CC BY
0DOI 10.53980/24131997_2023_3_66
П.А. Болоев1, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected] М.К. Бураев3, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected] С.С. Ямпилов2, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected], Н.И. Овчинникова3, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected] А.В. Кузьмин3, д-р техн. наук, доц., e-mail: [email protected] А.С. Пехутов1, д-р техн. наук, доц., e-mail: [email protected] Андр.А. Абидуев1, д-р техн. наук, доц., e-mail: [email protected] 1 Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова, г. Улан-Удэ 2 Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ 3 Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, г. Иркутск
УДК 631.17.001.57
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
В настоящее время достижения науки становятся научной базой исследований, в частности, для модернизации существующих и проектирования новых сельскохозяйственных машин, а также их систем управления. При этом используются методы моделирования технологических процессов машин и оптимизации их параметров. Рассматриваются вопросы управления технологических процессов и их информационно-технического обеспечения. Авторы в работе рассматривают статистические модели машин с идеализированными условиями с точки зрения динамических и вероятностных моделей с учетом реальных условий функционирования машин. Спектр работ сельскохозяйственной техники весьма разнообразен, однако при этом необходимо учитывать природно-климатические условия. При работе сельскохозяйственной техники в реальных условиях всегда имеют место некоторые нестационарности, обусловленные спецификой этих процессов, например физико-механические свойства почвы и растений, наличие в почве скрытых препятствий, уклоны поля и т. д., которые довольно трудно учитывать при моделировании технологических процессов. При этом влияние различных (случайных) факторов сказывается на неравномерности загрузки техники и на показателях энергетических затрат. Таким образом, возникает необходимость в моделировании технологических процессов работы сельскохозяйственных машин и их систем управлений как динамических систем с целью снижения времени и затрат на проведение исследований.
Ключевые слова: расход топлива, режимы работы, эксплуатация, организация технического обслуживания, посев, уборка, обработка урожая, альтернативные виды топлива.
P.A. Boloev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
M.K. Buraev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
S.S. Yampilov, Dr. Sc. Engineering, Prof.
N.I. Ovchinnikova, Dr. Sc. Engineering, Prof.
A.V. Kuzmin, Dr. Sc. Engineering, Аssoc. Prof.
A.S. Pekhutov, Dr. Sc. Engineering, Аssoc. Prof.
A.A. Abiduev, Dr. Sc. Engineering, Аssoc. Prof.
SIMULATION OF AGRICULTURAL MACHINERY CONTROL SYSTEMS
Currently, scientific achievements become a scientific basis for research, in particular for the modernization of existing agricultural machines and design of new ones as well as their control systems. In this case, methods for modeling technological processes of machines and optimizing their parameters are used.
The paper considers the issues of managing technological processes and their information and technical support. The authors observes statistical models of machines with idealized conditions from point of view of dynamic and probabilistic models, taking into account the real operating conditions of the machines. The range of agricultural machinery works is very diverse, but it is necessary to take into account natural and climatic conditions. When agricultural machinery operates under real conditions, there are always some non-station-arities due to the specifics of these processes, for example, the physical and mechanical properties of soil and plants, hidden obstacles in the soil, field slopes, and so on. They are very difficult to take into account when modeling technological processes. At the same time, the influence of various factors (random) affects the uneven loading of equipment and energy costs. Thus, there is a need to model the technological processes of agricultural machines and their control systems as dynamic systems, in order to reduce time and costs of research.
Key words: fuel consumption, operating modes, operation, organization of maintenance, sowing, harvesting, crop processing, alternative fuels.
Введение
Современные достижения науки становятся научной базой для совершенствования существующих, создания новых сельскохозяйственных машин и систем управления. Все шире используются методы математических процессов машин и оптимизации их параметров.
От статистических моделей машин с идеализированными условиями их работы исследователи переходят к рассмотрению динамических и вероятностных моделей с учетом реальных условий функционирования машин. Диапазон работ сельскохозяйственной техники весьма разнообразен. Это организация работ по техническому обслуживанию и ремонту, работа посевных и уборочных комплексов с разработкой новых рабочих органов, обработка, очистка и хранение полученного урожая, техническое обслуживание, выполнение ремонтных работ, разработка и исследование новых видов моторных топлив и масел и т. д.
Исследование режимов работы машин и агрегатов требует более глубокого изучения закономерностей протекания технологических и энергетических процессов, имеющих место при работе машин в условиях эксплуатации.
В условиях эксплуатации сельскохозяйственная техника работает на неустановившихся режимах, случайных по содержанию. На работу влияют климатические, сезонные, температурные, зональные и другие изменения.
Для математического моделирования сельскохозяйственной техники и их рабочих процессов исходными являются системы уравнений, связывающие выходные переменные с входными воздействиями, не совпадающими с реальными процессами.
Влияние различных факторов (случайных) сказывается на неравномерности загрузки техники и на показателях технологических процессов, включая изменения энергетических затрат. На неравномерность тяговых сопротивлений и технологические показатели работы техники существенное влияние оказывает также скорость движения агрегатов. С повышением скорости движения частота возмущающих факторов увеличивается, так как управляющие воздействия запаздывают от необходимых воздействий.
Применительно к почвообрабатывающим и посевным машинам обеспечение равномерности глубины почвы и глубины заделки семян - одно из основных агротехнических требований. Для пахотных агрегатов, помимо соблюдения заданной глубины обработки почвы, требуется обеспечить ровное дно борозды. Неравномерность сказывается на качестве вспашки и приводит к неравномерной работе двигателя и увеличению расхода топлива, повышению токсичных выбросов с отработанными газами, повышению утомляемости водителя и износа деталей.
В связи с изложенным возникает необходимость в моделировании технологических процессов работы сельскохозяйственных машин, а также самих машин и их систем управлений как динамических систем с целью снижения времени и затрат на проведение исследований.
Для реальных процессов при работе сельскохозяйственной техники (неровности поверхности поля, сопротивление среды и др.) всегда имеют место некоторые нестационарности, обусловленные спецификой этих процессов (физико-механические свойства почвы и растений, наличие в почве скрытых препятствий, уклоны поля и др.), которые весьма трудно учитывать при моделировании технологических процессов.
Цель работы - рассмотрение динамических и вероятностных моделей с учетом реальных условий функционирования для совершенствования существующих и создания новой техники и систем управления.
Материалы и методы исследования
Функционирование сельскохозяйственной техники (динамической модели) можно рассматривать как реакцию на входные возмущения и управляющие воздействия. При этом наиболее подходящей расчетной схемой техники независимо от ее назначения используется схема «вход - выход». В качестве входных переменных принимаются все внешние возмущения и управляющие воздействия, а выходных переменных - совокупность параметров, которые определяют качество работы техники, энергетические, технические и технико-экономические показатели.
Пусть множество У возможных технических состояний двигателя характеризуется подмножеством у; £ У эталонных векторов диагностических признаков Fjj (] - порядковый номер технического состояния; 1 - порядковый номер эталонного вектора технического состояния; 1 = 1, ... , N - общее число эталонных векторов, составляющих множество У технических состояний двигателя).
Обобщенная линейная функция, разделяющая одно из подмножеств у технического состояния двигателя от совокупности всех остальных подмножеств его технического состояния, имеет вид
^ (1)
|+1,если £ уГ гГГ Р г ^л21
где dnj = { л ~ ^ г - распознаваемое подмножество; r(Fl, Fln) = exp[—(Fl — Fln)2],
-1, если Fln £ у1'
У| £ у', причем у' - редуцированное множество технических состояний двигателя, полученное их исходного множества У путем отбора его элементов ^ ).
Вектору из множества У устанавливается однозначный ему вектор Fln множества
у':
5 = Р (2)
Только в том случае, когда величина Zj, рассчитываемая по рекуррентному соотношению, отлична от нуля:
)]}, (3)
2
где = ^а-^ + ^-1ехР[—№ — №а-1))2];
а^^ехрК^ — !^)2]; _
г —~ С+1, если а(^(1-1)) > 0;
sgn 1а(Г"1(1-1))1 = { 1 /„—^ п
1 (_—1, если а^(1-:1)) < 0;
_ |+1, если £ у|; j 1, если р £ у|.
Решающее правило распознавания ]-го технического состояния двигателя имеет вид:
- если L > 0, то вектор измеренных параметров Fl соответствует ] -му техническому состоянию двигателя;
- если L < 0, то вектор измеренных параметров Fl не соответствует j -му техническому состоянию двигателя;
- если L = 0, то техническое состояние не определено.
Такой подход широко используется при построении схемы функционирования сельскохозяйственной техники в виде динамической системы, осуществляющей преобразование случайных входных возмущающих и управляющих воздействий в выходные, помогающие уменьшению полевых экспериментов с достаточной точностью и эффективностью.
Важным признаком для классификации случайных процессов являются связи между их числовыми характеристиками, определенные осреднением по времени и по ансамблю реализаций полевых экспериментов, а также углубленных исследований расчетным путем корреляционных и спектральных связей.
Для практических расчетов случайные процессы разделяемой на участки, соответствующие стационарным (установившимся) процессам, у которых математическое ожидание, корреляционная функция и взаимная корреляционная функция определяются осреднением по времени отдельных реализаций [1].
1 T
mx = fcJc x(t)dt'
Rx(T)= lim/01X(t)X(t + x)dt,
T^ro 0
Rxy(T)=limi/0rX(t)3;(t + T)dt где X(t) = x(t) — mx - центрированный случайный процесс.
, (4)
Для оценки частотного состава случайного процесса, используемой спектральную плотность Sx(w) и корреляционная функция RX(T) связаны между собой косинус-преобразованием Фурье [1]:
Sx(w) = 2 /0°° rx(t) cos WTdT,]
2 ГЖ
tVx (
Т "0
Rx(T) = /0°° Sx(w) cos WTdT.
(5)
Наличие в случайном процессе скрытой периодической составляющей сказывается на характере протекания корреляционной функции и спектральной плотности.
В качестве примера можно рассматривать работы П.А. Болоева [2, 3], в которых входными величинами являются цикловая подача воздуха и топлива, момент сопротивления на входе в двигатель, перемещение рейки топливного насоса, коэффициент избытка воздуха и т. д., а выходными - мощность двигателя, производительность МТА и т. д. У П.А. Болоева система производственно-технической эксплуатации - входная; выходная эффективность производственно-технической эксплуатации - у М.К. Бураева; технологии и средства посева при возделывании зерновых культур - входные, выходные - урожайность и сроки проведения работ - у Д.Н. Раднаева; режимы работы, влажность, масса поступающего зерна на очистку -входные, а выходные - производительность, эффективность очистки зерна - у С.С. Ямпилова. Все эти случайные процессы работы сельскохозяйственной техники можно было углубленно моделировать в процессе дальнейших научных исследований по разным направлениям [3-18].
В работе [2] при расчете было принято допущение, что выборка получена из нормального распределенной генеральной совокупности. Коэффициенты регрессии определялись из системы линейных уравнений, принятой для аппроксимирования:
у = ао + а 1Х1 + а2х2 + а3х3 + а4х4 + а5х11 + а6х22 + а7х33+
+ а8х44 + а9х12 + а10х13 + а11х14 + а12х23 + а13х24 + а14х34.
Для серийного двигателя эксплуатационная мощность:
N = 290,841 — 0,777 х 10% — 0,250 х 107Мс — 0,163 х 1012адт + 0,251 х 1013qцв — 0,316 х 109п2 + 0,298 х 106М2 + 0,377 х 1017qцт — 0,133 х 10% х Мс+0,593х 1013ngqцт + 0,210 х 1013п^цв — 0,224 х 1015Mcqцт + 0,769 х 1013Mcqцв + 0,377 х 1016qцтqцв.
Удельный расход топлива:
qe = —0,222 х 108 — 0,673 х 107ng — 0,850 х 1010Мс — 0,951 х 1018qцт + 0,135 х 1019qцв — 0,322 х 1013n2g + 0,434 х 1011Мс2 — 0,712 х 1021qцт2 — 0,293 х 1018qцв2 + 0,160 х 1013^Мс + 0,798 х 1019п^цт + 0,334 х 1019ngqцв + 0,161 х 1018Mcqцт + 0,317 х 1018Mcqцв — 0,153 х 1021^щ^цв.
Предварительно перед полевыми экспериментами были сняты скоростные и нагрузочные характеристики дизеля Д-160 трактора Т-130, проведены тарировки датчиков, проведены полевые эксперименты, потом повторно снимались характеристики двигателя по ГОСТ 18509-81.
Результаты исследований и их обсуждение
В качестве примера были рассмотрены работы П.А. Болоева [2, 3], в которых входными величинами являются цикловая подача воздуха и топлива, момент сопротивления на входе в двигатель, перемещение рейки топливного насоса, коэффициент избытка воздуха и т. д., а выходными - мощность двигателя, производительность МТА и т. д.
Большие значения коэффициентов получались в результате подстановки в программу реальных значений параметров двигателя. Программа была написана на инженерном языке Фортран-ГУ и просчитана ЭВМ большой мощности Челябинского областного статистического управления.
Влияние входных параметров п5, Мс, дцт, дцв указывает на существенную случайность рабочего процесса двигателя, полностью учесть их взаимосвязь весьма затруднительно. Поэтому модель изменения мощности и удельного расхода топлива в условиях эксплуатации необходимо было проверить на адекватность.
Проверка значимости коэффициентов регрессии проводилась по вычисленным значениям ^критерия Стьюдента при доверительной вероятности р = 0,95. Оценка адекватности модели проводилась по критерию Фишера.
Заключение
1. Аналитическими исследованиями, проводимыми по многомерным регрессионным моделям показателей двигателя, установлена правильность теоретических предпосылок, и отклонение теоретических и экспериментальных данных не превышало 3-9 % в зависимости от параметров, что подтверждает правильность принятых допущений и возможность применения модели для оценки динамических качеств МТА.
2. Влияние различных (случайных) факторов сказывается на неравномерности загрузки техники и на показатели технологических процессов, включая изменения энергетических затрат. На неравномерность тяговых сопротивлений и технологические показатели работы техники существенное влияние оказывает также скорость движения агрегатов. С повышением
скорости движения частота возмущающих факторов увеличивается, так как управляющие воздействия запаздывают от необходимых воздействий.
3. Применительно к почвообрабатывающим и посевным машинам обеспечение равномерности глубины почвы и глубины заделки семян - одно из основных агротехнических требований. Для пахотных агрегатов, помимо соблюдения заданной глубины обработки почвы, обеспечивается ровное дно борозды. Неравномерность сказывается на качестве вспашки и приводит к неравномерной работе двигателя и увеличению расхода топлива, повышению токсичных выбросов с отработанными газами, повышению утомляемости водителя и износов деталей.
Библиография
1. Лурье А.Б. Моделирование сельскохозяйственных агрегатов и их систем управления. - Л.: Колос, 1979. - 312 с.
2. Болоев П.А. Повышение эксплуатационных показателей трактора в составе сельскохозяйственного МТА путем стабилизации цикловой подачи топлива: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03. -Челябинск, 1984. - 169 с.
3. Бураев М.К. Производственно-техническая эксплуатация МТП в АПК Байкальского региона: монография. - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2013. - 219 с.
4. Раднаев Д.Н. Методологические основы разработки технологий и средств посева при возделывании зерновых культур в условиях Забайкалья: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.03. - Улан-Удэ, 2013. - 40 с.
5. Ямпилов С.С., Цыбенов Ж.Б., Матуев А.А. Сепарирующий метатель зерновых материалов // Сб. науч. тр. ВСГУТУ. - Вып.11. - Улан-Удэ, 2015. - С. 63-66.
6. Болоев П.А., Попов В.В., Бураев М.К. и др. Ресурсосберегающие технологии эксплуатации техники в АПК Байкальского региона. - Иркутск, 2015. - 187 с.
7. Ганбат Ш. Болоев П.А, Степанов Н.В. Метод математического планирования эксперимента // Материалы междунар. науч.-практ. конф. - Иркутск, 2005. - С. 127-131.
8. Бураев М.К. К вопросу оценки влияния разных факторов на эффективность использования машин по назначению // Материалы междунар. науч.-практ. конф. - Иркутск, 2005. - С. 38-42.
9. Раднаев Д.Н, Дамбаева Б.Е. Повышение эффективности работы комбинированных машин и комплексов // Вестник ВСГУТУ. - 2021. - № 1 (80). - С. 55-60.
10. Раднаев Д.Н, Калашников С.С., Пехутов А.С. и др. Результаты совершенствования узкорядного сошника // Вестник ВСГУТУ. - 2022. - № 3 (86). - С. 63-68.
11. Терских И.П. Оперативное управление работой МТА в зависимости от погодно-климатиче-ских условий // Материалы междунар. науч.-практ. конф. - Иркутск, 2005. - С. 180-185.
12. Бураев М.К., Шистеев А.В., Бураева Г.М. и др. Проблемы технического сервиса агропромышленного комплекса Байкальского региона // Вестник ВСГУТУ. - 2022. - № 3 (86). - С. 56-62.
13. Жигжитов А.О., Ямпилов С.С. Обоснование основных параметров гравитационно-воздушного сепаратора // Сб. науч. тр. - Вып.11. - Улан-Удэ, 2015. - С. 39-44.
14. Цыбенов Ж.Б., Ямпилов С.С., Хандакова Г.Ж. Принцип действия сепарирующего метателя сыпучих материалов // Сб. науч. тр. - Вып. 11. - Улан-Удэ, 2015. - С. 137-139.
15. Болоев П.А. Регулирование рабочих процессов дизеля МТА. - Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 1996.
-127 с.
16. Царев Ю.А. Статистическая оптимизация основных конструкционных параметров зерноуборочных комбайнов с учетом зональных условий: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.01. - Ро-стов-н/Д., 2000. - 49 с.
17. Раднаев Д.Н. Обоснование технологии и параметров рабочего органа сеялки для посева зерновых в условиях сухостепной зоны Забайкалья: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01. - Улан-Удэ, 2001. - 235 с.
Bibliography
1. Lurye A.B. Modeling of agricultural units and their control systems. - L.: Publishing House «Kolos», 1979. - 312 p.
2. Boloev P.A. Improving the performance of a tractor as part of an agricultural MTA by stabilizing the cyclic fuel supply: diss. ... Cand. Sc. Engeneering: 05.20.03. - Chelyabinsk, 1984. - 169 p.
3. Buraev M.K. Industrial and technical operation of machine and tractor fleet in the agro-industrial complex of the Baikal region: Monograph. - Irkutsk: Irkutsk State Academy of Agriculture, 2013. - 219 p.
4. Radnaev D.N. Methodological bases for the development of technologies and means of sowing in the cultivation of grain crops in the conditions of Transbaikalia: abstracts of diss.. Doctor. Sc. Engeneering: 05.20.03. - Ulan-Ude, 2013. - 40 p.
5. Yampilov S.S., Tsybenov Zh.B., Matuev A.A. Separating thrower of grain materials // Collection of scientific materials of ESSTUM. - Issue 11. - Ulan-Ude, 2015. - P. 63-66.
6. Boloev P.A., Popov V.V., Buraev M.K. et al. Resource-saving technologies of equipment operation in the agro-industrial complex of the Baikal region. - Irkutsk, 2015. - 187 p.
7. Ganbat Sh., Boloev P.A., Stepanov N.V. Method of mathematical planning of experiment // Proceedings of the international scientific-practical conference. - Irkutsk, 2005. - P. 127-131.
8. Buraev M.K. On the issue of assessing the influence of various factors on the efficiency of using machines for their intended purpose // Proceedings of the international scientific and practical conference. -Irkutsk, 2005. - P. 38-42.
9. Radnaev D.N., Dambaeva B.E. Improving the efficiency of combined machines and complexes // The Bulletin of ESSTUM, 2021. - N 1 (80). - P. 55-60.
10. Radnaev D.N., Kalashnikov S.S., Pekhutov A.S. et al. Results of narrow-row coulter improvement // The Bulletin of ESSTUM, 2022. - N 3 (86). - P. 63-68.
11. Terskikh I.P. Operational management of the work of mashine and tractor engine depending on the weather and climatic conditions // Proceedings of the international scientific and practical conference. - Irkutsk, 2005. - P. 180-185.
12. Buraev M.K., Shisteev A.V., Buraeva G.M. et al. Problems of technical service of the agro-industrial complex of Baikal region // The Bulletin of ESSTUM. - 2022. - N 3 (86). - P. 56-62.
13. Zhigzhitov A.O., Yampilov S.S. Substantiation of the main parameters of the gravity-air separator // Collection of scientific materials. - Ulan-Ude, 2015. - Issue 11. - P. 39-44.
14. Tsybenov Zh.B., Yampilov S.S., Khandakova G.Zh. The principle of operation of the separating thrower of bulk materials // Collection of scientific materials. - Ulan-Ude, 2015. - Issue 11. - P. 137-139.
15. Boloev P.A. Regulation of diesel mashine and tractor engine work. - Ulan-Ude: Publishing House of Buryat State University, 1996. - 127 p.
16. Tsarev Yu.A. Statistical optimization of the main design parameters of combine harvesters, taking into account zonal conditions: abstracts of diss.. Doctor. Sc. Engeneering: 05.20.01. - Rostov-on-Don, 2000. - 49 p.
17. Radnaev D.N. Substantiation of the technology and parameters of the working body of the seeder for grain sowing in the dry Transbaikal steppe zone: diss. ... Cand. Sc. Engeneering: 05.20.01. -Ulan-Ude, 2001. - 235 p.
