КІРОВОГРАДСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Сакало Віктор Миколайович

УДК 631.356

АВТОМАТИЗАЦІЯ КОНТРОЛЮ

ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ РЯДКА РОСЛИН У СИСТЕМІ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕРОБСТВА

Спеціальність 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кіровоград - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Кіровоградському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України і Полтавській державній аграрній академії Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент Віхрова Лариса Григорівна,

Кіровоградський державний технічний університет,

доцент кафедри “Автоматизації виробничих процесів”.

Офіційні опоненти : доктор технічних наук, професор Галай Микола Васильович,

Полтавський державний технічний університет

ім. Ю. Кондратюка, завідувач кафедри “Автоматика

і електропривод”;

кандидат технічних наук Кишенько Василь Дмитрович, Український Національний університет харчових технологій, м. Київ, доцент кафедри “Автоматизації та комп’ютерно-інтегрованих технологій”.

Провідна установа: Науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики” Міністерства промислової політики України, м.Київ, державне науково-виробниче підприємство “Автоматизовані інформаційні системи та технології”

Захист відбудеться 31.10.2003р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.01 в Кіровоградському державному технічному університеті за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр.Університетський,8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського державного технічного університету за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр.Університетський,8.

Автореферат розісланий 30.09.2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.М. Каліч

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми досліджень. В сучасних умовах ефективність сільського господарства в багатьох випадках залежить від ступеня освоєння досягнень науки і техніки, а також своєчасного впровадження нових наукових технологій в процес виробництва сільськогосподарської продукції. Поєднання нових наукових технологій та останніх досягнень в галузі сільськогосподарської техніки дає змогу розробити систему точного землеробства, як комплекс заходів вдосконалення процесів землеробства, починаючи з дослідження грунтів та внесення добрив, посіву, обробітку всходів та моніторингу розвитку рослин, і закінчуючи збиранням врожаю. Однією з задач, яка визначена системою точного землеробства, є автоматизація виконання найбільш трудомістких та відповідальних операцій:

- ведення сільськогосподарської машини по вісі рядка;

- наближення до кореневої системи рослини засобів внесення добрив;

- зменшення площі зони обробітку грунту навколо рослин.

Досягнення найвищої якості виконання визначених операцій потребує розробки спеціальних адаптивних систем автоматичного управління, як рухом транспортних засобів, так і положенням робочих органів механізмів відносно культурних рослин.

Одним із найбільш відповідальних і складних етапів при цьому є отримання точної і достовірної інформації про взаємне розташування рослин і робочих органів або сільськогосподарської машини при їх переміщенні по полю. Це дає підстави для розробки автоматизованої системи контролю вісі рядка рослин та вісей рослин поперек рядка.

ЇЇ впровадження дозволить не тільки автоматизувати деякі етапи процесу вирощування рослин, але й оцінити розподіл рослинної маси по площі поля. Інформація про розподіл в сукупності з картами розподілу кінцевого врожаю, вологи ґрунту по шарах, важливих елементів ґрунту (азоту, фосфору, калію) дозволить розробити конкретні заходи по управлінню технологічними процесами в рослинництві, а також оцінити перспективи врожаю.

Таким чином, створення автоматизованої системи контролю геометричних параметрів рядка рослин є актуальним та дозволить підвищити ефективність вирощування просапних культур.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано згідно з “Програмою виробництва технологічних комплексів, машин і обладнання для агропромислового комплексу на 1998-2005 р. р.”, затвердженою Постановою Кабінету Міністрів України № 403 від 30.07.98, планами наукових робіт Кіровоградського державного технічного університету та Полтавської державної аграрної академії.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є вдосконалення технологічного процесу обробітку всходів просапних культур шляхом створення автоматизованої системи контролю геометричних параметрів рядка рослин.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1.Визначити найбільш придатний для умов вирощування просапних культур метод контролю геометричних параметрів рядка рослин та обрати тип чутливого елементу.

2. Обґрунтувати та дослідити електричні параметри зони контролю чутливих елементів та побудувати математичну модель процесу перетворення інформації про положення рослини в електричний сигнал.

3. Визначити геометричні параметри зони контролю, спосіб та засоби їх регулювання.

4. Розробити структурну схему, алгоритм функціонування системи автоматичного контролю, дослідити вплив дестабілізуючих факторів і методи їх усунення.

5.Виконати економічну оцінку створеної системи і розробити рекомендації для її подальшого впровадження.

Об’єкт і предмет досліджень. Об’єктом досліджень є процес контролю геометричних параметрів рядка рослин в системі точного землеробства. Предмет досліджень – автоматизована система контролю геометричних параметрів рядка рослин.

Методи досліджень. Для розв’язання поставлених задач застосовані методи теорії електромагнітних полів і радіотехнічних ланок та сигналів, теорії автоматичного управління. Експериментальні дослідження виконувались за допомогою полунатурного і натурного моделювання, а також класичних методів статистичного аналізу експериментальних даних з використанням ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна полягає в наступному:

- вперше доведено, що за умов вирощування просапних культур для контролю геометричних параметрів рослин найбільш доцільно використовувати високочастотний ємнісний перетворювач з чутливим елементом у вигляді плоского електроду;

- отримана аналітична залежність ємності зони контролю обраного чутливого елементу від її заповнення рослинною масою, що дозволяє оцінити вплив інформаційних та інших факторів на перетворювач та дає змогу визначення конструктивних параметрів чутливих елементів;

- доведена необхідність та визначені параметри регулювання розмірів зони контролю чутливих елементів в залежності від виду та стадії розвитку рослин, що дає можливість забезпечення максимальної чутливості перетворювача;

-

-

-

Новизна запропонованих технічних рішень підтверджена двома патентами Україна на винаходи.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі результати дозволяють виконувати конструювання чутливих елементів, обирати схемотехнічні рішення для побудови перетворювачів, розробляти інструкції по експлуатації системи в умовах сільськогосподарського виробництва, а також модернізувати існуючи системи контролю.

Результати роботи використовуються в розробці нових систем автоматизованого контролю технологічними процесами сільськогосподарського виробництва ВАТ “Галещинський машинобудівний завод сільськогосподарських машин та обладнання”, ТОВ “Полтавська інженерна група”, ТОВ “Полтвіль”, а також для розширення можливостей серійної системи НИВА – 23 для контролю положення робочих органів культиватора.

Результати досліджень також використовуються в навчальному процесі Кіровоградського державного технічного університету та Полтавської державної аграрної академії.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є підсумком роботи автора. Основні положення отримані автором самостійно, а саме: на основі проведених досліджень обгрунований вибір високочастотного ємнісного перетворювача, встановлена залежність ємності зони контролю від її заповнення рослинною масою, що дозволяє побудувати алгоритм обробки інформації в автоматизованій системі контролю геометричних параметрів рядка рослин та встановити причини і математичні моделі її похибок; встановлена залежність корисного сигналу від геометричних параметрів зони контролю перетворювача та обгрунтована необхідність їх регулювання для отримання максимального сигналу від рослин у різних стадіях розвитку під час міжрядного обробітку; доведена можливість і встановлені параметри регулювання розмірів зони контролю за допомогою додаткового рухомого екранувального електроду, що дає змогу використовувати перетворювач на різних культурах та стадіях розвитку рослин; запропонована та обґрунтована система автоматичного контролю геометричних параметрів рядка рослин просапних культур і спосіб використання інформації від перетворювача про вісі рядка рослин, масові характеристики та розподіл рослин в рядку.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній науково-технічній конференції “MICROPROCESSOR SYSTEMS IN AGRICULTURE” у Варшавському технічному університеті, Польща, 15-16 червня 1999 р.; на 67-ій науковій конференції студентів, аспірантів та молодих вчених в Національному університеті харчових технологій 24-25 квітня 2001 р.; на технічній нараді спеціалістів ФРН та України з нагоди виробництва машини для автоматичного механічного обробітку ґрунту навколо рослин за спільним патентом України (№ 47722); на технічній нараді 10-11 листопада 2000 р. у м.Полтаві з питань створення автоматичного культиватора, оснащеного апаратурою розпізнавання рослин; на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Полтавського державного сільськогосподарського інституту в 1997-2000 рр. та Кіровоградського державного технічного університету в 2000-2003 рр.

Публікації. За результатами роботи опубліковано 5 друкованих праць, із них 4 статті в наукових фахових виданнях, а також отримані 2 патенти України на винаходи.

Структура і об’єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 85
найменувань і додатків. Загальний обсяг дисертації становить 145 сторінок, в тому числі 59 рисунків та 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність проблеми, що досліджується, визначається наукова новизна та практична цінність отриманих результатів досліджень і дана коротка характеристика роботи.

У першому розділі “Аналіз способів контролю геометричних параметрів рослин” приведені задачі контролю технології точного землеробства. Наведені дані технологічної та конструктивної прив’язки перетворювачів для контролю координат вздовж та поперек рядка рослин.

В найбільш відомих роботах Арша Е.І., Носова Г.Р., Кондратця В.О., Пащенко В.Ф., Галая М.В., Горевого І.М., Калаптуровського В.К., Воробейчика В.Я., Гайдукової С.М., Сакало М.Г., Сакало Л.Г., Сердюка М.І., Кашурко А.С., Погорілого Л.В., Гром-Мазнічевського Л.І. та ін. вчених розглядаються результати теоретичних досліджень, розробок та впровадження в практику систем розпізнавання компонентів середовища в технологічних процесах сільськогосподарського виробництва, а також перетворювачів для отримання інформації.

Теоретичний аналіз відомих засобів для контролю геометричних параметрів об’єктів показав, що з голографічного, радіолокаційного, радіохвильового, індуктивного та ємнісного методів найбільш відповідає агротехнічним вимогам високочастотний ємнісний метод контролю з застосуванням в якості чутливого елементу плоского електроду, розташованого над контрольованим середовищем. Аналіз досвіду практичного використання систем контролю дискретних процесів, наприклад, висіву, показав, що залежно від технологічних умов використання змінюється конструкція чутливих елементів первинного перетворювача (на полях вже працює дев’ять конструктивних модифікацій для різних вітчизняних та закордонних сівалок). Традиційний спосіб контролю міг би привести до створення великої кількості конструктивних модифікацій перетворювача для рослин різних видів та стадій розвитку. Тому є актуальною задача розробки системи контролю з однією конструкцією перетворювача для найбільш розповсюджених просапних культур України: буряка, кукурудзи і соняшника.

У другому розділі “Теоретичне обґрунтування методу контролю геометричних параметрів рядка рослин” на основі визначених вимог до роботи системи автоматичного контролю геометричних параметрів рядка рослин поставлена задача розробити метод визначення вісей рядка рослин, а також обгрунтувати конструктивні параметри чутливого елементу. Для вирішення цієї задачі на основі теорії електромагнітних полів визначена залежність ємності плоского електрода Сзк від часткового заповнення рослинною масою зони контролю, яка формується цим електродом як чутливим елементом перетворювача, за умови, що за допомогою екранування виключена складова зовнішнього поля електрода:

, (1)

де а, b – довжина і ширина електрода;

а’, b’ – довжина і ширина рослини;

h, h’ – висота до ґрунту та рослини;

е0 – діелектрична проникливість вакууму;

еп, егр, ер – відповідно діелектричні проникливості повітря, грунту та

рослини.

Серед впливових факторів найбільший внесок у зміну Сзк робить коефіцієнт заповнення зони контролю рослинною масою .

Залежність (1) дозволяє дослідити вплив неінформаційних параметрів на ємність зони контролю, а також розрахувати значення конструктивних параметрів чутливого елементу а і b. Виходячи з аналізу залежності (1), був обраний первинний перетворювач типу генератор - приймач з ємнісними чутливими елементами, розміщеними безпосередньо коло деталей машин, та побудована його принципова схема (рис.).

На основі аналізу запропонованої принципової схеми за допомогою теорій радіотехнічних ланок та автоматичного управління доведено, що амплітуда вихідної напруги перетворювача Uвmax дозволяє визначити наявність рослини в зоні контролю. При використанні умови, що частота генератора щг обрана близькою 450 кГц, отримана математична модель перетворювача у вигляді:

Uвmax=, (2)

де Umax – амплітуда напруги генератора;

Сзз , Rзз - ємність і опір зворотнього зв’язку операційного підсилювача 5.

Таким чином, для конкретного перетворювача, при постійних ?п і ?ґр, амплітуда вихідної напруги перетворювача є функцією від параметрів a’, b’, h’.

Zзз Сзз

Сзк Rзз

2 3

-

Uвих

С1 С2 +

1 5

4 Ѕ Uп

Рис.2. Первинний перетворювач з ланкою від’ємного зворотнього зв’язку операційного підсилювача вимірювача: 1- генератор, 2 - електрод генератора, 3 - електрод вимірювача, 4 - екран, 5 - операційний підсилювач.

Але безпосереднє визначення параметрів a’, b’, h’ по напрузі Uвmax від одного первинного перетворювача неможливе, тому запропоновано використання перетворювача з трьома електродами ємнісного чутливого елемента (рис.3). При цьому на центральний електрод подається напруга від генератора синусоїдальних коливань , а схема підключення до операційних підсилювачів аналогічна зображеній на рис. . Таким чином, схема має два паралельних симетричних канали, які створюються двома ємностями С’зк і С”зк ( аналог Сзк на рис.2). Опираючись на вираз (2), одержано:

U’max = Uвmaxп - Uвmaxл = 2 kд a’Дb’; (3)

U”max = Uвmaxп + Uвmaxл = A0 + kд a’ b’, (4)

де Uвmaxп , Uвmaxл – напруга правого та лівого плечей перетворювача;

kд = ;

A0 = ; (5)

Дb’ – координата, яка характеризує бокове відхилення рослини від проекції вісі симетрії перетворювача на поверхню ґрунту і має знак плюс, якщо Uвmaxп > Uвmaxл.

Таким чином, трьохелектродний ємнісний перетворювач дозволяє, по-перше, визначити відхилення рослини від вісі симетрії перетворювача, а по-друге, оцінити масову характеристику рослини.

Lз

Хз 6 Uл

Хпр 4

2 1

h 5 Uп

3

Хзад

x Lі

Lр

Рис.3. Загальний варіант виконання перетворювача при копіюванні вісі рядка.

Діелектричну проникливість повітря ?п та ґрунту ?ґ можна також визначити в результаті обробітку інформації з трьохелектродного перетворювача. Так, аналіз залежностей (3) і (4) показав, що при відсутності рослини в зоні контролю перетворювача U’max =0, а U”max = А0, і можна використовувати (5) для визначення ?п і ?п + еґр, якщо застосовувати два перетворювача: перший - головний вимірювач з технологічними параметрами а, b, h і другий - корегуючий, з параметрами конструкції аk, bk, hk.

Тоді

еп = ; (6)

еп + еґ = , (7)

де k1 = ,

Uk – вихідна напруга корегуючого перетворювача.

Залежності (6),(7) дозволяють компенсувати вплив неінформаційних параметрів ?п, егр, знаючи конструктивні параметри обох перетворювачів і висоту їх розташування.

Оскільки довжина а і ширина b чутливих елементів, які складають геометричні параметри зони контролю, вносять певний вклад в ємність зони контролю, то досліджувались діапазони їх змін в технологічних умовах роботи перетворювача.

Геометричні параметри зони контролю обумовлюються геометричними параметрами рослин та відстанню між ними в рядку. Розміри Lз зони контролю вздовж рядка вибираються в залежності від відстані між крайніми листочками сусідніх рослин Lі так, щоб вплив бокових листків був найменшим Lз < Lі . З другого боку Lз також повинна бути рівною або меншою довжини рослини Lз Lр, для отримання максимального корисного сигналу.

Поперек рядка ширина зони контролю Хз залежить від ширини рослини та міжрядь ХзХр.

В цих умовах амплітуда Аn корисного сигналу перетворювача в залежності від геометричних параметрів зони контролю та розподілу рослин в рядку описується виразом:

, (8)

де Um –напруга генератора, Lц – відстань між центрами рослин.

Цей вираз використовується для визначення розміру чутливої зони Lз вздовж рядка. При n=1 сигнал типу cos ( n Lз / Lц) буде максимальним, коли Lз / Lц приймає значення 1, 2, 3 … Тоді з цієї точки зору Lз Lц.

В умовах, коли Lр Lі, довжина зони контролю Lз встановлюється рівною середній відстані між рослинами Lі. Маючи інформацію про кількість N рослин на погонний метр, можна визначити Lз = 1/N. Наприклад, для цукрових буряків Lз знаходиться в межах 0,15…0,25 м, для кукурудзи та соняшника Lз = 0,25…0,30 м. Таким чином, тільки з точки зору видів рослин зона контролю вздовж рядка Lз в період обробки міжрядь повинна змінюватись в межах 0,10…0,35 м.

При Lр < Lі довжина зони контролю Lз Lр. Таким шляхом можливо отримати максимальну Аmax амплітуду корисного сигналу від рослини.

При трьохелектродній просторовій конструкції чутливих елементів (рис.3), що включає електрод 2, підключений до виходу генератора 1 та два електрода вимірювача 3 і 4, призначених для встановлення з боків рядка рослин і підключених до входів відповідних підсилювачів 5 та 6, ширина зони контролю Хз встановлюється заданою шириною лінійної ділянки вихідної характеристики перетворювача Хзад, яка обумовлюється технологічними умовами роботи – шириною захвату автомата водіння сільськогосподарських машин поперек рядка. Тоді для отримання лінійної ділянки вихідної характеристики перетворювача величиною 0,1 м, враховуючи ширину проміжків Хпр між електродами, ширина зони контролю прийнята Хз 3Хзад + 2Хпр 4,5Хзад = 0,45 м. З урахуванням розмірів екрану ширина засобу формування зони контролю буде 0,53 м, що було прийнято для виготовлення експериментального зразка.

Необхідність регулювання зони контролю обумовлюється необхідністю отримання максимально можливої амплітуди сигналу Аmax.

Довжина зони контролю Lзад повинна уточнюватись по фактичному середньому інтервалу між висіяними насіннями Lсер. При отриманні загальної картини розподілу рослин в рядках Lі, відмінної від Lзад, треба розглянути можливість корекції Lз експериментальним шляхом на конкретному полі. Виникає завдання регулювання Lз зони контролю в конкретних технологічних умовах.

Максимальний сигнал від рослини можна отримати при умові, коли площа проекції рослини на чутливі елементи буде прямувати до їх площи, а в реальних умовах при Хз Хр та Lз Lр, що може бути досягнуто застосуванням додаткового рухомого екранувального електрода. В зоні контролю він виконує ту ж функцію, що і рослина, зменшуючи ємність Сзк зони контролю і змінюючи вихідну напругу операційного підсилювача. Цей ефект приводить до формування більш контрастного корисного сигналу.

Зміна геометричних параметрів зони контролю стає можливою, оскільки на режим роботи запропонованої електронної схеми вимірювача (рис.2) не впливає зміна довжини чутливих елементів.

Таким чином, розроблений ємнісний метод та отримані математичні залежності, які дозволяють визначити геометричні параметри рядка рослин по амплітуді сигналу від перетворювача. Обгрунтовані вимоги до геометричних параметрів зони контролю, дотримання яких забезпечує максимальну амплітуду корисного сигналу.

У третьому розділі “Система контролю вісей рядка рослин” на основі аналізу загальної схеми системи автоматичного управління обробітком ґрунту навколо рослин була поставлена задача визначення структури автоматизованої системи контролю геометричних параметрів рядка рослин і алгоритмів обробітку інформації в ній від перетворювачів, а також аналізу похибок системи.

Uл Обчислювач

Dє

Uп КВЛБ САУ

УС

Uе

Dю АЦП КВВР

Б І

Dв Uh КВПП

Рис.4. Схема фукціональна СКПВ: Dє – трьохелектродний ємнісний перетворювач; Dю –корегуючий перетворювач; Dв – вимірювач відстані від електродів до рослини h'; АЦП – аналогово- цифровий перетворювач; УС – пристрій включення до САУ; БІ – блок індикації

Система контролю геометричних параметрів рядка рослин (СКПВ) визначає положення рослини в зв’язаній з нею системі координат. Сигнали від СКПВ беруть участь в обчисленні трьох каналів: канал визначення лінійного бокового відхилення ?b (КВЛБ); канал визначення відстані до рослини a’ (КВВР); канал визначення площі поверхні рослини Sр (КВПП).

Тому функціональну схему СКВП можна представити у вигляді, зображеному на рис.4.

Для визначення ?b у відповідності з (3) здійснюється порівняння амплітуд правого та лівого електродів трьохелектродного ємнісного перетворювача:

Дb = . (9)

Для визначення a’ використовується алгоритм (4), який дозволяє формувати напругу U”max з амплітудою, що досягає максимума, якщо перетворювач знаходиться над віссю рослини:

a’ = . (10)

Для вирішення задачі оцінки масової характеристики також використовується співвідношення (4):

Sр = 2 b’ а’ = (U”max -A0)/ kд. (11)

При виявленні відхилення вісі перетворювача від вісі рядка рослин використовувалась різниця між сигналами різних плечей перетворювача (рис. ):

А = Aп – Aл = Amax kкрутості +/- Amin k’ крутості ,

де: Amax – сигнал перетворювача над рослиною, а Amin – сигнал перетворювача на відрізках, вільних від рослин, k i k’ коефіцієнти крутості, які беруться з таблиць в пам’яті комп’ютера, а Aп і Aл описуються виразами:

Ап = Ап max +/- Ап min ;

Ал = Ал max +/- Ал min ,

де Ап max, Ап min і Ал max , Ал min – амплітуди сигналів правого та лівого плечей перетворювача.

При копіюванні вісі рядка рослин на вихідний сигнал перетворювача впливає несиметрія обох плечей первинного перетворювача (рис.3). Для уникнення цього впливу використовується пунктирний характер рядка та наявність між рослинами вільних відрізків. При Lз << Lі на відрізках між рослинами програмно забезпечується функція:

Аmin = +/- Ап min k’ крутості +/- Ал min k’ крутості = 0.

Ця інформація враховується при корекції сигналів перетворювача.

У випадку, коли Lз Lі, для корекції нульової точки програмним шляхом вибираються інтервали рядка, де немає рослин, реалізуючи функцію
Т > 2Тср, де: Тср – середній час між імпульсами від рослин.

В залежності від коливання розмірів рослин однієї стадії розвитку в рядку необхідно за допомогою коефіцієнтів k і k’ коректувати вихідну характеристику перетворювача для точного підрахування А між сигналами від правого Ап та лівого Ал плечей перетворювача. Коефіцієнти визначаються по сумарному сигналу: Аmax = Ап max + Ал max. При умові лінійних залежностей сигнал Аmax = Ап max + Ал max буде приймати постійне значення для окремої рослини незалежно від відхилення вісі чутливих елементів від вісі рослини. За допомогою початкового тарування на конкретному полі визначається сумарний сигнал Аmax від прийнятої за еталон рослини. Тоді: , при , а від рослини в рядку сумарний сигнал:

, при .

Звідси знаходиться коефіцієнт стабілізації крутості вихідної характеристики перетворювача:

.

Оскільки , то вихідний корисний сигнал, що характеризує відхилення вісі первинного перетворювача від вісі рядка рослин:

, (14)

не залежить від коливання розміру рослин одного ступеня розвитку.

СКПВ представляє собою автоматичну інформаційну вимірювальну систему, яка включає ряд перетворювачів і реалізує послідовний метод вимірювань. Вирішено задачу аналізу похибок СКПВ, викликаних зміною неінформаційних параметрів: ?ґр і ?п, коливанням Umax і ?г , виміром h і h’, в усіх каналах виміру СКПВ з застосуванням методу варіації параметрів. Так, похибка каналу КВЛБ складається із наступних складових:

похибка від нестабільності частоти генератора ?щг

,

та похибка від зміни амплітуди напруги живлення ?Umax

,

які зменшуються вибором величини щг;

похибка від зміни висоти розташування електродів перетворювача над поверхнею ґрунту h

,

та похибка від зміни висоти електродів над рослиною ?h

,

зводяться до мінімуму за рахунок включення в схему СКПВ Dв (рис.4);

похибка від зміни діелектричної проникливості ?ґр та ?п

,

компенсуються за рахунок вимірів ?ґр, еґр + еп за допомогою перетворювача Dю.

Таким чином, побудована структурна схема автоматизованої системи контролю геометричних параметрів рядка рослин та отримані алгоритми обробітку інформації, а також визначені методи усунення впливу дестабілізуючих факторів.

У четвертому розділі “Експериментальні дослідження” описується розроблена установка для лабораторно-польових випробувань. Для досліджень розроблений експериментальний макет перетворювача по результатах теоретичних досліджень. Вихідні сигнали перетворювача фіксувалися у вигляді вихідної напруги, з можливістю фіксації напруги обох плечей перетворювача, сумарної напруги та різниці напруги між плечами, за рахунок чого гарантується достовірність отриманих результатів.

З метою перевірки висновків теоретичних досліджень визначались залежності вихідних сигналів перетворювача від висоти його розташування над ґрунтом та рівнем хлібостою, від виду рослин в стадії міжрядного обробітку грунту, від відстані між рослинами в рядку, від зміни зони контролю вздовж рядка.

Лабораторно-польові випробування проводились на полях Полтавської дослідної станції в стадії міжрядного обробітку посівів, а також на дослідницькому полі Українського Центру випробування техніки (УкрЦВТ).

Внаслідок лабораторно-польових досліджень встановлено, що залежність вихідного сигналу перетворювача від висоти над ґрунтом носить характер, близький до лінійного, в межах 0,08…0,18 м для розміру перетворювача 0,53х0,33м.

Крутість вихідної характеристики перетворювача при копіюванні вісі рядка рослин на ґрунті залежить від висоти h установки над рядком рослин та висоти і ширини рослин. Для рослин висотою 0,1 м при зміні висоти розташування перетворювача над опорною траєкторією з 0,20 м до 0,35 м крутість вихідної характеристики змінюється до 3 разів, що підтверджує необхідність стабілізації цієї крутості. На положення нульової точки характеристики перетворювача впливають несиметричні характеристики лівого і правого плечей перетворювача і перекоси відносно поверхні ґрунту. Тому необхідна попередня установка вказаної нульової точки. Розглядаючи залежності (рис. ) вихідного сигналу Uвих перетворювача від відстані R між рослинами в рядку при визначенні вісей рослин вздовж рядка встановлено, що вирішення задачі знаходження рослини можливе тільки, коли розмір зони контролю вздовж рядка рівний або менший від відстані між рослинами. Як показано на графіках (рис.5, криві 1,2 та 3), для розміру зони контролю 0,33 м, розташування рослин ближче, ніж 0,15 м один від одного, приводить до визначення їх як однієї рослини. Цей факт підтверджує висновки теоретичних досліджень про необхідність регулювання геометричних параметрів зони контролю додатковим рухомим екранувальним електродом в залежності від середньої відстані між рослинами. Від висоти розташування чутливих елементів залежить тільки амплітуда корисного сигналу, і вона не впливає на залежність геометричних параметрів зони контролю від відстані між рослинами.

Рис.5. Графіки залежності вихідного сигналу при зміні відстані між рослинами. 1,2,3,4,5 відповідно R=0,10м, R=0,15м, R=0,20м, R=0,25,м R=0,30м, при h=0,12м; а– h=0,14м, б– h=0,17м.

Це також важливо для стабілізації крутості вихідної характеристики перетворювача, так як при такому співвідношенні розмірів зони контролю та рослини отримуємо максимальну амплітуду корисного сигналу.

Висота контрольованих рослин накладає вимоги до розмірів зони контролю вздовж рядка для забезпечення лінійної ділянки вихідної характеристики. Так, при висоті розташування перетворювача над ґрунтом 0,19 м і при зміні висоти рослин від 0,065 до 0,09 м, розмір зони контролю вздовж рядка необхідно регулювати в межах 0,13…0,15 м за допомогою додаткового рухомого екранувального електрода.

Висота рослини впливає тільки на крутість вихідного сигналу і не впливає на ширину лінійної ділянки характеристики перетворювача.

У п’ятому розділу “Впровадження та економічна ефективність системи контролю геометричних параметрів рядка рослин” приведена методика розрахунку головних елементів схеми перетворювача, рекомендації по впровадженню системи автоматичного контролю в точне землеробство, розробкою якої займаються в Національному аграрному університеті та УкрЦВТ, в системі управління обчисувальною жаткою, розробленою спеціалістами Українського науково-дослідного інституту прогнозування та випробування техніки (УкрНДІПВТ)та на культиваторах “ВАТ “Галещинський машинобудівний завод сільськогосподарських машин та обладнання” для контролю робочих органів відносно вісі рядка та ґрунту, а також в системах сільськогосподарських машин ФРН для зменшення хімічного впливу на навколишнє середовище. Розрахунковий економічний ефект від використання системи автоматичного контролю геометричних параметрів рядка рослин при заміні операції внесення гербіцидів на операцію культивації склав 4787 грн на 100 га посівів.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

АНОТАЦІЯ

Сакало В.М. Автоматизація контролю геометричних параметрів рядка рослин в системі точного землеробства. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 –автоматизація технологічних процесів. – Кіровоградський державний технічний університет Міністерства науки та освіти України, Кіровоград, 2003.

Дисертацію присвячено розробці, теоретичним та експериментальним дослідженням способу автоматизації контролю координат та геометричних параметрів рядка рослин просапних культур (цукрових буряків, кукурудзи та соняшнику) в стадії міжрядної обробки плантацій. Для контролю різних видів рослин в різних стадіях розвитку запропонована і досліджена система, в якій для отримання первинної інформації використовується високочастотний ємнісний перетворювач з регулюванням геометричних параметрів зони контролю за допомогою додаткових рухомих екранувальних електродів. Теоретично обгрунтовані геометричні параметри зони контролю в залежності від характеристик рядка рослин та головні елементи принципової схеми перетворювача, які дозволяють уникнути впливу зміни розмірів чутливих елементів первинного перетворювача на корисний сигнал. Експериментальні дослідження, методи розрахунку та практичне використання в складі системи НИВА-23 підтвердили перспективи використання перетворювача в системі точного землеробства при механічному обробітку проміжків між рослинами в рядках та більш точної орієнтації робочих органів відносно вісі рядка рослин з метою зменшення захисної зони, що приводить до зменшення використання гербіцидів.

Ключові слова: високочастотний ємнісний перетворювач, рядок рослин, система автоматичного контролю, вісь рядка, чутливий елемент.

АННОТАЦИЯ

Сакало В.Н. Автоматизация контроля геометрических параметров рядка растений в системе точного земледелия. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – Автоматизация технологических процессов. Кировоградский государственный технический университет Министерства науки и образования Украины, Кировоград, 2003г.

Диссертация посвящена разработке, теоретическим и экспериментальным исследованиям способа автоматизации контроля геометрических параметров растений просапных культур (сахарная свекла, кукуруза, подсолнечник) в стадии междурядной обработки плантаций. Для контроля различных видов растений в разных стадиях развития предложена и исследована система, в которой для получения первичной информации используется высокочастотный ёмкостной преобразователь. Получена зависимость ёмкости зоны контроля от её частичного заполнения растительной массой. Определены дестабилизирующие факторы и степень их влияния на эффективность работы системы, а также разработаны направления уменьшения их влияния. Доказано, что амплитуду выходного сигнала преобразователя можно рассматривать как информационный параметр для оценки массовой характеристики растения. Доказано, что для определения бокового отклонения необходимо использовать преобразователь с тремя электродами, расположенными непосредственно над контролируемым рядком, причём электроды измерителей размещены по разные его стороны. Теоретически обоснованы геометрические параметры зоны контроля в зависимости от характеристики рядка и развития растений. На основе анализа диапазона изменения размеров зоны контроля предложено использование дополнительного подвижного экранирующего электрода для получения наиболее контрастного сигнала от растения. Рассчитаны основные элементы принципиальной схемы преобразователя, которые позволяют избежать влияния изменения размеров воспринимающих элементов первичного преобразователя на полезный сигнал. Предложена функциональная схема системы автоматического контроля геометрических параметров рядка растений. Определен алгоритм ее функционирования, который включает в себя три канала измерений: определение бокового отклонения от оси преобразователя, путём вычитания сигналов от правого и левого измерительных плечей; определение момента максимального заполнения растением зоны контроля и его массовой характеристики, путём сложения сигналов от правого и левого плечей. Решена задача компенсации нулевой точки преобразователя и колебания крутизны его выходной характеристики за счёт введения дополнительных коэффициентов программным путём. Произведена оценка влияния на работу системы колебания частоты генератора и питающего напряжения, высоты над почвой и изменения диэлектрических проницаемостей воздуха и почвы. Предложено уменьшение этого влияния за счёт выбора частоты генератора и введения в систему дополнительного корректирующего преобразователя. Экспериментальные исследования, методы расчетов и практическое использование в составе системы НИВА-23 подтвердили перспективы использования преобразователя в системе точного земледелия для контроля развития растений, путём составления карт распределения растительной массы по площади поля; при механической обработке промежутков между растениями в рядке и более точной ориентации рабочих органов культиваторов или опрыскивателей относительно оси рядка растений с целью уменьшения защитной зоны или более точного наведения форсунки, что приводит к уменьшению использования гербицидов.

Ключевые слова: высокочастотный емкостной преобразователь, рядок растений, система автоматического контроля, ось рядка, чувствительный элемент.

ANNOTATION

Sakalo V.N. Automation of the plan row geometrical parameters control in the system of exact agriculture. - Manuscript.

The dissertation is aimed to the competition in getting a Master Degree in Technological Sciences on a speciality 05.13.07 - Automation of technological processes at the Kirovograd state technical university Ministry of science and education of Ukraine, Kirovograd, 2003.

The dissertation is devoted to the development of the ways of geometric parameters of automatic control of plants (sugar beet, corn, sunflower) and to their theoretical and experimental research at the stage of interrow cultivation of plantations. A new system is able to receive the initial information by means of the high-frequency converter and to regulate the geometric parameters of plants at different stages of their grows with the help of additional mobile electrodes. Geometric parameters of the control zone have been theoretically proved since they depend on the plants and row characteristics. Main elements of the converter basic circuit allow to prevent any influences caused by size changes and caught by the sensitive elements of the initial converter upon the useful signal. Experimental research, methods of calculation and as well as their practical use in the system NIVA - 23 have confirmed the advantages of the use of the converter in the system of exact agriculture during the process of mechanical cultivation of plant rows since it is the most effective method of exact orientation of the working units. The reduction of the zones of protection finally leads to the reduction of the use of herbicides. Key words: high-frequency capacity converter, plant row, system of automatic control, sensitive element, axis the row.

Підписано до друку 10.09.2003.

Гарнітура Таймс. Друк - різографія. Папір офсетний.

Ум. друк. арк. 0,9. Наклад 100.

РВВ Полтавської державної аграрної академії

м. Полтава, вул. Сковороди, 1/3

Зам. №