сопровождается потерями W пот : энергии в технологических процессах и самим животным – теплота Wt(t) ; питательных компонентов корма, в том числе с фекалиями W фек (t) и жидкостями W ψ (t).
В качестве основного объекта рассмотрена БСПМ, являющаяся многоуровневой иерархической структурой со сложными межуровневыми связями. Она имеет распределенный характер энергетических и информационных потоков во времени и пространстве, охватывая различные участки производства молока, разнообразна по свойствам и характеристикам наблюдаемых величин, требует обеспечения высокой надежности своего функционирования.
По функциональному назначению в технической части БСПМ можно выделить пять уровней управления, на которых осуществляются разные по характеру воздействия.
Первый уровень связан с осуществлением дискретных операций (технологических операций доения, раздачи кормов и т.п.).
-
На втором уровне происходит управление движением рабочих органов
-
– манипуляторов доения, транспортеров, раздатчиков кормов и т.п.
Технические средства третьего уровня выполняют автоматическую коррекцию формообразующих движений с целью обеспечения заданной точности – подсистемы автоматизированного управления доильными установками, микроклиматом и т.п.
Качество технологического процесса обеспечивает четвертый уровень управления, здесь определяющая роль принадлежит информационным подсистемам – подсистема СТАДО, МОЛОКО, КОРМА, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ, ФИНАНСЫ.
Пятый уровень соответствует адаптивному управлению технологическими процессами и в целом БСПМ в соответствии с целевыми функциями.
Поскольку основой БСПМ является лактирующая биотехническая система (ЛБТС), то из всего многообразия энергетических и информационных взаимоотношений в рассматриваемой биологической системе были выделены физиологические подсистемы, участвующие в процессах молокообразования, молокоотдачи, молоковыведения – секретирование молока, двигательные функции молочной железы, транспорт крови, отдельные функции гормонального аппарата (выделения окситоцина и адреналина) и ряд других. А так как ЛБТС зависит от репродукции биологической составляющей, ее функционирование рассматривалось в зависимости от внешних технических подсистем кормления и организации искусственной среды обитания.
Для получения полного тезауруса информационных задач, необходимых для обеспечения качества на всех уровнях управления, исследования проводились в несколько этапов.
На первом этапе на основе системного подхода создавались модели состояния конкретных технологических процессов, модели перемещений материальных и энергетических потоков БСПМ.
На основе анализа экспериментальных исследований физиологов и современного представления о физиологических процессах создана модель
ЛБТС, связывающая входные и выходные ее координаты состояния [11], в которой она представляется как автономная биологическая система управления, в которой участвуют система программного управления молокоотдачей и система обучения, регулирующая процессы молокообразования лактирующей коровы.
Процесс обучения состоит в изменении коэффициентов усиления в отдельных трактах биологической системы, при которых реализуется наилучший процесс управления процессами молокообразования и молокоотдачи. После того как в результате обучения процесс управления становится оптимальным, функционирует лишь система программного управления в соответствии с заданными в процессе обучения закономерностями.
Основное внимание при составлении моделей физиологических процессов, связанных с лактацией, было обращено на связи, влияющие на динамику системы, уже подвергнутой предварительному обучению.
В качестве входных переменных физиологических систем рассмотрены управляющие воздействия, формируемые как технической системой управления доильной установки, установками создания микроклимата и т.п., реализующими целевую функцию ЛБТС, так и корой полушарий головного мозга животного при соблюдении и нарушении стереотипа доения. Выходными переменными служат сам продукт (молоко с его количественными и качественными характеристиками, выход телят) и диагностические показатели системы, характеризующие состояние как отдельного организма, так и группы животных в норме и патологии.
При разработке моделей наибольшее внимание уделялось исследованиям условий передачи воздействий, сформированных техническими средствами к биологическим тканям (молочной железе), а также выбор формы, интенсивности, длительности воздействий. При анализе каналов воздействия ЛБТС использовался принцип адекватности, согласно которому управляющее воздействие должно быть по своей физико-химической природе свойственно живому организму, а значения параметров воздействия должны находиться в диапазоне приемлемости для биологических тканей.
Динамика процессов в БСПМ связана с одновременным функционированием большого числа биорегуляторов с различным быстродействием и вероятностными характеристиками практически всех их элементов. В результате аналитических исследований отдельных биологических и технологических процессов при введении ряда допущений [11] были получены системы дифференциальных уравнений, описывающие процессы молокообразования, молокоотдачи и молоковыведения при взаимодействии доильного аппарата с молочной железой животного.
В результате анализа нелинейностей, при постоянных внешних воздействиях (стереотип доения), рассмотрено движение квазистационарной ЛБТС на определенных интервалах времени: период молокообразования, латентный период молокоотдачи, непосредственно доение и его заключительная фаза.
Методами структурной и функциональной идентификации отдельных биологических и технических звеньев ЛБТС, в том числе по их переходным функциям, полученным экспериментально на большой группе коров, определены статистические оценки коэффициентов передачи и постоянных времени, подтверждена адекватность моделей квазистационарных ЛБТС и выполнена оценка наблюдаемости и управляемости.
Модели большей части остальных подсистем БСПМ получены с использованием принципа единства подхода к анализу технологических процессов и взаимодействий также в виде функций определенных переменных состояния.
Первый этап был завершен выбором конструкторско-технологических решений [11], выделением наблюдаемых и управляемых параметров состояния конкретных технологических процессов и видов технических средств.
Обеспечение качества функционирования БСПМ требует текущего мониторинга технологических процессов в реальном масштабе времени. Анализ информационных процессов в БСПМ также был выполнен с учетом принципа единства информационной среды, в соответствии с которым по каждой из подсистем были определены наиболее информативные по отношению к оцениваемому эффекту контролируемые показатели.
На втором этапе исследований ЛБТС были разработаны требования к техническим средствам и программному обеспечению, выполнено управленческое и информационное согласование технических и биологических звеньев в рамках общей модели.
В результате для каждого уровня управления были определены: совокупности измеряемых и контролируемых величин; допустимые их ограничения; алгоритмы формирования осведомительных сигналов и базы данных для зоотехника, оператора, селекционера, инженера, администратора; группы операций по распознаванию образов – идентификация животных, распознавание размещения сосков на вымени при автоматическом надевании доильных стаканов.
Таким образом, подготовлена среда для создания информационноинтегральной системы, включающей ряд сложных технологических подсистем, в виде единого аппаратно-программного комплекса, обеспечивающего устойчивое производство молока необходимого качества. При этом каждый из уровней управления энергетически и информационно связан не с одним, а с несколькими уровнями наблюдения. Каждое управляющее воздействие вырабатывается на основе обоснованного объема измерительной информации, которая также накапливается и по требованию пользователей (управленческого персонала) передается на более высокие уровни управления.
Итогом второго этапа исследований явилось следующее: выбраны методы и средства наблюдения (измерения, контроля), физические принципы и способы преобразования измерительной информации, обеспечивающие единство информативных признаков для всех уровней; сформулированы требования к системе обработки сигналов измерительной информации, поступающей со всех уровней наблюдения БСПМ с целью принятия решения
