Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Совершенствование управления водным режимом торфяно-болотных почв на водопроницаемом основании гумидной зоны

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование управления водным режимом торфяно-болотных почв на водопроницаемом основании гумидной зоны"

гТб о:,

..шлзш-.агршш нш республики бешусь

] э Пип »Уу-*

б^лорусс-ш срдзна трудового краснсго знамени научно-лхтсватзеьсш'ё шютдгут мелиорации и луговодства

' На правах рукописи

■ ■ КУМАЧЕВ Зладишр Йеэнович

совершенствование управления всщш решш .ТОРЙЯНО-болотных почв на водопроницаемом основании отщщ02 ЗОНЫ

• Специальность 06.31.02 - Мелиорация и орошаемое

земледелие •

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени докторе технических наук

ЙИНС2 - 1933

Работа Еышмодна в Белорусской ордсш ОктяЗрьскоЛ Рьболяцпя а ордене Трудового Красного Знамени сельоко:;озлйст2е1шо1. акпдешш

Научный консультант - член-корреспондент Росипсхсой акадк-ли ое.дйсколо'.цц'ютпении/'- наук» лауреат ¿'ос^даостьссшо:. и^еги и ¡Л'лу-гпзской ССР, заслуженный изобретатель Киргизской ССР, контор телшчесдга: наук, профессор БОЧХШЗ

Официальные оппоненты: академик /ААН, доктор тохшжсхги наук, профессор И.И.КО^аЛо5£Х ;

член-корреспондент РАСЛ1, доктор то;;-, аическшс наук, профессор и.С.Грцгороз;

доктор технических наук, старший научны! сотрудашс П.В.шикаех:

Ведущая организация - ПодесьегшроЕодхоз

Запита состоится "2 "ЫдЗт. иа засецашш специализированного совета^ ^¿оло русского ордена

ТрудоЕого ¿Срасного Знамени каучно-асследолательского института калноращщ и луговодства по адресу: г.айнск, ул.Л.Ъ'аг-

данопача,. 15^.

С диссертацией могло ознакомиться б библиотеке института. Асгорейерат разослан О/СТ&0Л&ГЗдЗ г.

Учеши секретарь саециализироЕаиаого сонета Япхацсшч А .11.

ОНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современные требования устойчквнх и высоких урожаев, а такге экологические ограничения обусловливавт собой повышенные требования к технической совершенности управления водным режимом торфяно-болотных почв гумидной зоны. Совершенствование этого управления доляно опираться на соот-Еетстгуэдув теоретическую основу. Существующие е гидромелиорации торфяно-болотшх почв теоретические положения в настоящее время недостаточны для осуществления указанного совер- . шенствоЕания. Так, для условий автоматического управления не решены проблемы Еыбора параметра состояния гидромелиоративного" объекта, определения глубины регулирующей сети и расстояний между регулшруиздали каналами сети, проблема типа ГМС, наиболее подходящей для автоматического управленяя. Необходимость технического совершенствования управления и автоматизации Г.Х требует решения указанных проблем в ноеых условиях и обусловливает возникновение новых проблем: управляемости гидромелиоративного объекта, контроля состояния объекта управления в неустановившихся режимах, повышения надежности ГМС автоматического управления, устойчивости объекта управления, повышения точности водного режима, увеличения бистро-действия управления.

Цель и'задачи исследований. Цельо диссертационной работы является поиск и разработка путей совершенствования управления водным режимом торфяно-болотных 'почв гумидкой зоны. Для достижения указанной цели определены следуо-зие задачи:

1) разработать метода оценки параметра состояния мелиоративного объекта автоматического управления, установить параметр состояния;

2) установить и классифицировать технологические задача агтоматлческого управления и выполнят;» их анализ;

3) разработать обдие методы саеша: упрзвляе/.юстл гязро-мелиоратиЕЯых объектов при разлгчяш: гадах гидромелиоративных систем;

4) установить Ъоиа 2 законокеряосгя явиъеагя вода г области капиллярной кейкч келмрггл.чгюго объекта б зс*.ссиях автоматического управления;

5) установить природу начальных градиентов фильтрации, условия их существования и влияние на управление водным режимом почвы гидромелиоративными системами;

6) установить механизм и закономерности кавптащонно:; эрозии в званьях системы автоматического управленлд мелиоративным объектом и предлодаиь методы сказеняя ее влияния на надежность управления;

7) установить возможность математического описания ди- • намики мелиоративного объекта автоматического управления удобным аналитическим выражением а выяейть возможности и условия достижения устойчивости водного рзжиыа;

8) установить природу ошибочных показаний сквазиншис датчиков уровня грунтовых вод а разработать основные положения теории контроля уровня грунтовых вод;

9) разработать средства совершенствования управления водным режимом торфяно-болотных почв на водопроницаемом основании.

Методика исследований. Основными методами исследований но данной проблема явдяэтся метода теории автоматического управления. Одновременно в исследованиях использувтся методы математического моделирования и экспериментальные средства. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и ■ долевых .условиях на II специальных, разработанных автором установках, на 2-е из которых получены авторские свидетельства на изобретения.^

Объект исследований. Основным объектом исследований является участок торфяно-болотных земель на водопроницаемом основании. Кроме того, в фундаментальных исследованиях изуча-> лись объекты: грунт с водой в порах, свободная вода.

Научная новизна« Впервые разработаны теория параметра состояния и теория управляемости мелиоративного объекта управления. Разработана теория свободной грунтовой воды в области капиллярной каймы в условиях автоматического управления, при этом установлены новые вида свободной грунтовой вода и обнаружено новое явление "грунтовый сифон".

Установлена природа и механизм проявления начальных градиентов Фильтрации в условиях автоматического управления-водным ренином гидромелиоративного объекта. Зпервые-установлен механизм кавитационной .эрозии элементов автоматической ГМС и закономерности ее протекания. Получены новые математические . модели динамики мелиоративного объекта управления и разработаны теоретические основы устойчивости его водного режима. Разработана новая теория контроля состояния мелиоративного объекта для условий оперативного управления. Впервые предложен ряд оригинальных методов повышения быстродействия управления мелиоративным объектом и увеличения расстояний между . регулирующими каналами.

Разработаны оригинальные метода повышения автономии мелиоративного объекта и измерения угв для условий автоматического управления. Разработана новая система автоматического управления водным режимом торфяно-болотной почвы и методика ее расчета.

Теоретическая значимость. Разработанные теории параметра состояния и управляемости объект», свободной грунтовой воды в условиях автоматического управления, устойчивости водного реаима, контроля состояния объекта существннно расширят общую теорию мелиоративного управления.

Практическая ценность.'Разработан целый ряд методов и средств тезшического совершенствования управления водным режимом торфяно-болотяых почв гумидкой зоны.

Основные положения, выносимые на защиту: I) положение об основном методологическом средстве решения проблемы управления; 2) теория параметра состояния мелиоративного объекта управления; 3) теория управляемости гидромелиоративных объектов; 4) теория свободной грунтовой вода в области капиллярной каймы в условиях оперативного управления; 5) гипотеза о природе начальных градиентов фильтрации в условиях автоматического управления годным режимом келдоративного объекта;; 6) механизм кавитационной эрозии зленал.тов автоматической-ГМС и закономерности ее протекания; 7) иатеизткческое представление динамики мелиоративного объекта управления; 8) ос-.

аовн теории устойчивости водного режима; Э) теория контроля водного режима мелиоративного объекта автоматического, управления; 10) методы повышения быстродействия управления водным режимом; II) методы увеличения расстояний кезпу регули-. руюпдаи каналами; 12) методы обеспечения автономии водного реши мелиоративного объекта управления; 13) метода измерения положения поверхности гравитационной грунтовой воды в условиях оперативного управления; 14) система автоматического управления водным режимом торфяно-болотной почеы.

Реализация работы. На основе результатов научных исследований создано 10 изобретений, позволявших осуществлять управление водным режимом торфяно-болотных почв на высшем мировом уровне, разработаны рекомендации по проектированию автоматического управления. На конкурсной основе открыты исследования по перспективному научному направлению. Резуль-■ таты исследований используются в ВУЗовском учебном процессе.

Апробация работа. Результаты работы докладывались и обсуждались в Белорусском политехническом институте (1983 г.). Литовской сельскохозяйственной академии (1975 г.), Белорусском №1 мелиорации и водного хозяйства (1Э75 г.), на сессия Западного отделения ВАСШШ (1977т.), Кировской опытной-болотной, станции (1983 г.). Белорусской сельскохозяйственной академия (1Э7в, 1Э78, 1979-1982, 1984-1Э88, 1990 гг.), Все-соэзном НИИ Государственной патентной экспертизы (1982-1ЭБ8 гг.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 30 научных трудов, 25 из которых опубликовано в центральных, республиканских и ьключенных в списки ВАК СССР-изданиях. 5 статей опубликовано в сборниках БСХА, труды которой аннотируются в центральных реферативных изданиях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, одиннадцати глав с выводами, заключительной части (основные результаты), списка использованной литературы и приложений. Мате-

риал дисоартайии Сложен на 621 _ странице, в том числе 117 . страниц рйеу^ков (196 рисунков, 27 страниц литературы (303 надаёяовшщя; из них 31 наименование на иностранном языке. ПриложеншгЧЗб шт.) изложена на 55 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Постановка проблемы

Осузествлена характеристика особенностей гумидной зоны и водного режима торфяко-болотных почв. Из многообразия гидромелиоративных систем управления водным режимом торфяно-бо-лотных почв выделены базовые■технические система. Это система вертикального дренажа, дождевальная система, горизонтальная осушительно-увлажнительная система. Основными особенностями, затрудаявдими управление водным режимом мелиоративных объектов, являются неустойчивость климатических и погодных условий, замедленность водных процессов и наличие общего водопроницаемого основания.

В результате анализа состояния управления водным режимом почв установлено следующее. Одна из известных систем -автоматическая система Корнева В.Г.'- имеет.ряд достоинств, приемлемых для гумидной зоны. Это наличие обратной связи, улравлвние по отклонении. Но надежность системы оказалась низкоЗ из-за дегазации воды л ее кавитации в условиях длительного действия отрицательного давления. Подход я автоматическому поддержанию водного режима почва ва основе сбора-' информации о состоянии почвы и внешних условиях является чрезЕытаййЬ сложным. Известный подход, исдользувдяЯ программное управление, непригоден для -условий тумидяой зоны из—за •жесткости программного управления. Установлено так-"хх, что управление водным режимом почпа по* показателю.

- V

■ Гвлажность" неточно, а система ненадежна. Известная авто- • матическая система, основанная на измерении етзненных показателей растений, позволяет уйти от измерения влатшости, но информацию о почве имеет лишь приближенную. Кроме того установка датчиков на растения сложна и ненадежна. САУ УГВ, предложенная Абрамсоном Л.С. с соавторами', .имеющая секторный затвор, управляемый сифоном с воздушными клапанами, приводимыми а действие датчиком УГВ и уровня в канале, работает только на понижение УГВ. Точность системы низкая. САУ УТВ, предложенная Баланом ЗЛ., содержащая подвижный водослив и поплавок с затвором, обладает низкой точностью. Автоматическое управление этой системой в фазе подачи воды на увлажнение не осуществимо. Известная автоматическая система, основанная на вертикальном дренаже и управляв-дан ' водным режимом по датчикам в пьезометрах, сложна и экологически несовершенная. Аналогичными недостатками обладают системы, описанные в зарубежной литературе, ly CiurnnLnjg} fyma, lYlaMi&txa, Pkene, Smith- «not oiftei.

В результате оценки известных САУ водного режима почвы на основе теории автоматического управления, было получено: чем ближе отбор информации к растению, тем информация о нем точнее, но канал управления более протяженный, с большим количеством звеньев, динамические характеристики которых нестационарны. То есть информация о растении точнее, а возможности управления теряются. В результате установлено, что из известных подходов приемлемы отдельные принципы: обратная связь, управление по отклонении и на основе баланса уровней.

Анализируя развитие управления водным режимом тор-фячо-болотных почв, установлено, что существование проблемы управления водным режимом торфяно-болотных почв обусловлено 6-я факторами: I) стхастичностыо воздействий ; 2) медлительностью процессов ; ЗУ нерешенностью проблемы выбора параметра состояния объекта; 4) противоречивостью рекомендаций по определению расстояний между регулирующими каналами и их глубины; 5) взаимовлиянием соседних объектов;б) несовершенством технических средств» Установлено, что основным методологическим

' аппаратом пру. ре зенки прб5лем~и задач, обусловленных указанными о-а .Такте рами, является теория автоматического управления.

Выполнение всех этапов постановки проблемы позволило определить задачи и методику исследований (см. с.1,2).

Глава .с. Разработка теоретических основ выбора параметра состояния гидромелиоративного объекта автоматического управления

Современном показателями состояния мелиоративного объекта являются влажность, влагозапасы, глубина грунтовых вод. Анализ параметра "влагозапасы" показал следующее. Влагозапасы не включают в себя малоподвижную воду, но связаны с нею реально. Абсолютность влагозапасов не позволяет оперировать ими в общих случаях - в .количественных зависимостях при расчетах СДУ. Установлено, что применение показателя "влагозапасы" требует использования при автоматическом управлении уравнения баланса масс, что вызывает необходимость перехода на принцип управления - "по возмущению". Последнее, как установлено выше, для мелиоративного объекта невозможно.

Установлено, что параметром состояния объекта должен быть простой существенный параметр, не зависящий от внутренних факторов объекта, т.е. аргумент. Внелние воздействия должны превращать его в функцию. Исследование показателя "влажность" позволило построить его структурную опеку. Проведя анализ зависимости каждой из входных переменных влажности от других 'параметров по калдому из каналов воздействия, получено выражение •

\*/»/{о(г,г,Т); гЦсцг); пЦг.Ие^; аСЗД; г{о,г,а);

Анализ полученного выражения на основе метода графов позволил установить взаимные связи входных переменных. Установлено, что влакность - даогосвязная система с перекрестными и обратными сеязями, которые приводят к сложным келикеЛнос-у

-ГШ. Для одной из вержн графа влажности получено выражение —^--' ^ ] \

'В результате установлено, что параметры, влиящие на влажность, не подчиняются принципу суперпозиций и не под^аэтся записи в аналитической форме. Установлено тагс:;е, что сттаса-ние влажности в векторных пространствах невозможно, а изме--нение влажности в.физическом пространстве объекта приводит •в условиях автоматического управления к необходимости распределенного управления, которое технически неосуществимо. ^ результате получено, что для автоматических систем точны." диагноз почвы по параметру "влажность" невозможен.

' Анализ-условий жизни растений по биологическим и кизи-ческим критериям на основе логических методов теории автоматического управления позволил установить теоретическую необходимость управления капиллярной водой.' Исследование возможностей управления капиллярной водо.': в связи с гравитационной позволил установить, что за параметр состояния мелиоративного объекта необходимо принять глубину поверх ности грунтовых вод. Этот параметр не зависит от основных внутренних '¿акторов объекта управления, а внегтие воздействия превращают его в функцию

(£.19)

что отвечает основным требованиям разработанной теории. Получено, что структурная схема установленного параметра существенно проще, чем для параметра "влажность".

Установленный параметр состояния мелиоративного объекта отвечает экологическим требованиям и позволяет экономить воду. • .

, Изучение сущности поверхности грунтовых вод, выполненное а связи с выбранным параметром состояния мелиоративного объекта, позволило установить, что общим параметром состояния вода, переходящей от гравитационной к капиллярно.!, не- ' /обходимо принять параметр "ноль-давления". Анализ показал, что оперативное управляющее изменение напора в грунтовых водах может бистро изменять положение поверхности " ноль-давления" и форму мениска, вызывая мгновенные превращения капиллярной воды в гравитационную и наоборот. Установлено, что в условиях автоматического управления вода, находящаяся в капиллярном точво-грунте, может быть.гравитационной, а заполняя все пори, в там числе некапиллярные, может быть не

гравитационной, а капиллярной; Получена связь положения по- ■ верхности "ноль давления" в условиях оперативного управления с формой менисков капиллярной каймы, что дает новый принцип измерения УГЗ. Полученные.результаты указали также на необходимость изучения возможных изменений поверхности гравитационной воды, сущности капиллярной воды в кайме и .гравитационно/ воды в ее Еерхней зоне в новых условиях оперативных изменений при автоматическом управлении.

Глава 3. Разработка задач автоматического управления и теоретических основ управляемости гидромелиоративных объектов при различных видах гидроме-лйоративных систем.

На основе известных требований, новых комплексных требований к совершенной П"С, разработок БелНИИМХ по режимам регулирования условий жизни растений получены исходные технологические задачи автоматических ГЙС. Разработка .этих задач позволила получить ключевые технологические задачи. На основе установленных задач и использования логических методов теории автоматического управления получены выражения:

А=Вх[р{*)лО[х)], (з.з)

МЦ] ЛТе(Т«УГ.), (3.9)

где Л - предикат: каждая технологическая задача с разными условиями и целями имее.т одно техническое ре леки е;

3 - квантор существования;

X - произвольная технологическая'-задача;

рф - "условия и цели задач X различны";

ООО - "Л имеет только одно техническое решение" ; '

6 - " если существует технологическая задача, включающая различные цели, то они имеют совокупность технических релений" ;

V - квантор всеобщности;

ЗСх - произвольно выбранная конкретная технологическая задача; :

Щ - целью является всхожесть семян;

Цг - цель» является проходимость посевной техники;

Т - множество технических ре-летай, вкявчаящее решения Т« и Т« . -

Выражения (3.3) и (3.3) позволяет устанзггть степень тааной сложности КС, ее элементов к способов регулкроракия, а также причины существования различных точел зрения на епосо ба регулирования водного режима, тепа ГЖ, выбор параметров сети.

Из комплексных технологических задач на о'сноае установленного .для системы автоматического управления параметра состояния объекта вычленены задачи собственно управления:

1. Перевести поверхность грунтовых есд из максимально возможного высокого в достаточно низкое за минимальное Ереня.

2. Обеспечить точное поддержание требуемого положения поверхности грунтовой вода при умеренном изменении расхода на водопотребление культурой или ттри изменении расхо-.а от ми-•линального до максимального.

3. Обеспечить точное поддержание требуемого полокен:*я поверхности грунтовых зод при избыточном умеренном или макс;: малькое поступлении воды на участок.

4. Перевести за минимальное время поверхность грунтовых вод из определенного более высокого положения в другое определенное, более низкое положение при избыточном поступлении воды на участок.

5. Обеспечить поддержание поверхности грунтовых вод не выле требуемого положения при избыточном умеренном или максимальном поступлении воды на участок.

6. Перевести поверхность грунтовой воды из произвольного или определенного более низкого положения в другое определенное, более высокое положение за минимальное вреш.

. 7. Переессти поверхность грунтовых вод из определенного более высокого в определенное более низкое положение за строго определенное время.

С. Лерелести максимально быстро поверхность грунтовых род из определенного низкого положения в более внеокое, а затем быстро из ьнсокого в определенное низкое.

Анализ этих задач показал, что они могут быть реиенк то лько при взаимной автономии мелиоративных объектов управления. Дальней анП анализ позволил синтезировать четыре типа задач управления:

Г. Изменение управляемой величины на определенное значение в больяуч; сторону за мнн5шальное время.

2. Изменение управляемой Ееличины на определенное знь-. чение г -лгньщу-о сторону за гшгяиальяое вреда.

3. Точное поддер:гапае требуемого значения управляемой

4. У.зшнеапе управляемой величины на определенное значение в большую сторону за определенное время.

Полученные типа задач управления были классифицированы к позезллди сформулировать требования к их решении. Первые два типе представляэт собой класс задач максимального быстродействия, что требует уменьшения запаздывания мелгоративного объекта, увеличения водообкенной способности регулирующей сети, повышенного быстродействия от управляоцего параметра Ни (уровня воды в регулирутацеы канале) и одновременно большой амплитуды изменения

. Третий тип Еклэчает б себя классы задач стабилизирующего, программного, следящего регулирования, откуда вытекает необходимость непрямого регулирования. Четвертый тип задач представляет собой класс задач финитного управления, откуда следует, что мелиоративный объект должен обладать полной управляемостью. Установлено, что все лять классов задач управления могут быть решены только при возможности подъема' уровня гравитационной воды непосредственно над регулирующей линией. Из полученных типов задач управления установлено, что по расходу могут быть ненапряженные режимы работы мелиоративного объекта (3-й тип) л напряженные (I, 2, 4 "типы), что важно для устойчивости мелиоративного объекта управления. Получено, что Есе типы задач могут быть решены только автоматически, т.е. к ГХ и ее элементам предъявляются новые требования, которые должны"дополнительно учитываться при проектировании IX, работающих в автоматическом режиме.

Анализ 3-х основных типов ГЖ - вертикальных, дождевальных и горизонтальных - на основе полученных задач управления и подходов теории автоматического управления дает следуацее. Вертикальные системы ограничены в отношении выполнения задач управления. Они не решают элементарных задач автоматического управления: 2, 6, 3. Сеязь управления на ЛЬ осуществляется через расход скьа-жипы,который невозможно связать с ¿ТВ однозначно!! ауакцией. ?го не позволяет решть еде и задачи управления:4, 7.дождевальные системы

не решают задачи: I, 3, 4, 5, 7, 3.

Из задач управления получена необхоргмость .кссяечовангл структурной управляемости"объекта, параметрической и управляемости относительно внешних возмущений. Установлено, что :хс ледовакке структурной управляемости позволит определить при;: ципиальные возможности различных в структурном откслен'/.и П.'.С, параметрической - внутренние возможности гидромелиоративных объектов управления с различными статическими и динамическими свойствами. Исследование управляемости относительно внешних возмущений необходимо из-за низкочастотных свойств объекта по каналу управления и возможности высокой частоты внешних воздействий, что может приводить мелиоративный объект к неуправляемости.

Структурная управляемость исследована на основе метрического пространства. Для вертикальных ГЖ получены выражения

(3>16)

(3.1?)

где й> - любая фиксированная функция из множества управляемых санкций;

Ат - коэффициенты Зурье функции Ре ;

- множество управляющих функций, соответствующих вертикальной системе-;

{Рт} - множество управляемых функций. Из (3.15), (3.17) подучено, что вертикальные ГМС' в принципе не могут обеспечить высокое качество управления, независимо от совершенства системы автоматического управления.

Исследование структурной уг^>авляемости горизонтальных П.'С дало

(3.21)

где р - метрика пространства V* ;

К«-- управляющая линия, расположенная в одной из вертикальных плоскостей, ;

- любая фиксированная функция из множества ;

' 12.

(3.22)

(3.23)

^ к - коэффициенты Фурье функции в двумерном евкладо-( вом i -м подпространстве = П£ (z, х) ; £к*_/-гшожество управляющих функций, соответствующих го, ризонталькой ШС; . (fmj- кнозеетво управляемых функций, соответствувдих го*-ризоятальной ГШ. Из полученных выражений следует,- что горизонтальная ГШ в принципе монет обеспечить любое качество управления (быстродействие, точность). Установлено, что существуют технические решения по эффективному увеличению быстродействия горизон- ' тальных ГНС. '

Возможности горизонтальных ГШ з отношении задач управления оценены по параметрической управляемости и управляемости относительно внешних^ воздействий. Получено, что параметрическая управляемость приводит к необходимости подбора параметров Ак и X (где Ак- (cCh/di)' тах * С — время запаздывания в объекте), что указывает пути улучшения параметрической управляемости через технические параметры сети: расстояние .между регулирующими водоводами, их .глубину, водооб-менную способность регулирующих линий, объем и пропускнув способность каналов сети. Установленные пути использованы в настоящей работе (гд.9).

Управляемость относительно.внешних воздействий оценена на основе возможных значений динамических параметров объекта управления и характерных его воздействий. Установлено, что объект.всегда управляем по возмущениям,с суточной периодич-. ностью и по непериодическим, соответствующим низкочастотным. По внутрисуточным возмущениям мелиоративный объект неуправляем. '

В итолу; исследование управляемости горизонтальной IX показало, что все задачи автоматического управления могут быть ео выполнены. Кроме того,установлено, что горизонтальная ПС экологически более совершенная, обеспечивает непрерывное водное питание растений, позволяет зоелячь в зоау микробиологических процессов больпуи толщу торфянс-йолотной почва.'

Глава 4. Исследование движений и состояний вода в области капиллярной каймы мелиоративного объекта . .. в условиях автоматического управления

На. основе изучения самой грунтовой воды как объекта автоматического зправления получена структурная схема верхней зоны грунтовых вод.. В соответствии с этой схемой выполнены исследования изменений в указанной зове при воздействиях по различным каналам. Установлено, что действие корневой системы выражается в непрерывном движении сеязной игольчатой поверхности грунтовой воды, а управляющие воздействия деформируют зо-верхностъ "ноль-давленая" в поверхность, представляэду» невыпуклое множество, при этом подпространство,"капиллярная вода" теряет свои топологические свойства. Для условий оперативных изменений УТВ разработан способ определения отклонений поверхности гравитационной воды от плоской. Результата исследования позволяют обоснованно выбрать точность измерения УГВ, место установки датчика, точность управления. Получено такзе, что в условиях оперативных управлааий происходят быстрые взаимные превращения капиллярной воды в гравитационную и наоборот. Установлена недостоверность информации об УГВ, получаемой по наблюдательным колодцам.

Дяя определения влияния .атмосферного давления на форщ а высотное положение игольчатой поверхности гравитационной воды на установке изучены возможности и условия существования защемленного воздуха при выполнении задач автоматического управления. Получено математическое выражение "условия устойчивого существования воздуха в вертикальных порах неизменного диаметра „„ „ „

Л-Т V

—', '(4.5)

где £ - коэффициент теплового расширения жидкости; Ксх - коэффициент ее сжимаемости; у - абсолютная температура; Л, - платность жидкости;

максимальная Еысота капиллярного падьеда.

Для условий автоматического управления установлена возможность начальных градиентов фильтрации особой природы -пузырьковой, а также нестабильность УТВ. и коэффициента фильт-

'рации а зависимости от атмосЗерного и гидростатического давлений, что указывает на существование влияния указанных давлений на статические характеристики объекта автоматического управления. Получены схемы условий существования защемленного воздуха при автоматическом управлении, которые являются основой для изучения указанных выше начальных градиентов при автоматическом управлении. Установлено, что в условиях автоматического управления в обычных пьезометрах может не быть корреляции между гидростатическим давлением и УТВ.

ч результате исследования сущности капиллярной и гравитационной воды в условиях автоматического управления'установ-" лено, что для указанных условий капиллярной' водой следует считать воду, передвигающуюся и удерживаемую в порах гр[унта только силами вогнутых менисков. Положительный гидростатический потенциал для условий автоматического управления необходимо относить только к гравитационной воде.

Анализируя возможные состояния свободной воды в условиях, вытекающих из задач автоматического управления, установленных 'выше (гл.З), и изменениях при воздействии по различным каналам, получены выражения-

, (4.13)

о

- (4.14)

где — силы, движущие элементарный обтем воды; .

Е. - продольная координата струи; {^(Е) - силы сопротивления движению струи. " 4

На основе (4.13*) и (4.14) выполнен анализ различных конкретных сочетаний факторов в условиях автоматического управления. В результате для условий автоматического управления установлены новые .классификационные зида свободной грунтовой води: гравитационная с нулевым давлением внутри, капиллярно-гравитационная, гравитационная с отрицательным давлением внутри. Лолучены теоретические дута увеличения эффективности гидромелиоративных систем, работающих по различным, возможным в„ условиях автоматического управления схемам движения свободной воды в верхней зоне грунтовых вод.

Условия, рассмотренные в теоретических исследованиях, . моделировались также на экспериментальных у^ткиаьхех, что

позволило теоретические результаты подтвердить экспериментально.

Из результатов исследования движений вода в почво-грун-те в условиях автоматического управления предсказана возможность существования в пласте по вертикали нескольких зон с различным по знаку давлением, что необходимо учитывать при автоматическом управлении. Установлено, что при оперативных управлениях рост давлений может опережать собой подъем УГВ,-что будет приводить к ошибкам показаний датчиков, основанных на измерении УГВ по давлению. Предсказан особый вид движения вода в .грунте - сифонное движение. Установленная физическая картина движения и состояний свободной вода в почво-грунте в условиях автоматического управления и выявленные процессы являззтся теоретической основой понимания . работы самотечных и вакуумных ГМС и их совершенствования. Результата исследования сущности капиллярной и гравитационной воды позволили воспользоваться ими как основой для исследования проблемы существования преимущественного движения капиллярной каймы вдоль гравитационного потока.Зто исследо- ' вание необходимо в связи с осуществлением автоматического управления, для повышения автономии объекта управления, повышения гарантированности водоисточника с земляной плотиной, имеющих капиллярный перелив через верх противофильтрацион-ных преград.

Многие авторы утверждают,- что вода капиллярной каймы течет в указанно* направлении. При этом опираются на известные из практики факты, что через верх противофильтрационной завесы происходит капиллярный перелив, и на эксперимент Ту- ■ лаева A.A., представляющий изучение движения капиллярной вода в П -образной трубке с песком. Анализ эксперимента Ту-лаева A.A. и специальные теоретические и экспериментальные исследования позволили установить, что в результатах эксперимента Тулзева А..А. имеются противоречия. '

Применение результатов изложенных выше исследований о сущности капиллярной и гравитационной воды в верхней зоне грунтовых вод. к данное случаю позволило непротиворечиво объяснить процессы,, происходящие в опыте Тулаева А. А .„Полученное объяснение подтверждено на опытной установке. Установлено, что движение в указанной выае трубке с песком от-

вечэет гравитационному сифону. На основе использования уравнений Бернулли и Лапласа доказано, что установленный гравитационный грунтовый сифон полностьга соответствует также условиям с известным капиллярным переливом .через верх противо-фильтрационной завесы. ■ . ■

Полученные результаты, приложенные к условиям мелиоративного объекта управления, и дополнительные опыты на специальных установках позволили установить, что в большом количестве случаев преимущественный капиллярный поток в направлении основного гравитационного потока отсутствует. Преимущественное течение капиллярной каймы в указанном направлении возможно только в особых гидрогеологических условиях при наличии испарения или капиллярного сброса или если увлажнительный канал включается в работу впервые. При этом в соответствии с установленным вше происходят превращения свободной воды в различные вида. Результаты исследования течения капиллярной каймы над поверхностью гравитационной воды мелиорированного участка дают пути разработки способов контроля и управления в условиях их автоматического характера.

Глава 5. Природа начальных градиентов фильтрации в условиях автоматического управления водным режимом торфяно-болотных почв

Анализ литературы о природе начальных градиентов фильтрации 1н приводит к противоречиям. Исследование аналогичных явлений в объектах различной физической природы на основе теории автоматического управления позволило установить, что I* в мелиоративном объекте управления порождает иэ- . весткые в теории автоматического управления типичные нелинейности: зону нечувствительности и гистерезис, а нелинейности в объектах иной. физической природы порождаются начальными градиентами.. Анализируя причини существования указанных нелинейностей в различных по физической,природе объектах на основе нового подхода - с псзгокЯ теории автоматического управления, установлено'5 общих черт • нелинеПиостей. Перенос установленных 5 общих черт сходных типичных иеяиней-ноетей на мелиоративный объект управления с аналогичной не- . . линейностью привел для известкой описанной в литературе

пленочной природа 12 к его несоответствия ряду установленные общих черт. Установлено, что соответствие мелиоративного объекта всем 5 выявленным общим чертам приводит к необходимости пузырьковой природы 1н , что подтвердило предсказание, установленное ранее в разделе 4.1. В результате построена новая .гипотеза начальных градиентов фильтрации для условий оперативного автоматического управления уровнями грунтовых вод.

Исследование построенной гипотезы потребовало доказательства повсеместного наличия в порах грунта, наполненного водой, свободной воды и наличия в составе этой воды защемленного воздуха.' Наличке свободной воды установлено путем логических доказательств. Доказательства наличия защемленного воздуха основывались на установленных в-разделе 4.1 условиях существования защемленного воздуха прк автоматическом управлении. Кроме того для условий капиллярного увлажнения грунта обезгаченной -водой выполнены специальные опыты на установке, представляющей собой прозрачный сосуд с грунтом, вода'в который подавалась снизу без напора, а наблюдения за процессами в зоне увлажнения осуществлялись посредством оптического' микроскопа через прозрачные стенки сосуда.

Установлено, что во всех возможных схемах увлажнения в свободной воде грунта образуются пузырьки защемленного воздуха. После прекращения увлажнения пузырьки перемещаются в ближайшие больше поры, что соответствует установленным в разделе 4.1 устойчивым условиям существования защемленного воздуха. • -

После увлажнения исследовали Фильтрацию при выполнении задач автоматического управления, установленных в гл. 3. В результате установлена физическая, картина проярления I* в условиях автоматического управления. На основе подхода теории автоматического управления элементарный участок грунта • ■с водой и пузырьком рассмотрен как динамическая система, -то дало возможность математического описания динамических процессов в грунте с водой в условиях автоматического управления да Сравнением второго порядка

(5.1)

где Т^Дг - коэффициента, имеющие размерность времени; Х,,0Сг ~ входной и выходной сигналы соотвототсонно; -

К - коэффициент усиления системы.

Установлено,- что совокупность режимов работы таких элементарных систем в грунте при выполнении задач автоматического управления будет обусловливать собою режимы фильтрации, а параметры указанных элементарных объектов управления будут определять собото значения фильтрационных параметров: i*,Vej> на нелинейном участке кривой V«p=f(i.W).

Полученные результаты и вид установленного для элементарного объекта управления дифференциального уравнения позволили предсказать свойства мелиоративного объекта управле- • ния в зависимости от параметров демпфирования системы, упругости пузырьков, размеров норовых емкостей. Установлено, что в зависимости от условий могут быть колебательные режимы, апериодические и смешанные. Теоретически предсказанные евой-ства объекта управления были проверены на приборе ЙШ-IM.. Для выполнения условий TKSfTt (колебательный режим) иТ«>2Тг • (апериодический режим) уравнения (5.1), которое определяет вид начального участка статической характеристики V^sffù), брались грунты с различные гранулометрическим составом и различной дифференциальностыо порозкости. В результате установлены физические причины различной формы кривой V«^ ' а также возможные виды статических характеристик мелиоративного объекта управления.

Для дополнительного доказательства пузырьковой природы. Ls опыт на приборе КФ-1м был изменен. На нем была обеспечена возможность изменений нейтрального давления в большом диапазоне. Исследовалось влияние изменения нейтрального давления на фильтрационные характеристики:' lh ,К<р . Б результате в соответствии с пузырьковой природой 1ц установлено влияние внесшего давления на Lh и " . °

Установленная природа 1ц для условий автоматического управления Непротиворечиво объясняет начальные градиенты в различных грунтах. Она увязывается с теорией еткековских.

цепочек, которая как получено в настоящей работе, охватывает

■ • и ' ** * *

только часть установленного явления Lh . сная сущность и«

в условиях автоматического управления, мояно определять статические характеристики объекта управления в зависимости от изменения в не же го давления. Для этого разработано специальное устройство, на которое получено аьторское свидетельство

' . 19

■ н

на изобретение. Установленная природа I* позволяет такте целенаправленно изменять статические характеристики оСЬекта управления, в частности, на границе объекта упрэвле-ия слезет статические характеристики делать-существенно нелине^к-ж. Это осуществлено способом, основанном .на'данных результатах, на который подучено авторское свидетельство на изобретение (гл. 9). •

Условия наличия Ц в объекте автоматического управления Позволили установить, что динамическая характеристика объекта управления может зависеть от вида статической. Кз установленной для условий автоматического управления природа 15 получено, что для.обеспечения минимальной управляемости объекта управления необходимо стремиться к большой'величине управляющего воздействия, предпочтительной работе регулирующей сети в затопленном состоянии, а такхе к минимизации времени работы объекта управления с максимально низкими ¿ТВ. ' Из установленной органической взаимосвязи с различными характерными, неяинейностями, изучаемыми теорией автоматического управления, получено, что для сг.эдения I» к нуля можно пользоваться общими методами теории автоматического управления для нелинейных объектов управления. Установленная природа 11 и теоретические положения позволяют разрабатывать противсфильтрационнне завесы на ШС.

Глава б. Сущность механизма и закономерности кавитацион-ной эрозии элементов автоматических.гидромели-рати вных систем

Кавитационная эрозия является проблемой эксплуатационной надежности автоматических ГМС (гл. 1). Анализ литературы показал, что из множества гипотез, составлявших теоретические представления о механизме кавитационной эрозии, наиболее прочно укрепившимися являются две гипотезы: гипотеза ударной волны с ее модификациями и гипотеза комулятивной микроструйки также с ее модификациями. Эти гипотезы ( так зке, как и другие) не позволяют получить надежные методы расчета важных характеристик кавитационной эрозии. Изучение указанных гипотез дало следующее. Обе они используют понятие "давление на. бесконечности", что позволяет считать движущиеся массы "Воды бесконечно больашми.

Анализ'этого допущения на основе .логических, методов'теории автоматического управления дает -выражение

, ( 5.7 )

где X - жидкость; " , „.-.

'- предикат "в движении "к схлопавающейся каверне. учас-:;.> . твуот больше массы жидкости";' ОЙЕ) - предикат "давление" на бесконечности в жидкости яз- дяется эффективным по отношению ж.схлошваниэ пу-\ зырькавой каверны".' ,

'Лз (6.7) установлено, что давление на бесконечности не может являться эффективным по с ткояению я охлопыванию пузырько.знх каверн. - ' ■

Для выяснения природы:и механизма ехлсгшвания балл выполнены специальные исследования." Вначале на основе известных экспериментальных фактов и.использования логических методоз теории автоматического управления были получены выражения:

, 46.15 >

: , (6.17)

где Н(1) - факт: в результате охлопывания накапливается, боль: ■, тая энергия;

ССзг) - предикат "в движении участвует малая масса жидкости"; К£Г) - предикат "сила, производящая охлопывание% прилажена на внутренней границе каверны" ; ЦТ) - факт: при схлопывании каждой из каверн вокруг нее , • находятся другие такие же, практически одновременно с ней схлопывающиеся; - предикат " в процессе схлопкяання пузырьковой каверны хицкость нерастяжима (несжимаема)". 1а (6.15) получено: схлопивание пузырьковой каверны происходит так, что в зтом процессе участвует малая масса жидкости, 1 сила, производящая охлопывание, приложена на внутренней "ранице каперкы, при этом накапливается бсльная энергия. П? 6.1?) с учетом (6.15) подучено: жидкость в процессе еслож-1ания растяжима. •

Дополнительное доказательство подученных результатов нполнено на- основе вывода из существующих - вышеуказанных ипотез чести следствий: I) скорость рзста пузырьковой ка-ерны должна быть примерно равка скорости схлопквгяня ; 2)

I . •

при■ схлошвании должны двигаться- очень больше объемы вода; 3) увеличение телнего давления должно увеличивать громкость-ударов охлопывания; А) кавитационный пузырек при схлопываник дсг^ек1 смещаться вверх; 3) скорость схлопывакия должна бать больше е том месте сосуда с водой, где гидростатическое давление бсльзе ; 6) чем бользе "диаметр цузырькйвой каверны, тем больге должно высвобождаться энергии.

Анализ результатов известных опубликованных опытов (выполнявшихся для других целей) показал, что они противоречат следствиям: I, 2, 4, 5, .6. Для анализа справедливости 3-го следствия был разработан новый способ создания кавитации. На способ получено авторское свидетельство на изобретение. На основе этого способа создана установка. Б сосуд с водой помечался дисперсный материал; что при подогреве вызывало охлопывание пузырьковых каверн. Изменение уровня воды в сосуде ■ завгло возможность изменять внезнее давление г определить его влияние ка грсигкость ударов при схлопьшании каверн. В результате получено - 3-е следствие также противоречит опыту, что подтверждает, вывод из (6.15). Последний опыт позволил также доказать - кавитация возможна внутри .грунта с водой, что позволяет использовать кавитацию при управлении на ГлС для предотвращения потоков грунтовой вода.

Исследование явления кавитационной эрозии позволило построить новую гипотезу кавитационной эрозии, сущность которой состоит в следунщек. Схлопывание пузырьковых каверн -осуществляется кх-менисками. При этом вокруг каверны происходит изменение структуры жидкости с образованием растянутых молекулярных цепей, потенциальная энергия которых получена -■3 теплозой анергии жидкости. Эта энергия перекосится ударной гсгкой «цутрь пор материала в вызывает его разруаение.

: Из гипотезы выведен ряд следствий: 1)значсние давления, гаг читаемого схлопквакяи, должно быть близким к 10^ Па; перемещение каверны у стенки сосуда при схлспывании ка-голзкс про'/схс;/ть г стенке сосуда; 3) перемещение ка-у ясеерхноста »оды при схлошвании должно происходить к-:-/? ; 4) схлопывбнии каверны может образовываться лед; Я) ка.Ектящ.-'.с-ннад зрояся долтаа М4еть инкубационный период;

энергия раг^-.^.-гия должна зависеть ст плотности ги/.костк -г. поь?р±ыоетног5. яатяаенми.-.

.чг-гализ литературы показал, что полученные следствия пол-:~с-с?ь.о подтБеркдаотся известными опытными фактами по кавита-и;:и. Кроме того установлено, что до существования настоящей гипотезы многие известные факты из кавитации объяснялись различная! противоречивыми подходам» или вообще нё объяснялись. Настоящая гипотеза все известные факты объяснила одним общим подходом - на основе установленного механизма"кавитаци-онной эрозии, что дополнительно подтвеждает истинность гипотезы.

На основе разработанной гипотезы получены закономерности кавитационной зрозии. Предсказано^-что расстояния, на которых розмо:кны перемещния пузырьков относительно стенки сосуда и поверхности жидкости, должны быть не более длины молекулярных цепей", которая определяется по формуле

где 6ц. длина цепе Л, м;

Ко - начальный рад'/ус средней по величине опасной каверны, м;

к - постоянная Больцмана, Дж/град; Т - абсолютная температура жидкости, К ; £ - максимальная энергия притяжения для данной жидкости, Дж. • ' Получены формулы для определения энергии, из которой состоит энергия ударной волны:

<6.68)

где ^кэ - начальная плотность жидкости, н&гтртаср, при С°С, кр/м3;

Р - коэффициент объемного расширения жидкоета, 1/град;_ М - масса молекулы жидаоста, кг$

Я» - радиус лг-гтеречпого сечения осредненно»! норн на яо-;

ве'рхкости катерки», м;- ' V

Зт - суккаряя тепловая -рнергля жл?,чости, у«эс?»узце.Я в

УЛ

переносе энергии удЯрной волны внутрь пору на по-' эерхности материала, Дя; Зш% - поверхностная „энергия, мениска' в начальный момент ■Л'. ч" ' схлошвания каверны, участвующая.в перекосе экер' гии ударной врлнн;: цронитаацей внутрь поры, Д«; €• - поверхностное-натяжение при.0°С в ДжЛг; •

- температура жидкости, °-С; . •

' -С» - критическая температура для данной жидкости, Получена зависимость интенсивности кавитационной эрозии от свойств жидкости и материала

' -У'ЙИЦЖ, (6.66)

х* - * И--'-,'

где 'комплексный параметр -материала ;

- комплексный параметр жидкости. ,

Получены кривые интенсивности эрозии во времени и зав-лс/-мость эрозии от температуры.--,- - . ,

'Результаты исследований позволяют предсказывать появление и интенсивность эрозии, - намечать-мероприятия по предотвращению и защите от эрозии я рассчитывать,параметры кавита-ционной эрозии.-Можно рассчитать, толщу ..специального буферного слоя, защищающего поверхность твердого материала обтекаемого элемента от кавитационной эрозии. -

Установлено, что в автоматической польдерной П.1С насосы должны работать в таких режимах (попеременно), чтобы в конце инкубационного периода эрозии выключался один насос и включался другой, а выключенный насос затем обязательно освобождался от вода. Получено, что время управления на мелиоративном объекте не должно быть бояыае времени инкубационного периода «агитационной эрозии. Устанонлачо, что для предотвращения . кавитациогсюй эрозии звеньев автоматиче'ской ГМС необходимо гтда.—.ЫРйже объекта унень-кать- до определенных значений, а еодообкепиую способность регулирующих каналов увеличивать тглгте до определенных значений. Получены безопа«ме речимы робота гидропривода автоматической П.<С.

Гласа 7. Разработка теоретических основ устойчивости -

водного режима мелиоративного объекта Для исследования устойчивости необходимо описание объеь та управления. Динамика мелиоративного объекта описывается уравненмем_Буссинсска. Из уравнения Буссинеска определена те

, рр--,аточняя функция мелиоративного объекта

г~е 0 - основание натурального логарифма;

р - оператор дифЬерекцирования ;

8 - свободная порозность в области колебаний уровня грунтовых вод ;

Ц* - осоетаенный коэффициент фильтрации грунта ;

Тг - осречненная мощность потока грунтовых вод ;

Е - расстояние ме:*.ду увлажнительным и осупительшм каналами (при раздельной осулительно-увлаюгительной сети) ;

X» - значение- координаты X , вдоль которой распределен параметр К ,

В результате анализа литературы по автоматическому управлению получено, что использование аналогичных функций з ака-г лизе устойчивости объекта управления приводит к весьма-большим трудностям. Одновременно установлено, что различные объекты автоматического управления с распределенными параметрами могут быть аппроксимированы обыкновенными дифференциальными уравнениями. При этом необходимо отсутствие в объекте колебательных составляющих. Выполненные исследования позволили получить общий вид переходней функции и установить, что мелиоративный объект является фильтром низких частот, з результате чего была установлена возможность указанных аппроксимаций.

Используя методики аппроксимации,•изложенные Снмоэ К.Л. и Ротачем В.Я. установлены основные еиды передаточных функций мелиоративного объекта управления

= > (7.11)

где - аппроксктаруйщйя передаточная функция, тоотззтет?:,"-яяцая дн^'равнения первого порядка с запаздиваки«.?!;

К - коэ5ф!!Ц::ент усиления па каналу управления; '

"ЬД* - постоянные времени объекта - комплексные характеристики, в которые неявно вопли коэффициент фильтрации и свободная порозность; Т» - запаздывание в объекте (также комплексная характеристика) ; -\л4п. - аппроксимирующая передаточная функция для объекта,

списываемого дкфуравнением 2-го порядка без запаздывания.

Исследование устойчивости в ненапряженных режимах выполнено нг основе метода Д-разбкения. Получены выражения условий устойчивости мелиоративного объекта

* Л - (7<^7)

С£а^тО«>«о J

где и> - частота воздействий. Построена граница области устой-нГ.'ъост.: объекта. Установлено, что е ненапряженных режимах систему управления можно проектировать без дополнительных, ограничений на автоматический характер ее работы. При этом можно рекомендовать использование П-регулятора по уровню грунтовых вод.

Лр/. больших нагрузках уравнение АйС мелиоративного объекта имеет вид

II -1(<Л-4)

= <> • (7.43)

где К. — скорость изменения УГБ ;

I — ккимая единица. Для регулятора с пропорциональной скоростью изменения уровня езды е регулирг.тсрем мелиоративном канале имеем

\к/р(«.ю)-- Ц^е**, ' (7.44)

Г~е К* - сг-гх;,;т', изменения уровня воды в канале.

критерий устойчивости Найквиста, исследована -ость ьоднсго режима в системе (7.43), (7.44). Получены • гьгрггсеяия:

■ = ч (7.53)

-КГ-'^ "»о (7.54)

г.гс Кое- усиления обратксГ; свезя. Остальные обсэ-

'

пачения прежние (см. вьгпе). Выражения: (7.53), (7.54) позво-* л::л'л построить границы областей устойчивости вогрого режима з зависимости ст параметров регулятора и свойств объекта.

' Установлено, "-¡то для обеспечения устойчивости ворога речгада необходимо уменьлать запаздывание и прежде всего за счет., емкости регулирующей сети, вводить гибкую обратную связь (из-за особой формы кривой разгона на начальном участке). Лри невозможности изменения параметров объекта управления следует уменьшать коэффициент усиления обратной связи между объектом и регулятором, при увеличении в объекте управления Н"С уменьшать К «с. , при уменьшения К'Т можно увеличивать Кое , при заданных: Т и Кое необходимо уменьлать Н. . Пользуясь подученными границами областей устойчивости, можно решать конкретные практические задачи, варьируя значения параметров объекта управления, или регулятора, "з вида границ областей устойчивости получено также, чтс объект управления может быть и неустойчивым, что будет проявляться безотносительно к тому, кркое управление - ручное или автоматическое. Последний результат показывает ценность подходов теории автоматического управления к мелиорации вообще, безотносительно к автоматическому характеру управления, т.к. при неустойчивом мелиоративном объекте требуемого водного реяима невозможно достигнуть и вручную.

При релейном управлении динамика системы "объект-регулятор" имеет выражение

ТЛ1г>(Т<^')Х'<ЗС = Р(Х') , , (7.55)

где нелинейная функция.

Преобразования выражения (7.55) на основе структурной схем.! САУ даит вид уравнений изоклин для данного типа объектов управления

»НдЬ* ™ ]

НИ" тл&тЛ т» М\са, )

где X _ переменная состояния мелиоративного объекта — УГЭ ; . 6р - экстремальнее г.нлчекие угра^ления - чн^кения ут»*« ил воды а гргулитлпзцете яаряхе;

^ -

С** • : '

подставив конкретные значения параметров гидромелиоративного

объекта управления к управляющего устройства в (7.55), к задаваясь N , мсето получать поле изоклин, соответствующее данным конкретным условиям. Это поле в свою очередь дает, возможность построить1 фазовый портрет системы, по котором;»' можно судить об устойчивости нелинейной гидромелиоративной системы автоматического управления.

Полученные, общие результаты по устойчивости водного режима мокко использовать для других типэь объектов управления и регуляторов с различиями их параметрами.

Глава £. Ксследовакие природы озибочньтх показаний сущест-. ВуЮ~ИХ средств контроля УрОЕНЯ ГруНТОЕКХ вод и разработка основных пояснений теории контроля

Изучение известных датчиков УТЬ на основе теории автоматического управления показало, что датчик состоит из двух гункцпзкальных звеньев; перБичкого преобразователя - наблюдательней скза.тикь:, превращающей УГВ в уровень воды в скважине, у. вторичного преобразователя - устройства, измеряющего уровень ведь- в скважине. То есть датчик УГВ как элемент автомат/ч веке?. системы представляет собой два, последовательно сое-дккечкгх информационных канала: К -Нс& , Не1-ИС , где И - положение поверхности грунтовых вод, ИсЬ- положение поверхности воды в скв-хг.ине, НС - информационный сигнал кя нитоде датчика. > ; -

Анализ .пи тепа тур:: показал, что информация по каналу 11С ь настояпее время мотет быть передана с .достаточной для .-трЕ-тики точностью. •

Проведя качествендай анализ свойств информационного к&-К - Нс1 , было установлено, что основными его характе-' р.'.г;.*<я5зс; параметрами кхлязтея' емкость скважины и проводимость ьодсг5меяно?.' пзверяоета. Теоретический анализ и экспе-г.йнегпъ; вогьоххяи установить .особенности статических1 и дина-иу-аа-'гх гарект&скегкк кзвестнрс датчиков УПЗ к установить г^Е-^ЕНие р&зхзчг&эг ректоре в нй вид характеристик. В результате о^пкд&лекы оснсьзгые виды статических г? гжаиическме характеристик. ¿'«ькоЕлемо ниже начальных трвдиентов к не-глкейкзсте?. сгег-'чсских зсатактедастик даже в области ненуле-

• " ' * * "5 '¿в

51гс значений ¡функции. Анализ результатов исследования позволил заключить, что расположение скважины в плане и До высоте, ее емкость к правовялость существенно влияют на вид статической характеристики по информационному каналу К - » Исследование динамических свойств скважкнкх датчиков УГЗ позволило установить, что при контроле скорость изменения УГЗ может отличаться ст скорости изменения уровня вода в скважине в десятки раз.

Рассматривая объем грунта с водой как объект контроля, был выпотей анализ .механизма наполнения пор грунта при изменении УТи. В результате установлен новый показатель объекта гсонтроля - поровый показатель динамичности заполнения

К„» > (8.4)

где - поверхностная пористость грунта;

П. - объемная пористость грунта. Теоретические преобразования позволили получить удобное для практических целей выражение Кп ,

► (8.7)

Из (8.7) следует, что скорость заполнения поповой емкости зависит только от " Л" Из последнего получено, что для скважинного датчика УГЗ невозможно установить пустоте дуя трубу в грунте так, чтобы не было торможения движения вода самим грунтом и тем более фильтром. И напротив -■ труба, заполненная грунтом, является идеальным первичным преобразователем датчика УТВ. -■

■для скважины показатель динамичности имеет вид

Ке--^- (3.3)

где Рв*- суммарная площадь просвета пор' на. смоченной поверхности скв&чшнк; - объем скважины от ее дна до УГЗ» Показатель динамичности Кс для скэаюшк с бокгвой пео'-ираци-ей выражается как 3

где Яс - радиус сквоякнй_

Из (8.11) установлено, что скорость подъема води в скрадке. .. ' с перфорированной боковой поверхностью не загаси? от быссж* смоченной части фильтра», но яавиеит от абсолатааро .попаречно- '.' 1 • 4 й

тс размера скважины и пористости грунта. Из сравнения (С.7) , и (6.II) получено, что изменение параметров скважины ке приближает "КхЬ" к " Кп

Для скважины с докной петйорациек порчено выражение

. тт.)

где п.е - высота смоченной боковой поверхности скважины. Из (с.14) получено, что скорость подъема воды в скважине с перфорированным дном не зависит от ее поперечных размеров, а следовательно, установка пьезометров типа, трубы с открытым нижним концом с уменьшенным поперечным размером не увеличивает" точности измерения УГ5. Сравнение (£.14) с U-...7) позволяет заключить, что изменение параметров выражений .Кп к Keg не приводит к сходимости Ktg к Кп , что указывает на физическую неосуцестЕ.имость точного контроля УГЬ известными способами при помоци скважины с перфорированным дном. Установлен ко вый путь контроля УТЕ такой скважиной - фиксация только момента касания поверхностью грунтовых вод лна скважины.

Полученные положения можно использовать при разработке г.оеъу. принципов измерен::« УГЗдля автоматических систем.

Глава 5. Разработка средстЕ еоверяенствоьания управления

На основе полученных научных результатов разрабатывались е соответствии с Ч)-Р. задаче»: исследований средства соверленст-"-.г.гкия управления водным режимом торфяяо-болоткых почв на г-гсттгс-гицадксм основании. Для этого были намечены следуап^.е г'.гря^гттгп: I) разга^зтгть для условий автоматического управления стр/ктурн^-упраЕляекз"? ; выработать специальные -T-ci-ьач'.-я к пэг.йгнцей в сбросной сете для условий автомата-vecf~rz ;-.трл?..тен;:я; 2) установить особенности выбора глубины Vzry.'r.'"""-^ каналов при автоматическом управлении ; 4) раора-

стс-дст«: псЕытекия быстродействия П.'С и увеличения --гг'Г'яг^гГ: регул:'ру г^цккн каналами в условиях аЕтомата-

~?г:--сгс ; 5) рагребзгать специальные проткво^кльт-

средств« для условий автоматическое ПиС; б) разра-бс-г.т; оадст?^ :т-»'£г.с-:/я УГБ ь условиях автоматического уп-; тягтя^ггать -сисуас- агтематического управления, м'кгге рсггсбстакнис в главе 3 положений, позволяч-не с ire дик;£ управляемости гидЕОМелиоратевио-

" " ' 3£

о 1-^екта упрачденяя разработан метод структурного лрсектя-анля Г..'С э гильбертовом пространстве. Получена формула •■онстг,у:'"соЕа:-".'я мелиосатизной сети с необходимой упрааяя-

ропчого

I 4г — -чв

:е'7"/.ма __________. ,

-■•о а _ оэсстоянне в гильбертовом пространстве между элемента; Кир;

К - произвольная управляющая линия ;

Р - произвольный элемент управляемого пространства;

С - оператор сжатия ;

П - проектор ;

Ко,Рв - начальное положение управляющей и управляемой линий : - направление интегрирования. получено, что дополнительная сеть, расположенная параллельно основной, позволяет достичь наидучзей управляемости водного режима по сравнению с другими конструктивными решениями. Бцротение (9.3) применительно к задаче проектирования дополнительной кротовой сети имеет вид

где р - приведенное расстояние между элементами К и Р ;

Ь - направление интегрирования и длина управляхчдей ликзгл при произвольном ее положении, Ц =со|зи гт?и -

«<Ц>, и приоС^«^ ;

- угол между начальным положением и и последукядим произвольным ;

<к*ч ~ граничное значение Л, , при котором изменяется форма зависимости I» от базовых величин & и £ ,•

¿п» ;

й - ширина мелиоративного участка ;

£ - расстояние между каналами основной'сегулнрутацей сет!т.

На основе (9.4) подучена конструкция П.'С, которая ихеет ряд преимуществ в управленческом отношении. ПлС представляет, собой следующее. Она вклачает регулчруяЕрт сеть открытнх ка- ' • налов с дополнительной се\сд кротового дренажа,, '.тмега^его направление кротовых дрен вдоль направления каналов основн-'й ре-гулируащей сети, и расположенных поперек кротовых дрен нескольких целевых коллекторов, впадаязах в каналы с сна зной' тж-гу'лирующей сета. . ■'

• Установлено, что в связи с необходимость-:) репекия автоматической ГМС задач управления, полученных в главе 3, податей» к сбросные каналы в современном их исполнения ча осущи-тельно-увлажнительных• системах не в состоянии выполнять их основные сгук:-:цхи. Установлено, что инерционность транспортирующей сете не позволяет решать задачи быстродействия. Уровни в транспорткруязей сети влияют на УГБ и даже лротиЕг-.тг.'-;-ствугзт регулкругщей сети, что не отвечает установленному е тл.З требования автономии мелиоративного объекта. "олучеко, что сбросной какал в условиях автоматического управления должен иметь тгротивофильтрационную одеясцу с повышенной устойчивостью. Метод уменьшения инерционности транспортирующих каналов получек на основе введения из теории автоматического■

угтавлекия понятия относительной емкости объекта управления

- ' »•»>

где - объем веды на участке длины канала, на котором навезена автономная регулирующая сеть;

■Цк- глубина воды ъ канале.

Установлено, что для умекьэенкя инерционности -транспор-ткруЕлего канала необходимо ет.гттолнение условий

ПРИ 53г(йк)АИ«= С0П4Ь, (2.7)

где й - ■площадь - зеркала водь? на данном участке какала.

Из (5.7) получено, что для подающего канала долж- "

ко быть при для сбросного - при Н*"* . Полученные

результаты являются дополнительными требованиями к транспор-ткруш^м каналам. Использование указанных требований позволяло предложить конструкции транспортирующих каналов для автоматических ПК1. ста конструкции представляшт собой следуп-све. .Ълапгие каналы имеет.обычное трапецеидальное сечение, не .расширены, максимально подняты вверх и имеют уменьшенную глуг-кну. Сбросные каналы раЪй.рены г нижней чаете, ъ верхней ? сужены так, что кме-тг сель, или только вертикальные ка-кслы грот/г гляравл^гческого удара. Расширенная часть опуцена »аксимаськэ возможно вния.

."слученные е главе 3 задачи управления де*зт ряд акстре-«шыгхде усгявяй: I ) «аксиально возможней нкзиС; УТЪ ; ¿) мак-сяаяьке еозксекый быстрый подъем ; 3) максимально воамож-?■:>= быстро? пенихекие УГж 11з определения управляемости (гл.З)

экстремальных условий с учетом наличия начальных градиен- 1 тов фильтрации (гл.5) получены следующие требования к назначению глубины регулирупщих.каналов. Вначале необходимо обеспечить выполнение 1-го экстремального "условия с учетом нали— .чия начального градиента. Затем 2-е и 3-е - по отношению глубины к расстоянии мекду'регулирующими каналами. И далее глубина какала корректируется по условиям устойчивости. Выбор глубины и расстояний на основе управляемости позволяет осуществить экстремальные условия задач управления. Все остальные условия в задачах управления (в том числе точность) осуществляются за счет управляющих воздействий в процессе эксплуатационного функционирования. Этот подход дает единое комплексное решение задач проектирования ГЫС и создания эксплуатационных режимов, при этом противоречий в решениях проектных и эксплуатационных задач не возникает.

Используя изложенные принципы, материалы гл.3 а существовании конструктивных решений по увеличении быстродействия, а также результаты других глав, выполнена разработка средств увеличения эффективности регулирующей сети.

Одно из технических решений было получено на основе следующих результатов. Из требований управляемости использовано положение об'увеличенной'глубине регулирующих каналов. Из применения одной из установленных.в гл.4 схем движения вода, в условиях автоматического управления'использовано положение об увеличении эффективности ГЖ за счет увеличенто (где Ы - действующая на струю s упомянутой схеме сила; £ -длина струи, на которой к струе приложена сила). 3 гл.4 получено также, что средством усиления эффективности Г..!С является установленный грунтовый сифон. Из главы 5 использовано положение об улучшении статических характеристик путем затопленной работы ПС. Зто же условие получено в гл.7 из требования минимальной емкости регулирующей сети. 3 результате разработана ГМС, отвечающая условиям автоматического управленяя.ПсС представляет собой сле.аущее, Ока включает дрены, присоединенные к коллектору, под-зденному через Г- обрлзнуа трубу к сбросному каналу, который имеет увеличенную глубину, й- ГХ получено авторское свидетельство на изобретение.

Следующая техническая разработка выполнена яа основе ' нижеизложенного. Из параметрической управляемости (гг. 3}

, использовано требование необходимости уменьшения запаздывания.' Из гл.7.кспсльзсзано положение о том, что для поньпе-кия запаса устойчивости необхс.тиз«о уменьшать вторуз постоянную времени у. что в&пеодквакие опречеляется значением пат>г— метров регг*якру?пце2 сет;; к зависит от времени "заполнения рк-гу.~ггу^дей сет;:. Не результатов исследования каБитацк:- использовано пслсзекке, что время управления юл^кс быть меньше времени '»зп^бескенногс периода кавктвцкэ>*ко/. эрозии. Бее-зги условия приведет -к требование - емкость тэсп'лиг^'^ей сети стремиться к ий'ьг/зхуку. В гл.З получены требования, чтоб*: канал регулигу::цей сети обладал взгмз:<с-:ост1л по,%--,емч поверхности всд£ непосредственно над регулирующей ликпеп, быстро у. с большой емплктудой. Используя указанное результата, полевения из гл.2 с "коль-давлении" у. положения из гл.ч с превращении вепс г различные -вндг пру. автоматическом управлении. , разааботане конструкция закрытого дренааа с узелк-•ченньз.: быстро действием. Сна позволяет увеличивать расстояния !,ЕГ;_. ре^^—'^ог;; канала!® ь раза, дренаж отличается ст известных специальной засглткой, предстаЕлячцей собой несколько слоеь грунта, водопроницаемость которых убывает кверху'. Лрк это»; верхняя граница капиллярного поднятия в каждом юлкем слое захватывает соседний верхниг слой.

В гл. 3 получек результат о неизбежности противоречий при техническое решении комплекса запач управления простым средством. Получено такте, что без управления необходимо мак-сл'лльнзе самовыравнивание или боль-гай коэффициент емкости с'ле'-"тг. управления, е с управлением - минимальные. Кз сопос-т':Г..-£;:-::'Г; кгвесткьэ: тгрог/ъоэечий в определении расстояний

регуххруггяа каналами с последними указанными резуль-установлена связь расстояний мея32' регулкру:да?ши к&-гал'^.: г; усг.ог/чьг/ ег тема т/чес п&го управления. Из изучения ;:.г~:ллярноЯ кайьк как технологической среды (гл.4) бклк ус-т:существеннее различия процессов, в условиях еьтома-тнч~с"-сгс угтаигекик три увлажнении и осузекии. Отскда поду-что противоречия в определена!; расстояний иевду рету-каналами кежке преодолеть внезнккк средствами -угга?-генчгс'пзсг - бег изкеяения свойств мелиоративного объекта гленкя, г Т31! чусяе не измекяя параметры лети. Ло-, чте гти. упраЕленчесгте .средстве долетк быть напрев-

т'з улуч-течсе работы регуж^ручзей сет:: з фазе увлазкенши лсггсльзовах"р результата гл.7 о возможности да с тления устойчивого ре"::н"я лропоркюнадьгКМ' регулированием по отхло-неки 1 'ало способ нр прямо г л регулирования УГВ с допустимой точность». Способ позволяет увеличивать расстояний между ре— гулгру^им:? каналами, ввиду малого использования з управлении сзмовыравнивания мелиоративного объекта, которсе поэтому мо-••-:ет бкть умвнкчено. ¿'кюньненкое самовыравнивание позволяет

легче обеспечить разные УГЗ на соседних участках, обходиться бея реконструкции регулиру-гдей сег*.( на узе построея-'-:-.::< мелиоративных объектах. 3 способе устраняется известное противоречие в определении расстояний для фаз осузения к увлажнения. Способ использован при разработке автоматической системы управления, на которую получено авторское свидетельство ча изобретение.

улучшения полученного способа использован результат гл.7 о еведении регулирования по производной от изменения УГБ. получена формула для осуществления управления с гибкой обрат-нон связью.

ЬЙк="К(|хК*ТЧУ),, (9.14)

где - управляющее изменение уровня вода в канале, м; аН - отклонение ¿ТВ от заданного значения, м; К - коэффициент усиления управлявшего устройства^ безразмерная величина; Тч - время упре^пе^ия, численно равное времени стабилизации, сут ;

5 - водоотдача (свободная морозность) в долях единицы;

6 - расстояние мекду какаляш регулнру^ей сети, М; Кар - ггасуффициркт фильтрации но уносного пласта, м/сут ;, Т - средняя мощность потока груктоеых вед, м;

V - скорость изменения ¿ТВ под действием испарения или' оепдков, м/сут. На способ получено авторское свидетельство на изобретение.

3 гл.6 получено, что время управления долгие б:-:ть >.:е:--:ъ-ле инкубационного периода эрозии, что дает - содооб:-:еьная .Тектквность регулирупцьт капало" долгота упе.т.гчигаться до определенных значений. Сто хе трепотакие подучено з гд.'З. 7 с-пользуя основной мето.-олопгческиП подход (гл.Г) и результат.; (гл.£ и 4, получено о<5цес выгатеаке аедсСтонкэй

тк регулирующего канала

Q^K^fCH^Kcp,?«.) , (S.-D)

где Qp*.~ расход притока, (оттока) в регулирующий канал; Нк - действуя^« напор ; Кер - коэффициент фильтрации грунта ;

Ffc - площадь поперечного сечения суммарного Фильтрационного потоке воды (на единицу длины канала). Анализ (9.¿6) на основе теории автоматического управления и результатов гл.2 и 4 позволил разработать конструкцию регулирующего канала, который обладает водообменной способность:!) идеальной дрены. Конструкция представляет собой гофрированную трубу с увеличенной высотой гофров, и перфорацией.на боковых стенках гофров.-Лри этой водоприемная площадь перфораций определяется по формуле _

се.зз)

где TU - частота гофров по длине трубы ;

яа^тужный и внутренний радиус- гофрироьанной трубы; m - процент перфораций от общей площади боковой поверхности гофрированной трубы. Б гл.З получена необходимость взаимной автономии объектов. В гл.4 установлено, что это достигается при^РгК)-^«», где Ft - силы сопротивления движению струи ; t -> направление движения ( в общем случае £=£(Л>УД) ). В гл.З получено так же, что автоматическая ГУС должна быть необходимо конст-" руктивко сложной, т.е. должны решаться все задачи, а конструктивная сложность должна быть минимальной, что приводит к требование гибкой автономии. В гл.4 установлена также необходимость борьбы с капиллярным перетоком иа-за неуправляемости на бьякжх площадях v фильтрационных- потерь. Из 'связи начальна градиентов с гистерезисом (гл.5) подучена необходимость уьелюгенкя зкжньг петли гистерезиса в статической характеристике hu » где "К«— уровень грунтовых вод на участке около его граккш ; h«.- ïTB на соседыем участке около его гргкшъ' с первым участком/ Б гл.5 подучена также теоретичес-. кдя гозможность создания завесы из воздуаных пузырьков.

¿се это использовано при разработке способа создан:ся гяСко? автономии гидромелиоративнкх'объектов, -Способ осуществляется специальными завесами на границах мелиорированных

- 3*

участков. Завесу создают за счет погружения в глубину водоносного пласта инъекторов, через которые нагнетает воду, аэрированную под давлением, больтом гидростатического давления в грунтовых водах на глубине нагнетания. Для ликвидации завесы УГВ поднимают вьпе минимальных норм осушения. На способ получено авторское свидетельство на изобретение.

3 гл.4 получены теоретические положения о дв;...знии воды в верхней зоне грунтовых вод, в том числе при капиллярном переливе через верх завес. 3 гл.4 получено также, что перелив происходит по законам установленного грунтозого сифона и что одним из методов исключения сифонного эффекта является срыв захуума» 5 гл.6 получено, что возможна кавитация воды з грунте и что это мокко использовать при управлении. Использование указанных результатов дало условия, исключающие капиллярный перелив: ^^

к*Ь>Ь.ва* , , (9.36)

г (9,37)

Ь£<Н*- » (9.33)

Нк<Н«~, (9.40)

где ккб - вертикальная проекция, выходной .части грунтового сифона (в земляной плотине- с ядром) ;

- вакуум, допустимый по условиям кавитации вода в грунте-;.

уЦС. - отметка выхода грунтового сифона в откос канала или земляной плотины;

- отметка верхнего бьефа грунтовой вода;

К* - высота капиллярного подъема в грунте, используемом в отсыпке зоны перелива мелиорированного участка

^ или тела плотины у гребня завесы;

Ну - высота завесы над поверхностью грунтовой вода в верхнем бьефе ;

Не* - расстояние- от подо чвы прослойки мелкозернистого грунта, залегающего нэпе гребкя завесы,. до гребня.

Техническая реализация подученных условий позволила подучить четыре новых конструкции сооружений для ГСС, I) За - ?ся„ которая вы:че уровня грунтовой воды в верхнем 5ъе£е снабжена . диафрагмой из гравийного грунта,- низ которой кснтактнруэт с' гребнем противоЗяльтрасиснноЯ завеса,., а верх выведен в откос

': * ■ 32

сооружения со стороны нижнего бьефа. 2) Плотина с ядром, низовая призма которой уложена с постепенным укрупнением гра-" кулакетрического состава грунта снизу вверх. 3) Плотина с ядром, часть тела которой со стороны верхнего бьефа от уровня воды в верхнем бьефе до уровня гребня ядра выполнена из грунта, имег-ощего высоту капиллярного поднятия меньтуга, чем Еысота гребня ядра над верхним бьефом. 4) Противофильтраци-онная завеса, которая въгзе УГБ верхнего бьефа снабжена направленной вверх диафрагмой из гравия, низ которой контактирует с гребнем завесы, а верх выходит на поверхность земли. На две из четырех разработанных для Г!Х конструкций сооружений получены авторские свидетельства на изобретения..

Использование установленных в гл.З и 4 требований к датчику УГВ, положений о ноль-давлении (гл.£ и 4) к показателе динамичности Кс скважины позволяло разработать устройство для измерения УГБ' в условиях автоматического управления. Устройство состоит из системы зафиксированных в грунте перфорированных емкостей, донья которых смещены вертикально на величину точности измерения УГВ, а фиксация уровня производится е момент образования свободной поверхности вода в емкости. Устройство имеет близкие к .идеальным статическую и динамическую характеристики. Позволяет измерять первую и ето-рул производные от изменения УГВ, что в соответствии с результатами гл.? даёт возможность осуществления управления с предварением, которое существенно снижает инерционность гидромелиоративного объекта. Устройство защищено авторским свидетельством на изобретение.

"г гл.с падучекс, что для контрольной скважины необходимо с

о=» (9.41)

-Анализ гесмегриче ских тел на-основе (5.41) и теории автоматического управления позволил получить формы выгодного сечения сквгжккы, для которых '*- ;

Ва <9.43)

чл. п

£ результате, разработана конструкция датчика УГЗ, отличающегося тек,,, что его труба имеет ф-зрс' инека, № -боковых по-ьергьоеггх которого 1гмеется перфорация. На датчик получено аэтзрехэе свидетельство на кзобретегже.

Лря исследовании проблемы параметра состояния (гл.Л) получена теоретическая осноеэ нового принципа измерения УГЗ без механического разделения видов воды. 3 гл.4 изложены теоретические положения распознания видов воды без механического разделения и получены формулы состояния вода по внутреннему давлени.0. "з этих положений получено, что датчик ¿ТВ должен выполнять интегрирование в соответствии с этими формулами, а таю:е быть инвариантным я изменениям атмосферного давления. Использование этих результатов, а также материалов из гл.Б о трубе с грунтом как идеальном первичном преобразователе позволило разработать новое устройство для измерения УГЗ в условиях автоматического управления. Оно состоит из перфорированной обсадкой трубы, заполненной капиллярным материалом, и _ рефлектометрического измерителя чероховатости поверхности, установленного вьпге поверхности капиллярного материала. Устройство защищено авторским свидетельством на изобретение.

Глава 10. Система автоматического управления водным режимом торфяно-болотных почв гумидной зоны

Результаты теоретических и фундаментальных исследований (гл.1 - 3), а также результаты разработки средств соверленст-пования управления (гл.9) позволили разработать систему автоматического управления (САУ УГЗ). САУ состоит из объекта управления и авторегулятора. Объект ггрецстазлея участком земли с регулирующей сетью, соединенной с подаацгм и сбросным каналами, имеющими высокую и,соответственно низку» стабилизированные отметки поверхности вода э mix. Авторегулятор состоит из двух каскадов: основного к.дополнительного. 3 основной каскад пходят следуощ::е звенья. РефлектометрлческкЛ датчик уроькя воды в регулирующей сети, задающее птэт уроЕРнъ устройство, компаратор и трехпозиционнэе поляризованное реле. Реверснгный злектродвнгатель и два параллельных привода - к подаацему. л сбросному регулирующим органам. Привод представляет собой блочно-тросоЕое устройство с грузов и сильфонсм, сое;;".:;:еь-:::>г гидравлически через коммутационную трубку с регудирую^зл органом объемного типа. Дополнительный каскад вкхсчает щие звенья. Датчик УГВ типа "лаеа"» зада:.г;ее УГЗ устрсГ.ст'л, компаратор, устройство управления, осущестьдякзцее

Разработанная САУ отличается принципиальной простотой к позволяет увеличивать расстояния между регулирующими канала- ми, -поддеркиЕать УГБ на заданном значении при наличии расхода на испарение и транспирашга или притока от выпадения дождевых осадков, оперативно к точно изменять ¿ТВ в соответствии с технологическими потребностями сельскохозяйственного производства. При ртом компенсируется влияние на водный pe-аяш ке только оеадкоь и испарения, но и возможных изменений уровня, идущих со стороны транспортирующей сети. При переходе с увлажнения на осушение и наоборот CAÍ' осуществляет управляющее воздействие на мелиоративный сбъект практически без запаздывания. Разработана методика расчета САУ, крторгя позволяет рассчитывать автоматическое управление для услоеий ТОО^ЯНО-бОЛОТНЫХ ПОЧВ ГУМКДНОЙ зоны.

Глава II. Экономическая эффективность управления разработанной системой

r^rjí определения экономической эффективности усовершенствованного управления за базовую систему управления принята аналогичная TIC. ¿-стороннего регулирования, автоматизированная новейлими известными средствами, наиболее близкими по существенный признакам к новым разработанным средствам. Данные по объекту управления приняты наиболее характерные для тор-фяно-болотнкх почв гумидной зоны. Расчеты выполнены для пло»-гадп ICO га, на которой помечается 3 объекта управления, занимаемые под многолетние травы. Годовой экономический эффект определялся по формуле

3=[1СегЬК«МЬ*ЕК«)]У* , ' (II.I) .где Са - себестоимость зеленой массы по базовой системе, (л= 0,391 руй/ц;

Ct — себестоимость-заленой массы по новой системе, Ct= С, 143 яуб/д; /

\ - кориатиивЛ коэффициент эффективности капитальных вложений, J *СД5 ;

Кг — удельные капитальные затраты по базовой системе,

^ - удельные калгтадькые гатреты по новей системе,

<: \ • 4Р

У* - урожайность зеленок массы ка участке с новой системой управления, У*= 505 ц/га. "/-:ономичесний эффект 3 составил 161 руб/га.

Бремя окупаемости & средстз автоматического уяравле-шя определялось по формуле

• Ваэ8ь ' (П'3)

■де Ка - капитальные затраты по новой системе, К =435,48 руб/га;

33(- эксплуатационные затраты по новой системе, = 40,5 руб/га. ремя окупаемости составляет 4,1 года.

3 результате установлено, что управление разработанной АУ экономически целесообразно.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана теория параметра состояния мелиоративко—. о объекта управления. Эта теория позволяет оценить я выбрать птимальннй параметр состояния для различнкх типов меллоратив-ге объектов управления и различных условий та работы. Для зловий торфянсгболотных пслв параметром состояния объекта фавления установлен параметр "ноль-давления", который крс-

: всего оказался весьма продуктивным при изучении особенксс->¡1 движения свободной воде з области капиллярной хаГащ з ус-1гиях оперативного управления и разработке средстз автсмати-!Ского контроля водного режима мелиоративного объекта.

2. Разработана теория управляемости гидромелиоративных ;т-ок"тое. Теория позволяет оценивать управляемость водного лнмз ка различных гидроме.тлоратиннкх объектах пр:'. рарог.'.ч-

х тепах П'дрокрлиоратягнкх систем, проектировать коэнэ г;1;;-молиоратлБные системы с необходимой управляемостью к указы-2Т цуги совср'зекстБОЕакня гидромелиоративных систем. Уста-плгна перспективность управлетесх'.тх тюздоянос.?з2 гогяясн-аккых систем. Па основе разработанной теории создан «етад «струирорания гидромелиоративных систем.

3. Разработана теория езобедаой грунтовой зод^ сСлне-капкллярной яаймн з условклх агтсмаглчесхого уг,аглрк:*л,

этом установлены новые вида ггучтоРоД ео-хь'

аружено но5ов явление "грунтовый !!спсльос5ануе

•данной теории позволяет разрабатывать эффективные средства ' автоматического контроля и управления водным режимом мелиоративного объекта.

4. Установлена природа начальных градиентов сильтрацик ь условиях автоматического ¿-правления зчдным рекимом гидромелиоративного объекта, механизм к формы влияния начальных градиентов на управление. Полученные результаты позволяют улучлать статические" и динамические свойства мелиоративного объекта управления, повивать автономии мелиоративного объекта. На оскоЕе установленной пркрочы начальных градиентов разработан метод позьпеккя быстродействия управления и способ создания гибкой автономии мелиоративного объекта.

5. Установлены влияние кавитации на управление Бодни/ ре-г-имсм мелиоративного объекта, механизм каьктационной орозки элементов гвто.'латлчеекой гидромелиоративной с-истеми к закономерности ее протекания. Полученные результаты позволяют использовать кавитац/..з в управлении грунтовыми водами и снижать ьгхяяхс кавитации нг надежность управления водны« режимом мелиоративного объекта. Ка основе полученных результатов определен*: рег-ик^ работа автоматической польдернол гидромелиоративной система к гидропривода систему автоматического упраьле- ' кия мелиоративным объектом.

с. Получе™: математические модели динамики мелиоративного объекта управления. "одели позволяют изучать поведение ме--исглтиьн^э: сбъе;ггон управления ь различна условиях и проек-тирсвать системы .автоматического управления водным режимом

сзссяно-болстгЕзс почв. -

* ' • /

7. Разработаны теоретические основы устойчивости водного рс-т.ичэ ке.~?зрат»с£:-:ого объекта. Использование о тих основ позво-

определять,устойчивость водных рехимов с различными типами «слкоратагчас объектов и ре'гулятароЕ и различная: их пэра-метраки. Получек:-! методд достижения устойчивости. водного ре-

с. реотана теория контроля состояггия мелиоративного сбъ<гктг для ус.-.сРий оперативного управления. Получены иатсма-гнческие вгразх-сгя условий конструирования датчиков положения гдктзеногти гравитсдиснной грунтовой воды, ойладапдих мини-гпигьней гнерциокквети.,, определены методы получения безолибэч-;:и с пегзягтти ггэй пор.грхкосг/.. Использование

этс/ теории позволяет разрабатывать средства контроля состоятся мелиоративного объекта управления, отэечащив требованиям оперативного автоматического управления водным .реяммом отьекта.

Разработаны теоретические ссноеы позыдения быстродействия управления мелиоратиЕнш объектом. Использование этих основ позволяет совершенствовать конструкции транспортирующей и регулирующей сети, создавать новые конструкции гидромелиоративных систем и новые способы управления водным ре-ж:;.;ам мелиоративного объекта.

1С. Разработаны методы и средства увеличения расстояний ме;хлу регулирующими каналами объекта управления. Полученные средства позволяют в зависимости от. вида этих средств и естественных условий увеличивать названные расстояния от ■;о 3 раз.

II. Разработаны метода и средства повышения автономии мелиоративного, объекта управления. Использование подученных . средств позволяет обеспечивать высокую точность управления, существенно различный уровенный режим на соседних мелиоративных объектах, независимость уроненного режима объекта от транспортирующей сети, экономное расходование воды.

Разработаны методы и средства измерения положения ЮЕерхности гравитационной грунтовой воды для условий автоматического управления. При этом получено три принципиально различных метода измерения и разработано три основных типа, сонструкций датчиков. Датчики позволяют измерять с высокой •очностьи положение поверхности гравитационной грунтовой во-;и при оперативных управлениях.

13. Разработана система автоматического уггрз.Едекпд вод— ым режимом торфяно-болотной почвы и методика ее расчета, истема позволяет осуществлять оперативное управление ео^кьм ежимом торфяно-болотной почвы а условиях гум;!дкой зоны, йеспечивая высокую точность управления боднш ресшом, я бладает существенным экономическим эффектом.

14. Создано 10 изобретений, поэволяидкх осуществлять травление водным ре.чзта*ом торфяно-болсткых псчэ на ныслг;» !ровом уровне.

Основное, содержание диссертации опубликовано в следуоцих работах автора:

1. Оценка принципов автоматического регулирования водного режима мелиорированных болот /'/Доклады IX научной: конференции Лгт.СХА,— Каунас, 1Э74.- С.371-372.

2. Исследование управляемости-гидромелиоративного объекта регулирования //Эксплуатация мелиоративных систем в зоне . избыточного уЕлшжнения. Сб.БелНЖЫиЗХ.-Ущ., 1Э74.-С.78-83."

3. Оценка пригодности мелиорированных объектов для авто-¿лггнзпрсвгяного управления водным режимом //Мелиорация и водное хозяйство.— «е.; Урожай, 1Э74, & 13.- С.2Э-ЗЭ. (Соавтор Сельчанок Б.Л.)_.

4. Исследование динаютеских свойств мелиоративного объекта регулирования по каналу ьозглущеаия //Мелиорация переувлажненных зечель. С5.Бел£331.1пВХ.- н., 1Э74.- С.£3-33.

5. Исследование самовыравнивания гидромелиоративного оОьежта регулирования //Водное хозяйство Белоруссии.- Зып.4,-Пк.: Бнсзй^ая скола, 1374.-С.118-123.(Соавтор Сельченок З.И.).

о. Структура мелиоративного объекта автоматического регулирования //Комплексная мелиорация земель и эксплуатадня гидромелиоративных систем. С5.БЗНА.- Вып.17,- Горки, 1376.-С. 14 4-151."

7. Иеханиза каЕитационной эрозии //Пелиорация и гидротехника. С5.Б31А,- Вып.57.- Горки, 137Э.- С.13Э-П7.

£. Лрирсдв начальных градиентов фильтрации //Водное хо-зл!ство г гидротехническое строительство.- Вып. 12.- .: Ьа--322&Н стала, 1^52,- 232 с. • __

Э. Исследование устойчивости водных регимоЕ торсяно-бо--".сгпонвы //-утл повышения продуктивности мелиорированных тс.рфнных почв 2 выработанных.торфяников.- Киров, ХЭВЗ.-С.53-51.

13. ?! природе начального градиента фильтрации //Геология г гесгрсфпя.- Бпп.5.- Изд.ЕГУ, 1233,- С.25-31.

11. К прогнозированио интенсивности к£Влтаапонно£ эрозии в гидросооружениях //Водное х^зяйстео и гидротехническое стро-

Пл.: Ьыпзйпая 13Б4.- С. 63-31.

12. Спсзсб создания жеьитецип в жидкости: Л.с. 1337053 233?, 1331 й 21 Н 23/30.- 3 с. Не подлежит опубликования в

отггт-^тс-»* пьт^зтль«

13. Некоторые ноьае расчета ш кавзтзцта //СЗ.БСХА.-'орки, Ш5.- G.67-71. ' ■ .

14. Устройство для определения водоцронпцаеьюстя связных 'рунтов: A.c. 1263858 СССР~, ЖI G 01 33/24.- 2 е.: -зд. '

15. Устройство для измерения уровня грунтовых вод: A.c. 262293 СССР, иХИб" 31 Я 23/28,- 2 е.: ид..

16. Способ создания зегояошд мелиоративного объекта ароматического уаравленяя'/Доыплексная глелиорзазя а гпдротех-ика в БССР. Сб.БСХА. Горки, 1Эо6.

17. О степени необходимой конструктивной слозноотл гдд-омелаоративных саетем автоматического управления /Дс^ддэкс-ая мелиорация а ггдротехняка з БССР. СЗ.53IAГорка, 138с.'•

IS. Способ создания дротивофллырзшоЕной завесы а гр;з-э: Д.о. 1247448 СССР',. «КИ 3 Q2 В 3/16.- 2 а.

19. Устройство для измерения уровня грунтовых вод: A.c. 282366 СССР," Ш. 3 21 В 47/04,- 4 с.: ил. (Соавтор Кумачез

.и.). •• -■..••

20. Устойчивость нелинейной гидромелаоратввыоИ одстзгы 5гулированпя водного режима почвы //Водное хозяйство а гадро-* »хническое строительство.-Выд.16.-Уя..: Вышэ2шая школа, 1Э£5#.-' ,33-36.

21. Дротивофильтрациоааоа'устройство: A.c. I35J23S СССР, 11 Е Сй В 3/16.- 2 е.: ил.

22. Плотина: A.c. I4288J0 СССР, МНИ 3 02 3 7/J0.- 2 c.i

23. Особенности капиллярной и граЕитацдонао! воды в ус-йиях автоматического управления водным режимом почвы.- а., 68.-; 24 е.- Деп.во БШИТЗЯагропром 11.04.SS, .'5 253.

24. О течении капиллярной KaiLva в условиях авто::атачес-го управления уровнями грунтовых зод.- М., I98S.- 13 с.-п.во ВНйИГЗИагропром .11.04.83, S 254,

25. Конструирование гидромелиоративной chctskj на основе годов теории автоматического управления.- Ii., 1953.- I? а. . д.во Effi&uЗИагропром 27.06.88, $ 391.

26. Разработка основных полот.ений теорял контроля уроаая /нтовых вод-в динатачееккх режимах.- У., 1ЭЗЗ,- 12 е.- Даа-БШЗГРЭИагропром 27.06.SS» Л 355.

; 27-Устройство для определения уровнк грунтох-нх вод: L 15820ГЭ СССР, 1ИИ & Ol f 23/22.- 4 а.: ад. (Соавтор Ка-Uo В.Я.).

26. Способ стабилизации уровня грунтовых вод: A.c. 1542334 СССР, ЖЕ Е 02 Л /3D.- 4 с.: ид.

2Э. Систем автоматического управления уроннеи грунтовых гзд. A.c. (д.р.4733Ж)СС;СР', Ш 2 32 2 11/30.- 5 е.: ел.

30. Сдстеда автоматического управления уровнем груято-2HZ вод: к.о. 1636603 СССР, ¿ЕИ 2 02 Б II/DJ.- 6 е.: ил.

Пезписевс к печати ЗО.О&.ьЗ г. ^SS €ОЕБ4/1Ь.Ойее«мя мет*.

Бтм.пхсчая.Обьёк 2 веч.л.

533.И?" ЮО »жа.

йзмвехево ва ромприн» управления