CC BY
524
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
УДК 631.3:001.891.54
Орлянский А. В. Orlyanskiy A. V.
ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ КОРМОУБОРОЧНОГО ПРОЦЕССА
APPROACHES TO MODELING THE TECHNOLOGICAL OPERATIONS OF THE FORAGE HARVESTING PROCESS
Кормоуборочный процесс является сложной производственной системой. При имитационном моделировании этой сложной системы в структуре модели основным является блок, имитирующий выполнение технологических операций. Анализ подходов и принципов построения моделирующего алгоритма технологических операций процесса заготовки кормов выявил преимущества «имитационного подхода» и принципа «особых состояний». Построенный на такой методологической основе алгоритм лучше отражает структуру и логику событий реальных производственных процессов, позволяет надежно отслеживать технические и технологические отказы и обеспечивает высокую производительность ЭВМ при реализации. Основным показателем, характеризующим выполнение отдельных операций и функционирование всей системы, является динамика текущей наработки элементов, подсистем и всей системы. Для оценки эффективности отдельных компонентов и системы в целом по различным критериям достаточно знать текущую наработку, составляющие баланса времени работы элементов системы и расход топлива и материалов. Разработанный на основе «имитационного подхода» и принципа «особых состояний» моделирующий алгоритм позволяет в любой момент функционирования системы считывать эту информацию и оценивать эффективность работы, как отдельных агрегатов, так и всего кормоуборочного комплекса. Моделирующий алгоритм, построенный на основе «имитационного подхода» и принципа «особых состояний» реализован в программном комплексе AgroProfi, разработанном нами по заказу ООО «КЗ «РОСТСЕЛЬМАШ» для расчета эффективности кормоуборочной техники.
Ключевые слова: система, подсистема, агрегат, имитационное моделирование, алгоритм, имитационный подход, пошаговый принцип, принцип особых состояний.
The forage harvesting process is complex industrial system. At simulation modeling this complex system in the structure of model the core is the block simulating performance of the technological operations. The analysis of approaches and principles of construction of the modeling algorithm of technological operations has revealed advantages of the «imitating approach» and a principle of the «special conditions». The algorithm constructed on such methodological basis reflects structure and logic of events of real productions is better, allows reliably to trace technical and technological refusals and provides high efficiency of the computer at realization of model. Dynamics of the performed work by the elements, the subsystems and all system is the basic parameter, describing performance of separate operations and functioning of all system. For an estimation of efficiency of separate units and the system as a whole by various criteria it is necessary and enough the nobility the current quantity of performed work, components of balance of the operating time of the elements of the system and the charge of the fuel and the materials. Developed on the basis of the «imitating approach» and the principle of the «special conditions» the modeling algorithm allows to read out this information at any moment of functioning system and estimates the efficiency of performance the separate units and the whole harvesting complex. The modeling algorithm constructed on the basis of the «imitating approach» and the principle of the «special conditions» is realized in the program complex AgroProfi, developed by us under the order of Ltd «O «ROSTSELMASH» for calculation of efficiency forage-harvesting technics.
Key words: system, subsystem, the unit, simulation modeling, algorithm, imitating approach, step-by-step principle, principle of special conditions.
Орлянский Александр Викторович -
кандидат технических наук, профессор
кафедры механики и компьютерной графики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: +7-962-442-20-92
E-mail: avorl@mail.ru
Orlyanskiy Aleksander Victorovich -
Ph.D in Technical Sciensces, Professor Department of Mechanics and Computer Graphics Stavropol State Agricultural University Stavropol
Tel.: +7-962-442-20-92 E-mail: avorl@mail.ru
Исследование кормоуборочных процессов как сложных уборочно-транспортных систем (УТС) с использованием имитационного моделирования предполагает учет в модели основных факторов - производственных и агроклиматических условий, изменяющихся свойств обрабатываемого материала, технических и технологических параметров агрегатов, внутрисистемных взаимодействий агрегатов и подсистем, воздействий внешней среды.
В структуре модели уборочно-транспортной системы (УТС) заготовки кормов [3, 4, 5] основным по объему обрабатываемой информации,
сложности и многовариантности внутренних параметров и взаимосвязей является блок, имитирующий выполнение технологических операций.
Все операции процесса заготовки кормов из трав можно условно разделить на несколько групп: полевые уборочные (скашивание трав, сгребание трав в валки, оборачивание и подбор валков); погрузка и транспортировка корма к месту; укладка сырья на хранение и герметизация корма.
Технологические операции перечисленных групп очень разнородны по структуре и характеру функционирования. При исследовании кор-моуборочного процесса (системы) и разработке
в
естник АПК
Ставрополья
:№ 2(22), 2016
Агроинженерия
25
моделей отдельных технологических операции (подсистем) эти особенности учитываются. Но при этом важно сохранить связи, обеспечивающие синтез подсистем в единую УТС и получение характеристик не только составляющих элементов и подсистем, но и результирующего системного эффекта.
Чтобы не ограничивать исследователя в получении информации, необходимой для сопряжения подсистем и оценки результатов их функционирования, при разработке моделей технологических операций целесообразно использовать «имитационный» подход. Суть его состоит в том, что отдельные операторы моделирующего алгоритма соответствуют «элементарным» явлениям, происходящим в системе с сохранением их логической структуры и последовательности протекания по времени.
Этим облегчается проверка структурного соответствия моделирующего алгоритма функционированию исследуемой системы и дается возможность подходить к съему показателей работы модели системы как к съему данных реальной системы [1, 8].
Сопряжение подсистем осуществляется согласованием динамики потоков обрабатываемого материала на различных этапах процесса. Поэтому важнейшим показателем, характеризующим выполнение отдельных операций и функционирование системы, является динамика текущей наработки элементов, подсистем и всей системы. Для оценки эффективности отдельных компонентов и системы в целом по различным критериям - стоимостным, качественным, трудо- и энергозатратным - достаточно знать, наряду с текущей наработкой, составляющие баланса времени работы элементов системы, расход топлива и материалов по каждой из них. Указанные характеристики должны быть получены в результате реализации моделирующего алгоритма.
Моделирующий алгоритм служит для воспроизведения динамики системы в определенные моменты времени. Для задания этих моментов существует два подхода: «принцип Дг» («пошаговый принцип»), когда вычисляют состояние системы через определенные равноотстоящие друг от друга интервалы времени и «принцип Дг» («принцип особых состояний»), когда состояние системы определяется в некоторые «особые» моменты времени (моменты поступления входных сигналов, воздействий внешней среды, выдачи выходного сигнала и т. д.). Для обоих принципов характерно, что получаемой информации о характеристиках состояний системы достаточно для получения траектории ее состояний и оценки динамики функционирования системы [1, 2, 8].
«Принцип Дг» - универсальный принцип построения моделирующих алгоритмов. Однако он требует значительно больших затрат машинного времени на реализацию модели, чем «принцип особых состояний», практически при той же точности результатов [1, 2, 7]. К
тому же алгоритм, построенный по «принципу Дг» лучше отражает структуру и логику событий реальных производственных процессов. Поэтому нами принято построение моделирующего алгоритма УТС по «принципу особых состояний» [3, 4, 5, 6]. Характеристики элементов и функции состояний изменяются скачкообразно в момент наступления особых состояний и непрерывно - в интервале между ними. Реализация моделирующего алгоритма сводится к отысканию «особых» состояний системы и определению ее характеристик в эти моменты.
Имитационный подход к разработке моделей технологической операции предполагает строгое структурное подобие ее реальному процессу. Подсистемы УТС включают совокупность составляющих элементов (агрегатов):
РБ, = {А..} = (А1], А2]Ап]) (1)
где: РБ, - ]-я подсистема;
А, - /'-й агрегат ]-й подсистемы;
п. - количество агрегатов в ]-й подсистеме.
Каждый элемент А1 системы при ее функционирования характеризуется состоянием 2 а/(г): ) = (Б..,Тп,...,Тт,Я,8/, г) (2)
где: г - текущее время;
Б.. - суммарная наработка /-го агрегата в текущий момент времени; Тп,...Тт - составляющие баланса времени работы /-го агрегата;
т - количество составляющих баланса времени;
Я - остаточный ресурс времени безотказной работы -го агрегата; 4 - остаточный ресурс времени до наступления очередного «особого» состояния /-го агрегата.
За «особые» состояния элементов УТС приняты моменты завершения элементарного технологического цикла (завершение обработки гона - для полевых агрегатов, окончание загрузки транспортного средства - для погрузчиков, завершения рейса - для транспортных агрегатов, упаковка рулона сенажа - для упаковщиков, укладка порции сена - для стогометателей и т. д.), наступления отказа и завершения его устранения.
На уровне подсистем добавляются «особые» состояния, соответствующие моментам прекращения и возобновления работ, обусловленных воздействием внешней среды (выпадение осадков) и сопряжением подсистем (влажность материала на какой-то стадии не соответствует технологическим требованиям и требуется приостановка некоторых технологических звеньев).
Разработанная по принципу «особых состояний» модель подсистемы реализуется следующим образом. В начальный момент времени известны состояния всех элементов ]-й подсистемы:
2а/(/°) = (Г = о, Т0 = 0,..., тт = о, Я, 8г°) (3)
и подсистемы в целом:
26
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
— "j
Zpsj (t0) = (S; = 2 S = 0, = 2 T0,...,
"j (4)
1 =YT0,m = 0, RV..,R0"j, 8I0,...,8:,t0)
i=I
До наступления первого «особого» состояния подсистемы PSj от начала работы пройдет период времени:
T = sm e{8i°,8°,..., j (5)
где ö0m - минимальное из nj значений остаточного ресурса.
В этот момент (t1=t°+z1) происходят скачкообразные изменения некоторых признаков m-го элемента (наработка, составляющие баланса времени работы, ресурс безотказной работы). _ Формируются новые состояния элементов Za i (tI) и подсистемы Zpsj (tI). Определяется новое значение остаточного ресурса времени для m-го элемента Sm1. На величину т1 уменьшается ресурс безотказной работы всех элементов подсистемы и остаточные ресурсы времени до наступления очередных «особых» состояний:
R/= r0 - n; ö/ = ö0 - xL (6)
Из совокупности значений {3/, ö/,..., ön/} снова выбирается наименьшее - min öi1= т2, вычисляется текущее время наступления очеред-
ного «особого» состояния г2=г1+т2 и определяются характеристики новых текущих_состояний элементов 2 а/ (/2) и ]-й подсистемы 2рб] (/2).
В результате реализации модели технологической операции на интервале моделирования (г0, Г) формируются траектории состояний элементов и подсистемы, которые достаточно полно характеризуют динамику и результаты функционирования реальной подсистемы.
Приведенные методологические принципы исследования технологических операций кор-моуборочных процессов на основе имитационного моделирования реализованы нами по заказу ООО «КЗ «Ростсельмаш» в программном комплекс Адго-Рго^ [9]. Комплекс программ позволяет оценить эффективность работы отдельных машин и всего кормоуборочного комплекса по критериям прямых эксплуатационных затрат, энергозатрат, затрат трудовых ресурсов и топлива, потерь корма, продолжительности простоев агрегатов. С его помощью возможно еще на стадии приобретения машин определить их адаптивность и эффективность в конкретных производственных и агроклиматических условиях предприятия, рассчитать рациональный состав кормоуборочного комплекса из имеющихся в наличии и приобретаемых машин.
Литература
1. Бусленко Н. П. Моделирование сложных систем. М. : Наука, 1968. 356 с.
2. Кельтон В., Лоу А. Имитационное моделирование. Классика ОЭ. СПб. : Питер, 2004. 847 с.
3. Орлянская И. А. Общая имитационная модель процесса заготовки сенажа в пленочной упаковке // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2010. № 1. С. 16-18.
4. Орлянский А. В. Основные принципы построения имитационной модели уборочно-транспортной системы заготовки кормов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 7. С. 35-36.
5. Орлянский А. В., Орлянская И. А. Обобщенная имитационная модель технологического процесса заготовки сенажа // Труды Кубанского государственного аграрного университета / КубгАУ. Краснодар, 2008. № 8. С. 75-79.
6. Орлянский А. В. Проектирование ресурсосберегающих кормоуборочных систем с использованием имитационного моделирования // Модернизация сельскохозяйственного производства на базе инновационных машинных технологий и автоматизированных систем : сб. докл. XII Междунар. научн.-техн. конф. / ВИМ. Углич, 2012. С. 779-786.
7. Орлянский А. В. Информационные технологии при проектировании и оптимизации
Referenses
1. Buslenko N. P. Modelling of complex systems. M. : Nauka, 1968. 356 p.
2. Kelton V., Law A. Simulation modelling. Classics CS. SPb.: Peter, 2004. 847 p.
3. Orlyanskaya I. A. Total simulation model of haylage in film packaging // Mechanization and electrification of agriculture. 2010. № 1. P. 16-18.
4. Orlyanskiy A. V. Main principle of construction of simulation model of harvesting-transport system of preparation of forages // Mechanization and electrification of an agriculture. 2007. № 7. P. 35-36.
5. Orlyanskiy A. V., Orlyanskaya I. A. General simulation model of technological process of preparation haylage // Works of the Kuban state agrarian university / KubSAU. Krasnodar, 2008. № 8. P. 75-79.
6. Orlyanskiy A. V. Designing resource forage systems with use of imitating modeling // Modernization of an agricultural production on the basis of innovative machine technologies and the automated systems : the Collection of reports of XII International scientific and technical conference. The All-Russia scientific research institute of mechanization of an agriculture / VIM. Uglich, 2012. P. 779-786.
7. Orlyanskiy A. V. Information technologies at designing and optimization forage harvesting processes // Development and application of electronic educational resources by
в
естник АПК
Ставрополья
:№ 2(22), 2016
кормоуборочных процессов // Разработка и применение электронных образовательных ресурсов при подготовке специалистов агроинженерного профиля : сб. докл. семинара деканов агроинженерных факультетов и заседания Совета УМО по агроинженерному образованию (Ставрополь, 1-5 октября 2012 г.) / СтГАУ. Ставрополь, 2012. С. 29-34.
8. Советов Б. Е., Яковлев С. А. Моделирование систем : учебник для вузов. М. : Высшая школа, 2001. 343 с.
9. Свидетельство 2008610015. АдгоРго^ (Программа расчета эффективности кор-моуборочной техники на основе имитационного моделирования) : программа для ЭВМ / А. В. Орлянский, Е. В. Кулаев, И. А. Орлянская, А. Н. Петенев (Яи) ; правообладатель ООО «Комбайновый завод «Ростсельмаш». № 2007614054 ; заявл. 16.10.07 ; зарегистр. 09.01.08.
Агроинженерия
27
preparation of agriengineering structure experts : the collection of reports of a seminar of deans agriengineering faculties and session of Advice UMO on agriengineering education (Stavropol, on October, 01-05st, 2012) / SAU. Stavropol, 2012. P. 29-34.
8. Yakovlev S. A. Modelling of systems: the textbook for high schools. M. : Higher school, 2001.343 p.
9. Certificate 2008610015. AgroProfi (The program of calculation of efficiency of the forage harvesting technics on the basis of imitating modeling) : the computer program / A. V. Orlyanskiy, E. V. Kulaev, I. A. Orlyanskaya, A. N. Petenev (RU) ; the legal owner Ltd «KZ «ROSTSELMASH». № 2008610015 ; the application from 16.10.2007 ; it is registered 01.09.2008.
