Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ состояния теории и практики синтеза и оптимального управления технологиями лесозаготовок
2. Представление и идентификация лесозаготовок как стохастических управляемых процессов перемещения и изменения объема предмета труда
3. Синтез оптимальных траекторий технологического процесса лесозаготовок по критерию быстродействия
4. Синтез оптимальных процессов лесозаготовок по энергетическим критериям
Выводы
Список литературы
- Системный анализ состояния теории и практики синтеза и оптимального управления технологиями лесозаготовок
- Представление и идентификация лесозаготовок как стохастических управляемых процессов перемещения и изменения объема предмета труда
- Синтез оптимальных траекторий технологического процесса лесозаготовок по критерию быстродействия
- Синтез оптимальных процессов лесозаготовок по энергетическим критериям
Введение к работе
Повышение эффективности функционирования лесопромышленного комплекса Российской федерации является перманентной задачей отраслевого управления и отраслевой науки. Одной из наиболее значимых сфер реализации названной задачи являются методы синтеза оптимальных технологий и оптимального управления процессами лесозаготовок. В границах этой сферы имеют место определенные научные и производственные проблемы, часть которых получила отражение на страницах отраслевых изданий. К ним относятся следующие.
1. Проблема существенного многообразия лесных машин и комплектов, отличающихся по видам и типоразмерам в границах от лесных комбайнов до однооперационных (валочные, трелевочные, раскряжевочные и др.)машин, обеспечивающих в основном потоке получение одного конечного состояния предмета труда заготовки и первичной обработки древесины. Как правило, это круглые лесоматериалы или пиломатериал. По данным НАТИ и ЦНИИМЭ в отрасли в период с 1970 по 2000 годы имело место наличие 900 типоразмеров лесосечных машин, представляющих типоразмерный ряд от лесных комбайнов до однооперационных машин. Аналогичная ситуация наблюдается и на лесных складах, где в качестве границ ряда представляются установки системы машин 1НС или моторные инструменты с одной, и комбайны циклично поточной технологии - с другой стороны. Изложенное определяет постановку вопроса о целесообразности производства колоссального множества типов лесных машин и сложности рационального выбора из этого множества.
2. Проблема размещения производства конечного продукта лесозаготовок (в координатах стоящего дерева, погрузочного пункта или лесопромышленного склада) и, соответственно, координат размещения обрабатывающе-переместительных функций в пространстве, определяющих требования к лесозаготовительным машинам. В рамках этой проблемы идет поиск ответа на основной вопрос - где производить конечный продукт лесозаготовок: На лесосеке или лесопромышленном складе? Каковы области эффективного применения лесосечных и складских процессов заготовки и первичной обработки леса, с соответствующими им машинами (комплектами машин)? Равнозначны ли эти процессы или, какие из них могут получить большее развитие?
3. Проблема оптимального управления процессом заготовки и первичной обработки древесины (в дальнейшем процесс лесозаготовок) и машинами, реализующими этот процесс как эволюцию изменения состояния предмета труда лесозаготовок в пространстве и времени.
Неразрешенность изложенных проблем обусловлена тем, что известные методы формализованного синтеза технологий лесозаготовок представлены параметрическим и частично объектно-структурным уровнями. Оптимизация выполняется большей частью в статике, то есть не все процессы оптимизируются как изменяемые и непрерывные, с присущими им программами управления. Конечные состояния предмета труда или процесса задаются исследователем. Для структурной оптимизации, за исключением задач типа «плотной упаковки или размещения геометрических объектов», множество альтернатив генерируется автоматизировано (этого требует колоссальное многообразие видов и типоразмеров лесных машин), исходя из теоретико-множественного описания на основе опыта и интуиции разработчика. Качество первичной базы для генерации альтернатив определяется способностями разработчика. В основе моделирования и поиска оптимальных решений технологий лесозаготовок лежит описание лесозаготовительных машин (комплектов машин) и присущих им процессов. То есть дискретно-непрерывный процесс изменяемых состояний и положения предмета труда лесозаготовок (ПТ) определяется неявно через дискретную последовательность операций машин лесозаготовок. Обратная задача моделирования и оптимизации технологических процессов - моделирование технологического процесса (ТП) как эволюции с последующим покрытием его существующими машинами или разработкой новых, оптимальных по технологическим требованиям и режимам, на текущий момент имеет место в границах моделирования дискретных последовательностей состояний ПТ и соответствующих им машин, а также при моделировании дискретно-непрерывного процесса лесопиления.
Для решения представленных проблем особую значимость приобретает разработка теоретических основ синтеза и оптимального управления технологическими процессами, рассматриваемыми, прежде всего, как дискретно-непрерывные эволюции изменения объема (состояния) и положения предмета труда лесозаготовок; эволюции, которые определяются траекторией процесса и управлением, обеспечивающим эту траекторию. Поэтому представленная работа рассматривает проблему синтеза оптимальных процессов и оптимального управления ими на лесозаготовках и вытекающие из нее метод, частные случаи метода и соответствующие им методики, математические модели и технические решения.
Диссертационная работа выполнена в рамках основного научного направления «Технология лесозаготовок» Московского государственного университета леса по соответствующему федеральному направлению научных исследований Министерства образования РФ и в рамках первого этапа хоздоговорной тематики №487/00 «Разработка технологии и комплекта ма-шин(машины) с совмещенными функциями для производства пиломатериалов и сортиментов» между Пермской лесопромышленной компанией и Марийским государственным техническим университетом.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка основ теории синтеза оптимальных процессов и оптимального управления технологическими процессами лесозаготовок, создание средств реализации этих основ в виде метода, методик, моделей, постановок задач, программных средств (баз данных) и технических решений, обеспечивающих эффективность проектируемых процессов и машин, а также управления в процессе обработки и перемещения предмета труда лесозаготовок. Поставленная цель обеспечивается решением следующих задач.
1. Системный анализ, структуризация проблемы, классификация и определение иерархии пространств состояния, управления и оптимизации, содержательное описание и дополнение парадигмы в области теории синтеза и оптимального управления технологиями лесозаготовок.
2. Формулирование гипотезы возможности формализации, измерения и математического описания технологического процесса (ТП) лесозаготовок как эволюции, определяемой движением изменяемого при обработке объе-ма(массы) предмета труда(ПТ) в пространстве состояний и времени. Разработка концептуального и математического представления ТП, а также методики промышленного эксперимента для процесса с целью экспериментального и теоретического доказательства положений гипотезы.
3. Планирование, проведение и оценка результатов промышленного эксперимента на основе моделей динамики для существующего процесса лесозаготовок и присущего ему комплекта машин. Обобщение результатов частного эксперимента на различные комплекты машин и лесные регионы Российской Федерации в целом.
4. Конструирование уравнений состояния и интегральных (терминальных) функционалов, отражающих физическую сущность непрерывно-дискретных технологических процессов заготовки и первичной обработки древесины.
5. Разработка математических моделей, постановка и решение задач синтеза оптимальных технологических процессов заготовки и первичной обработки древесины (синтеза оптимальных траекторий процессов и соответствующих им управлений) в пространстве состояний и времени по энергетическим критериям и по критерию быстродействия.
6. Преобразование постановок задач оптимального управления, отражающих непрерывный или смешанный процесс лесозаготовок, в постановки задач нелинейного программирования в математических программных средах и их решение.
7. Разработка методики определения технологических требований по степени совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных функций в пространстве и времени к проектируемым машинам, а также режимов их функционирования на основе синтезированных процессов.
8. Проведение анализа решений и сопоставление синтезированных технологических процессов лесозаготовок.
9. Определение частных случаев применения метода синтеза оптимальных траекторий и управления процессами лесозаготовок, разработка математических моделей, методик, постановок задач оптимизации и технических решений.
10. Разработка программного обеспечения и обоснование возможности применения математических программных сред для реализации изложенных задач синтеза оптимальных технологических процессов.
11 .Апробация результатов работы в промышленных условиях и оценка эффективности реализованных проектов на базе существующих машин хлыстовой и сортиментной технологий.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования являлись технологические процессы, машины и предмет труда лесозаготовок.
Методологическая основа исследований определялась системным подходом, объединяющим в приложении к объектам исследования теорию промышленного эксперимента для процессов, теорию резания древесины, вариационное исчисление и теорию оптимального управления, методы исследования операций, математического моделирования и программирования, методы теории вероятности, математической статистики и теории случайных процессов. Научной новизной работы являются основы теории синтеза оптимальных технологических процессов заготовки и первичной обработки древесины, содержащие:
1) метод синтеза оптимальных технологических процессов, реализующий измерение технологических процессов в интервальной шкале, и синтез оптимальных траекторий и присущих им управлений, на базе которых определяются оптимальные размещение и степень совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных функций в координатах пространства-времени, соответственно, виды(типы) и режимы функционирования лесных машин;
2) содержательное описание парадигмы теории синтеза и оптимального управления технологиями лесозаготовок;
3) уравнения состояния и интегральные (терминальные) функционалы, отражающие физическую сущность технологических процессов лесозаготовок;
4) математические модели, постановки и решения задач синтеза оптимальных траекторий технологических процессов и управлений в пространстве состояний и времени по энергетическим критериям и по критерию быстродействия;
5) методику определения сечений наблюдений для процесса лесозаготовок при промышленном эксперименте на основе моделей динамики;
6) методику определения размещения и степени совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных функций в пространстве и времени на основе траекторий и оптимальных управлений синтезированных процессов и выдвижения технологических требований к проектируемым машинам, а также к режимам их функционирования;
7) частные случаи применения метода синтеза оптимальных траекторий и управлений процессами лесозаготовок, их математические модели, методики, постановки задач оптимизации и технические решения. Значимость для теории и практики. Разработанный метод синтеза оптимальных технологических процессов лесозаготовок позволяет: выполнять измерение технологических процессов в интервальной шкале; синтезировать оптимальные траектории и присущие им управления, на базе которых определяется оптимальное размещение обрабатывающе-переместительных функций в координатах пространства-времени; определять режимы функционирования и требования к машинам лесозаготовок по степени совмещения функций и, как следствие, виды и типы машин. Данный метод и соответствующие ему методики, математические модели, уравнения состояний, постановки задач в математических программных средах позволяют применить теорию систем автоматического управления и синтеза оптимальных регуляторов к специфическим технологическим процессам лесозаготовок.
Практическая ценность заключается в: - сужении множества возможных видов и типов машин лесозаготовок на основе оптимальных размещения и степени совмещения функций в пространстве- времени; - снятии неопределенности размещения производства конечного продукта лесозаготовок, обусловленной неполным формализованным представлением физики технологического процесса; - возможности определения оптимальных режимов функционирования машин лесозаготовок. Частные случаи приложения метода синтеза оптимальных траекторий и управлений процессами лесозаготовок, математические модели, методики, постановки задач оптимизации, технические решения и программное обеспечение (мультимедиа база данных) могут быть использованы в качестве основы для решения текущих задач проектирования, эксплуатации и управления производством лесопромышленного комплекса.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) метод синтеза оптимальных технологических процессов лесозаготовок, реализующий измерение технологических процессов в интервальной шкале, синтез оптимальных траекторий и присущих им управлений; 2) уравнения состояния и интегральные функционалы, отражающие физическую сущность технологических процессов лесозаготовок;
3) математические модели, постановки и решения задач синтеза оптимальных траекторий технологических процессов и управлений в фазовом пространстве и времени по критерию быстродействия и удельной энергоемкости процесса;
4) методика определения координат сечений для наблюдений при промышленном эксперименте на основе моделей динамики процессов лесозаготовок и соответствующих им комплектов машин;
5) частные случаи применения метода синтеза оптимальных траекторий и управлений процессами лесозаготовок и их математические модели, методики, постановки задач оптимизации и технические решения;
6) методика определения размещения и степени совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных функций в пространстве и времени на основе траекторий и оптимальных управлений синтезированных процессов и выдвижения на этой основе технологических требований к проектируемым машинам, а также к режимам их функционирования;
7) рекомендации по синтезированным оптимальным технологическим процессам и координатам размещения обрабатывающе-переместительных функций, режимам и требованиям по степени совмещения функций к машинам лесозаготовок.
Достоверность исследований доказана результатами промышленного эксперимента и анализом решений (оценка корректности) поставленных задач вариационного исчисления, оптимального управления, исследования операций и математического программирования, а также использованием фундаментальных положений теории резания и механики.
Реализация работы. Основные результаты работы внедрены в учебный процесс Московского государственного университета леса, Марийского государственного технического университета и Уральского лесотехнического университета в дипломном проектировании и дисциплинах «Математическое моделирование и оптимизация технологий лесозаготовок», «Управление процессами лесозаготовок», «Информационные технологии в отрасли» и др.
Промышленное внедрение имеет место на двух лесопромышленных предприятиях Пермской области (в Пермской лесопромышленной компании и ОАО «Басковский леспромхоз») в виде рекомендаций по применению хлыстового или сортиментного способа лесозаготовок и использованию рекомендуемых комплектов машин, технологических карт и схем. Разработанные под руководством и при непосредственном участии автора программные продукты (мультимедиа база данных руководителя, проектировщика и технолога лесозаготовительного производства и постановка задачи оптимизации выбора комплектов машин в программной среде Excel ) используются в названных предприятиях при комплектовании парка лесозаготовительной техники в рамках программ местного развития и обеспечения занятости для шахтерских городов и поселков, определенных постановлением от 14 февраля 2002 г. № 184-р правительства РФ и приказом министерства энергетики РФ от 19 июня 2002 г. № 185 (регистрационный номер 3687), финансируемых за счет средств государственной поддержки угольной отрасли.
В ходе выполнения работы автор лично реализовал положения, выносимые на защиту. Кроме того, совместно с научным консультантом профессором Редькиным А.К. разработаны постановка задачи оптимизации траектории ТП в пространстве по критерию энергоемкости и лесной ком-байн(патент); совместно с программистом МГУлеса Володиной И.Ю. реализовано решение задачи формирования комплектов машин на основе распределения состояний ПТ по маршруту ТП. Вклад автора в технические решения и способы, защищенные патентами и полученные в соавторстве со студентами, заключается в разработке основной идеи конструкции или способа, реализующих принцип совмещения обрабатывающе-переместительных функций или действий, и разработке одного или нескольких отличительных признаков формулы изобретения.
Основная часть работы, отраженная в положениях, выносимых на защиту, выполнена в Московском государственном университете леса. В то же время к работам, выполненным в Марийском государственном техническом университете, относятся: представление ТП как стохастического процесса (в разделе 2.1.2.); проведенные под руководством и при непосредственном участии автора совместно со студентами наблюдения за технологическими процессами в лесном фонде республики Марий Эл (раздел 2.2.3.5); программные продукты, официально зарегистрированные в Роспатенте; обоснование эффективности сортиментного и хлыстового способов лесозаготовок в ОАО «Басковский леспромхоз», выполненное в рамках хоздоговорной тематики при непосредственном участии и под руководством дипломным проектированием совместно с доцентом кафедры экономики МарГТУ Кардаковой Р.В.; обоснование скоростных режимов машин лесозаготовок с совмещенными транспортными и обрабатывающе-переместительными функциям (раздел 5.2) и некоторые технические приложения, защищенные патентами(раздел 5.3), одно из которых реализовано в виде технического задания.
Для решения поставленных задач в работе использовались триал-версии программных сред Mathcad, Maple и др. предоставленные компанией "Softline". База данных реализована с использованием собственной СУБД, разработанной на C++ совместно с соавторами свидетельства о регистрации.
Системный анализ состояния теории и практики синтеза и оптимального управления технологиями лесозаготовок
Содержание раздела основано на классификации тех признаков моделирования и оптимизации, которые отражают физико-математические особенности формализации моделируемых объектов в практике лесозаготовок и иерархию уровней. Методы математического программирования (поиска оптимальных решений) здесь не рассматриваются в связи с их инвариантностью и общностью для всех предметных сфер.
1. Параметрический — оптимизация параметров статических (лесозаготовительных машин, технологических схем и др.) и динамических (режимов машин и присущих им процессов) объектов; формализован полностью посредством различных математических моделей. По результатам отраслевых и многоотраслевых исследований [1...15] на этом уровне определяется эффективность (в зависимости от исходного или начального состояния моделируемого объекта) до 30.. .40%.
2. Обьектно-структурный - оптимизация компоновки (мест размещения) и конфигурации технологических потоков в виде совокупности отдельных технологических объектов (машин, оборудования и пр.) и связей между ними. Обычно решается методом вариантного проектирования. Генерация вариантов осуществляется на основе опыта и интуиции проектировщика с помощью систем автоматизированного проектирования и методов теоретико-множественного описания (теория графов, матричное исчисление и пр.). Математические модели структурной оптимизации технологических схем лесосек, лесопромышленных складов, линий стали предметом активного конструирования (разработки) в связи со становлением и развитием математического программирования и ЭВМ, как средств решения поставленных задач [4],[6],[7],[10],[12...27].
Решения на основе альтернатив, полученных автоматизированным и формализованным способом, могут определять эффект, кратный порядку единиц. Отметим, что высокое качество альтернатив, сгенерированных эвристически, и последующий выбор могут быть обеспечены и неформализованно, квалифицированным проектировщиком. Поэтому эффект формализации и автоматизации проектирования достигается за счет снижения затрат на пред-проектные исследования и повышения обоснованности принимаемых решений вследствие увеличения вариантов для сравнения [18].
3. Функционально-структурный - предполагает оптимизацию и состава, и связей между техническими функциями. В представляемой работе рассматривается оптимизация размещения и совмещения функций и действий лесозаготовок по маршруту технологического процесса. Постановка этой задачи и результаты ее решения даны в [28]. Формализация задачи оптимизации размещения и степени совмещения обрабатывающе-переместительных и транспортных функций лесозаготовок решена на основе фундаментального физико-математического моделирования ТП лесозаготовок и дифференциальных уравнений состояний ТП.
Функционально-структурный подход создан и получил достаточно широкое распространение для дискретного описания процессов в машиностроении и приборостроении [29],[30]. Процессы названных сфер деятельности представляются посредством графов с начальными (заготовки) и конечными (детали, узлы) состояниями предмета труда машиностроения и дискретными переходами от состояния к состоянию в виде имен функций или операций.
Вопросы классификации и составления списка функций лесозаготовок с последующим их описанием на основе теоретико-множественного подхода рассмотрены в [31], [32], [33]. В работе [31] представлено функциональное поисковое проектирование, где поисковый этап начинается с рассмотрения идеальной обобщенной машины, предполагающей обобщенную структуру в виде некоторого функционального каркаса отраслевой техники. Поисковое проектирование конкретной функциональной структуры выполняется на основе перебора вариантов посредством морфологических таблиц, неформализованно сгенерированных разработчиком.
По данным [34] эффект оптимизации достигает І...З-x раз в зависимости от начального или исходного состояния моделируемого объекта. Подтверждением этому служит эффективность порядка трех раз, неформализованно разработанных в ЦНИИМЭ и СНПЛО комплектов машин циклично-поточной технологии [35], по сути своей реализующих отличное от традиционной поточной технологии, более компактное размещение функций и совмещение некоторых из них (сортировка и раскряжевка - ЛО-111, СМ-24).
4. Уровень целей (потребностей). Не формализован. Формализация методов оптимизации находится в начальной стадии [36]. Цель определяет лицо, принимающее решение (ЛПР) на основе собственных предсказательных способностей на определенный прогнозный период, либо цель формулируется исходя из текущей проблемной ситуации. Выбранная цель определяет свойства разрабатываемой для нее модели. Эффект от оптимально выбранной цели исчисляется порядковыми значениями.
Состояния объектов лесозаготовок при моделировании рассматриваются во времени и пространстве и в этой связи появляются уровни, определяемые сложностью объектов моделирования и степенью адекватности их отображения моделями. Выбор может осуществляться в дискретном или непрерывном (континуальном), детерминированном или случайном пространствах состояний. В основном, в отраслевых приложениях, реализуется выбор комплектов машин и соответствующих им технологических схем в дискретном, детерминированном или случайном пространствах. Однако качество генерации альтернатив существенно выше в непрерывном пространстве состояний в связи с тем, что при этом в математических моделях отражается и просматривается вся допустимая область и исключается возможность пропуска при поиске каких либо альтернатив.
Представление и идентификация лесозаготовок как стохастических управляемых процессов перемещения и изменения объема предмета труда
Гипотеза, определяющая возможность отображения реального ТП лесозаготовок в форме физико-математической модели и метода моделирования процесса, выдвигается на основе положений предыдущего раздела. Частично эта гипотеза отражена положением о расширении пространства состояний при описании технологических процессов и включением в него фактора изменяемого объема ПТ по маршруту.
Основные положения гипотезы формулируются следующим образом. 1. Технологический процесс (ТП) лесозаготовок, как совокупность, по общепринятой дефиниции технологических и переместительных действий, определяющих изменение формы (размеров, объема) и положения предмета труда (ПТ), может быть измерен и формализован математически в непрерывно-дискретном пространстве. 2. Способ измерения, математического моделирования, оптимального управления и синтеза технологических процессов представляется соответствующим методом, физико-математический аппарат которого основан на теориях резания, производительности, динамики лесозаготовительных машин, вариационного исчисления, оптимального управления и стохастических процессов [28], [41], [42] [43], [44], [45].
Областью применения оптимального управления и вариационного исчисления являются те объекты (процессы) технологии лесозаготовок, которые функционируют и рассматриваются во времени и пространстве изменения факторов, формирующих модели. Иначе это - объекты, которым присуща определенная эволюция (в основном это процессы). Для технологического процесса лесозаготовок эволюция определяется изменением объема и положения предмета труда (дерево, хлыст, сортимент) и переходами (действиями) между ними (валка, очистка от сучьев, раскряжевка и т.д.), а также скоростными и силовыми режимами действий обработки предмета труда. Задачи оптимального управления на лесозаготовках рассматриваются в связи с движением и изменением объектов оптимизации. Оптимальность здесь может быть представлена критериями: быстродействия (производительности), определяющем достижение поставленной цели за кратчайшее время, энергозатрат -достижение поставленной цели с минимальными затратами энергии и т.п. Причем в задачах оптимального управления следует различать цели: первая цель формулируется в смысле оптимальности в процессе эволюции и определяет критерий оптимизации; вторая цель формулируется в смысле достижения заранее заданного конечного состояния объекта(процесса) и определяет состояние завершения эволюции. В дальнейшем речь пойдет большей частью о целях первого типа. 2.1.1. Основные понятия
Прежде чем перейти к более подробному изложению сущности представленной гипотезы, введем (представим) некоторые понятия и определения. Управляемый объект (система)- некоторая лесозаготовительная машина, процесс, установка, то есть объекты, снабженные «рулями» по [92] и состояние которых отражается вектором состояния или фазовых координат x(t). При движении объекта фазовая точка x(t)= X](t), ..., x\(t) описывает в фазовом пространстве кривую, называемую фазовой траекторией. Управление или программа рулей определяется функцией u{t). Для технологического процесса лесозаготовок траекторией является зависимость (кривая, геометрическая линия), характеризующая изменение объема ПТ и координаты его положения при перемещении к конечной позиции маршрута. Пара функций, фазовая траектория x{t) и управление м(0 называется процессом. Допусти мый процесс предполагает существование фазовой траектории, удовлетворяющей поставленным ограничениям и допустимому управлению [93].
Технические функции понимаются как способ преобразования целей в действие вида вход-процесс(действие)-выход [12],[30], определяемый возможностью выполнения действия (потенциал действия) и конкретными состояниями ПТ на входе и выходе. Они могут управляться посредством изменения и размещения состояний управляемого объекта во времени и пространстве. К управлению относится и совмещение обрабатывающе-переместительных и транспортных функций. Количественная оценка степени совмещения названных функций может определяться: в пространстве - отношением расстояния размещения определенной совокупности функций к полному расстоянию маршрута ТП, на котором происходит преобразование предмета труда от начального и до конечного состояний; во времени - отношением времени одновременного действия совокупности функций к полному времени преобразования предмета труда до конечного состояния. Предельные значения степени совмещения определяются значениями 1 (единица) -полное совмещение или значение близкое к 0 (с заданной степенью близости)- полное отсутствие совмещения. Степень совмещения всей или полной совокупности обрабатывающе-переместительных и транспортной функций может быть определена во времени и пространстве отношением скорости изменения объема ПТ, приведенного к безразмерному виду к скорости транспортировки, где пройденный путь также приводится к безразмерному виду. При равенстве этого отношения единице имеем максимальную степень совмещения, при равенстве нулю раздельное выполнение обрабатывающе-переместительных и транспортных функций.
Идеальный технологический процесс - процесс без заданной структуры, с неопределенными размещением и степенью совмещения функций или действий, в котором учитываются сопротивления и другие факторы, относя щиеся только к предмету труда и характеризующие изменение объема и его перемещение от начального до конечного состояний.
Операция (операционный процесс) - совокупность обрабатывающе-переместительных, переместительных и(или) транспортных действий для получения определенного состояния ПТ. Обрабатывающе-переместительное действие (обрабатывающе-переместительный процесс)-обработка (резание, деление, отделение, пиление и т.д.) предмета труда посредством рабочего хода (надвигание, подача и т.д.). Переместительное действие (перемещение, переместительный процесс) - вспомогательное перемещение ПТ (отмер длин, выравнивание, холостой ход и т.д.) или рабочего органа в операции. Транспортировка- перемещение предмета труда в идеальном ТП или перемещение предмета труда и транспортного средства в реальном ТП к конечной позиции маршрута и обратно [44].
Синтез оптимальных траекторий технологического процесса лесозаготовок по критерию быстродействия
Задача оптимального быстродействия или производительности технологического процесса в простейшем виде представлена в [28], [41]. В излагаемой постановке рассматривается обоснование траектории ТП или синтез оптимальной функции ТП [28] по критерию минимума ритма или времени протекания процесса обработки и транспортировки ПТ в режиме работы силовой установки с ограничением по максимальной скорости, определяемого из условия равенства средней скорости для различных законов ее измене-ния(сопоставимые условия по скорости). Технически представленный ТП выполняется лесозаготовительной машиной, которая, перемещаясь по лесосеке к погрузочному пункту, одновременно производит сбор и обработку (преобразование) ПТ до конечного состояния с выгрузкой или накоплением с подсортировкой отделяемых компонентов ПТ в ходе перемещения, а по прибытии в конечную позицию ТП выгружает готовую продукцию.
Траектория технологического процесса и её параметры рассматриваются также в относительных безразмерных единицах, определенных следующим образом. V(l) определяется отношением Vj/V, где Vi -текущий объём изменяемого предмета труда (например, стоящего дерева, без учета пнекорневой системы), V - средний объём начального состояния предмета труда (например, стоящего дерева). Для Vf= V значение V;/V равно единице. Аналогично / = Щс , где /, - текущее расстояние, определяющее положение Vj на маршруте ТП в і-й момент времени, 1С - среднее расстояние транспортировки изменяемого предмета труда до конечной точки маршрута. При 1{=1С относительное значение 1-Х. Синтез оптимальных траекторий для характерных законов результирующей скорости изменения и перемещения объема ПТ Под характерными законами результирующей скорости изменения объема и перемещения ПТ понимаются законы, описывающие траектории на границах области допустимых решений и промежуточный, отражающий среднюю траекторию области допустимых значений. Закон результирующей скорости транспортировки и изменения объема ПТ &(l) = const. Означенные в заголовке характерные варианты законов рассматриваются в фазовых координатах V,l. Это позволяет получить наглядные результаты синтеза фазовой траектории, а не синтезированного программного управления в функции времени. Для представления фазовых координат отобразим закон изменения скорости ПТ в функции /, а не функции времени, и обозначим эту скорость как Vt . Синтезированная фазовая оптимальная траектория является графическим отображением степени совмещения обрабаты-вающе-переместительных и транспортных функций лесозаготовок, определяемой в соответствии с методикой раздела 2.1.3.
На основе анализа выражения (3.13) определено, что оно не зависит от функций VYL /, а зависит лишь от V. При этом, / - скорость транспортировки ПТ рассматривается как постоянная, что является наиболее приемлемым законом изменения этой скорости при существующих в практике лесозаготовок расстояниях транспортировки (трелевки). Пример нахождения такого типа экстремалей представлен в [28], а примеры физической реализации технологических процессов и лесозаготовительных машин, реализующих подобную траекторию -в [42], [90], [116], [117], [118] и других аналогичных патентно защищенных устройствах.
Рассмотренный случай является первым предельным и предполагает постоянство скорости движения при транспортировке для условий лесосеки. С целью сравнения и определения наиболее эффективной траектории по критерию производительности рассмотрим второй альтернативный, более сложный случай определения траектории ТП при альтернативном закону $(/) = const предельном законе распределения скорости по траектории [119]. И в этой связи возникает проблема выбора основы (базы) привязки при проектировании фазовой траектории ТП. Здесь возможно лишь принять допустимый вариант, что совмещенные транспортные и технологические режимы имеют одинаковые законы изменения транспортной и технологической (по модулю с учетом ограничения V\l) 0 ) скоростей, совпадающих по форме с законом, представленным на рисунке 3.3. В этой ситуации нет полного использования мощности на реализацию переместительных (транспортных) и обрабатывающих действий, а также затруднительна возможность практической реализации заданного закона для режима обработки предмета труда. На середине маршрута ТП иметь максимальную скорость транспортировки и производительность в смысле отделяемых компонентов ПТ весьма непросто, ибо максимальная производительность или максимальная скорость изменения объема при отделении компонентов ПТ соответствует раскряжевке. Технологически это может быть реализовано, когда хлысты при транспортировке раскряжевываются в средней части маршрута, а до середины маршрута и после выполняются все остальные обрабатывающе-переместительные действия по получению конечного состояния предмета труда. Здесь наблюдается нерациональная загрузка по мощности, обусловленная тем, что имеют место значения скорости, близкие к О(нулю), в начале и конце маршрута и максимальное - в середине. Поэтому вопрос, есть ли смысл в создании лесозаготовительных машин с подобной степенью совмещения транспортных и обрабатывающе-переместительных действий и с соответствующим размещением этих действий по маршруту технологического процесса или нет, требует отдельного обоснования эффективности.
Кроме того, в рассмотренной постановке задачи изначально принимался, а не определялся, закон распределения скорости по маршруту, определяющий одновременно и скорость изменения объема, и скорость транспортировки ПТ. Практически, строго задавать подобный закон весьма проблематично. Более адекватно скорость транспортировки изменяемого объема ПТ и скорость его изменения (производительность) определяется по времени как функция (математически) различных сил сопротивления из уравнения баланса. Поэтому изложенный вариант следует рассматривать лишь как предельный с целью последующего анализа и синтеза фазовой траектории, имеющей возможность практической реализации на лесозаготовках.
Синтез оптимальных процессов лесозаготовок по энергетическим критериям
Достаточно исчерпывающий обзор критериев лесозаготовительных объектов приведен в работах [1], [2], [3], [4], [5], [8], [13], [37], [51], [53], [54], [55], [56], [58], [59], [60], [63] и ряда других авторов. Ими рассматривались вопросы эффективности технологических процессов и оборудования на основе различных критериев и их сверток. Анализ перечисленных работ позволяет заключить, что наиболее часто оценка ТП лесозаготовок и соответствующих им комплектов машин осуществляется по критериям экономического, экологического и эксплуатационного характера (стоимость, затраты, производительность и пр.) и, более фундаментальных, отражающих физическую сущность процесса (энергозатраты и энергоемкость, силовые и скоростные показатели).
В связи с тем, что в результате производственной деятельности расходуемая во времени t энергия Э обеспечивает выполнение определенного количества технологической работы и получения соответствующей ей продукции, основной физической мерой эффективности ТП является количество затраченной энергии. Более того, оценку технологических процессов невозможно реализовать иными показателями, ибо они (например, металлоемкость, удельное давление, эксплуатационная масса и др.) являются показателями достижения определенного уровня развития техники (но не эффективности технологических процессов) лесозаготовок. Показатели денежного (стоимостного характера) носят конъюнктурно-рыночный характер и могут лишь использоваться для краткосрочных, текущих оценок, совершенно непригодных для среднесрочного и долгосрочного научного прогноза в сфере развития технологии и техники. Отметим также, чем более фундаментален, то есть приближен к основным физическим величинам (сила, работа или энергия, объем и пр.) и соответствующим им единицам (Н, Нм, м3 и пр.) критерий, тем продолжительнее адекватны результаты, полученные на его основе, для практических приложений.
В этой связи для оценки ТП лесозаготовок наиболее обоснованными являются критерии энергетического характера, включая критерий удельной энергоемкости, апробированный в длительной практике при решении различных задач и, кроме того, являющийся сверткой двух весьма важных отдельных критериев - мощности N (энергии Э) и производительности П (объ eMaV)g3=— или 3=-=J—.
Значение g3 является величиной известной, в определенной степени устоявшейся при достигнутом уровне техногенеза для существующих лесозаготовительных машин и, соответствующих этим машинам технологических процессов, что позволяет выполнять их сравнительные оценки. Отметим также, что существующий уровень рыночной стоимости энергоносителей наиболее значим в затратах на производство.
Для интегральной оценки ТП во времени целесообразно в качестве критерия использовать интеграл действия [96],[100] представленного функционалом вида D3 = $3dt= pV dt- N , характеризующего рабо ту(энергию), затраченную на выполнение определенного действия (технологического процесса) с учетом изменяемых в ходе процесса Э и N за определенный промежуток времени /.
Изложенное заключение позволит в дальнейшем получить адекватные сравнительные оценки эффективности новых синтезированных ТП сравнительно с известными ТП и, соответствующими им, комплектами машин лесозаготовок. При этом, в отличие от общепринятых оценок ТП по удельной энергоемкости операций комплектов машин и(или) траекторий движения машин (технологических схем) [37], [55], [56], [61], [77] здесь удельная энергоемкость технологического процесса лесозаготовок определяет оценку процесса движения и изменения состояния (эволюции) предмета труда относимую на один м3 по всей протяженности маршрута.
К дополнительным аргументам обоснования энергокритериев в качестве меры сравнения отнесем факт того, что обоснование количества критериальных показателей и их свертка или, более того, выбор на основе паретов-ского множества, является в большей степени процессом субъективным, определяемым лицом, принимающим решение [11]. Степень субъективности существенно уменьшается при значительной длительности времени применения критерия в практике и его большем приближении к фундаментальным физическим величинам. Это положение, прежде всего, относится к энергокритериям и, особенно, к интегралу действия [96], время появления которого относится к временам Лагранжа.
Основная цель объявленной задачи - минимизация удельной энергоемкости технологического процесса посредством определения оптимального процесса, то есть соответствующей траектории и программы управления при выполнении соответствующих ограничений. В ряде случаев может быть более частная формулировка цели, а именно: определение программы скорости транспортировки и изменения объема ПТ по маршруту ТП, обеспечивающей минимум расхода энергии (топлива) с ограничениями на мощность и иные переменные управления и состояния ТП.
Факторами управления в задачах минимизации удельной энергоемкости ТП являются: 1) форма траектории изменения объема ПТ, ее математическое выражение и отвечающая этой форме степень совмещения (размещения) обраба-тывающе-переместительных функций лесозаготовительных машин [41]; 2) законы скорости перемещения (транспортировки) ПТ по маршруту ТП; текущее значение объема ПТ (или объем отделяемых компонентов ПТ) и скорость его изменения или скорость резания(подачи), определяющие динамику изменения объема ПТ. Факторы состояния определяются природно-производственными условиями, а именно: - стохастичностью предмета труда [1], [2], [3], [4], [5], [89], [112]; - стохастичностью процессов изменения объема и транспортировки ПТ [28], [42], [44], [45], [95], отражаемых математически посредством теории стохастических процессов [99], [104], [105], [106], [121] и приводимых к детерминированным, как это представлено в разделе 2.
Ограничения определяются из физической сущности процесса и граничных условий. Например, по мощности, скорости изменения объема и транспортировки ТП, геометрией и размерами ПТ, условиями работоспособности режущего инструмента, которые в идеальном ТП определяют ограничения скорости подачи из ограничения на вместимость межзубовых пространств, и других составляющих ТП.
Удельная энергоемкость, как критерий, определена целью поставленной задачи. Однако при необходимости учета достигнутого уровня техноге-неза в сфере лесозаготовок целевые функционалы могут конструироваться в виде свертки критериев удельной энергоемкости (энергоемкости ТП или интеграла действия), металлоемкости, удельного расхода топлива или энергопотребления в электросетях, критериев экологического характера и других.
