автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Исследование систем управления процессами низковакуумного доильного комплекса

Введение.

Глава 1. Состояние разработок систем управления процессами доильных комплексов и задачи исследования.

§1.1. Состояние разработок систем управления процессами доильных комплексов.

§1.2. Задачи исследования.

Глава 2. Система управления низковакуумного доильного комплекса.

§2.1. Функциональная система.

§2.2. Доильные стаканы.

§2.3. Контроллер системы.

§2.3.1. Блок управления доильного стакана.

§2.3.2. Устройство управления вялым сильфоном.

§2.3.3. Устройство для оттягивания доильных стаканов в режиме машинного додаивания

§ 2.3.4. Устройство для массажа вымени.

§2.4. Исследование системы ориентации доильного стакана.

§2.4.1 Структурная схема системы ориентации доильного стакана.

§2.4.2. Исследование системы ориентации доильного стакана как следящей системы

Глава 3. Система регулирования подачи жидкости в водокольцевой вакуумный насос.

§3.1. Общая схема и структура системы управления энергетической установки.

§3.2. Разработка и исследование измерительного преобразователя подачи жидкости в водокольцевой вакуумный насос.

§3.3. Регулятор подачи жидкости в водокольцевой вакуумный насос.

Глава 4. Экспериментальные исследования комплекта доильного оборудования выжимающего действия низковакуумного доильного комплекса.

§4.1. Оценка интенсивности рефлекса молокоотдачи.

§4.2. Расчет критерия адаптируемости коров к манипуляторам.

§4.3. Экспериментальные исследования комплекта доильного оборудования выжимающего действия.

Глава 5. Технико-экономическая оценка.

§5.1. Расчет экономической эффективности от повышения продуктивности коров и снижения уровня заболеваемости их маститом.

§5.2. Расчет ожидаемой экономической эффективности от внедрения доильной установки типа УДА-8А "Тандем" с автоматическими низковакуумными доильными манипуляторами МД-В-01 выжимающего действия в составе комплекта оборудования КДО-В-8.

§5.2.1. Расчет оптовой цены доильной установки типаУДА-8А "Тандем" с автоматизированными низковакуумными доильными манипуляторами МД-В-01 выжимающего действия в составе комплекта оборудования КДО-В

Результаты исследований и общие выводы.

В настоящее время доение животных на фермах молочного скота осуществляется исключительно высоковакуумными доильными комплексами с рабочим диапазоном вакуума 0,04-0,05 МПа.

Переход к использованию высокопродуктивных животных предъявляет существенно более высокие требования к физиологическим характеристикам доильного оборудования, которые не могу быть удовлетворены в рамках сложившихся принципов создания доильной техники.

Практика применения высоковакуумной техники на высокоудойных животных ведет к снижению их продуктивности до 30%, повышению уровня заболеваемости маститом до 23-57% (по сравнению с ручным способом доения).

В связи с этим во всем мире ведется поиск разработки новых максимально физиологически совместимых принципов организации процесса доения, приемлемых в условиях широкомасштабного производства.

Поэтому разработка доильного оборудования, обладающего физиологически адекватным способом машинного доения - выжимание при низком вакууме -является актуальным направлением, чему и посвящено настоящее исследование.

Целью работы является исследование и создание систем управления процессами низковакуумного доильного комплекса выжимающего действия, применительно к установке УДА-8А "Тандем". Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать структуру системы управления, реализующую функционально адекватный алгоритм извлечения молока, принципиальные схемы и конструкции основных ее функциональных блоков.

2. Разработать метод оценки степени адаптируемости животных к различным типам доильных модулей.

3. Исследовать эффективность технических решений в хозяйственных условиях.

Методы исследований. Решение поставленных задач осуществлялось на основе теории автоматического управления, математической статистики, методических рекомендаций сотрудников ВНИИ разведения и генетики сельскохозяйственных животных (ВНИИРГЖ, г. Санкт-Петербург), ВНИИ комплексных проблем машиностроения для животноводства и кормопроизводства (ВНИИКОМЖ, г. Москва), кафедры электрификации и автоматизации СХП, безопасности жизнедеятельности Чувашской госсельхозакадемии.

Необходимые расчеты и верификация полученных результатов осуществлялись с использованием ЭВМ.

Научно-техническая новизна.

1. Предложена структурно - функциональная схема автоматизированного технологического модуля, реализующего физиологически адекватный алгоритм управления процессом извлечения молока.

2. Разработаны принципиальные схемы и на созданной с участием соискателя новой элементной базе пневмоавтоматики конструкции: контроллера доильного манипулятора выжимающего действия, блоки управления ориентации доильных стаканов, блоки управления процессами совмещенной подачи вакуума и избыточного давления и режимами стимулирования рефлекса молокоотдачи, регулятор подачи жидкости в водокольцевой вакуумный насос.

3. Разработана новая конструкция доильного стакана выжимающего действия, основными элементами которого являются герметизатор (аналог губ теленка), упругие тактильные устройства (аналог десны, аналог языка и неба), датчик пространственного положения.

4. Разработан метод расчета системы ориентации доильного стакана как нелинейной системы управления.

5. Разработаны методы определения критерия адаптируемости коров к различным доильным комплексам.

Практическое значение результатов работы. Разработанные конструкции пневматических систем управления низковакуумного доильного комплекса позволяют обеспечить более высокие показатели применяемого в настоящее время оборудования на доильной установке УДА-8А "Тандем" за счет лучших энергетических свойств водокольцевого вакуумного насоса, повышения продуктивности и снижения уровня заболеваемости коров маститом, снижения затрат на их лечение и повышения производительности труда на производстве молока за счет внедрения низковакуумного доильного манипулятора МД-В-01 выжимающего действия, обладающего физиологически адекватным способом машинного доения (применение низкого вакуума, эффективный массаж соска и вымени в процессе машинного доения, использование гибкой обратной связи по интенсивности мо-локовыведения в формировании четырех режимов работы манипулятора I - «Установка доильных стаканов» (УДС), II - «Машинное доение» (МД), III - «Машинное додаивание» (МДД), IV - «Окончание доения» (ОД)).

Реализаиия результатов работы. Результаты разработок и исследований, рекомендаций по проектированию пневматических систем управления подачей жидкости в водокольцевой вакуумный насос и машинным доением использовались при совместной работе с фирмой «Элара-тексто» ОАО «Чебоксарский приборостроительный завод - ЭЛАРА» и сельскохозяйственным производственным кооперативом «Племзавод им. Е. Андреева» Чувашской Республики.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили одобрение на заседании Научно-технического Совета Минсельхозпрода Российской Федерации (г. Москва, 1994 г.) (протокол №4 от 16 февраля 1994 г.), на Волго-Вятской региональной научно-методической конференции "Проблемы многоуровневого образования" (г. Чебоксары, 1994 г.), на VIII (I Всероссийском) симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных (г. Оренбург, 7

1995 г.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Чувашской госсельхозакадемии (г. Чебоксары, 1997-2000 гг.).

Доильный манипулятор выжимающего действия типа МД-В-02 (электронно-пневматический вариант) с системой управления на элементных базах СЯВАЛ и УСЭППА, разработанный в КБ фирмы "Элара-тексто", демонстрировался на Всероссийской выставке "Агромаш -94" (г. Ижевск, ноябрь 1994 г.), на Всероссийской выставке "Масленица-95" (г. Москва, ВВЦ, март 1995 г.), на выставке "Чувашия - новое время" (г. Чебоксары, июнь 1996 г.). Оргкомитет Всероссийской выставки "Масленица-95" наградил автора диссертации золотой медалью Всероссийского выставочного центра за разработку низковакуумного доильного манипулятора выжимающего действия.

1. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины: Справ, пособие / Под ред. Б.Д. Кошарского - 3-е изд. -J1. : Машиностроение, 1986. -485с.

2. Алексеев В.К. Обоснование параметров счетчика молока // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. 1987. - №6. - С. 31-33.

3. Алексеев В.К., Пузанков А.Г. Статистический анализ погрешностей автоматических систем сортирования плодов // Механизация и электрификация соц. сел. хоз-ва. 1979. -№10. - С. 19-21.

4. Алексеев В.К. Изыскание рабочих органов и исследование устройства для сортирования плодов томата по спелости: Дисс. канд. техн. наук. М.: ВИСХОМ, ВНИИКОМЖ, НИИОХ, 1978. - 144с.

5. Алексеев В.К. Совершенствование способа машинного доения путем создания оборудования с биомеханической системой управления процессом: Дисс. д-ра техн. наук. Чебоксары: Чувашский СХИ, 1990. - 453с.

6. Американская техника и промышленность. Сборник рекламных материалов. Выпуск VII. Сельскохозяйственная техника. Фирма "Илтон Ко." (США). В/О "Внешторгреютама"(СССР). 1978. -242с.

7. Андрюшенко В.А. Теория систем автоматического управления. JI.: Из-дат. Ленинградского университета, 1990. -256с.

8. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин: Учебник для втузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 640с.

9. А. с. 798373 СССР, МКИ3 F 15 С 3/04. Пневматический распределитель / Шеповалов В.Д., Федоров A.B., Шугуров М.М., Алексеев В.К., Мурадов М.Н., Коноплицкий И.Я., Кожухарь В.А., Шаванов Б.П.; Опубл. 23.01.81, Бюл. №3.

10. А. с. 1113055 СССР, МКИ3 А 01 J 7/00. Манипулятор к доильным аппаратам / Алексеев В.К., Шугуров М.М., Новиков А.Б.; Опубл. 15.09.84, Бюл.

11. А. с. 1305910 СССР, МКИ4 А 01 .17/11. Автоматизированный манипулятор для механического доения коров / Алексеев В.К.,. Шугуров М.М., Александров Ю. А., Кокорина Э.П., Щербакова Т.К.; Заявл. 11.02.85.

12. А. с. 1417224 СССР, МКИ4 А 01 3 5/01. Способ машинного доения / Алексеев В.К., Шеповалов В.Д., Шугуров М.М., Александров Ю.А., Кокорина Э.П., Щербакова Т.К.; Заявл. 04.06.86.

13. А. с. 1485460 СССР, МКИ4 А 01 . 7/00. Автоматизированный манипулятор для доения коров / Алексеев В.К., Шеповалов В.Д., Шугуров М.М., Александров Ю.А.; Заявл. 06.08.86.

14. А. с. 1469577 СССР, МКИ4 А 01 . 7/00. Манипулятор для механического доения коров / Алексеев В.К., Шеповалов В.Д., Шугуров М.М., Александров Ю.А., Степанов А.Н., Ильбеев Н.В.; Заявл. 29.06.87.

15. А. с. 1541808 СССР, МКИ5 А 01 I 7/00. Автоматизированный манипулятор для механического доения коров / Алексеев В.К., Шеповалов В.Д., Шугуров М.М., Александров Ю.А.; Заявл. 21.05.87.

16. А. с. 1655391 СССР, МКИ5 А 01 I 7/00. Система управления доильным аппаратом. / Алексеев В.К., Шеповалов В.Д., Шугуров М.М., Егоров В.П., Александров А.М.; Заявл. 26.12.88.

17. А. с. 1596506 СССР, МКИ4 А 01 . 5/08. Доильный стакан. / Шеповалов В.Д., Алексеев В.К., Шугуров М.М., Пузанков А.Г., Александров Ю.А.; Заявл. 30.03.88.

18. Барский О.Е., Белов В.И., Склярский Э.И. и др. Агрегатный пневматический комплекс технических средств РЕЖИМ-1 // Механизация и автоматизация производства. 1984. №11. С. 10-11.

19. Берендс Т.К., Ефремова Т.К., Тагаевская А.А. и др. Элементы и схемы пневмоавтоматики. 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1976. - 246с.

20. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. - 768с.

21. Бородин И.Ф., Алексеев В.К., Гасанов А.К. Автоматизация процесса сортирования плодов томата по спелости при их машинной уборке // Сб. научных трудов / МИИСП. М., 1977. - Т.14; вып. 13 - С.20-26.

22. Бородин И.Ф., Кирилин Н.И. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов. М.: Колос, 1977. - 328с.

23. Бородин И.Ф., Пузанков А.Г., Гордеев A.C., Алексеев В.К., Гасанов А.К. Тенденции развития средств автоматического сортирования плодов и овощей по качеству // Обзорная информация. М.: ЦНИИТЭИ Госкомсельхозтех-ники СССР, 1978. -54с.

24. Бронштейн И.М., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1980. -976с.

25. Вайсблат Д.С., Хромченко JI.X. Комплексы пневматических агрегатных средств циклической автоматики КОМПАС // Автоматизация и механизация производства. 1981. №9. С.13-14.

26. Вальдман Э.К. Физиология машинного доения коров. М.: Колос, 1977.- 192с.

27. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. / Изд. 3-е, исправл. М.: Наука, 1964. - 576с.

28. Воронов A.A., Титов В.К., Виноградов Б.Н. Основы теории автоматического регулирования и управления. -М.: Высшая школа, 1972. -519с.

29. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов: Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1975. - 272с.

30. Головин В.В. Аналоговые пневматические устройства. М.: Машиностроение, 1980. - 156с.

31. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации: Агрегатный функциональный комплекс пневматических средств ЦЕНТР: Каталог. Изготовитель ЦНИИТЭИ приборостроения. М., 1975. - Т.З, вып. 2. - 60с.

32. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации: Приборы контроля пневматические: Каталог. Изготовитель ЦНИИТЭИ приборостроения. М., 1983. - Вып. 12. - 46с.

33. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации: Пневматические регулирующие устройства: Каталог. Изготовитель ЦНИИТЭИ приборостроения. М., 1978. - Т.З, вып. 1. - 56с.

34. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации. Т.З. Типовые конструкции и элементы. Вып. 1. Универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики УСЭППА. М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1975. -44с.

35. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации: Универсальные элементы и модули пневмоавтоматики: Каталог. Изготовитель ЦНИИТЭИ приборостроения. М., 1982. - Т.7, вып. 2 - 51с.

36. Дмитриев В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М.: Машиностроение, 1973. - 360с.

37. Ефремова Т.К., Тагаевская A.A., Шубин А.Н. Пневматические комплексы технических средств автоматизации. -М.: Машиностроение, 1987. -280с.

38. Залманзон JI.A. Теория элементов пневмоники. -М.: Наука, 1969.508с.

39. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил A.B., Страхов C.B. Основы теории цепей: Учебник для втузов. 5-е изд., перераб. -М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.

40. Ибрагимов И.А., Фарзан Н.Г., Илясов Л.В. Элементы и системы пневмоавтоматики. -М.: Высшая школа, 1975. -360с.

41. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. Теория элементов и систем. Учебник для втузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1978. -736с.

42. Иринг Ю. Проектирование гидравлических и пневматических систем: Пер. со словацкого. -JL: Машиностроение, 1883. -363с.

43. Карташов Л.П. Машинное доение коров. -М.: Колос, 1982. -301с.

44. Карташов JI.П. Технологические основы создания управляемой системы при машинном доении коров: Автореф. дисс. д-ра техн. наук. -Волгоград: Волгоградский СХИ, 1973. -37с.

45. Келпис Э.А. Научные основы создания доильных установок для ферм промышленного типа: Автореф. дисс. д-ра техн. наук. -Елгава: Латвийская СХА, 1973. -27с.

46. Кирюшина З.Г. Влияние маститов на молочную продуктивность и воспроизводительную функцию коров // Тез. докл. V Всесоюз. симпозиума по машинному доению с.-х. животных. -М.: АН СССР, 1979. -С.121-122.

47. Кокорина Э.П. Условные рефлексы и продуктивность животных. -М.: Агропромиздат, 1986. -335с.

48. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. -М.: Наука, 1968. -831с.

49. Королев В.Ф. Доильные машины. -М.: Машиностроение, 1989. -282с.

50. Краснов И.Н. Доильные аппараты. -Ростов на Дону: Ростовский ун-т, 1974. -227с.

51. Лебедев И.В., Трескунов СЛ., Яковенко B.C. Элементы струйной автоматики. -М.: Машиностроение, 1973. -360с.

52. Математическая энциклопедия / Гл. ред. И.М.Виноградов. Tl. -М.: Сов. энциклопедия, 1973. -1152с.

53. Математическая энциклопедия / Гл. ред. И.М.Виноградов. Т2. -М.: Сов. энциклопедия, 1979. -1104с.

54. Математическая энциклопедия / Гл. ред. И.М.Виноградов. ТЗ. -М.: Сов. энциклопедия, 1982. -1184с.

55. Математическая энциклопедия / Гл. ред. И.М.Виноградов. Т4. -М.: Сов. энциклопедия, 1984. -1216с.

56. Математическая энциклопедия / Гл. ред. И.М.Виноградов. Т5. -М.: Сов. энциклопедия, 1984. -1248с.

57. Методические рекомендации по оценке равномерности развития долей вымени и скорости молокоотдачи у коров / Под ред. Э.П.Кокориной. -Л.:ВНИИРГЖ, 1977. -52с.

58. Методические рекомендации по машинному доению коров / Под ред. Э.П.Кокориной. -Л.: ВНИИРГЖ, 1973. -65с.

59. Методические рекомендации по физиологической оценке доильных аппаратов / Кокорина Э.П., Кавешникова К.И., Попова A.A. и др. -Л.: ВНИИРГЖ, 1973. -65с.

60. Моль Р. Гидропневмоавтоматика. Пер. с франц. -М.: Машиностроение, 1975. -352с.

61. Монтаж и эксплуатация доильных установок / Под ред. В.П. Поква-ленского. -М.: Россельхозиздат. 1967. -275с.

62. Мутовин В.И. Борьба с маститами коров. 2-е изд. -М.: Колос, 1974.254с.

63. Нетушил A.B. Теория автоматического управления. // Под ред. A.B. Нетушила. Учебник для втузов. -М.: Высшая школа, 1972. -456с.

64. Петухов H.A., Литман Г.Е. Закономерности физических явлений акта сосания у телят// Сиб. вестник с. х. науки. -Новосибирск, 1974. -№1. -С.94-99.

65. Петухов H.A., Литман Г.Е., Петухова P.C. К вопросу о выборе механического способа стимуляции рефлекса молокоотдачи у лактирующих животных // Сиб. вестник с. -х. науки. Новосибирск, 1978. -№5. -С.54-54.

66. Политехнический словарь / Гл. ред. А.Ю.Ишлинский. 2-е изд. -М.: Сов. Энциклопедия, 1980. -655с.

67. Пономарев С.Д., Андреева Л.В. Расчет упругих элементов машин и приборов. -М.: Машиностроение, 1980. -326с.

68. Пневматический агрегатный комплекс средств РЕЖИМ-1 / Ефремова Т.К., Тагаевская A.A., Таль A.A. и др. -М.: Институт проблем управления, 1982. -60с.

69. Пневматические приборы системы СТАРТ: Каталог. Изготовитель ЦНИИТЭИ приборостроения, -М., 1973. -124с.

70. Пневмоавтоматика / Под ред. А.А.Таля. -М.: Наука, 1974. -140с.

71. Построение пневматических управляющих устройств на базе аппаратуры системы ЦИКЛ / Берендс Т.К., Ефремова Т.К., Тагаевская A.A. и др: -М.: Институт проблем управления, 1975. -104с.

72. Попов В.М. Гиперустойчивость автоматических систем. -М.: Наука, 1970. -541с.

73. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмо- систем. -М.: Машиностроение, 1987. -464с.

74. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. -М.: Наука, 1979. -255с.

75. Рекомендации по оценке стрессоустойчивости коров при машинном доении / Под ред. Э.П.Кокориной. -Л.: ВНИИРГЖ, 1978. -54с.

76. Рози А.М. Теория информации и связи: Пер. с англ. -М.: Энергия, 1971. -183с.

77. Скроманис A.A. Научные основы механизации процесса доения: Автореферат дисс. д-ра техн. наук. -Елгава: Латвийская СХА, 1973. -44с.

78. Теория автоматического управления. Под ред. A.C. Шаталова. М., Высшая школа, 1977. -336с.

79. Теория автоматического управления. В 2-х книгах. Под ред. A.A. Воронова. М. : Высшая школа, 1977 - Кн.1 303 с, Кн. 2 288с.

80. Уиттлстоун У.Г. Принципы машинного доения: Пер. с англ. / Под ред. В.Ф.Королева. -М.: Колос, 1984. -197с.

81. Фудим Е.В. Пневматическая вычислительная техника: Теория устройств и элементов. -М.: Наука, 1973. -528с.

82. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. -М.: Мир, 1989. -614с.

83. Ципкин ЯЗ. Основы теории автоматических систем. -М.: Наука, 1977.-560с.

84. Чащин В.А., Камладзе О.Г., Кондратьев А.Б. и др. Пневмопривод систем управления летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1987. -248с.

85. Шеповалов В.Д. Автоматизация уборочных процессов. -2-е изд. -М.:Колос, 1978. -383с.

86. Шеповалов В.Д. Пневмоавтоматика в животноводстве // Техникам сел. хоз-ве. -1989. -№5. -С. 15-17.

87. Шеповалов В.Д. Приборы и системы пневмоавтоматики в сельскохозяйственном производстве // Научно-техн. прогресс в механизации, электрификации и автоматизации с.-х. пр-ва: Науч. тр. /ВАСХНИЛ. -М., 1981. -С.134-138.

88. Шеповалов В.Д., Рабский В.Н., Шугуров М.М. Средства автоматизации промышленного животноводства / Под ред. В.Д.Шеповалова. -М.: Колос, 1981. -255с.

89. Шугуров М.М., Федоров A.B. К определению конструктивных параметров воздухораспределителя с пневматическим управлением // Комплексная механизация и автоматизация животноводства и кормопроизводства: Труды / ВНИИКОМЖ. -М., 1981. -С.217-223.

90. Юдицкий С.А., Тагаевская A.A., Ефремова Т.К. Проектирование дискретных систем управления. -М.: Машиностроение, 1980. -232с.

91. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике. -М.: Наука, 1977.-944с.

92. Kulbe R. Die Rohrmelkanlage М 623. -Landteclmik Information, 1982, Bd21, N3: -S45-49.

93. Reuschenbach H. Pneumatische Programmsteuerung an Melkanlagen // Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft, -1977/ S 76-88.

94. Подольской ;,1ИС совместно с Тексто" с привлечением IВИЭСХа, ВЖ;аститутов провести в совхозе им.Е.Андреева Зувапско:'! Госп^олагкп государственные сравнительные испытан. ¡я доильного аппарата вюнающе действия.

95. Главнауке, Главшшотноводсфу, Главмехэлектро оп^ п. 'олл? стоимость продолшшия работ го дощш|»4у ал шарагу вщ;ш.;ш:дсго де.".стг и включить рассмотренную тему в ила