, а на выходе - вектор выходных переменных (рис. 1.1). Современный парк сельскохозяйственных машин насчитывает около пяти тысяч наименований. Сельскохозяйственные машины, особенно мобильные, представляют сложнейшие управляемые динамические системы, работающие в различных почвенно-климатических зонах страны: от крайнего Севера до субтропиков.
В этих условиях сельхозмашины находятся под воздействием нагрузок (возмущений), представляющих в общем случае сложный процесс, состоящий из смеси стохастических и детерминированных составляющих. К ним можно отнести: микро- и макронеровности агрофонов (полей) и их физико-механические свойства, являющиеся в общем случае случайными процессами.
Эти возмущения являются внешними для сельхозмашин и во многом определяют энергозатраты на их перемещение, неравномерность загрузки, колебания, скорость движения. Немаловажное значение имеют и внутренние возмущения в сельхозмашинах: неуравновешенные силы инерции двигателей, механизмов, вызывающие механические колебания рабочих органов и всей машины (детерминированные и случайные) и ухудшающие ее показатели качества.
В общем случае сама сельхозмашина представляет систему с переменными параметрами: масса машины изменяется в связи с наполнением или разгрузкой технологических емкостей, что, в свою очередь, изменяет ее упругие и диссипативные свойства; процессы износа и старения также меняют собственные параметры машины.
Каждая сельхозмашина предназначена для выполнения одного или нескольких технологических процессов, обеспечивающих получение необходимой для общества продукции. Например, наиболее сложная сельхозмашина - зерноуборочный комбайн может выполнять несколько технологических процессов: при прямом комбайнировании машина выполняет срезание стеблей, обмолот хлебной массы, выделение зерна из грубого вороха, очистку вороха, сбор, измельчение или прессование незерновой части урожая; при раздельном комбайнировании машина осуществляет подбор валков, и далее осуществляет те же операции, что и при прямом комбайнировании.
Для каждого технологического процесса устанавливаются показатели качества. При этом в результате выполнения технологическогопроцесса машиной из исходного (входного) продукта получают выходной продукт с заданными показателями качества. Например, в результате выполнения технологического процесса зерноуборочным комбайном из исходного продукта (хлебной массы) получают зерновой продукт с требуемой чистотой, дроблением и др. Аналогично для почвообрабатывающих и посевных машин задаются требования допустимой глубины обработки почвы, заделки семян и другие.
К основным показателям качества сельхозмашин относятся их производительность, которая, например, для зерноуборочных комбайнов находится в прямой зависимости от урожайности убираемой массы, ширины захвата машины и скорости движения. Так как ширина захвата машины обычно постоянна, а урожайность является случайной функцией, оптимальная производительность машины определяется скоростью ее движения как регулятора оптимальной загрузки машины.
Вручную регулировать загрузку машины изменением скорости движения (для получения оптимальной загрузки) не представляется возможным, поэтому этот процесс требует автоматического управления.
Кроме этого, сложный рельеф, по которому перемещаются мобильные сельхозмашины (наличие склонов и косогоров) требует разработки систем автоматического регулирования положения (стабилизации) как самих машин, так и их рабочих органов относительно поверхности поля. Например, применительно к зерноуборочному комбайну разработаны системы автоматического регулирования его остова, что снижает потери зерна за очисткой и соломотрясом и обеспечивает устойчивость движения машины.
Повышенные требования к сельхозмашинам, обеспечивающим междурядную обработку растений (число повреждений последних не должно превышать 4%), не могут быть обеспечены (даже на средних скоростях движения) без наличия систем автоматического управления движения машины или рабочими органами.
В связи с тем, что операторы сельхозмашин (особенно в растениеводстве) работают в напряженных условиях (подвержены воздействиям шумов, вибраций, внешней среды), в конструкциях сельхозмашин кроме автоматических систем для обеспечения управления технологическими процессами предусмотрены системы автоматического контроля и защиты, которые относятся к автоматизированным системам, так как не могут самостоятельно изменить ход технологического процесса.
Эти системы осуществляют постоянный контроль технологического процесса (или отдельных его операций) и подачу звуковой или световой сигнализации оператору о нарушениях технологического процесса.
Системы автоматической защиты отключают узлы или агрегаты машины при выходе контролируемых параметров за допустимый уровень и информируют оператора о срабатывании защитного устройства.
Учитывая, что современный парк сельхозмашин насчитывает свыше пяти тысяч наименований, количество технологических процессов, выполняемых этими машинами, значительно больше, и, если в связи с этим идти по пути проектирования различных принципов и методов управления технологическими процессами, задача в виду необозримости становится неразрешимой.
Выходом их этой ситуации является использование современной теории управления, общность которой позволяет проектировать системы управления для технологических процессов различной природы по единым принципам. Принципы этой теории рассмотрены нами при составлении кибернетической модели процесса проектирования, производства и испытаний автоматизированной сельхозмашины (см.рис.В 1).
В связи с этим технологические процессы, выполняемые сельхозмашинами, представим в виде многомерного процесса, на входе которого действует вектор входных переменных , а на выходе - вектор выходных переменных (рис. 1.1).
Такое представление технологического процесса, выполняемого сельхозмашинами, позволяет формализовать его в виде модели, преобразующей вектор входных переменных 
в вектор выходных переменных 
(функциональное преобразование).
Вектор входных переменных технологического процесса включает переменные, характеризующие свойства обрабатываемого материала, параметры технологического процесса (как измеряемые, так и неизмеряемые), часть из которых являются управляющими. При этом в виду множества входных переменных часть из них относят к неконтролируемым возмущениям (шумам). В общем виде векторы входных и выходных переменных включают как случайные, так и детерминированные переменные.
Указанное выше представление технологического процесса как функционального преобразователя позволяет в качестве общей его характеристики использовать оператор А, ставящий в соответствие входные и выходные переменные. В качестве оператора А могут быть использованы системы обыкновенных дифференциальных уравнений в частных производных, интегро-дифференциальные уравнения и другие.
Модель технологического процесса называется стохастической, если соответствующий ей оператор является случайным. При этом выходным переменные процесса будут случайными даже при наличии детерминированных входных переменных.
Детерминированной моделью называют модель, у которой оператор детерминирован (однозначно устанавливает соответствие между входными и выходными переменными).
В качестве примера рассмотрим модель технологического процесса вспашки тракторным пахотным агрегатом (рис.1.2).
В качестве входных переменных приняты угол поворота руля трактора ( управляющее воздействие) Xj, сопротивление почвы XR, и неровности агрофона XZ. В качестве выходных переменных приняты глубина пахоты Yп, направление движения агрегата Yд, расход мощности YN.
Построение модели технологического процесса по полученным в реальных условиях работы сельхозмашины входным и выходным переменным называется идентификацией технологического процесса [ 7 ].
При решении задачи идентификации по результатам измерения и определяют не сам оператор А, а его оценку 
, являющуюся приближенной характеристикой оператора А .
Количественная оценка степени близости и А осуществляется функцией потерь 
(зависящий от выходных переменных процесса и модели), на математическое ожидание которой накладывается требование минимума:
Идентификация технологических процессов является достаточно сложным процессом и представляет самостоятельную задачу построения модели технологического процесса (по полученным в реальных условиях работы машин входным и выходным переменным), пригодной для управления.
Для управления технологическим процессом должна быть создана система управления, которая в своем составе имеет источники информации о задачах и результатах управления, устройств для анализа вводимой в систему информации, принятия решений об управляющих действиях а также об исполнительных устройствах, непосредственно осуществляющих управление.
Обычно все эти устройства объединяются в одном блоке, называемом блоком управления (БУ).
Наиболее общим, как было отмечено ранее, принципом управления технологическими процессами как объектами управления (ОУ) является принципом обратной связи (рис. 1.3), соединяющей выход системы с ее входами. При этом в блоке управления реализуется обратный оператор 
,так как выход системы при этом представляется как причина, а вход (причина) - в роли следствия. Управление с использованием обратной связи называется замкнутым управлением (управлением по замкнутому циклу) в отличие от нашедшего также широкое распространение принципа управления по разомкнутому циклу, который используется, если информация о выходных переменных и ее обработка невозможны.
Общая теория управления, классификация систем управления, методы их анализа и синтеза будут рассмотрены в последующих главах.
Рассмотрим в связи с изложенным выше в качестве примеров наиболее распространенные системы управления технологическими процессами мобильных сельхозмашин (в области растениеводства), имеющих в виду сложности создания систем управления меньший уровень автоматизации, чем стационарные машины.
Одним из наиболее энергоемких процессов является вспашка. К основной задаче этого процесса относится управление глубиной вспашки, отклонение которой в соответствии с агротребованиями на ровных участках не должна превышать ±1,5 см, а не неровных ±3 см.
Для автоматического управления глубиной пахоты используются высотный, силовой и комбинированный способы.
Высотный способ основан на непосредственном измерении и стабилизации глубины пахоты (рис. 1.4), для чего перед лемехом плуга 1 устанавливается ползун или опорное колесо 2 (измерительное устройство) посредством пружины 3 (задающее и сравнивающее устройство), связанное с рамой плуга.
Рис.1.4. Схема исполнительного механизма для управления глубиной пахоты
При изменении глубины пахоты Н происходит перемещение штока гидрораспределителя 4 и масло под давлением поступает в силовой цилиндр 5, который, перемещая систему навески 6, восстанавливает глубину пахоты. Только в случае соответствия действительной и заданной величины Н шток гидрораспределителя будет устанавливаться в такое положение, при котором масло от гидросистемы не будет попадать в исполнительный механизм системы навески.
К недостаткам этого способа относится стабилизация глубины пахоты только того корпуса плуга, у которого установлено опорное колесо. Установка этих колес у каждого корпуса значительно усложнит как саму конструкцию плуга, так и систему управления и экономически не целесообразна.
Силовой способ основан на том, что при постоянной скорости движения и однородности почвы существует функциональная связь между тяговым сопротивлением плуга и глубиной пахоты.
При этом способе управления между трактором и плугом устанавливается упругая связь (пружина), которая при изменении тягового усилия, деформируясь, управляет штоком гидрораспределителя и через силовые цилиндры - глубиной пахоты.
К достоинствам метода относится возможность стабилизации не только глубины пахоты, но и тягового усилия трактора.
Если же почва неоднородна, управление глубиной пахоты этим способом становится невозможным.
В связи с этим, наиболее рациональным способом является комбинированный, объединяющий высотный и силовой и обеспечивающий стабилизацию как загрузки трактора, так и глубины вспашки.
Глубина заделки семян, культивация регулируются в основном высотным способом незначительно отличающимся от рассмотренного выше.
Наиболее сложными сельскохозяйственными машинами являются уборочные, эффективность использования которых определяется оптимальной загрузкой рабочих органов и двигателя.
Например, для зерноуборочного комбайна агротехническими требованиями допускаются потери за жаткой не более 0,5% для прямостойных хлебов и 1,5% для полеглых, дробление зерна не выше 2%, а общие потери зерна при прямом комбайнировании не должны превышать 1,5-2%.
Эти показатели обеспечиваются при оптимальной подаче хлебной массы в молотилку комбайна, которая при прочих равных условиях определяется толщиной хлебной массы.
На рис. 1.5 приведена схема исполнительного механизма для управления загрузкой зерноуборочного комбайна по толщине слоя хлебной массы под транспортером наклонной камеры 1. В результате изменения подачи хлебной массы (толщины ее слоя Н) преобразователь толщины хлебной массы 2 через трос 3 перемещает плунжер гидрораспределителя 4, откуда масло поступает в силовой гидроцилиндр 5, который, перемещая рычаг вариатора 6, изменяет скорость движения комбайна и устанавливает таким образом оптимальную подачу.
Рис.1.5.Схема исполнительного механизма для управления загрузкой зерноуборочного комбайна
Для сглаживания вибраций транспортёра и одноразовых скачков подачи хлебной массы в системе используется демпфирующее устройство 7, а для начальной настройки толщины хлебной массы (в зависимости от физико-механических свойств) используется рычажное устройство 8.
Некоторые технологические процессы, выполняемые сельскохозяйственными машинами, требуют строгого регулирования положения как рабочих органов, так и всей машины относительно поверхности поля. К ним относятся в первую очередь уборочные машины. Например, на склонах более 20 потери превышают допустимую величину, достигая 5-кратного увеличения на склонах до 140 [ 3 ].
В связи с этим как у нас, так и за рубежом разрабатываются комбайны оснащенные системами регулирования горизонтального положения молотилки.
На рис.1.6 показана схема исполнительного механизма для управления горизонтальным положением молотилки зерноуборочного комбайна фирмы "Мак-Кормик" (США). При изменении наклона молотилки маятник 1 (преобразователь) перемещает золотник гидрораспределителя 2, подающего масло в силовой цилиндр 3, который поворачивает молотилку 4 относительно опорного бруса 5 до установления ее в горизонтальное положение. Для гашения колебаний маятника использует демпфирующее устройство 6.
Системы управления положением остова машины в пространстве являются достаточно сложными и дорогостоящими, в связи с чем на большинстве сельскохозяйственных машин, работающих на небольших склонах устанавливаются локальные системы управления положением отдельных рабочих органов: режущих аппаратов, подборщиков и др.
Для управления положением этими рабочими органами используется в основном высотный способ, а механизм управления незначительно отличается от показанного на рис. 1.4. При этом регулируемая высота среза Н режущим аппаратом или установки подборщика должна быть оптимальной (обеспечивающей максимум сбора кормов с полей и лугов и минимум потерь зерновой части урожая), т.е. должна копировать поверхность агрофона.
<Назад> |