УДК 631.3+631.58+681.5

Е.И.Давидсон,

доктор техн. наук,

профессор СПбГАУ,

заслуженный деятель

науки и техники России

Кибернетика сельхозмашин и точное земледелие

     С давних пор отрасль, производящая продукты питания, называлась земледелием, а люди, работающие на земле – земледельцами.

     Технология земледелия создавалась веками, несколькими поколениями людей без замеров и информатики, без компьютеров и приборов. Отсюда, неточность, визуальность, «на глазок» принимались технологические решения. До настоящего времени все технологические операции по подготовке почвы к посеву выполняются на основе народного опыта, без научного математического обоснования времени начала операции и её качества. Это не точно, не оптимально, хотя достаточно работоспособно.

     Почву надо измерять, найти допускаемые значения измеряемых показателей, и сделать её такой, чтобы она, почва, точно соответствовала заданным значениям показателей, а отклонения фактических значений от заданных были бы меньше разрешённых агротехнических допусков.

     В противоположность и в развитие традиционного, неточного земледелия появилось точное земледелие – компьютерная, информационная технология обработки почвы и подготовки её к посеву, целью которой является уменьшение неравномерности плодородия и его повышения для получения максимального урожая.

     Что значит земледелие? Земли в сельском хозяйстве нет. Есть почва, обладающая плодородием, являющаяся производителем продуктов питания и сырья для промышленности. Термин «Земледелие» – это анахронизм, связывающий предыдущую, экспериментальную, опытную практику с современной, компьютерной, информационной, аппаратурной сельскохозяйственной наукой.

     Что значит точное? Точно – это когда фактическое значение измеряемого показателя отличается от заданного на величину, заранее разрешённую, т.е. заранее допускаемую, допуск, интервал, диапазон.

     Для выравнивания плодородия участков полей, для повышения урожая с.х. продукции надо установить неравномерность, неодинаковость плодородия и уменьшить различие.

   Нужен обобщённый, комплексный показатель плодородия почвы: информационный, стохастический в вероятностно-статистическом смысле [2], удобный для измерений и регистрации на современных носителях. Таким показателем может быть, например, процент гумуса в стакане пробоотборника.

     В этом месте статьи рекомендую обратить внимание на мой патент [4] Продольный плотномер почвы и найти корреляцию между статической реализацией показателя плодородия и оперативной регистрацией продольной, вдоль движения машины, плотности почвы как объекта обработки.

     В СПбГАУ исследования по теме «Точное земледелие» проводятся на европейской установке SPEEDPROB фирмы Bodenprobintechnik NIEFELD GmbH. Установка имеет восемь стаканов – пробоотборников, погружаемых в почву вертикально при стоянке установки. Результатом замера плодородия почвы является среднее из восьми показаний количества процентов гумуса при одном тестировании почвы. Это не среднее квадратическое, а среднее арифметическое значение показателя [1].

     По специальной компьютерной программе пробы почвы берутся в таких местах поля, хозяйства, района, чтобы была возможность построить двухкоординатную карту-модель массива и выявить бедные по плодородию почвы.

     Разработана компьютерная программа научного обоснования дозы внесения удобрений с тем, чтобы уменьшить неравномерность плодородия на всей площади. Имеется возможность обосновать норму посева и посадки.

     Это компьютерное управление технологической операцией и машиной для внесения удобрений, но это ещё не кибернетика машины.

     Здесь управляющее воздействие передаётся на математическое ожидание, среднее значение показателя – дозу внесения удобрений, или норму высева семян [2]. Эта информация поступает на прибор, называемый агросоветчик. Он показывает значение управляемого параметра – дозы внесения удобрений «on line», сообщает требуемое значение дозы внесения и спрашивает: больше или меньше? Это управляющее воздействие выполняет оператор. А кибернетика сельхозмашин – это когда машина отслеживает автоматически изменчивость процесса на входе машины – условия, в зависимости от требований, предъявляемых к выходу, параметру качества технологической операции.[3].

     При точном земледелии уменьшение неравномерности плодородия почв достигается уменьшением различия между средними значениями процента гумуса в пробоотборнике за счёт уменьшения различия дозы внесения удобрений машинами.

     Чем беднее почва, тем больше вносится удобрений. Это дифференцирование дозы внесения удобрений. Таким же образом можно дифференцировать норму посева семян и посадки растений.

     При кибернетике почвообрабатывающих машин неравномерность обобщённого показателя уменьшается уменьшением среднего квадратического отклонения ɓ изменчивости продольной твёрдости почвы, являющейся обобщённым показателем [4] почвы как объекта обработки машинами.         

     Кибернетика – это управление технологическим процессом компьютером путём управления идентичной, динамической моделью сельхозмашин [3]. В этом случае технологический процесс отслеживается, а среднее квадратическое отклонение ɓ не должно превышать заданного агротехникой допуска на неравномерность,Δн..

Алгоритм кибернетики сельхозмашин

     1.Реализация процесса изменчивости (неоднородности) x(t) на входе и процесса изменчивости (неравномерности) y(t) на выходе машины.

     2. Построение компьютерной динамической математической модели машины

Ý(t) = Wx(t) ,

где Ý(t) – прогнозируемый моделью выход технологического параметра,

       W – оператор модели машины,

       X(t) – входной процесс, условия.

     3.Определение степени идентичностти модели машины, I,%

100 - (Ý(t)-Y(t))/(Х(t)) 100 = I ,%

Допускаемая идентичность не меньше 70%

     4. Переход управления технологическим процессом на идентичную модель

     5.Контрольные тесты. Должны быть заданы: mу – математическое ожидание выходного процесса, Δн – допуск на настройку выходного процесса, Δɓ – допуск на неравномерность выходного процесса и вероятность выполнения допуска на неравномерность [P] = 70%

     Тестируется: mфакт. – математическое ожидание выходного процесса, ɓфакт. – среднее квадратическое отклонение выходного процесса.

Если: 1) my - mфакт. <Δн ,

                                                            2) Рфакт. >2 Ф[Δɓ/(Δфакт.) ] ,

где Ф – функция Лапласа, [Δɓ/(Δфакт.)] – аргумент этой функции, то нормальное функционирование машины продолжается.

     Если: 1) >, а 2) <, то включается управление.

     На монитор бортового компьютера выводится график ɓ(ɷ) – спектральной плотности неравномерности выходного технологического процесса.

     Программа принимает решение перевести рабочую угловую частоту колебательного процесса неравномерности в зону угловых частот меньше максимальной угловой частоты.

ɷраб. < ɷmax

     Это управляющее воздействие достигается уменьшением поступательной скорости машины, либо уменьшением частоты вращения рабочего органа машины ротационной.

     Тестирование и управление выполняются в автоматическом режиме. Оператор – агропрограммист настраивает программу до начала работы, наблюдает за нормальным функционированием машины и получает удовольствие от установленных в кабине опций: кондиционера, музыки, кофе-машины.

Литература

     1.Давидсон Е.И. Управляя неравномерностью среды произрастания, можно управлять качеством продукции растениеводства. Сборник научных трудов СПбГАУ, СПб., 2000. – С.125–126.

     2.Давидсон Е.И. Научные исследования мобильных сельхозмашин. Авторский курс лекций для магистров агроинженерного направления. Монография. Размещена в РИНЦ. СПбГАУ., СПб., 2009. – 112 с.

     3.Давидсон Е.И. Сельхозмашины. Идентификация, моделирование, кибернетика. Монография. Размещена в РИНЦ. СПбГАУ. СПб., 2009. – 156 с.

     4.Давидсон Е.И., Снегов В.С., Шагаев В.А. Устройство для непрерывного определения плотности почвы. Патент на изобретение, RUS1705738, 28.11.1989 г. Размещён в РИНЦ.