CC BY
124
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
http://cvberleninka.m/article/n/matema-ticheskoe-modelirovanie-mobilnogo-selskohozyaystvennogo-agregata-v-rezhime-transportnogo-pereezda (дата обращения: 15.10.2014).
3. А.В. Белецкий Моделирование профиля дорожного основания
машины в задаче анализа динамики трансмиссии колесной машины (ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет)». Режим доступа: http://sdm.str-t.ru/publics/33/ (дата обращения:
17.12.2014)
4. Методика задания неровностей профиля дороги при моделировании подвески автомобиля с рекуператором энергии колебаний / А.Н. Сергиенко, Н.Г, Медведев, Б.Г. Любарский, С.Н. Беляев, С.В. Шушляпин // В1сник НТУ «ХП1». Cepia: Математичне моделювання в технпц та технолопях. - Харюв: НТУ «ХП1», 2013. №37 С. 185-192.
5. Рыков, С.П. Моделирование случайного микропрофиля автомобильных дорог / С.П. Рыков, Р.С. Бекирова, В.С. Коваль // Системы. Методы. Технологии, 2010. №4(8). С. 33-37.
6. Лурье А.Б., Еникеев В.Г., Теплинский И.З., Смелик В.А. Сельскохозяйственные машины (машины для обработки почвы, посева, посадки, внесения удобрений и химической защиты растений). Санкт-Петербург, изд-во СПбГАУ, 1998. 368 с.
7. Бровцин В.Н. Исследование и оптимизация динамических объектов сельскохозяйственного назначения средствами вычислительного эксперимента. СПБ.: СЗНИМЭСХ, 2004. 364 с.
УДК 631.531.17-52:633(470/31)
В.Н. БРОВЦИН, д-р техн. наук
ВЫБОР МЕТОДОВ АДАПТИВНОЕО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕО НАЗНАЧЕНИЯ
68
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
Обоснованы методы адаптивного управления процессами сельскохозяйственного назначения с учетом особенностей сельхозпроизводства - с настраиваемой моделью и экстремальный. Приведены примеры их использования.
Ключевые слова: математическая модель, адаптация, алгоритм V.N. BROVTSYN, DSc (Eng)
CHOICE OF ADAPTIVE CONTROL METHODS OF AGRICULTURAL PROCESSES
The paper substantiates the methods of adaptive control of agricultural processes taking into account specific features of agricultural production, namely the method with an adjustable model and the optimum method. Examples of their use are presented.
Keywords: mathematical model, adaptation algorithm
Елавное отличие адаптивных систем управления от систем с фиксированными параметрами и структурой состоит в том, что они могут приспосабливаться (подстраиваться) к изменяющимся характеристикам объектов и протекающих в них процессов. Существует два основных метода настройки адаптивных регуляторов: метод прямой настройки (адаптация по разомкнутому циклу) и метод настройки с обратной связью (адаптация по замкнутому циклу), которые иллюстрируются рис. 1 [1,2,3,4].
Первый метод (рис. 1, а) применяется для объектов, динамические свойства которых полностью определяются внешними факторами, доступными прямому измерению. Если известно, как должен настраиваться регулятор в зависимости от этих факторов, можно применять метод прямой настройки или адаптацию по разомкнутому циклу. В этой схеме адаптации сигналы обратной связи, идущие от замкнутого контура управления к регулятору, отсутствуют.
69
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
Понятно, что живые организмы по-разному откликаются на одни и те же возмущения, в зависимости от их состояния, возраста и т.д. То же самое можно сказать и о почве, при ее обработке, и о большинстве сельскохозяйственных объектов и процессов. Поэтому оценить динамические свойства объекта управления непосредственно невозможно. В этих условиях приходится использовать настройку с обратной связью (или адаптацию по замкнутому циклу) (см. рис. 16). При этом необходимый минимум информации об объекте (его порядок, параметры) получают путем обработки измерений входных и выходных сигналов.
а)
б)
Рис. 1. Основные схемы настройки регуляторов:
а) - настройка с прямой связью (адаптация по разомкнутому циклу);
б) - настройка с обратной связью (адаптация по замкнутому циклу); АН - алгоритм настройки (синтеза); Р - регулятор; О - объект управления;
W - вектор функций заданных значений параметров состояния X;
V - вектор контролируемых возмущений;
£ - вектор неконтролируемых (стохастических) возмущений;
U - вектор управлений; W\=W-X - ошибка управления
70
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
Для оценки характеристик объекта могут применяться методы идентификации (по измерениям входов V, U и вектора X) или определения показателей качества управления (по измерениям Ew и U). Структурно это равносильно введению второй обратной связи и, соответственно, второго замкнутого контура, в котором информация циркулирует следующим образом: сигналы в контуре управления -алгоритм настройки - регулятор - сигналы в контуре управления [2].
Из анализа следует, что для управления сельскохозяйственными процессами необходимо разрабатывать адаптивные устройства с использованием второго метода настройки регулятора, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только системы с адаптацией по замкнутому циклу. Регуляторы этого типа можно разделить на два класса: самонастраивающиеся (самооптимизирующиеся) и с
эталонной моделью [2,3,4,5], основные схемы которых представлены на рис. 2.
Задачей самонастраивающихся регуляторов является достижение наилучшего качества управления при заданной функции цели и наличии определенной информации об объекте и его сигналах (рис. 2, а).
Процесс адаптации в системах управления с регуляторами этого типа проходит в три этапа:
1. Оперативная идентификация объекта или системы управления в целом.
2. Определение структуры и расчет параметров регулятора.
3. Настройка регулятора (при этом возможно изменение его структуры) в соответствии с данными расчета.
71
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
а)
б)
Рис. 2. Основные схемы адаптивных систем с настройкой регуляторов
по замкнутому циклу:
а) - самонастраивающийся адаптивный регулятор;
б) - адаптивный регулятор с эталонной моделью;
РР - расчет (синтез) регулятора; ОИО - оперативная идентификация объекта;
Р - регулятор; О - объект; ЭМ - эталонная модель
Следует отметить, что при использовании алгоритмов идентификационного типа с настраиваемой моделью осуществляется принцип разделения. В соответствии с этим принципом при использовании достаточных вычислительных средств становится возможным на практике раздельный синтез информационной (настраиваемая модель) и управляющей частей (оптимального регулятора), причем последняя часть синтезируется в детерминистской постановке.
72
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
Наблюдение за эволюцией параметров настраиваемой модели способствует изучению управляемого процесса (объекта) [1].
Во вторую группу адаптивных регуляторов входят регуляторы с эталонной моделью (рис. 2, б). Их задача состоит в получении такой реакции замкнутого контура управления на определенный входной сигнал, которая была бы максимально близка к реакции на этот же сигнал заданной эталонной модели [2].
Процесс адаптации также состоит из трех этапов:
1. Сравнение реакций замкнутого контура управления и эталонной модели.
2. Расчет параметров регулятора.
3. Настройка регулятора в соответствии с данными синтеза.
Если в системе используется эталонная модель с
фиксированными параметрами, то со временем реакция системы приближается к реакции этой модели. Однако, следует иметь ввиду, что системы этого типа не могут адаптироваться к
неконтролируемым (и не известным) внешним возмущениям, что является характерным для сельского хозяйства, если измеряемый входной сигнал остается неизменным [2].
Таким образом, для управления объектами сельскохозяйственного назначения при разработке адаптирующих устройств целесообразно использовать алгоритмы, основанные на оперативной идентификации параметров (а возможно и структуры) настраиваемой модели объекта (см. рис. 2, а).
Согласно сказанному, операции идентификации объекта ОНО (определение структуры и параметров модели на каждом шаге управления) и синтез алгоритма управления РР (определение структуры и расчет параметров регулятора) в принятой нами схеме адаптации (адаптивное управление с самонастраивающейся моделью, см. рис. 2, а) выполняются посредством управляющей программы, реализованной на бортовом (или стационарно установленном) компьютере.
Исследования адаптивных алгоритмов управления сельскохозяйственными процессами с настраиваемой моделью
73
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
приведены в работах СЗНИПТИМЭСХ: [1] - пропашным агрегатом, [6,7,8] - кормораздачи на молочной ферме, [9,10,11,12] - управление процессом сушки семенного зерна.
Наряду с обоснованным для дальнейшего исследования метода адаптивного управления с настраиваемой моделью (см. рис. 2, а) следует обратить внимание на методы экстремального управления. Дело в том, что некоторые технологические процессы и объекты сельскохозяйственного производства имеют ярко выраженный экстремальный характер показателей качества, как функций регулирующих воздействий и инерционность которых (постоянные времени) меньше минимально возможного по техническим причинам периода управления, достаточного для отработки возмущающих воздействий (например, система управления микроклиматом в животноводческих и культивационных сооружениях защищенного грунта). Существуют также процессы, имеющие циклический характер, когда параметры процесса устанавливаются на весь цикл (например, сушилки периодического действия, пахотные и почвообрабатывающие агрегаты при постоянных управляющих воздействиях на протяжении всего гона и т.д.).
Адаптивное управление такими процессами возможно с использованием процедуры принятия решения в основном контуре автоматизируемой системы без использования модели процесса. Такие системы называются экстремальными статическими системами управления [4,13,14].
На рис. 3 представлена блок схема экстремальной системы управления. Здесь осуществляется операция принятия решения, когда его устройство не только воздействует на регулятор основного контура, но более того, находится в самом сигнальном тракте регулятора.
74
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
Рис. 3. Блок-схема экстремальной системы управления:
О - объект управления; РЭР - расчет экстремального регулятора;
ЭР - экстремальный регулятор; 1-значение критерия качества;
10-оптимальное значение критерия качества; U - вектор управляющих воздействий; U0 - вектор оптимальных значений управляющих воздействий
Подобная структура позволяет осуществлять оптимизацию, например, по критерию максимального к.п.д., производительности или минимального энергопотребления. Результат решения этих задач - достижение и отслеживание экстремальной рабочей точки /=/0 Последнее осуществляется с помощью алгоритма экстремального управления.
При принятии решения в системе, представленной на рис. 3, не имеет значения, нужно ли определение специального критерия качества или же необходимый критерий будет определяться непосредственно на автоматизируемом объекте. В этих случаях для процесса принятия решения важно лишь одно - возможность измерения (определения) экстремизируемого параметра. При этом как сама величина экстремума Х0 так и соответствующее ему значение регулирующего воздействия IJ{) могут существенно изменяться в зависимости от внешних условий работы объекта. Устройство, реализующее процесс принятия решения должно всегда
75
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
находить этот экстремум, независимо от причин, вызывающих его смещение в процессе работы [4].
Обратная связь по показателю качества в экстремальных системах позволяет компенсировать в той или иной степени все возмущения, действующие на объект управления. При этом, в силу того, что объект регулирования имеет четкую нелинейную зависимость показателя качества от регулирующего (или регулирующих) воздействия, отыскание точки положения экстремума может быть осуществлено с помощью поисковых движений. Поиск -характерная черта экстремальных систем, построенных по принципу обратных связей [3,4,14,15]. Во время поиска определяется знак и величина отклонения (или только знак) рабочей точки от положения экстремума и организуется движение в сторону экстремума.
Исследования экстремальных систем управления сельскохозяйственными процессами приведены в работах СЗНИИМЭСХ: [16] - пропашным агрегатом, [17,18,19] - пахотным агрегатом с изменяемой шириной захвата плуга.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бровцин В.Н. Исследование и оптимизация динамических объектов сельскохозяйственного назначения средствами вычислительного эксперимента. СПБ.: СЗНИИМЭСХ, 2004. 364 с.
2. Изерман Р. Цифровые системы управления / Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 541 с.
3. Острем К., Виттермарк Б. Системы управления с ЭВМ / Пер. с англ. М.: 1987. 480 с.
4. Шульце К,- ГГ, Реберг К,- Ю. Инженерный анализ адаптивных систем / Пер. с нем. М.: МИР, 1992. 280 с.
5. Антонов В.И., Терехов В.А., Тюкин И.Ю. Адаптивное
управление в технических системах. СПб.: Издательство С.-
Петербургского университета, 2001. 244 с.
6. Бровцин В.И., Муравьев Н.А., Хоцко Л.Г. Выбор и обоснование метода адаптивного управления продуктивностью животных / В.Н. Бровцин, Н.А. Муравьев, Л.Г. Хоцко //
76
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
Совершенствование технологических процессов и технических средств в кормопроизводстве и животноводстве: сб. науч. тр. СПб.: СЗНИИМЭСХ, 1998. Вып. 68. С. 39 - 53.
7. Бровцин В.Н., Муравьев НА, Хоцко Л.Г. Подсистема адаптивного управления раздачи концкормов / В.Н. Бровцин, Н.А. Муравьев, Л.Г. Хоцко // Совершенствование технологических процессов и технических средств в кормопроизводстве и животноводстве: сб. науч. тр. СПб.: СЗНИИМЭСХ, 1998. Вып. 68. С. 25-38.
8. Бровцин В.Н. Исследование самонастраивающихся
алгоритмов управления пропашным агрегатом / Экология и сельхозтехника: материалы 5-й Международной научно-
практической конференции. СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2007. ТЗ. С. 198203.
9. Бровцин В.Н. Применение методов адаптивного управления объектами и процессами сельскохозяйственного производства / В.Н. Бровцин // Технология и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства в Северо-Западной зоне России: сб. науч. тр. СПб.: СЗНИИМЭСХ, вып. 73. Санкт-Петербург, 2002. С. 13-26.
10. Бровцин В.Н., Волков В.В., Зеленин Г.П. подсистема управления сушкой семенного зерна в шахтной зерносушилке С-20 / В.Н. Бровцин, В.В. Волков, Г.П. Зеленин // Технология и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства в Нечерноземной зоне России: Сб. науч. тр. СПб.: СЗНИИМЭСХ, 1996.Вып. 66. С.40-44.
11. Бровцин В Н. Использование методов адаптивного
управления объектами и процессами сельскохозяйственного производства / В.Н. Бровцин // Научные основы создания современных адаптивных машинных технологий производства сельскохозяйственной продукции: Материалы научной сессии
СЗНМЦ Россельхозакадемии. СПб-Пушкин. 30 июля 2002 года. СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2003. С. 115-126.
77
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
12. Бровцин В.Н., Волков В.В., Зеленин Г.П. Адаптивное управление процессом сушки семенного зерна в шахтных зерносушилках /Экология и сельскохозяйственная техника: Материалы 4-й научно-практической конференции. СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2005. ТЗ. С. 197-203.
13. Александровский Н.М. и др. Адаптивные системы автоматического управления сложными технологическими процессами / Под ред. Н.М. Александровского. М.: Энергия, 1973. 272 с.
14. Мандровский - Соколов Б.Ю., Туник А.А. Системы экстремального управления при случайных возмущениях. Справочник. Киев: Наукова думка, 1970. 272 с.
15. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 3-х т. Т.З: Методы современной теории автоматического управления / Под ред. Н.Д. Егупова. М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2000. 748 с.
16. Бровцин В.Н. Обоснование структуры оптимальной системы управления пахотным агрегатом / В.Н. Бровцин // Технология и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства в Северо-Западной зоне России сб. науч. тр. СПб.: СЗНИИМЭСХ, вып. 73. Санкт-Петербург, 2002. С. 32-49.
17. Бровцин В.Н., Максимов Е.А. Исследование на ЭВМ
экстремального алгоритма управления производительностью пахотного агрегата с изменяемой шириной захвата / В.Н. Бровцин, Е.А. Максимов // Вклад молодых ученых в решение задач научного обеспечения АПК Северо-Запада РФ: Материалы научно-
практической конференции 3 ноября 1999 года. Российская академия сельскохозяйственных наук. Северо-Западный нучный центр. Санкт-Петербург-Пушкин, 1999. С. 18-21.
18. Бровцин В.Н., Вайнруб В.И., Максимов Е.А. Экстремальное управление производительностью пахотного агрегата/ В.Н. Бровцин, В.Н. Вайнруб, Е.А. Максимов // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и
78
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
животноводства в Северо-Западной зоне России: сб. науч. тр. СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. СПб., 2000. Вып. 71. С. 19 - 28.
19. Бровцин В.Н., Клейн В.Ф., Максимов Е.Э., Степанов А.Н., Скорняков А.Б. Экстремальные системы управления пахотным агрегатом /Экология и сельскохозяйственная техника: Материалы 4-й научно-практической конференции. СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2005. ТЗ. С. 203-210.
УДК 631.17: 330.115
А. М. ВАЛГЕ, д-р. техн. наук; Э.А. ПАПУШИН, канд. техн. наук
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА МАШИННО-ТРАКТОРНОЕО ПАРКА НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ МНОЖЕСТВ
В статье рассмотрен новый подход к решению задачи выбора оптимального состава машинно-тракторного парка сельхозпредприятия, основанный на теории множеств. Теоретические и алгоритмические разработки проверены на задачах, решенных традиционным методом.
Ключевые слова, машинно-тракторный парк, теория множеств, алгоритм
A.M.YALGE, DSc (Eng); E.A.PAPUSHIN, Cand. Sc (Eng)
TRACTOR FLEET OPTIMIZATION BASED ON THE THEORY OF SETS
The article describes a new approach to address the problem of choosing the optimal composition of machine and tractor fleet in agricultural enterprises based on the theory of sets. Theoretical and algorithmic solutions have been verified by the handling of the same problems by the traditional method.
Keywords, machine and tractor fleet, set theory, algorithm
79
