в та режимiв функцюнування шформацшно-техшчно! системи локального оперативного мониторингу варiабельностi агробiологiчного стану грунтового середовища сiльськогосподарських угiдь залежно вiд мехашко-конструктивних параметрiв та типу пвдвюки И робочих електродiв.
Викладення основного змкту досл1дження
Ввдомий пристрiй для визначення агробюлопчного стану сiльськогосподарських упдь шляхом визначення електропроввдних властивостей (http://www.veristech.com). основним робочим органом якого е система електродiв. В якосл яких використано плоска диски з горизонтальною вюсю обертання на стояку, який жорстко закршлений до рами вимiрювального пристрою таким чином, що опорш колеса пристрою визначають глибину ходу дискiв-електродiв у грунтi.
Недолiком наведеного пристрою е значна похибка при визначенш електропроввдних характеристик грунтового середовища, яка обумовлена тим, що тд час виконання робочого процесу порушуеться стабiльнiсть контакту диска-електрода з грунтом, що викликано поперечними вiдхиленнями вимiрювального пристрою вiдносно прямолiнiйного напрямку руху обумовлено конструкцiею диска. При цьому змiнюеться площа контакту диска-електрода з грунтом, оскшьки при поперечних коливаннях плоска диски-електроди однiею стороною можуть взагалi не контактувати iз грунтом.
При використанш суцiльних дисков у якосп електродiв пристрою для визначення електропроввдних характеристик грунтового середовища виникае значна похибка, яка обумовлена конструкщею дисков при зануреннi та контакту !х iз грунтом.
Пристрiй для визначення електропровщних властивостей грунтового середовища конструкци Олександра Броварця дае можливкть оперативно визначати параметри агробюлоггчного стану грунтового середовища, забезпечити 'Чндивщуальний" шдхвд до кожно! елементарно! дшянки поля з використанням даних електропровщних властивостей грунтового середовища (рис. 2), при цьому за рахунок використання пружно! пiдвiски робочих електродiв забезпечуеться стабiлiзацiя робочих електродiв у грунп та копiювання нерiвностей поверхнi поля. Таким чином можна отримати достовiрнi данi електропровiдностi грунту, яга можна використовувати для забезпечення надежно! якосп виконання технолопчног операци.
12 10 11
6 Т а 13 1
Рис. 2. Загальний вигляд техтчно!' системи оперативного мошторингу стану Грунтового середовища конструкци
Олександра Броварця.
В1СНИК ХИТУ №3(66), ТОМ 2, 2018 р.
ШЖЕНЕРН1 НАУКИ
Техтчна система оперативного мониторингу стану грунтового середовища конструкцп Олександра Броварця складаеться (рис. 2) з опорних колю 1, П-подiбноl рами 2, кршлення 3, повздовжньо! рами 4, поперечно! рами 5, шарнiрiв 6, важелiв 7, стояк1в-пружин 8, кронштейну 9, обертового валу 10, гiдроцилiндру 11, кронштейну кршлення 12, копшвальних колю 13, робочих електродiв 14, баласту 15, фаркопу 16 та щдставка 17.
Важливим елементом дано! системи е робочi електроди 14, вибiр форми яких залежить ввд агробiологiчного стану сiльськогосподарських упдь. При визначеннi електропроввдних властивостей грунтового середовища виникае необхвднють визначення площi контакту робочих електродiв з грунтом залежно ввд глибини 1х занурення у грунт. Розглянемо математичнi моделi для визначення площi контактiв робочих електродiв техшчно! системи оперативного мониторингу варiабельностi агробiологiчного стану грунтового середовища сшьськогосподарських угiдь залежно вщ 1х форми.
Пристрiй для визначення електропровщних властивостей грунтового середовища конструкци Олександра Броварця використовують: перед виконанням технолопчно! операци, одночасно з виконанням технолопчно! операци (сiвба, внесення мiнеральних добрив тощо); протягом вегетаци та тсля збирання врожаю.
Це вщкривае новi перспективи для ведення органiчного землеробства з використанням "розумних" сшьськогосподарських машин. Розробимо математичну модель функцiонування важ1льно! щцшски робочих електродв розмщених позаду транспортного агрегату шформацшно-техшчноl системи локального оперативного мошторингу вар1абельносп агробюлопчнош стану грунтового середовища сшьськогосподарських упдь (рис. 3).
№ Чв \ Щ ! г АЛ №
С
Рис. 3. Розрахункова схема п1дв1ски та розмщення робочих електрод1в шформацшно-техтчно!' системи локального оперативного мошторингу вар1абельност1 агробюлопчного стану Грунтового середовища с1льськогосподарських угвдь.
Встановимо спочатку геометричнi спiввiдношення.
04
008 «2
= г— (Я — А);
а\ ■ оо8а^ — (02 + 03)• оо8а^ -ап ■ 81па2 + —
04
81па2
■ = 05 ■ 008 а2.
а2 = агооо8
04
г — Я + А
(1)
(2)
г + А > Я
Кути а1 й а2 зв'язаш мiж собою наступною залежнiстю:
оо8а1 ^(01 — 02 — 03)= 04 ■ 81па2--4—+ 05 ■ оо8а2
81па2
оо8а =
04 ■ 81па2
04
81па2
+ 05 ■ оо8а2
а = агооо8-
Ц — 02 — 03 ) 04
04 ■ 81п а2--—+ 05 ■ оо8 а2
81па2
(01 — 02 — 03 )
Моменти сил, яш дшть на систему, визначаються за наступною залежнютю:
М t= c •Al • a2 • cos(e - a); М T= Nj • aj • cos a; M mj • g • cos a^ M t= N2 • {a5 • cos a2 + (a2 + аз ) • cos aj + a4 • cos a2 }; (4)
М m2 • g • {a5 • cosa2 + (a2 + a3)• cosaj + a4 • cosa2 };
ZMt=ZMl. Запишемо р1вняння р1вноваги для системи:
c • Al • a2 • cos(e - aj)+ Nj • aj • cos aj + N2 ^5 • cos a2 + (a2 + a3 )• cos aj + a4 • cos a2 } = = mj • g • aj • cosaj + m2 • g ^5 • cosa2 + (a2 + a3)• cosaj + a4 • cosa2};
Зв1дси
c • Al • a2 • cos(e - a1)+(N1 - mj • g)• aj • cos aj + (N2 - m2 • g)^5 • cos a2 + (a2 + a3 )• cos aj + a4 • cos a2} = 0. (6) Друге р1вняння, це рштсть сукупно! р1внодаючо1 ус1х сил, що дшть у вертикальному напрямку:
c • Al • cos в + Nj + N2 = mj • g + m2 • g , (7)
де Al = l - a6; l - поточне значення довжини пружини.
Трете р1вняння для горизонтальних сил й ршнодаючо! (при р1вном1рному рус1 вона дор1внюе 0). При р1вном1рному русг V = const
Fрушатаа - c • Al • sin Р - Fтертяj - Fтертя2 = 0 (8)
F^ - сила тертя кочення/ковзання тд першим колесом (R).
Fтертя2 - сила тертя кочення/ковзання п1д другим колесом (г).
F = k • N1 • (9)
* тертя^ ^ -"!> vv
F = k • N • -1 тертя2 2>
k - коефщент тертя ковзання (або тертя кочення).
Зазначимо, що k тертя кочент залежить в1д рад1усу колеса й тишв контактуючих поверхонь (матер1ал колеса й грунт).
З р1внянь (4), (5), (6) знаходимо ва нев1дом1 сили Nj, N2, c • Al.
Знаючи силу пружносп FnpyxH = c • Al, знайдемо жорстк1сть пружини c :
F
c пружн.
F 1 пружн. A„ + Nj Aj2 + N2 Aj3 = Bj;
F L пружн. A2j + Nj A22 + N2 • A23 = B2
F 1 пружн. A3j + N A32 + N2 A33 = B3.
(l a6) (Ю)
Система р1внянь (4), (5), (6) для визначення Nj, N2 й F ж може бути подана наступним чином:
(И)
де ведеш наступи позначення:
Лц = a2 • cos(e-aj); Aj2 = aj • cosaj; Aj3 = a5 • cosa2 +(a2 + a3)• cosaj + a4 • cosa2; Bj = mj • g • aj • cos aj + m2 • g • {a5 • cos a2 + (a2 + a3 )• cos a + a4 • cos a2}; A2j = cos в; A22 = j; A23 = i; B2 = (mj + m2 )• g ;
N
A3j = sin в A32 = k; A33 = k; B3 = Fрушiйна = V >
де N - потужшсть тягового агрегату шформацшно-техшчно! системи локального оперативного мониторингу стану сшьськогосподарських упдь;
V - швидшсть руху шформацшно-техшчно! системи локального оперативного мониторингу стану сшьськогосподарських упдь (при р1вном1рному руа V = const).
В1СНИК ХИТУ №3(66), ТОМ 2, Т018 р.
ШЖЕНЕРН1 НАУКИ
Bei маси й геометричш параметри вважаемо заданими. Ц геометричнi параметри зв'язаш м1ж собою геометричними спiввiдношеннями (1), (2), (3).
At
Вважаемо, що t = a6 + At , причому — << 1, щоб пружина працювала у межах лшшного закону
Гука.
А1
Тобто, скаж1мо — = 0,1 (або 0,01), або якесь шше число в залежносп ввд матер1алу пружини.
a6
З системи (4) легко знаходимо Bci нев1дом1 FnpyM,H , N1, N2 за правилом Крамера:
A =
Щ =
де Ft
AF„
пружн.
пружн.
~A
A11 A12
A21 A22
A31 А32
An В1 A21 В2 A31 В3
AN1
N1 =-
A
A13 A23 A33 A13 A23 A33
N2 =
AF
пружн.
AN2 =
В1 A12 A13
В2 A22 A23
В3 A32 A33
A11 A12 В1
A21 A22 В2
A31 A32 В3
(12)
AN2 A
Визначники A, AFnpyxH , AN1, AN2 - легко розкрити за правилом трикутнишв.
Знаючи ¥„,
пружнн , знаходимо с - жорсткють пружини шформацшно-техшчно! системи локального оперативного монiторингу стану сшьськогосподарських угщь:
Fn
с = -
пружн. t - a6
Fr
пружн.
At
Fr
пружн.
Al_ a6
• a6
At
Вважаемо, що — - задане число n, наприклад , n=0,01; 0,1; i т.д. a6
[с] = H/ m ; [N] = H ; [N2 ] = H.
Висновки
Запропонована математична модель для визначення робочих параметр1в та режим1в функцюнування шформацшно-техшчно! системи локального оперативного мониторингу вар1абельносп агробюлопчного стану грунтового середовища сшьськогосподарських угщь залежно вщ мехашко-конструктивних параметр1в та типу шдвюки !! робочих електрод1в дозволить шдвищити продуктивнють та ефективнють мониторингу стану сшьськогосподарських угщь шляхом безперервно! реестраци щшьносп струму на робочих електродах пристрою, яш розмщуються попереду рухомого транспортного засобу та дозволяють проводити безперервний мониторинг на поверхш сшьськогосподарських угщь. Використання вказано! системи мониторингу дозволяе зекономити 10-25% поавного матер1алу i сприяе пщвищенню урожайносп сшьськогосподарських культур в середньому на 10-20 ц/га.
Список використаноТ лiтератури:
1. Пархоменко Э.И. Геоэлектрические свойства минералов и горных пород при высоких давлениях и температурах / Э.И. Пархоменко. - М. Наука, 1989.,198 с.
2. Басниев К.С. Подземная гидромеханика / К.С. Басниев, И.Н. Кочина, В.М. Максимов. М.: Недра, 1993.,416 с.
3. Александров П.Н. Эффективные электромагнитные параметры капиллярной системы электропроводности горной породы / П.Н. Александров // Физика Земли., 2000. , № 2., С. 87- 94.
4. Hertz A. Chad and John D. Hibbard. A Preliminary Assessment of the Economics of Variable Rate Technology for Applying Phosphorus and Potassium in Corn Production // Farm Economics iss. 14, Department of Agricultural Economics, University of Illinois, Champaign-Urbana., 1993., P. 218-231.
5. Медведев В.В. Неоднородность почв и точное земледелие. Часть I. Введение в проблему / В.В. Медведев. Харьков, 2007. , 296 с.
6. Офщшний сат компани Veris Technologies [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.veristech.com.
7. Ewart G.Y. Salinity Effects on soil moisture electrical resistance relationships / G.Y. Ewart, L.D. Baver // Soil Scien. Soc. Amer., 1950.,V. 15., P. 56-63.
В1СНИКХНТУ№3(66), ТОМ 2, 2018 р._ШЖЕНЕРН1 На) УКИ
8. Воробьев Н.И. К вопросу кондуктометрического определения засоленности почв и грунтов / Н.И. Воробьев // Почвоведение, j955., №4., С. Ш3.
9. Rhoades J.D. An electrical conductivity probe for determining soil salinity. / J.D. Rhoades, J. Van. Schifgaarde // Soil Scien. Soc. Amer. J., Ш6, № 5. , P. 647-65L
Ш. Pansu M. Handbook of soil analysis. Mineralogical, organic and inorganic methods. / M. Pansu, J. Gautheyrou. -Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006., 993 p.
П. Гуков Я.С. Автоматизированная система локально-дозированного внесения удобрений, мелиорантов и средств защиты растений / Я.С. Гуков, Н.К. Линник, В.Г. Мироненко // Труды 2-й МНПК по проблемам дифференциального применения удобрений в системе координатного земледелия, Рязань, 2001, С. 48-50.
И. Броварець О. Ввд безплужного до глобального розумного землеробства / О. Броварець // Технша i технологii АПК, 20j6, № 10 (85), С. 28-30.
j3. Адамчук В.В. Технiка для землеробства майбутнього. / В зб.: Мехатзащя та електрифiкацiя сiльського господарства / В.В. Адамчук, В.К. Мойсеенко, В.1. Кравчук, Д.Г. Войтюк. - Глеваха: ННЦ "1МЕСГ", 2002, Вип. 86., С. 20-32.
j4. Сучаст тенденцii розвитку конструкцiй сiльськогосподарськоi техтки / За ред. В.1. Кравчука, М.1. Грицишина, С.М. Коваля. - К.: Аграрна наука, 2004, 398 с.
j5. Ормаджи К.С. Контроль качества полевых работ / К.С. Ормаджи. - М.: Росагропромиздат., !99L, с.
j6. Масло 1.П. Автоматизована система локально-дозованого внесення добрив i хiмiчних засобiв захисту рослин / 1.П. Масло, В.Г. Мироненко // УААН: Розробки-виробництву. - К.: Аграрна наука, 1999. , С. 348-349.