автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка и исследование принципов управления промышленным производством мяса птицы

На правах рукописи

БАЕВА АНЖЕЛИКА АХСАРБЕКОВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ МЯСА ПТИЦЫ

Специальность 05,13.01 - Системный анализ, управление и обработки информации (промышленность) но техническим паукам

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации иа соискание учёной степени кандидата технических наук

Владикавказ 2007

Работа выполнена в Северо-Кавказском Ордена Дружбы Народов горнометаллургическом институте (государственном технологическом университете) на кафедре «Технология продуктов общественного питания»

Научные руководители: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Сорокер Лев Владимирович

Официальные оппоненты; доктор технических паук, профессор

Хасцаев Борис Дзамболатович

кандидат технических наук, доцент Гокоев Тамерлан Маратович

Ведущее предприятие: ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарская сельскохозяйственная академия»

Защита диссертации состоится «.2,5» ЛМСЫР_____2007 г. в /0(Ю па заседании диссертационного совета Д212.246.01 в Северо-Кавказском Ордена Дружбы Народов горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете) по адресу 362021, Россия, РСО-Алапия, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГМИ (ГТУ). Факс: (8672) 40-72-03, Е-таИ: skgtu@skgtu.ni

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеки СКГМИ (ГТУ).

Автореферат разослан « 2.4 » йЛЦб.,Ы 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.246.01, д.т.п., доцеит

В.П.Ллексеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одно из направлений увеличения производства мяса птицы при клеточном выращивании и улучшения се качества связано с повышением эффективности производства продукции птицеводства.

Но обобщенным оценкам ученых, генетический потенциал сельскохозяйственной птицы существенно недоиспользуется, что в значительной степени вызвано несбалансированностью рационов по основным компонентам питания, несовершенством управления технологическим оборудованием кормоцеха и кормлением птицы.

Одной из ключевых проблем в деле производства мяса птицы является составление рациона. Особенностью задачи формирования рациона является необходимость учета характеристик биологических объектов, трудно поддающихся точному определению (индивидуальные параметры и нормы кормления птицы, химический состав кормов). Поэтому при разработке методов решения задачи составления рациона и формировании систем управления производством мяса птицы необходимо создавать условия для учета практических знаний и опыта специалистов, конкретных условий хозяйственной деятельности.

В природе практически нет ни одного вида корма, который бы полностью удовлетворял потребность животного во всех питательных и биологически активных веществах.

Задача составления рациона тесно связана с проблемой производства высококачественных комбикормов - одной из основных в деле повышения продуктивности животных и снижения затрат кормов на единицу продукции. Высокий генетический потенциал современных пород и кроссов животных, высокая интенсивность физиологических и биохимических процессов требуют постоянного и стабильного поступления в организм писательных и биологически активных веществ, в том числе ферментов.

Появление широкой номенклатуры приборов п средств автоматизации, быстродействующей вычислительной техники и совершенных математических методов переработки информации в корне изменили системы управления (СУ). Наиболее характерным стало построение многоуровневых иерархических систем, широкое использование в системах управления цифровых вычислительных машин, человеко-машинных комплексов, значительное повышение требований к эффективности и надежности.

Сложность создания таких систем усугубляется особенностью существующих искусственных биотехнических систем с биологическими объектами управления, (например, сельскохозяйственное производство), их недетерменированностью, связанной, прежде всего, с неопределенностью текущего состояния биологического объекта из-за сложности в нем происходящих процессов.

Обеспечение конкурентоспособности товара на рынке все чаще становится невозможным без применения методов и средств, минимизирующих период времени от первоначального замысла проекта до его окончательной реализации и начала продаж продуктов производства. Необходима реализация идей тотального управления качеством на всех этапах технологического цикла от

3

приема сырья до отгрузки готовой продукции и на всех уровнях управления производством.

Проведенный анализ затронутой проблемы показал, что широкому внедрению эффективных систем управления процессами производства мяса птицы препятствует отсутствие единого подхода к комплексной проблеме их разработки и реализации. Повышение эффективности таких систем связано, в первую очередь, с разработкой и совершенствованием специализированных математических моделей технологических процессов, исследованием и разработкой эффективных методов и алгоритмов, обеспечивающих необходимую точность и качество управления такими процессами.

Поэтому, задача улучшения управления процессом производства мяса птицы, связанная с совершенствованием методов расчета рациона, разработкой математических моделей основных технологических процессов и создание па их основе автоматизированных систем управления этими процессами является актуальной.

Целыо диссертационной работы является разработка и исследование принципов управления эффективностью производства мяса птицы на основе системного анализа, автоматизированного расчета и формирования рационов с использованием компонентной модели рациона, обеспечивающего возможность настройки решения под конкретные производственно-технологические условия приготовления кормосмесей и техники кормления.

В задачи исследований »ходило:

1. Анализ специфики неопределенности в птицеводстве и выбор эффективных методов управления производством;

2. Системный анализ проблем автоматизированного формирования многокомпонентных рецептур комбикормов дам цыплят-бройлеров с использованием традиционных (проблемных) кормов, имеющихся в наличие в хозяйствах, определение путей повышения эффективности управлении кормлением и формирование основных требований к эффективности рациона;

3. Анализ и выбор критериев оценки питательных свойств рациона, необходимых для формирования оценки качества готового комбикорма и выдачи рекомендаций по корректировке производственной рецептуры; эффективной методики определения переваримости готового корма;

4. Разработка математической модели и алгоритмов регулирования питательных свойств кормосмеси и автоматизированной корректировки качества целевого продукта внесением ферментных препаратов в оптимальных дозировках на стадии дозирования рецептурных компонентов;

5. Выполнение биологических и технических экспериментов дня исследования эффективности разработанной модели и предлагаемых математических описаний па основе данных, полученных на промышленном объекте;

6. Исследование и постановка задачи разработки структуры системы автоматизированного управления процессом производства мяса птицы, включая проблемы формирования оптимальной структуры системы управления и выбора технических средств, обеспечивающих реализацию оптимальных режимов

ведения процесса; разработка алгоритмов функционирования системы управления (СУ) в целом.

Методы исследования. Решение поставленных задач проведено с использованием системного и математического анализа результатов экспериментальных исследований в лабораторных и полупромышленных условиях, математической статистики, дифференциального и интегрального исчислений, методов оптимизации и математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведен системный анализ процесса промышленного производства мяса птицы как объекта управления, результаты которого позволили поставить и формализовать задачу оптимального управления и выявить основные проблемы, решение которых необходимо для разработки системы оптималыюго управления процессом.

2. Разработана компонентная модель рациона, учитывающая влияние коэффициента переваримости корма на продуктивность сельскохозяйственной птицы;

3. Разработаны и исследованы математические описания всех основных процессов, протекающих в технологической схеме производства мяса птицы, ориентированные на использование их при оптимальном управлении на базе современных программно-технических средств и информационных технологий;

4. Предложен новый способ аппаратурной и технологической организации процесса производства мяса птицы на базе блочио-модуяыюй структуры технологической схемы производства комбикорма;

5. Выбрана эффективная методология и разработана оптимальная структура двухуровневой системы автоматизированного управления процессом производства мяса птицы, удовлетворяющей всем необходимым требованиям структурной управляемости и наблюдаемости.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1.На основании проведенного системного анализа проблем производства мяса птицы предложены основные структурные и алгоритмические решения автоматизированной системы управления, корректировки производственной рецептуры комбикорма, включая системы автоматизации дозировки основных компонентов и регулирования технологических параметров;

2. Разработана оптимальная структура двухуровневой системы оптимального управления процессом производства мяса птицы, удовлетворяющей всем необходимым условиям структурной управляемости и наблюдаемости, и обеспечивающей повышение качества производимого продукта, а также увеличение рентабельности производства мяса; разработан алгоритм функционирования СУ в условиях накладываемых возмущений и управлений;

3. Предложенные методы управления производством мяса птицы могут быть использованы также при управлении аналогичными производствами;

4. Результаты исследования внедрены в производство на Государственном племенном птицеводческом предприятии «Михайловское» с высокой эффективностью, дополнительная прибыль, полученная от внедрения разработанной системы, составила 773 тыс. руб. в год.

5

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается: результатами экспериментальных исследований; результатами вычислительных экспериментов; соответствием теоретических и экспериментальных исследований; работоспособностью предложенных методов и алгоритмов управления.

На защиту выносятся:

1. Компонентная модель рациона, учитывающая влияние коэффициента переваримости корма на продуктивность сельскохозяйственной птицы, обеспечивающая расчет эффективных рационов с заданными нормами по кормам, компонентам питания и соотношениям компонентов с сокращением сроков кормления.

2. Результаты исследования и разработки адекватных математических описаний зависимостей оценки качества готовой кормосмеси от параметров компонентов сырья и их соотношений, положенных в основу при автоматизированном формировании и корректировке рецептуры производства комбикорма.

3. Разработанный алгоритм оценки эффективности целевого продукта на стадии дозирования рецептурных компонентов.

4. Основные структурные и алгоритмические решения по реализации иерархической автоматизированной системы управления технологическим процессом производства мяса птицы, обеспечивающей повышение качества производимого конечного продукта, а также увеличение рентабельности производства мяса; результаты исследования эффективности разработанной системы оптимального управления.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Ш Международной конференции «Актуальные проблемы биологии в животноводстве» (Боровик, 2000 г.), Научно - практической конференции «Экологически безопасные технологии в сельскохозяйственном производстве XXI века» (Владикавказ, 2000 г.), Научной конференции «Актуальные проблемы научного обеспечения качества кормов и эффективного их использования» (Краснодар, 2001 г.), Всероссийской ИТ конференции - выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации » (Москва, 2003 г.). Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и системы (НИТНОЭ - 2003)», (г.Владикавказ, 2003 г.), Всероссийской научно-технической конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», часть И, (Москва, 2004 г.), 5-ой Международной многопрофильной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2004 г.), V Международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы и перспективы интеграции науки и образования» (Владикавказ, 2004 г.), Т-ой Международной дистанционной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Актуальные и новые направления сельскохозяйственной пауки» (Владикавказ, 2005 г.), V Межрегиональной научной конференции «Студенческая наука экономике России» (Ставрополь, 2005 г.), Международной научной конференции «Актуальные во-

6

просы экологии и природопользования» (Ставрополь, 2005 г.), IV Международной научной конференции «Актуальные проблемы биологии в животноводстве» (Боровск, 2006 г.).

Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в главах 3 и 4 диссертационной работы, получены автором самостоятельно; результаты, приведенные в главах 1 и 2 - в соавторстве.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах, в том числе 2 - в центральных журналах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 170 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 10 таблиц, 16 приложений и список литературы из 153 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы общие цели и задачи исследования.

В первой главе проведен системный анализ технологического процесса производства мяса как объекта управления и ставится задача исследования.

Проведенный предварительный анализ особенностей технологических объектов, в которых реализуются процессы при приготовлении комбикормов, показал, что они относятся к классу сложных физико- и химико-технологических систем, характеризующихся динамичностью, стохастично-стью и сложностью, а также рядом специфических свойств, особенности которых рассмотрены ниже. Сложность решения задач создания эффективных систем управления (СУ) такими объектами в первую очередь обусловлена сложностью самого объекта управления.

Аграрные и агропромышленные системы - адаптивные системы, т.е. они, обладают способностью приспосабливаться к определенным конкретным условиям функционирования.

Система управления аграрными и агропромышленными производственными системами, как и любая иная система управления, состоит из двух относительно самостоятельных, но органически взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем: управляемой (объект управления) и управляющей (субъект управления),

Основная идея разрешения проблем, связанных со сложными системами состоит в том, чтобы в тех случаях, когда автоматизация (т.е. формальная алгоритмизация) невозможна, использовать ту человеческую способность, которая именно в таких случаях проявляются и которая называется интеллектом: способностью ориентироваться в незнакомых условиях и находить решения слабо формализованных задач. Именно на этом принципе строятся автоматизированные системы управления (АСУ), в которых формализованные операции выполняют автоматы и ЭВМ, а неформализованные (и, возможно не формализуемые) операции - человек.

Таким образом, сам процесс внедрения АСУ можно рассматривать как процесс управления совершенствованием технологии производства конечного

7

продукта. Технологический процесс управления производством мяса, решающий комплекс различных задач с позиций кибсриетического анализа можно изобразить в виде черного ящика, представленного на рисунке 1, иа входе-выходе, которого будут информация и ресурсы.

-ЬУт

6)

Рис.1 Параметрическая модель технологического процесса

1. Входные переменные или входные воздействия * иТ --[к,,«,, ,...,и,]г-число входов (показатели химического состава исходного сырья, включая содержание: протеина, жира,

клетчатки, БЭВ, обменной энергия; стоимость сырья* затраты электроэнергия; дозировка сырья и добавок; техническое состояние технологических аппаратов и оборудования и их структурные характеристики; состав и структура системы контроля и учета параметров исходного сырья; технико-экономические показатели деятельности, включая стоимостные показатели исходного сырья и производимых продуктов);

2. Выходные переменные, характеризующие реакцию системы та указанные входные воздействия - У -- [у,, уг.....] т - число выходов (переваримость протеине, жира клетчатки и БЭВ; значения технологических параметров ведения процессов (контролируемые и

управляемые параметры процессов) в (|)орме технологических карт состояния процесса; расчетные значения критериев управления);

3. Промежуточные переменные, характеризующие внутреннее состояние системы, -

число переменных

переменные состояния, представляются вектором .** "[Ар*!'

состояния;

4. Возмущающие параметры контролируемые и неконтролируемые;

Ьт ~ [Л,,/>2.....Ь,]■/. число возмущающих параметров (неконтролируемые: технологические

неполадки в работе технолог ических аппаратов и используемого оборудования; контролируемые: качественные параметры сырья; параметры технологических режимов; математическая модель, алгоритм управления; добавки — ферменты; нарушение условий однородности исходной смеси; изменения вводимых ограничений на ведение технологического процесса; решения персонала управления, приводящие к пересмотру расчетных показателей и организационной структуры управления.;

5, Управляющие воздействия представляются вектором гг число

управляющих параметров (технологическое оборудование; корректирующие воздействия иа механизмы; лабораторные приборы и оборудование, средства имчиспительиой техники; продолжительность отдельных операций процесса; скорости подачи исходного сырыг и других, необходимых для ведения процесса сырье; программные установки функционирования дискретных исполнительных механизмов технологического процесса и др.)

Параметрическая схема, представленная на рисунке 1.1 является общей

моделью для применения формальных методов и процедур моделирования.

8

В результате проведенного кибернетического анализа процесса был выявлен состав основных групп технологических параметров: входных (контролируемых), возмущающих (контролируемых и не контролируемых), выходных (контролируемых), управляющих; осуществлена общая постановка и формализация задачи оптимального управления процессом производства мяса, рассмотрены основные проблемы и подходы к ее решению.

В целом проведенный анализ состава уставляемых и управляющих параметров, их структурных и функциональных взаимосвязей показал, что исследуемый объект управления может быть отнесен к классу наблюдаемых и управляемых объектов, то есть все необходимые требования структурной и полной управляемости я наблюдаемости полностью удовлетворяются. Явная связанность отдельных управляющих и управляемых параметров исследуемого объекта исключает необходимость подтверждения этих выводов путем расчета известных ранговых критериев.

Для более детального изучения технологического процесса следует использовать метод декомпозиции. Он предполагает разбиение сложной производственной цепочки на локальные подсистемы таким образом, чтобы каждая подсистема в пределах своего уровня взаимодействовала с небольшим числом других подсистем, а ее дальнейшее рассмотрение было возможно в рамках многоуровневого исследования полученной структуры

Технологический процесс производства мяса птицы включает в себя три

этапа:

1. расчет состава рациона с учетом доступного сырья (состояния склада);

2. приготовление и отгрузка готового комбикорма;

3. собственно кормление птицы.

Декомпозиция технологического процесса производства мяса птицы представлена на рис, 2.

Рис. 2 Декомпозиция технологического процесса производства мяса птицы па

подсистемы

Основу технологических процессов приготовления комбикорма и собственно кормления птицы составляют биохимические превращения веществ в. живом организме (прорастающее зерно, д)рЬжжевание, переваривание питательных веществ и др.), происходящие под влиянием ферментов и физико-химических процессов взаимодействия этих веществ и под воздействием внеш-

ней среды.

Результаты научных исследований свидетельствуют, то даже небольшое отклонение в питание сельскохозяйственных животных от объективно требуемого приводит к существенным экономическим потерям, к которым относится: снижение продуктивности животного, ухудшение показателей воспроизводства, снижение товарной ценности животного. Таким образом, как недостаток, так и избыток в корме необходимых компонентов, Ведет к ухудшению продуктивности и качества производимого птичьего мяса.

Одним из путей получения продукции птицеводства в максимально возможных объемах с одновременным снижением се себестоимости является введение в комбикорма для сельскохозяйственной птицы ферментных препаратов (мультиэнзимных препаратов - МОК). Этот прием дасг возможность повысить полноценность кормосмесей путем увеличения эффективности использования белков, полипептидов и углеводов, находящихся в клепчных структурах.

Именно от ферментов - катализаторов зависит скорость этих превращений, степень их усвоения из корма, и преобразования в продукцию.

Следовательно, контроль и корректировка химического состава рациона, путем добавок ферментных препаратов позволяют влиять на первый этап технологического процесса производства мяса птицы.

Как правило, на птицеводческих предприятиях контроль за коэффициентом переваримости не осуществляется вообще или проводится весьма приближенно. Это связано с тем, что данному параметру долгое время не придавалось должного значения.

В настоящее время в практике кормления применяются следующие методы р 1ета рациона: метод подбора, графо-аналитическин метод, метод линейного программирования. Наиболее распространенным мстдом является мтд липеиного программирования.

К несовершенству всех рассматриваемых моделей следует огнен н не пользование линейных ограничений по содержанию в рационе компонентов питания и кормов, что не отражает реальной природы кормпения: на практике не существует жестких границ между разрешенным и запрещенным уровнями содержания того или иного компонента или корма в рационе, изменение влияния величины дисбаланса компонента в рационе на экономическую эффективность кормления происходит монотонно,

Анализ компьютерных программ по оптимизации рационов птицы и возможности их использования в структуре управления птицеводческой отрасли выявил ряд недостатков:

- экономически оптимальный рацион может быть получен на основе экспериментальных данных о составе питательных веществ кормов, имеющихся в хозяйстве.

- оценка питательности кормов и энергетическое питание животных в расчетах и оптимизации рациона должна осуществляться по обменной энергии и по перевар имому протеину;

- современные рекомендации ученых по кормлению животных содержат десятки нормируемых компонентов питания и более десятка соотношений, по

10

отечественные животноводческие предприятия располагают в большинстве случаев очень ограниченный ассортимент кормов;

- расчет на компьютерных программах количества нормируемых ферментных препаратов в рационах нецелесообразно, так как на данном этапе развития науки трудно учесть такие биологические параметры, как физиологическое состояние птицы, изменения обмена веществ.

Указанные недостатки, каждый в отдельности и в сумме с другими подчеркивают, что проблема компьютерного расчета рациона остается актуальной и перспективной. Кроме того, нет никакой надобности приобретения всех программных комплексов для каждой птицефабрики. Расчеты оптимального рациона птицы, необходимо проводить индивидуально для каждой птицефабрики с учетом ее специфики и направления.

Анализ современного состояния технологического процесса производства комбикорма показал, что основными практическими проблемами в кормопри-готовлеиии являются:

- недостаточно точное отвешивание компонентов;

- некачественное перемешивание компонентов;

- длительная транспортировка изготовленного комбикорма.(Бслянчиков Н.Н., 1990 г.)

- отсутствие ежедневного контроля за привесом птицы.

Стандартная схема технологического процесса представлена парис. 3.

щщшшш- дозиро- ■S

чспис 1 ^ вание

мк

смешивание

кормление

Рисунок 3 Стандартная технологическая схема производства мяса птицы Как видно из схемы, представленной на рисунке 1.3 в современном производстве мяса птицы применяется первый тип - разомкнутое управление, предполагающее наличие цели, которая априори определяет управляющие воздействия для ее достижения. Основной недостаток незамкнутой системы является то, что процесс работы системы не зависит непосредственно от результата воздействия на управляемый объект, т.е. в ней отсутствует обратная связь.

Проведенный анализ особенностей различных подходов к реализации эффективного управления процессом производства мяса птицы показывает, что в связи со сложностью процесса системы управления, которые могли бы реализовать эффективные алгоритмы управления Всеми этапами технологического процесса, необходимо строить на базе современной управляющей микропроцессорной и вычислительной техники. Современный этан автоматизации предусматривает создание автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП),

По результатам проведенных исследований были сделаны основные выводы и проведена расширенная постановка задачи исследования, основные результаты решения которых рассмотрены в последующих главах работы.

11

Вторая глава посвящена применению математического аппарата для оценки и оптимизации рациона птицы.

Разработана математическая модель компонентного состава рациона. Если известен конкретный набор кормов, потребляемый птицей в течение суток (суточный рацион), зная содержание всех компонентов в каждом виде сырья, можно определить количества потребляемых компонентов и оценить меру соответствия их нормативам. Назовём такую задачу задачей оценки рациона. Определение набора и количества конкретного сырья, используемых в кормлении, который обеспечил бы поступление в организм птицы всех компонентов в количествах и соотношениях, наиболее соответствующих нормативам, назовём задачей оптимизации рациона.

Разработана модель нормативов и оценки рациона, введены понятия оптимального, допустимого и недопустимого множества в пространстве компонентов. Каждому конкретному набору сырья (рациону) соответствует определённое количество //,, каждого /-го компонента. Совокупность всех таких количеств образуют п1Гмерный вектор содержания Н = (И|,И2,...п,1Н), принадлежащий пространству компонентов = «"'). В этом пространстве можно выделить три области; соответствующие огггимальному, допустимому и опасному содержанию компонентов (рациону),

Л'=(.Н0и911Шг2 (I)

где - множество оптималг иых,

<Я| - множество допустимых содержаний компонентов, У?2 - множество опасных содержаний компонентов.

Известно, что количество одних компонентов в корме влияет на потребности в других компонентах.

Допустим, что эти взаимовлияния потребностей имеют линейный характер. Тогда множества Э10. ^ь Щ> могут быть заданы системами линейных неравенств: ... {¡{\лЧ/<,1,к },

- (2)

к** 0,1,2.

Таким образом, система неравенств (2.2) задает нормативы. Естественно предположить, что по каждому компоненту должны присутствовать верхняя и нижняя граница нормы, поэтому размерность векторов Ь по крайней мере не меньше 2п„.

Обозначим {/7, множество всего известного сырья, при чём для всех его

элементов (конкретных видов пищевого сырья) будем считать известным относительное содержание в них всех компонентов. Обозначим Х- {*,.*},, матрицу

содержания компонентов в продуктах. В пей хм относительное содержание ¡-го компонента в 3 - том продукте. Пусть в конкретный рацион ¡-тый продукт входит в количестве ри 1 =* 1,2...п„, все ^ образуют вектор рациона Р « (р(,р2.....р„„).

Вполне возможно, что большая часть компонент этого вектора будет нулями,

поскольку далеко не все известные сырье могут входить в ежедневный суточный рацион. Тогда содержание компонентов в рационе определится выражением

Н=ХР (3)

которое можно следующим образом переписать покоординатно:

Я, =1>и •/>*,'=!,2,..„я,/, (4)

Подставляя (3) в (2), определяем, к какой области относится данный конкретный рацион. Таким образом, задача оценки рациона решена.

Также разработана модель оптимизации рациона с учетом ограниченности исходного набора сырья (склада).

В третьей главе приводятся результаты исследования и разработки специального математического обеспечения системы формирования и корректировки рациона птицы.

В результате проведенных исследований и математического описания выяснилось, что информация о численных характеристиках параметров сырья позволяет обеспечить оптимизацию рецептуры в процессе её технологической реализации.

При постановке и формализации задачи оптимального управления технологическим процессом производства мяса учитывались особенности последнее, представляющего собой многостадийный процесс, при реализации которого проявляется действие множества случайных факторов. К основным из них отнесены: нестабильность параметров окружающей среды, изменение технических характеристик оборудования, а также компонентный состав сырья, используемого в производстве. В этой связи для решения задачи оптимизации управления процессом расчета рациона необходимо найти такие значения дозировок ферментных препаратов, которые способствовали бы максимальному усвоению питательных веществ рациона -при условии не превышения максимально допустимой себестоимости продукции (предприятие должно быть рентабельным).

Было доказано методом сравнения дисперсий влияние ферментных препаратов в рацион на продуктивность птицы, а также определена корреляционная зависимость между дозой ферментных препаратов и переваримостью:

О ш. „ 1,665 (5)

ст\

С целью автоматизации процесса приготовления корма была разработана модель, связывающая соотношение количеств составляющих смесь корма с показателем, характеризующим его эффективность - коэффициентом переваримости.

Таким образом, полученная математическая модель переваримости имеет следующий вид:

у -1.361 + 0.307л, + 0.057*, - 0.03 зх,, (б)

где: у - параметр переваримости (содержание протеина в кале); Х| ~ принято протеина с кормом; X: - коэффициент переваримости протеина; хз - отложенный в теле азот.

40

х1 ,х2,хЗ ногам масса н суточном мкишсге

Рис. 4 Срависиис скорости прироста по группам в первые 4 недели где х 1, х2, хЗ живая масса в суточном вочрастс в контрольной, первой и второй опытной группах соответственно; у 1, у2, уЗ - живая масса в Возрасте 28 дней в контрольной, первой и второй опьггных группах соответственно.

2200

2000

У2

уЗ 1600" 1400'

■ ■ 1200 I ."Г" ' " »'I—...........!•■........................Н~——Ч

600 700 800 900 1000 1100

х1,х2,хЗ жимш мисси и ЯК дней

Рис. 5 Сравнение скорости прироста по группам в последние 4 недели где X1, х2, хЗ живая масса в 28 дней в первой и второй опытной группах соответственно; у 1, у2, уЗ - живая масса в возрасте 42 дней в контрольной, первой и второй опытных

группах соответственно. Проведено сравнение скорости прироста живой массы по возрастам, которое па ззало ш> основной прирост живой массы птицы происходит в первые 4 недели (рис. 4 и рис. 5).

Таким образом, скорость прироста живой массы в I и II группах практически одинакова, а в III группе, за счет подачи в рацион ферментов, скорость прироста примерно на 30% выше, чем в 2-х других группах.

Следовательно, разработанная математическая модель рациона адекватна реальному процессу, что подтверждается результатами проведенных исследований.

В четвертой главе диссертации приводятся результаты разработки структуры автоматизированной системы управления процессом производства мяса. Поставлена задача оптимального управления процессом производства мяса ПТИЦЫ.

Анализ экономической эффективности рассматриваемого производства показал, что в качестве критерия эффективности следует принять полученную прибыль:

(7)

где Fj - оценка эффективности работы i - той технологической линии.

В данном конкретном случае - это эффективность работы технологической линии (ТЛ) производства комбикормов (Fi) и ТЛ кормления птицы (F2). Отсюда:

Ц.чи-^С,/,/-^/-0,3. Л.э-^О,»!/.^; (8)

I I ■

где F - оценка эффективности работы ТЛ; цц > /»/»j > щ - соответственно количество выработанного технологической линией целевого продукта за планируемый период времени, расходы 1-го исходного сырья, электроэнергии и j-ro вспомогательного материала; Ц\цц > Ц\с > Ц\ э»Ц\м - соответственно цены единиц количества произведенного целевого продукта, 1-го исходного сырья, электроэнергии и j-ro вспомогательного материала.

Ft и О,Ii« • Цгчп ■ Цгр\-<?,э • ДгЭ-£Сгаш/ • Цгщ/, (9)

I I

Аналогично для второй технологической линии.

F* »Z/0i/n-£б>/• Цар1-С0->■ ■ L{0mj, (10)

i i J

Тогда задача оптимального управления технологическим процессом производства птичьего мяса может быть представлена в следующем виде:

тл\(и,у,г), и е l/(z), (II)

В современных условиях в отрасли птицеводства перед технологом стоит задача совершенствования имеющегося технологического процесса производства мяса. При этом одним из главных критериев изменения технологии и модернизации оборудования ставиться повышение прибыльности каждого технологического этапа.

Изложенный в 1 главе подход к разбиению процесса проектирования на этапы представляется эффективным и в равной мере может быть отнесен к

процессу проектирования всех иерархических уровней СУ. При этом результаты проектирования вышестоящего уровня являются исходными для проектирования примыкающего нижестоящего уровня иерархии СУ.

Главный целевой класс каждой технологической линии - это прибыль (Р; ). Целевая функция этого класса - повышение прибыльности линии.

Следующим этапом декомпозиции является выявление технологических параметров, на которые можно влиять, изменяя технологию приготовления корма и технологию кормления птицы. Это во многом зависит от конкретного технологического процесса на данном производстве.

Структура целей представляется в виде графа или дерева целей, при разработке которого мы определили: принципы построения; основания декомпозиции на каждом уровне; глубина декомпозиции; полный набор целей на каждом уровне; характеристики связей между отдельными целями; приоритеты целей.

Декомпозиция СУ ТС позволяет представить ей как ряд подсистем управления соответствующими технологическими подсистемами более высокого уровня. Следовательно, с помощью декомпозиции становиться возможным, определить и обосновать введение в технологический процесс производства мяса птицы нового оборудования и изменение режимов уже имеющегося.

При этом каждая подсистема управляет состоянием подконтрольной ей части ТС. Функции координации взаимодействия подсистем, при этом, осуществляются центральным алгоритмом. Естественным требованием к декомпозиции является обеспечение условий для анализа и синтеза подсистем, для проектирования, построения, внедрения, эксплуатации и совершенствования СУ ТС.

Пример логического дерева целей, обеспечивающего решение задачи управления объектом на нижнем уровне системы управления промышленным производством птичьего мяса, приведено на рис. 6,

Рис. б Логическое дерево подзадач управления технологическим процессом производства птичьего мяса 16

Предложена структура автоматизированной системы управления технологическими процессами, в основу построения которой положен принцип декомпозиции объекта управления на функциональные группы по технологическому потоку. Предложенный подход к созданию таких систем предусматривает использование концепции двухуровневого иерархического управления, структурная схема которого представлена на рис- 7.

Сеть предприятий

СЛА средства локальной автоматики

Верхний уровень управления предполагает наличие компьютерного комплекса и реализованного на нем пульп» оператора с использованием одной из SCADA - систем.

Нижний уровень управления образуют современные микропроцессорные контролеры, основными задачами которых являются: получение информации об объекте управления err первичных измерительных преобразователей; преобразование информации в цифровую форму и передача информации верхнему уровню управления; локальное регулирование и логическое управление с целью отработки предписаний, задаваемых верхним уровнем управления.

Для оценки стоимости технических средств реализующих найденные алгоритмы, разработаны функциональная и принципиальная схемы автоматизации нижнего уровня СУ процессом приготовления комбикорма на базе микропроцессорного контроллера.

Системы управления на базе непрерывно-дискретной модели включает в себя один микроконтроллер и позволяет управлять процессом дозирования десятью весовыми ленточными дозаторами, предполагаемая структурная схема которого представлена на рис. 8.

Рис 8 Структурная схема управления у мс I ком дозирования

Исходной информацией, необходимой для нормального функционирования СОУ, является информация, постун иощая с датчиков и ИМ. Сигналы с непрерывных датчиков проходят первичную обработку (фильтрацию) в МИК и в цифровом виде постукают па ПЭВМ верхнего уровня, где доступны оператору для контроля и используются в СОУ.

Результаты лабораторных анализов и ручных измерений вводятся в систему непосредственно с клавиатуры и служат для проведения диагностических процедур,

Вся необходимая и доступная СОУ информация хранится в трех различных структурных блоках СОУ (рис. 9).

Собраны воедино все существующие данные о составе сырья, т.е. компонентном составе, Здесь необходим поиск и обработка большого количества материала. Найдена формула сбалансированного рациона. Она включает в себя информацию по суточным нормам компонентов, которые должны ежедневно поступать в организм птицы.

Таким образом, база данных содержит информацию по всему компонентному составу сырья и, соответственно, наименования самого сырья, которых в настоящее время существует достаточно большое количество.

Кроме того, в структуру баз данных вошла база данных компонентов, которая включает в себя наименование элемента (компонента) и программное обозначение элемента (компонента).

.» rv. РАЗДАШЬ

Tncyupte и предыдущ»« »кдчоюиг р гадами»** трширов ОП«р«ТН>П4* ккформдцкя

Настроечные параметры Служвбны кифорьицил Грвкнчкк« змчею« ивр«м«1роя ней

Регламентные то«чекмя параметров Рюульт&т 4мборморкого *н>Шэ« Рбэуга. «ты руяиъпс «W««** ..............;„ ДОПОВНМТ9Ш' »м информации

____ .^лм'лииа

Httoodi состав oimi №

{iwtnidc cu. lipa Нормылохрввжктд им-татапым мф«№ ПроцДклтн соптиоиоиие рдааииш____

ММрИф19*С0ВЫХК1Пф.

фждюипв н «тип крп£л|мпния к гримицл ограничений СГЕ i 11а1'11Ч»И1 н, | t клмацлшдеК, поммдкм^ emiMi олйыюат др * ДОрОПЛ ВМ№ Мтмпячмм мод«» ^кчларщиом^______

ДМ вертего ЗПРЧМК

ДМ кипа

У|10«И

.лчЗйГ'____

Свед;нпл и амтаеьамсчюшекспол» 1уч*л puní Й1ртя С*0ДО1К* й млпюыувнМГрцнвВ puw Титан |l«ip«0K4l ^Trart^Trwac^tjj^ajttoilí

Рис. 9 Структура информационного обеспечения АСУ ТП База данных предусматривает любые изменения и добавления в базы данного сырья (компонентный состав сырья, наименования сырья) и в базу данных компонентов (добавление новых компонентов, удаление, изменение).!) соответствии с результатами проведенных исследований технологического процесса производства мяса птицы технологическая схема приготовления комбикорма была разбита на отдельные мобильные часто в виде универсальных блок модулей (рис. 10), 1Гри ттом использовался метод порционного дозирования и смешивания. Это существенно упростило автоматизацию '»того передела,

Па основании выполненного системного анализа разработана структура автоматизированной системы управления технологическим процессом производства мяса птицы, реализация которой в промышленных условиях позволяет существенно повысить эффективность этого процесса, схема которой представлена на рисунке 11,

Алгоритм функционирования системы заключается в следующем. В лаборатории цеха производится анализ поступивших компонентов корма, результаты которого с АРМ лаборанта передаются на ПК АРМ оператора цеха, На основании полученных данных ЭВМ по стандартным программам (например, линейного программирования расчета рациона) рассчитывает количественные соотношения компонентов в корме, обеспечивающее минимум затрат при необходимом содержании в корме питательных веществ. Эти данные по-

Падсштгт |— 1 №W'lüE!f____I

ступают на АРМ лаборанта, на основании которых он составляет опытную партию корма.

Рис. 10 Аппаратурная схема приг отовления комбикорма Опытная партия направляется для исследования в устройство «искусственный желудок», в котором оценивается уровень «переваримости» приготовленной смеси и определяется необходимость добавки ферментов в корм, а также их количество и состав для обеспечения сбалансированности корма. Эта информация передается в ЭВМ верхнего уровня.

На основании всей поступившей информации ЭВМ верхнего уровня осуществляет расчет окоичачип пого состава корма и, воздействуя на локальные системы автоматизации нижнего уровня, обеспечивает подачу необходимых компонентов кормовой шеш в заданных количествах в смеситель.

После перемешивания в смесителе готовый корм кормовозом доставляется в отделение кормления цыплят.

Для оценки эффективности приготовленной смеси выделена контрольная группа цыплят. Эти цыплята помещены в клетку, установленную на теизомет-рических датчиках, обеспечивающих непрерывное Взвешивание цыплят в течении всего цикла их кормления. На основании показания тепзовссов оценивается эффективность корма с точки зрения его переваримости и, в случае необходи-

мости, в лаборатории определяются необходимые корректирующие воздействия. Эта информация в качестве обратной связи вновь поступает в ЭВМ верхнего уровня для окончательного уточнения состава рациона, Таким образом, разработанная АСУ ТП представляет собой адаптивную систему управления процессом приготовления корма.

Рис. 11 Структура автоматизированной системы управления производством мяса В случае необходимости АСУ ТП позволяет перейти на ручное управление процессам приготовления корма,

В автоматическом режиме дозирование производится согласно заранее введенного рецепта. Рецепт рассчитывается или задастся из базы рецептов компьютера оператора - технолога на основании поступивших в компьютер исходных данных. Результаты расчетов автоматически вводятся в управляющий контроллер. После ввода и расчета рецепта система переводится в режим управления. Все действия по контролю работы маршрутов прохождения компонентов корма, работы дозаторов и смесителя выполняются автоматически.

Вся информация о ходе и результатах процесса приготовления корма хранится на рабочем месте оператора - технолога.

В главе рассмотрены основные особенности технической и программкой реализации основных подсистем разработанной информационно измерительной системы, а также особенности практической реализации основных алгоритмов функционирования системы управления технологическим процессом производства мяса птицы в целом.

Основные результаты проведенного диссертационного исследования эффективности разработанных принципов управления промышленным производством мяса птицы внедрены в производство па ГППП «Михайловскос» г. Владикавказ РСО-А, что позволило получить дополнительной прибыли от реализации мяса птицы в количестве 773 тые.ру б;

г ЗАКЛЮЧЕНИЕ'

В результате проведенных в работе теоретических и прикладных исследований получены следующие результаты:

1. Проведен системный анализ процесса промышленного производства мяса птицы как объекта управления, результаты которого позволили поставить я формализовать задачу, оптимального управления и выявить основные проблемы, решение которых необходимо для разработки системы оптимального управления процессом; !

2 Предложена компонентная модель рациона, учитывающая влияние коэффициента переваримости корма на продуктивность сельскохозяйственной птицы;

3. Разработана математическая модель оценки качества рациона с учетом влияния на него добавок ферментных препаратов; установлена соответствующие аналитические зависимости, положенные в основу при автоматизированном формировании и Корректировке рациона, а также алгоритма регулирования его свойств на стадии дозирования рецептурных компонентов;

4. Исследованы и разработаны адекватные математические описания зависимостей оценки качества готовой кормосмеси от параметров компонентой сырья и их соотношений, положенных в основу при автоматизированном формировании и корректировке рецептуры производства комбикорма. Предложена эффективная методика определения переваримости готового корма методом «искусственного желудка», с целью повышения его эффективности, а также технология оценки получаемых результатов; . ,

5. Разработана, структура информационных массивов для построения базы данных АСУТП;

6. Предложен новый способ Ешнаратурной и технолог ической организации процесса производства мяса птицы на базе блочпо-модулмюй структуры технологической схемы производства комбикорма;

7. Выбрана эффективная методология и разработана оптимальная структура двухуровневой системы автоматизированного управления процессом про* изводства мяса птицы, удовлетворяющей всем необходимым требованиям структурной управляемости и наблюдаемости;

8. Результаты проведенных исследований внедрены на Государственном племенном птицеводческом предприятии «Михайловские» г. Владикавказ, РСО-А с экономическим эффектом 773 тыс, руб. в год и мо»ут быть использованы при управлении аналогичными объектами. Предложенные методы и алгоритмы используются в учебном процессе в СКГМИ (ГТУ) нри подготовке специалистов в области технологической переработки пищевых продуктов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Цогоев, Ю.Г., Чсльдиева Л.Щ., Столбовская A.A., Баева A.A. Использование информационных технологий для разработки систем управления экологической безопасностью продуктов питания. //Вестник международной академии

наук экологии и безопасности жизнедеятельности, т.8 №3, с. 83-86., г. Владикавказ, 2003 г.

2. Темираев Р.Б., Василиади Г.К., Чсльдиева JI.III., Столбовская A.A., Баева A.A. Системный анализ и управление изменениями в пищевых продуктах.// «Аспирант и соискатель» № 5 с.219-221, г. Москва, 2003 г.

3. Василиади Г.К., Чельдиева JI.III., Волох Е.Ю., Темираев Р.Б., Баева A.A. Система оперативной корректировки состава питательной ценности пищевых продуктов // Всероссийская НТ конференция - выставка «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», г, Владикавказ, 2003 г.

4. Темираев В.Х., Кадаласва З.Т., Баева A.A. Разработка системы управления экологической безопасностью продуктов птицеводства. // Международная научно-тсхпическая конференция «Информационные технологии и системы (НИТНОЭ - 2003)», г.Владикавказ, 2003 г.

5. Баева A.A. Повышение оперативной корректировки рационов цыплят-бройлеров с помощью добавок новых кормовых растений и БАВ. // Мат. 1-вой региональной копф. молодых ученых «Новые и редкие растения Северного Кавказа», г. Владикавказ, 2003, стр. 57-58,2003 г.

6. 'Гмснов И.Д., Тедтова В.В., Тохтиев А.Г. Баева A.A. Моделирование конверсии питательных веществ кормов на основе сои в мясо бройлеров.// Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы рационального использования растительных ресурсов», г. Владикавказ, 2004 г.

7. Тменов И.Д., Тедтова В.В., Тохтиев А.Г. Баева A.A. Моделирование процесса трансформации элементов питания комбикормов в мясо бройлеров // Сборник докладов молодых ученых МГУПП всероссийской иаучно-тсхпичсской конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», часть И, г. Москва, 2004 г.

8. Темираев Р.В., Ибрагимова З.Р., Баева A.A. Математическая модель оценки трансформации элементов питания кормов в мясо бройлеров для повышения его товароведных качеств // 5-я Международная многопрофильная конференция молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной пауки», г. Самара,2004 г.

9. Баева A.A. Выбор оптимальных параметров конверсии питательных веществ кормов в мясо бройлеров, // Материалы V международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы и перспективы интеграции науки и образования», 21-23 сентября, г. Владикавказ, 2004 г.

10. Кадаласва 3,Т„ Баева A.A. Оптимизация рациона цыплят-бройлеров по обменной энергии. // Т-ая Международная дистанционная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Актуальные и новые направления сельскохозяйственной пауки», 23-24 декабря, г, Владикавказ, 2005 г.

11. Темираев Р.Б., Сорокер Л,В., Каплагова А.Х., Баева A.A. Производственно -экономическая эффективность проектирования многокомпонентных кормов с требуемым комплексом показателей пищевой ценности. // Международная научно - практическая конференция, посвященная 75-летпему юбилею зоо-инжеперпого факультета «Актуальные вопросы зоотехнической науки и

23

SM 0 9 3 о

практики как основа повышения продуктивности и производства экологически чистой продукции животноводства», г. Владикавказ, 2005 г.

12. Басва A.A. Оперативная корректировка питательной ценности комбикормов цыплят-бройлеров в зависимости от переваримости и усвояемости питательных веществ. // V межрегиои. науч. конференция «Студенческая наука -экономике России», г. Ставрополь, 2005 г.

13.Сорокер Л.В., Темираев Р.Б., Баева A.A. Анализ информационных процессов при управлении кормлением цыплят-бройлеров с учетом экологии питания.// Международная научная конференция «Актуальные вопросы экологии и природопользования», 16-19 ноября, г. Ставрополь, 2005 г.

14. Сорокер Л.В., Темираев Р.Б., Баева A.A. Автоматизация технологического процесса производства комбикормов, // Сборник научных трудов Академии высшей школы СКГМИ (ГТУ), г. Владикавказ, 2005 г.

15. Сорокер Л.В., Темираев Р.Б., Баева A.A. Использование информационных технологий при автоматизации производства комбикормов. // IV Международная научная конференция «Актуальные проблемы биологии в животноводстве» г. Боровск, 5-7 сентября 2006 г.

16. Сорокер Л.В., Темираев Р.Б., Баева А.А.Автоматизация технологического процесса производства комбикормов. // Юбилейный сборник трудов, посвященный 75 - летию СКГМИ, г. Владикавказ, 2006 г.

17. Темираев Р.Б., Чохатариди Г.Н., Темираев В.Х., Баева A.A. Эффективность применения ферментного препарата с витамином U. // «Комбикорма», №5, с, 36, г. Москва, 2000 г.

18. Сорокер Л.В., Хадзарагова Е.А., Баева A.A. Двухуровневая модель автоматизированной системы управления технологическим процессам производс тва мяса птицы. // Комбикорма, №3, г. Москва, 2007 г.

Сдано в набор 23.04.2007 г„ подписано в печать 24,04.2007 г. Бумага офсетная. Усл. псч. л, 1,0, Тираж 100 экз. Закат № 54 Типография ООО НПКГТ «МАВР», Лицензия ПД №01107, 362040, г. Владикавказ, ул. Августовских событий, 8, тел. 44-19-31

2006131431