Файл: Количественные методы в мелиорации засоленных почв..pdf

Рис. 9. Схема прямых и обратных связей в почвенно-гидрогеологическом процессе.

поднимается по капиллярам и испаряется со скоростью q. Так как испаряется пресная вода, то концентрация солей у в капиллярах увеличивается. В результате возникает гра­ диент концентрации, который вызывает диффузионный по­ ток солей j D вниз, в грунтовые воды и способствует увели­ чению концентрации последних. Увеличение же концент­ рации грунтовых вод приводит к еще большему поступле­ нию солей за счет конвекции j k в почвенную толщу и увели­ чению у. Следовательно, здесь происходит нарастание про­ цесса засоления почв, характеризуемое положительной об­ ратной связью. Однако одновременно на процесс поступле­ ния солей в почвенную толщу оказывают влияние и отри­ цательные обратные связи между некоторыми факторами, препятствующими развитию данного процесса. Так, увели­ чение испарения приводит к понижению уровня грунтовых вод, а следовательно, уменьшается влажность почвы L Здесь явно прослеживается отрицательная обратная связь, препятствующая развитию процесса. При достижении уров­ ня грунтовых вод некоторой критической глубины До пре­ кращается поступление грунтовых вод в почву, влажность почвы падает, испарение практически прекращается. Увели­ чение скорости потока грунтовых вод приводит к большему «обмыванию» оснований капилляров, в результате градиент концентрации почвенного раствора возрастает и, следова­ тельно, возрастает нисходящий диффузионный поток солей, а засоление почвы падает. Здесь также существует обратная связь между и и у.

Отмечая наличие прямых и обратных связей в почве, мы вправе поставить вопрос о саморегулировании и рассматри­ вать почву как объект саморегулирования. Вполне возмож­ но, что почву следует отнести к еще неописанному классу саморегулируемых систем, которые в природе встречают­ ся не в единственном числе (Арманд, 1963). Но механизм саморегулирования таких систем скрыт и еще далеко не выяснен.

§ 4. Принципы автоматического управления водно-солевым режимом на орошаемых землях

Говоря об автоматическом управлении и регулировании водно-солевым режимом орошаемых земель, следует отме­ тить, что в настоящее время сельское хозяйство благодаря техническому прогрессу человечества вполне можно поста­ вить на промышленные рельсы, а это, несомненно, приведет к увеличению сельскохозяйственной продукции и повыше­ нию производительности труда.

98

Основная цель автоматизации состоит в том, чтобы ис­ ключить непосредственное участие человека в управлении теми или иными процессами. В данном случае регулирова­ ние водно-солевого режима орошаемых земель, которое сей­ час занимает большое количество людей, будет происходить без вмешательства человека. Но это не значит, что роль человека сводится к нулю. Наоборот, она становится еще более ответственной, так как человек должен будет управ­ лять сложной системой машин и автоматов. Обслуживание такой системы требует высокой квалификации и умения, но зато производительность такой системы несравненно выше, чем неавтоматизированной. Труд человека при авто­ матизации становится квалифицированнее и сложнее, но условия работы существенно улучшаются.

В данном параграфе приводятся основные принципы управления сложными системами, дается обобщение и при­ ложение этих принципов к автоматическому управлению водно-солевого режима на орошаемых землях.

Общая блок-схема автоматизированной системы управ­ ления тем или иным процессом приведена на рис. 10. Рас­ смотрим по блокам каждый элемент схемы.

Объект р егул и рова н и я . Объектом регулирования может быть печь, станок, раствор, почва и т. д. На объект регули­ рования действует возмущающее воздействие £. Оно может быть как одно, так и сумма каких-либо возмущений. На вы­ ходе объекта имеется какая-то регулируемая величина х (это может быть температура в печи, влажность в почве, скорость вращения вала двигателя и т. п.).

Измерительное устройство. Измерительное устройство или датчик служит для измерения регулируемой величины х на выходе объекта регулирования. Современная техника располагает громадным количеством разнообразных датчи­ ков, служащих для измерения любых величин. Поскольку большая часть датчиков предназначена для замера неэлект­ рических величин, а передача информации в большинстве случаев передается в виде электрических сигналов, то зада­ ча измерительного органа заключается не только в том, чтобы измерить данную величину, но и в том, чтобы преоб­ разовать ее в величину электрическую. Этой электрической величиной может быть любой параметр электрической цепи (сопротивление, амплитуда сигнала, частота и т. п.).

З а да ю щ ее устройство. Задающее устройство дает на вы­ ходе сигнал Хо, соответствующий значению регулируемой величины, которая должна быть на выходе объекта.

99

5

*'

Рис. 10. Общая блок-схема автоматизированной системы управления.

Блок сравнения . Блок сравнения дает на выходе разность Ал: между величиной хн , которая поступает с датчика, и величиной х0 от задающего устройства:

Ах = хн —х0.

Величина Ах называется рассогласованием системы. Она может быть как положительной, так и отрицательной.

Преобразователь. Функция преобразователя заключает­ ся в том, чтобы по заранее заложенной программе вычис­ лить, какое необходимо произвести регулирующее воздей­ ствие и какой оно должно быть величины, чтобы вернуть систему в положение, при котором на выходе объекта соблюдалось равенство х = х 0. Обычно после преобразования сигнала он усиливается прежде чем поступить на исполни­ тельные механизмы.

Исполнительный механизм. Исполнительный механизм осуществляет воздействие на объект регулирования. Широ­ ко применяются исполнительные механизмы в виде двига­ телей (сервомоторов), применяемых для приведения в дви­ жение частей объекта регулирования (открытие клапанов, вентилей и т. д.).

Р е г у л и р у ю щ и й орган. Регулирующий орган — это меха­ низм или система механизмов, при работе которой изменя­ ется состояние регулируемой величины на выходе объекта, например система дождевания. Как видно, системы автома­ тического регулирования обладают ярко выраженной блочностью своей структуры. Работа всей системы в целом опре­ деляется взаимодействием отдельных блоков. Каждое зве­ но системы характеризуется направленным действием. Оно имеет вход, на который подается входной сигнал u(t), зави­ сящий от времени t. На выходе звена под действием сигна­ ла u(t) появляется выходной сигнал x(t).

Задавая вид функции u(t) и п начальных условий Xo = x(f0), x'(to) —x'o, . . . , х<п_1) (^о)=^о'г“' 1), можно решить уравнение

(Ш.4.1) и найти реакцию звена x(t) на входное воздействие u(t).

Важное место в теории автоматического управления за­ нимает понятие передаточной функции звена (блока). Пусть связь между входным сигналом u(t) и реакцией звена х(г) описывается линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами:

101

aQx{-n)-\-a-lxi‘n~1'>Jr . . . -\-anx = b 0iPm)-\-b1u(m~1'>-\- • • • +&mu . (III.4.2)

Следует отметить, что если уравнение (III.4.1) описывает работу звена вблизи какого-то значения xp (t), получающе­

гося при действии входного сигнала up (t), то уравнение (Ш.4.1) можно линеаризовать вблизи этого значения и при­

Функция W(p) называется передаточной функцией звена системы. С помощью передаточных функций звеньев можно составлять структурные схемы системы регулирования и исследовать данную систему на устойчивость и качество ре­ гулирования. Не вдаваясь в характеристики звеньев, кото­ рые можно найти в специальной литературе, приведенной в конце главы, составим предварительную блок-схему систе­ мы автоматического регулирования водно-солевым режимом на орошаемых землях. Будем считать, что орошение про­ изводится дождевальной установкой, а отвод влаги — с помощью дренажной сети с принудительным вакуумирова­ нием, так как с точки зрения автоматизации именно эти системы должны найти широкое применение. Поблочная схема такой системы приведена на рис. 11. Работу данной системы можно описать следующим образом. Пусть в ре­ зультате тех или иных внешних воздействий изменилась концентрация токсичных солей в почве в сторону повыше­ ния. Это изменение будет зарегистрировано датчиком у (контур I). Сигнал от датчика поступит на схему сравне­ ния III, где сравнится с сигналом, который поступит с за­ дающего устройства II. Разность этих сигналов поступит на вычислительно-преобразовательное устройство IV, которое по заранее заложенной программе вычислит, какое необхо­ димо произвести управляющее воздействие (т. е. какую оросительную норму нужно подать и какие скорости

102