|
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
На правах рукопису
Решетюк Володимир Михайлович
УДК - 636.5252/58:62 503.51
Математичне моделювання інформаційних потоків біотехнічної системи, з метою побудови автоматизованої системи управління технологічними процесами
(на прикладі промислового пташника)
05.13.07 - автоматизація технологічних процесів
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі автоматизації сільськогосподарського виробництва Національного аграрного університету, Кабінету Міністрів України.
Захист відбудеться 20 червня 2002 р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.058.05 в Національному університеті харчових технологій за адресою: 01033 м.Київ-33, вул Володимирська, 68.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033 м.Київ-33, вул Володимирська, 68.
Автореферат розісланий 17 травня 2002 р.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В умовах структурної перебудови агропромислового комплексу України, стрімкого зростання номенклатури виробів і складності технологій, швидкого морального старіння засобів праці, появи нових, невідомих у минулому задач управління і обмежень ресурсів, зростають вимоги до системного функціонування процесів і явищ.
З точки зору системного аналізу структурні одиниці сільськогосподарського виробництва відносяться до відкритих біотехнічних систем, кінцевою метою функціонування яких є синтез речовини необхідної якості в запланованій кількості. Ці системи об'єднують в собі біологічну та технічну складові. Для біологічної складової системи характерним є принцип "лімітуючого фактора". Щоб усунути його негативну дію на продуктивність у множині впливаючих факторів, необхідно виділити лімітуючий і скомпенсувати його дію за рахунок технічної складової. Проте, знешкодження шкідливого впливу одного фактора автоматично робить лімітуючим інший. Здається, що покроковим усуненням впливу лімітуючих факторів на продуктивність можна досягти її найвищого (генетично обумовленого) рівня. Але, як правило, це не вдається, бо біологічні системи живуть – змінюються у часі й на різних етапах їх існування будуть різними оптимальні набори факторів.
В процесі функціонування біотехнічні системи взаємодіють із зовнішнім середовищем, здійснюючи обмін речовиною, енергією і інформацією, тому при побудові математичних моделей біотехнічних систем необхідно враховувати основні властивості зазначеної тріади.
При дослідженні промислового пташника, як об'єкта управління (ОУ) та моделюванні біотехнічної системи, розуміючи всю складність зв’язків між окремими її складовими і зовнішнім середовищем, не доцільно ставити задачу пошуку аналітичної залежності, яка б адекватно описувала всі можливі види взаємодій і перетворень. Проте, моделі повинні відповідати вимогам структурної, динамічної і інформаційної завершеності, що робить можливим застосування автоматизованих систем управління технологічними процесами (АСУТП) та систем прийняття рішень (СПР).
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до плану держбюджетних науково-дослідних робіт Національного аграрного університету: "Розробка автоматизованої системи управління технологічними процесами для птахофабрик яєчного напрямку (методологічні основи та теоретичні передумови)" (Звіт по НДР (заключн.) / НАУ. - № ДР 0196U005225; Інв. № 01810. – К.: 1998. – 133 с.) та "Розробка автоматизованої системи управління технологічними процесами для птахофабрик яєчного напрямку (обгрунтування та технічна реалізація)" (Звіт по НДР (заключн.) / НАУ. - № ДР 0197U001121; Інв. № 01811. – К.: 1998. – 225 с.), в яких автор виступав у ролі відповідального виконавця.
Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є оцінка ресурсного потенціалу біотехнічної системи (на прикладі промислового пташника) для мінімізації недоотриманої продукції, шляхом використання його математичної моделі, яка враховує взаємозв'язок інформаційних та енергетичних потоків між біологічною та технічною підсистемами об'єкта АСУТП.
Основними задачами було:
- дослідження складу інформаційних потоків, необхідних для оцінки стану технологічних процесів виробництва продукції птахівництва;
- розроблення методики дослідження промислового пташника при проведенні багатофакторного пасивного експерименту, в умовах створення АСУТП промислового пташника;
- ідентифікація математичної моделі біотехнічної системи;
- створення структурної схеми АСУТП промислового пташника та перевірка роботи системи у виробничих умовах.
Об'єкт дослідження - процеси обміну потоками інформації між біологічною та технічною складовими біотехнічної системи при управлінні технологічними параметрами в ній.
Предмет дослідження - залежності, які характеризують обмін потоками інформації біологічної та технічної складових промислового пташника.
Методи дослідження - метод експертних оцінок - для дослідження складу інформаційних потоків на птахофабриці; метод пасивного багатофакторного експерименту - для дослідження впливу технологічних параметрів на продуктивність птиці; методи фільтрації та зглажування експериментальних даних; методи прикладної статистики, метод групового обліку аргументів та методи структурно-функціонального моделювання - для моделювання інформаційних потоків біотехнічної системи.
Наукова новизна одержаних результатів - заключається в наступному:
- вперше структуровано інформаційні потоки на птахофабриці, які є вихідними даними для проектування АСУТП;
- на основі дослідження інформаційних потоків на птахофабриці, вперше запропонована структурна схема системи прийняття рішень у промисловому птахівництві;
- дістали подальший розвиток питання методики проведення експериментальних досліджень промислового пташника при побудові на його базі АСУТП, яка відрізняється комплексним підходом до оцінки стану вихідної величини об'єкта управління;
- на основі експериментальних та теоретичних досліджень вперше одержана математична модель для прогнозування раціонального ресурсного потенціалу біотехнічної системи (яйценосності птиці), з урахуванням впливу основних енергетичних потоків - параметрів мікроклімату, віку птиці та за умови стабілізації годівлі.
Практичне значення одержаних у дисертації результатів. Матеріали по результатах дослідження промислового пташника, при проведенні багатофакторного пасивного експерименту, прийняті до впровадження об'єднанням "УкрНДІАгропроект" у вигляді методичних рекомендацій по дослідженню промислового пташника, при створенні автоматизованих систем управління технологічними процесами на птахофабриках; проведена виробнича перевірка АСУТП промислового пташника із використанням математичної моделі біотехнічної системи на птахофабриці "Київська" Київської області (акт впровадження результатів НДР від 21 грудня 1989 року, акт випробовувань №232 від 08.08 1989 р.), ВАТ "Володимир-Волинська птахофабрика" Волинської області (акт впровадження результатів науково-дослідних, дослідно-конструкторських та технологічних робіт від 15 серпня 2001 року).
Реальний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи досягається за рахунок наступних факторів:
- економії корму, внаслідок обмеженого годування птиці при її вирощуванні та в продуктивний період;
- забезпечення оптимального мікроклімату в промисловому пташнику;
- удосконалення структури управління птахофабрикою та ходу технологічного процесу вирощування птиці (прогнозування оцінки стану вихідної величини об'єкту управління - продуктивності птиці);
- організації технологічного процесу одержання дієтичних яєць;
- підвищення продуктивності праці обслуговуючого персоналу промислового пташника.
Одночасно досягаються такі важливі для сучасного виробництва особливості, як:
- зменшення впливу шкідливих факторів на операторів технологічного процесу за рахунок переміщення пульту управління із цеху з технологічним обладнанням у кімнату оператора з комфортними для людини умовами;
- підвищення культури праці за рахунок використання сучасних мікропроцесорних засобів автоматики і персональних комп'ютерів;
- підвищення технічного рівня інженерно-технічного персоналу птахофабрики.
Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі Національного аграрного університету:
- при викладанні курсу "Ідентифікація та моделювання об'єктів управління" для фахового спрямування "Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології" - розділ "Моделювання біологічного об'єкту в умовах продуктивного періоду";
- при викладанні курсу "Автоматизовані системи управління технологічними процесами" для фахового спрямування "Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології" - розділ "Проведення експериментальних досліджень промислового пташника та математичний обробіток їх результатів".
Особистий внесок здобувача. Результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. В публікаціях, які написані в співавторстві, дисертантові належить: формування масивів експериментальних даних промислового пташника, апробація алгоритмів математичного обробітку експериментальних даних в умовах пасивного експерименту, постановка задачі ідентифікації біотехнічної системи, одержання математичної моделі для прогнозування раціонального ресурсного потенціалу біотехнічної системи, розроблення функціональних вимог до складових частин структурної схеми системи прийняття рішень у промисловому птахівництві.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на:
- науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу Національного аграрного університету (м.Київ, 1985 - 2001 р.р.);
- науково-практичній конференції "Измерительная и вычислительная техника в управлении производственными процессами в АПК" (м.Ленінград, 1988 р.);
- науково-практичній конференції "Проблемы комплексной автоматизации и механизации производства агропромышленного комплекса Казахстана" (м.Алма-Ата, 1988 р.);
- науково-практичній конференції "Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве" (м.Москва, 1989 р.);
- науково-практичній конференції "Автоматизация производства и управления в перерабатывающей промышленности Госагропрома СССР" (м.Одеса, 1989 р.);
- на семінарі "Проблеми моделювання і автоматизації процесів в агропромисловому комплексі" Радянського національного комітету Міжнародної асоціації по математичному і машинному моделюванню (м.Рязань, 1989 р.);
- міжнародній науково-технічній конференції "Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве" (Республіка Бєларусь, м.Мінськ, 2000 р.)
- 2-й Міжнародній науково-технічній конференції “Энергосбережение в сельском хозяйстве” (Росія, м.Москва – ВІЕСГ, 2000 р.).
Публікації. По результатах наукових досліджень опубліковано 14 наукових праць (із них 10 в фахових виданнях), в тому числі одне авторське свідоцтво на винахід.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, основної частини (чотирьох розділів), списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг основного тексту складає 140 сторінок, в тому числі 25 рисунків. Список літератури складається із 96 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі відображені актуальність проблеми, мета і задачі дослідження, наукова новизна отриманих результатів та їх практичне значення, наведені відомості про обсяг та апробацію роботи.
У першому розділі роботи проведено загальну характеристику промислового пташника, як об'єкта управління, який являє собою біотехнічну систему - сукупність взаємозв'язаних та взаємозалежних складових: біологічної (птиці) та технічної (технології її утримання). Таким чином, при дослідженні такої системи, необхідно враховувати наступні її особливості:
1) наявність великої кількості факторів, які впливають на продуктивність (яйценосність) птиці;
2) складний, стохастичний характер залежності вихідної змінної ОУ (продуктивності птиці) від вхідних величин - температури, вологості, освітленості, якісного складу та кількості корму, тощо;
3) біологічна система володіє "пам`яттю".
Враховуючи скінченність "пам`яті", можна записати
 , (1)
де:  - вихідна величина промислового пташника;
 - вхідні сигнали промислового пташника;
 - час дії “пам`яті” системи ( ).
У загальному випадку промисловий пташник можна представити наступним чином (рис. 1).
Для вивчення біотехнічного об'єкту було досліджено інформаційні потоки на птахофабриці. При цьому ідентифіковано склад інформаційного потоку на трьох рівнях: технолога - оператора, бригадира, головних спеціалістів. У відповідності до цього, для птахофабрики яєчного напрямку, весь інформаційний потік був представлений трьома видами параметрів: технічними, технологічними, техніко - економічними, що дозволило скласти перелік інформаційно-обчислювальних та управляючих функцій АСУТП.
В зв'язку з цим, проведено апріорний аналіз впливу технологічних параметрів ОУ на вихідну величину - яйценосність птиці. При утриманнi птиці в пташнику, тобто взаємодії в ньому бiологiчного об'єкта з технічною складовою, яйценоснiсть птиці залежить від таких основних параметрiв: температури та вологості повiтря, концентрацiї амiаку, свiтлового режиму, віку птиці, швидкості руху повiтря, шумів i вiбрацiї, що викликанi роботою технологiчного обладнання, освiтленості клiток, кiлькiсного та якісного складу кормiв, стрес-факторів, обумовлених процесом вирощування птиці. Наведені параметри в різній мірі впливають на яйценоснiсть птиці, масу яєць i їх якiсть, споживання та оплату корму, масу тiла птиці, її самопочуття.
Другий розділ присвячено експериментальним дослідженням промислового пташника. З метою вивчення всієї сукупності зв’язків, що визначають параметри вихідної величини (яйценосності птиці, маси птиці та маси яйця), було створено вимірювальний комплекс (ВК). Для цієї мети, на основі раніше визначеного складу вхідного інформаційного потоку, здійснено вибір комплексу технічних засобів (КТЗ) для збору та реєстрації інформаційних параметрів, забезпечена взаємодія між складовими частинами ВК та управління ним, проведено аналіз динаміки метрологічних характеристик ВК в процесі його функціонування. Необхідно відзначити, що при виборі ВК похибка вимірювання параметрів інформаційних потоків не перевищувала гранично допустимого значення. Для цього проводився аналіз метрологічних характеристик ВК на основі ймовірнісного підходу.
Після отримання експериментальних даних проводили їх обробіток, використовуючи алгоритми фільтрації та зглажування експериментальних точок (рис.2).
Рис.2. Зміна температури повітря у пташнику на протязі періоду вирощування птиці:
1 - експериментальні точки;
2 - фільтрований сигнал.
Одержавши масив фільтрованих сигналів промислового пташника, доповнених значеннями температури зовнішнього повітря (рис.3), була сформована база даних, на основі якої проводили ідентифікацію моделі ОУ.
а) б)
в) г)
д) е)
є) ж)
з) и)
Рис.3. Вхідні та вихідні параметри ОУ на протязі продуктивного періоду: а) середньодобова температура повітря зовнішнього середовища; б) середньодобова температура повітря у пташнику; в) кількість яєць за добу: 1 - фактична; 2 - біологічно можлива (мінімальна); 3 - біологічно можлива (максимальна); г) маса одного яйця; д) кількість води, спожитої птицею; е) середньодобова концентрація  у пташнику; є) кількість корму, спожитого птицею; ж) маса однієї птиці; з) тривалість світлового дня у пташнику; и) динаміка поголів’я птиці.
У третьому розділі проведено ідентифікацію математичної моделі промислового пташника. Вважаючи тривалість світлового дня такою детермінованою складовою зовнішнього середовища, що дозволяє найкращим чином реалізувати генетично обумовлену продуктивність кросу “Бєларусь-9”, було розглянуто потоки речовини в промисловому пташнику за умови, що годування на протязі всього періоду утримання птиці здійснюється збалансованим за протеїном кормом.
Обмінну енергію корму, спожитого однією птицею і-го дня, обчислювали за формулою
 (2)
де  - питома обмінна енергія корму ( Дж/кг);
 - кількість корму, спожитого птицею в i-й день, кг;
Визначивши теплові втрати  , як функцію маси птиці та температури повітря у пташнику, отримали продуктивну енергію 
 (3)
Розрахована швидкість синтезу маси яєць однією птицею в і-й день продуктивного періоду за формулою
 , кг (4)
де  – маса одного яйця, кг;
 – яйценосність птиці в i-й день, шт.
Швидкість зміни маси однієї птиці в і-й день продуктивного періоду розрахуємо за формулою
 , кг (5)
де  – маса птиці в i-й день, кг;
 – маса птиці в (і+1)-й день, кг.
Швидкість синтезу біологічної маси в і-й день продуктивного періоду, обчислимо за формулою
 , кг (6)
Кореляційний аналіз продуктивної енергії і доступних для вимірювання і регулювання параметрів технологічного процесу не виявив суттєвих зв’язків. Була висловлена гіпотеза, про те що досліджувана реалізація випадкового процесу (синтезу яєчної маси) позбавлена значного впливу зовнішніх факторів і є функцією часу або іншої змінної, яка лінійно змінюється у часі.
Рис.4. Динаміка зміни енергетичних показників речовини та технологічних параметрів промислового пташника:
1 - продуктивна енергія птиці  ;
2 - швидкість синтезу біологічної маси  ;
3 - швидкість синтезу маси яєць  ;
4 - швидкість синтезу маси птиці  ;
5 - тривалість світлового дня  ;
6 - температура повітря у пташнику  .
Проаналізувавши одержані дані, дійшли висновку, що за інформативний параметр доцільно прийняти швидкість синтезу маси яєць, оскільки ця залежність не містить викидів і може бути апроксимована гладкою спадаючою функцією.
Приріст швидкості синтезу маси яєць достатньо точно описується функцією
 (7)
Інтегруючи величину  у часі, отримаємо аналітичний вираз для добового синтезу маси яєць у формі
 (8)
Аналіз залежностей  і  (рис. 5) показує, що існуюча між ними розбіжність корелює з виходом температури пташника за комфортні межі.
Рис. 5. Швидкість синтезу яєчної маси протягом продуктивного періоду:
1 - маса яйця розрахована по моделі;
2 - маса яйця, згідно експерименатльних даних;
3 - температура повітря у пташнику.
| 
