Управління логістичними системами аграрних підприємств в умовах євроінтеграції

Abstract

Анотація Дисертацію присвячено вирішенню актуального науково-практичного завдання покращення енергозбереження сільськогосподарських тракторів під час технологічної адаптації в систему точного землеробства. Перехід до системи точного землеробства відкриває можливості до покращення енергозбереження, оскільки передбачає інтеграцію систем управління трактора до загальної системи управління рухом, і дозволяє підвищити ефективність роботи трактора на рівень, який недосяжний для оператора-водія через фізіологічні обмеження людини. Використання системи точного землеробства дозволяє підвищити робочі швидкості руху, продуктивність, зменшити витрату пального, навантаження на оператора-водія та підвищити якість виконання технологічних операції, але потребує обґрунтування раціональних режимів функціонування автоматичних систем управління. Об’єкт дослідження: процес роботи трактора при автоматизованому управлінні його рухом системою точного землеробства під час виконання технологічної операції рослинництва. Предмет дослідження: закономірності зміни показників точності руху та енергетичних параметрів трактора залежно від алгоритмів роботи системи автоматичного управління.

Мета дослідження: підвищення динамічних і енергетичних показників трактора при його адаптації в систему точного землеробства шляхом обґрунтування раціональних алгоритмів автоматичного управління. Завдання дослідження: - провести аналіз та визначити перспективні напрямки підвищення енергозбереження тракторів під час технологічної адаптації в систему точного землеробства; - розробити математичну модель плоско-паралельного руху ґрунтообробного агрегату, у якій враховано динаміку взаємодії трактора з сільськогосподарським знаряддям та нелінійність зміни пружної характеристики сільськогосподарської тракторної шини; - виконати аналітичне і числове визначення взаємозв’язків між частотою керуючого впливу, способами управління та точністю руху трактора у складі ґрунтообробного агрегату; - розробити методику та провести експериментальні дослідження динамічних параметрів трактора для визначення залежності між частотою керуючого впливу, способами управління та величиною відхилення ґрунтообробного агрегату від заданої траєкторії руху; - розробити рекомендації щодо алгоритмів управління та частотного діапазону керуючих впливів при розробці чи вдосконаленні існуючих систем автоматичного управління (автопілотів). У вступі обґрунтований вибір теми дисертації та наукових завдань, сформульовані мета й завдання дослідження, визначені наукова новизна й практичне значення одержаних результатів, а також наведена інформація про апробацію, структуру та обсяг роботи. У першому розділі проведено системний аналіз сучасного стану енергозбереження сільськогосподарських тракторів загального призначення. Узагальнено основні напрями адаптації тракторів загального призначення, що використовуються в аграрному секторі України, визначено перспективний напрям досліджень, пов’язаний із підвищенням рівня енергозбереження тракторів у процесі їх адаптації в систему точного землеробства. У цьому контексті адаптація тракторів до функціонування в умовах систем точного землеробства розглядається як один із стратегічно важливих напрямів підвищення ефективності сучасного аграрного виробництва, що дозволяє забезпечити більш раціональне використання технічного потенціалу та ресурсів підприємства. Вона передбачає інтеграцію інформаційно-навігаційних систем, автоматизованих алгоритмів управління та роботизованих технологій у процес виконання польових операцій. Проведеним аналізом виявлено, що є суттєві результати покращення енергозбереження і точності руху при підвищенні швидкості циклу управління автоматичної системи. Проте низька або надмірна частота керуючого впливу мають негативний вплив на точність руху, енергозбереження та ресурс виконавчих механізмів, тому необхідним є визначення раціональних меж частотного діапазону керуючих впливів з позиції забезпечення стійкості руху та енергозбереження тракторів у складі сільськогосподарських агрегатів. При цьому дослідження агрегату повинно виконуватися, як аналіз динамічної системи з урахуванням взаємодії всіх її елементів у реальних умовах експлуатації. Експериментальні дослідження енергозбереження тракторів потребують застосування комплексного підходу, який поєднує польові випробування, стендові дослідження та цифрове моделювання. У другому розділі розроблено теоретичну базу для імітаційного моделювання роботи трактора в складі сільськогосподарського агрегату. Для опису динаміки руху ґрунтообробного агрегату використано класичні рівняння в формі Лагранжа, оскільки цей підхід має низку суттєвих переваг, що виявлено при аналізі відомих наукових робіт. Основною проблемою, яку необхідно вирішити для підвищення точності моделювання плоско-паралельного руху є врахування дійсних умов роботи трактора (коливань швидкості, змінних значень тягового опору) та взаємодії рушіїв з опорною поверхнею. Аналітичне визначення сили опору сільськогосподарського знаряддя Fx(im), є достатньо складним завданням, оскільки необхідно врахувати фактори, які мають стохастичний характер і можуть змінюватися в достатньо широкому діапазоні значень. В даній роботі запропоновано експериментальне визначення сили опору з використанням тензометричної ланки, які після математичної обробки методом Фур’є, використані для підвищення точності моделювання руху машинно-тракторного агрегату. З метою уточнення результатів математичної моделі машинно-тракторного агрегату при плоско-паралельному русі сформовано математичні розв’язки для визначення сил, які діють на рушії. Врахування цих компонент має нелінійну характеристику, що дозволяє розвинути загальну математичну модель. Встановлено зміну радіальної деформації шини Firestone 710/70 R42, яка складає варіювання від 0,1 до 0,21 м при тиску в шині 60 кПа, а також від 0,045 до 0,1 м при тиску в шині в 240 кПа. Також встановлено зміну радіальної жорсткості шини, що приймає значення від 33 до 63 кН/м при деформації шини 0,04 м, а також від 33 до 66 кН/м при деформації шини 0,2 м. У результаті створено математичну модель плоско-паралельного руху ґрунтообробного агрегату, у якій враховано динаміку взаємодії трактора з сільськогосподарським знаряддям та нелінійність зміни пружної характеристики сільськогосподарської тракторної шини. В ній розглядається динамічна система в загальному вигляді, в якій керуючий вплив здійснюється зміною кута повороту першої напіврами трактора γ1. Реалізація математичної моделі здійснюється в системі динамічного моделювання MatLab за допомогою бібліотеки SimuLink. В ході моделювання використовувався чисельний метод ode5 (Dormand-Prince) з фіксованим кроком 0,001. За результатами моделювання отримані переміщення та кути складових елементів машинно-тракторного агрегату при експлуатації з дисковою бороною з урахуванням корегувального керуючого впливу кута першої напіврами колісного трактора з частотою 0,65; 2, 3 та 10 Гц. Визначено, що досягнення стійкого руху машинно-тракторного агрегату Case IH Steiger 600 з дисковою бороною здійснюється при частоті 0,65 Гц та амплітуді 0,32 рад; при частоті 2 Гц та амплітуді 0,27 рад; при частоті 3 Гц та амплітуді 0,237 рад; при частоті 10 Гц та амплітуді 0,16 рад. Побудовані аналітично-числові моделі дозволяють встановити взаємозв’язки між частотою керуючого впливу системи автоматичного управління та величиною відхилення сільськогосподарського знаряддя від заданої траєкторії руху, які дозволили визначити діапазон частот керуючого впливу 2,1 – 6 Гц, що забезпечує раціональне значення перекриття між сусідніми смугами обробки у 0,1 – 0,2 м. У третьому розділі викладено програму, об’єкт та методику експериментальних досліджень. Експериментальні дослідження поділено на два етапи. Перший етап спрямований на отримання даних для використання в математичному моделюванні плоско-паралельного руху машинно-тракторного агрегату. Метою другого є перевірка адекватності моделі руху ґрунтообробного агрегату при різних частотах керуючого впливу системи точного землеробства та вплив цих частот на ступінь відхилення агрегату від заданої траєкторії, спрямованих на перевірку адекватності математичної моделі руху ґрунтообробного агрегату при різних частотах керуючого впливу та вплив цих частот на ступінь відхилення агрегату від заданої траєкторії. На першому етапі визначено середнє значення сили опору дискової борони Fx(im) = 40,34 кН та діапазон її коливання Fx(im) min = 35,39 кН, а Fx(im) max = 45,22 кН, визначені характеристики агрофону у поверхневих шарах ґрунту та на глибині обробки. Для проведення другого етапу експериментальних досліджень ґрунтообробного агрегату обґрунтовано використання діагностичного комплексу моніторингу динамічних параметрів тягового-транспортних засобів, програмне забезпечення якого вдосконалено для проведення дослідження плоско-паралельного руху за рахунок спрощення методики визначення кутів відхилення елементів агрегату та використання бортових датчиків і вимірювальних систем, які дозволяють отримати необхідні дані без додаткового втручання у системи трактора. Визначено потенційні можливості системи автоматичного управління AFS щодо частоти керуючого впливу. Отримано рівняння, що описує характер залежності частоти керуючих впливів від налаштувань системи автоматичного управління, яке дозволяє встановити необхідні частотні характеристики системи для перевірки адекватності математичного моделювання. Виявлено, що частоти керуючих впливів вищі за 3 Гц неможливо реалізувати через конструктивні та програмні обмеження системи AFS, тому дослідження плоско-паралельного руху проводяться при частотах керуючих впливів 0,65 Гц, 2 Гц, 3 Гц. При цьому на частоті 0,65 Гц досліджується автоматичний та ручний способи управління. У четвертому розділі представлено результати аналізу експериментів, спрямованих на дослідження руху ґрунтообробного агрегату у складі трактора Case IH Steiger 600 при агрегатуванні з дисковою бороною Wishek 812N при різних способах та частотах управління. Для визначення кутів повороту в даній роботі використано діагностичний комплекс моніторингу динамічних параметрів тягово-транспортних засобів, зокрема, датчики прискорення, які були встановлені на всі елементи ґрунтообробного агрегату. Завдяки визначенню, компонент прискорення точок встановлення датчиків (контрольних точок) та подальшому визначенню прискорення центру мас елементів ґрунтообробного агрегату, при відомій постійній часу, за отриманим вектором швидкості, визначено кут повороту обраного елемента ґрунтообробного агрегату. Аналіз отриманих результатів дозволяє підтвердити результати імітаційного моделювання, оскільки наявна чітка тенденція до зменшення амплітуди кутів повороту першої напіврами трактора при збільшенні частоти керуючого впливу. В реальній роботі, на відміну від імітаційного моделювання, амплітуда кутів повороту постійно адаптується до зовнішніх чинників та має максимальні значення, які можна порівняти з моделюванням. При цьому середнє значення є меншим, ніж при моделюванні, що може показувати неточність роботи системи або менші збурюючі чинники. Реальна траєкторія руху центру мас ґрунтообробного знаряддя завжди буде відхилятися від заданого напрямку руху через наявність внутрішніх та зовнішніх збурюючих чинників, які комплексно ведуть до формування сил, що відхиляють агрегат від прямолінійного напрямку руху і вимагають постійної адаптації системи управління трактором для відновлення заданого напрямку руху. Величини відхилення центру мас ґрунтообробного знаряддя та відповідні кути повороту визначені на базі реальної траєкторії руху, отриманої експериментальним шляхом. У відповідності до методики експериментальних досліджень був заданий прямолінійний напрямок руху, обрана модель управління (ручна або автоматична), задана частота керуючого впливу (0,65 Гц, 2 Гц, 3 Гц) та отримані переміщення центру мас знаряддя для кожного випадку руху. Результати експериментальних досліджень трактора Case IH Steiger 600 при агрегатуванні з дисковою бороною Wishek 812N підтверджують основні результати моделювання, отримані в другому розділі. Встановлено чітку тенденцію зменшення відхилень центру мас знаряддя зі збільшенням частоти керуючого впливу, так, при частоті 0,65 Гц, Δy03 max ≈ 0,52 м, при 2 Гц, Δy03 max ≈ 0,25 м, а при 3 Гц, Δy03 max ≈ 0,16 м. Тому можна констатувати, що наявна залежність між частотою керуючого впливу та величиною відхилення ґрунтообробного агрегату від заданої траєкторії руху, при цьому амплітуда керуючого впливу зменшується пропорційно збільшенню частоти. Визначений вплив способу управління та частоти керуючого впливу системи управління на тягово-економічні показники роботи ґрунтообробного агрегату. Частота керуючого впливу системи управління суттєво не впливає на буксування (δ = 4 %) та середнє зазначення швидкості V = 9,3 км/год, яка коливається в межах 1-1,5 %. Продуктивність роботи, у порівнянні з ручним способом управління, збільшується на 8,39 % до 5,79 га/год при частоті 3 Гц. Погектарна витрата палива, на відміну від продуктивності, змінюється не лінійно, і, спочатку збільшується при ввімкненні автоматичної системи до 17,09 л/га, що пояснюється додатковою витратою палива на роботу самої системи, а в подальшому, при підвищенні частоти керуючого впливу зменшується до 16,04 л/га (3 Гц) та показує покращення паливної ефективності на 5,84 %. Перевірка адекватності математичної моделі показує, що модель є адекватною на рівні значимості 5 %, та з достатнім, для даного дослідження, наближенням описує параметри плоско-паралельного руху ґрунтообробного агрегату і дозволяє визначити взаємозв’язки між величиною відхилення знаряддя від заданої траєкторії руху при різних частотах керуючих впливів. За результатами проведеного дослідження розроблені рекомендації щодо алгоритмів управління та частотного діапазону керуючих впливів при розробці чи вдосконаленні існуючих систем автоматичного управління (автопілотів). Відповідно до поставленої мети та задач у роботі отримані наступні результати: У дисертації наведено вирішення наукового завдання підвищення продуктивності і покращення енергозбереження трактора при його технологічній адаптації в систему точного землеробства шляхом обґрунтування раціональних характеристик алгоритмів системи автоматичного управління. 1. Проведеним аналізом відомих наукових досліджень встановлені напрямки покращення енергозбереження тракторів у процесі їх інтеграції в систему точного землеробства. Досягнення високоточного руху є однією з основних передумов ефективного впровадження ресурсозберігаючих технологій у сільськогосподарське виробництво, для цього в проаналізованих роботах запропоновано підвищення швидкості циклу управління, проте не має чітких рекомендацій щодо раціональних меж такого підвищення, оскільки як недостатня, так і надмірна швидкість призводять до погіршення точності руху і можливості виникнення автоколивань. Вирішення науково-технічного завдання з підвищення продуктивності і покращення енергозбереження трактора потребує обґрунтування раціональних характеристик системи автоматичного управління, що забезпечують відповідну динаміку та точність руху. 2. Розроблено математичну модель плоско-паралельного руху машинно-тракторного агрегату при виконанні енергоємної операції – дискування, в якій враховано динаміку зміни тягового опору сільськогосподарського знаряддя та нелінійності зміни пружної характеристики сільськогосподарської тракторної шини. При її вирішенні чисельним методом встановлені переміщення та кути складових елементів машинно-тракторного агрегату з урахуванням керуючого впливу кута першої напіврами колісного трактора з частотою 0,65; 2, 3 та 10 Гц. Визначено, що досягнення стійкого руху машинно-тракторного агрегату Case IH Steiger 600 з дисковою бороною відбувається при частоті 0,65 Гц та амплітуді 0,32 рад; при частоті 2 Гц та амплітуді 0,27 рад; при частоті 3 Гц та амплітуді 0,237 рад; при частоті 10 Гц та амплітуді 0,16 рад. 3. За результатами моделювання плоско-паралельного руху машинно-тракторного агрегату визначені взаємозв’язки між частотою керуючого впливу системи автоматичного управління та величиною відхилення сільськогосподарського знаряддя від заданої траєкторії руху, які дозволили визначити діапазон частот керуючого впливу 2,1 – 6 Гц, що забезпечує раціональне значення перекриття між сусідніми смугами обробки у 0,1 – 0,2 м. 4. Для перевірки результатів імітаційного моделювання та уточнення діапазону частот керуючого впливу автоматичної системи управління розроблено методику та обґрунтовано комплекс приладів для проведення експериментальної оцінки динамічних параметрів трактора, який адаптовано в систему точного землеробства, з використанням дублюючих і бортових систем. На підготовчому етапі досліджень встановлені обмеження системи автоматичного управління AFS трактора Case IH Steiger 600, які визначають верхню межу частоти керуючих впливів 3 Гц. Тому для можливості співставлення результатів імітаційного моделювання та польових досліджень встановлено наступні частоти керуючих впливів: 0,65 Гц, 2 Гц, 3 Гц. При цьому на частоті 0,65 Гц досліджується автоматичний та ручний способи управління. 5. Результати експериментальних досліджень динаміки руху трактора Case IH Steiger 600 при агрегатуванні з дисковою бороною Wishek 812N підтверджують основні результати моделювання. При експерименті визначена чітка залежність між частотою керуючого впливу та величиною відхилення ґрунтообробного агрегату від заданої траєкторії руху, при цьому амплітуда керуючого впливу зменшується пропорційно збільшенню частоти. Визначені величини відхилення центру мас ґрунтообробного знаряддя при різних моделях управління та частотах керуючого впливу: при 0,65 Гц, відхилення Δy03 max ≈ 0,52 м, при 2 Гц, Δy03 max ≈ 0,25 м, а при 3 Гц, Δy03 max ≈ 0,16 м. Збільшення частоти керуючого впливу дозволило підвищити продуктивність роботи на 8,39 % до 5,79 га/год, а погектарну витрату палива зменшити на 5,84 % до 16,04 л/га. 6. На підставі проведеного дослідження, рекомендовано при роботі трактора Case IH Steiger 600 при агрегатуванні з дисковою бороною Wishek 812N підвищити частоту керуючого впливу до 3 Гц (у випадку системи AFS – це експлуатаційне налаштування чутливості (жорсткості) 150 %), відповідну рекомендацію впроваджено у приватне сільськогосподарське підприємство «СТОВ «Промінь». Виявлена необхідність подальшого збільшення частотного діапазону керуючих впливів при розробці чи вдосконаленні систем автоматичного управління (автопілотів) до 5 – 6 Гц, яку рекомендовано реалізувати з використанням дублюючих систем, що апробовано у діагностичному комплексі моніторингу динамічних параметрів тягово-транспортних засобів. Результати роботи прийнято до використання у УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого, СТОВ «Промінь» і впроваджено у навчальний процес Сумського національного аграрного університету. Наукова новизна одержаних результатів. Вперше: – визначено умови досягнення стійкого руху машинно-тракторного агрегату при експлуатації з дисковою бороною з урахуванням зміни параметрів ґрунтового середовища, частотних характеристик та амплітуди керуючого впливу кута першої напіврами колісного трактора, що дає змогу мінімізувати енергетичні витрати; – встановлено взаємозв’язки між частотою керуючого впливу системи автоматичного управління трактора та величиною відхилення сільськогосподарського знаряддя від заданої траєкторії руху, які дозволили обґрунтувати діапазон частот керуючого впливу із забезпеченням раціонального значення перекриття між сусідніми смугами обробки та збільшенням продуктивності роботи на 8,39 %. Отримала подальший розвиток: – математична модель плоско-паралельного руху машинно-тракторного агрегату, яка відрізняється від існуючих врахуванням динаміки зміни тягового опору сільськогосподарського знаряддя та нелінійності зміни пружної характеристики сільськогосподарської тракторної шини.

Удосконалено: – метод експериментальної оцінки динамічних та тягово-енергетичних параметрів роботи трактора при виконанні ґрунтообробної операції, який на відміну від відомих забезпечує використання бортових датчиків та вимірювальних систем трактора. Практичне значення одержаних результатів. Основні результати дисертації можуть використовуватися для покращення енергозбереження тракторів при їх адаптації в систему точного землеробства. Запропоновані в дисертації основні наукові положення, розробки і рекомендації впроваджені: – у Державній науковій установі «Український науково-дослідний інститут прогнозування та випробування техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва імені Леоніда Погорілого» (УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого) прийняті для використання методики та підходи, що дозволяють використання бортових систем трактора, як дублюючих, для моніторингу динамічних параметрів. Відповідне, дозволяє суттєво підвищити точність при проведенні експериментальних досліджень тракторів та машинно-тракторних агрегатів на плавність ходу, керованість і стійкість. – у СТОВ «Промінь» прийняті до використання рекомендації щодо алгоритмів роботи системи автоматичного управління трактором, які дозволяють підвищити продуктивність роботи, у порівнянні з ручним способом управління, на 8,39 %, при цьому погектарна витрата палива зменшується до 16,04 л/га та показує покращення паливної ефективності на 5,84 %; – у Сумському національному агарному університеті в навчальному процесі підготовки бакалаврів та магістрів в рамках освітніх компонент: «Трактори і автомобілі», «Системи точного землеробства та їх використання в аграрному виробництві», «Апаратне і машинне забезпечення в СТЗ». Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є самостійним науковим дослідженням, яке присвячене підвищенню продуктивності та покращенню енергозбереження тракторів при їх адаптації в систему точного землеробства. Теоретичні та експериментальні результати досліджень, що виносяться на захист, отримані автором самостійно. У наукових роботах, які опубліковано у співавторстві, здобувачу належать: аналіз методів та підходів до покращення енергозбереження тракторів; визначення основних перспектив використання систем точного землеробства при підвищенні продуктивності та зниженні витрат пального; аналіз способів управління трактором при його адаптації в систему точного землеробства; обґрунтування підходу до підвищення стійкості причіпних ланок машинно-тракторного агрегату; створення математичної моделі плоско-паралельного руху МТА, яка дозволяє досліджувати стабільності руху ґрунтообробних агрегатів за різних частот управління. Наукові результати є внеском у теорії динаміки та ефективності роботи тракторів при виконанні ґрунтообробних операцій. Апробація результатів роботи. Основні положення та результати теоретичних і експериментальних досліджень дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися та отримали позитивні відгуки на всеукраїнських та міжнародних науково-практичних конференціях: МНПК «Автомобільний транспорт в аграрному секторі: проектування, дизайн та технологічна експлуатація» (Харків, ДБТУ 2022 р.); МНПК «AutoTRAK-2023» (Київ, НУБіП 2023 – 2024 рр.); МНПК «Інноваційні технології в Індустрії 5.0» (Суми, СНАУ, 2024 р.); МНПК International Scientific Conference. «Transport Means» (Kaunas, Lithuania, 2024 р.); МНПК International Conference on Reliable Systems Engineering (ICoRSE) (Bucharest, Romania, 2025 р.); МНПК викладачів, аспірантів та студентів Сумського НАУ (Суми, СНАУ, 2026 р.); МНПК «Перспективи і тенденції розвитку конструкцій та технічного сервісу сільськогосподарських машин та знарядь» (Житомир, 2026 р.); Матеріали всеукраїнського науково-практичного семінару «Підвищення якості продукції машинобудівних та ремонтних підприємств» (Харків, ХНАДУ 2026 р.). В повному обсязі дисертаційна робота доповідалась та обговорювалась на розширеному засіданні кафедри технічного сервісу та галузевого машинобудування СНАУ (Суми, 19 травня 2026 р.).