Электрофизические методы и средства контроля и управления сельскохозяйственными технологиями
На правах рукописи
Загинайлов
Владимир Ильич
Электрофизические методы и средства контроля и
управления сельскохозяйственными технологиями
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва 2007 1
Работа выполнена на кафедрах «Информационно-управляющие систе мы» и «Теоретические основы электротехники» Федерального государствен ного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Го рячкина» (ФГОУ ВПО МГАУ имени В.П. Горячкина)
Научный консультант: лауреат государственной премии РФ, академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Бородин Иван Федорович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Воробьев Виктор Андреевич доктор технических наук, профессор Баев Виктор Иванович доктор технических наук, профессор Сторчевой Владимир Федорович
Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Всерос сийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (ГНУ ВИЭСХ)
Защита состоится 12 ноября 2007г. в 13.00 на заседании диссертацион ного Совета Д 220.44.02 в ФГОУ ВПО МГАУ имени В.П. Горячкина по адресу 127550 г. Москва, ул.Тимирязевская, 58.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан «» 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного cовета, доктор технических наук, профессор С.П. Рудобашта Общая характеристика Актуальность темы. Проблема полноценного и безопасного питания человека является сегодня одной из самых важных социальных и научных проблем. Она обостряется с ростом народонаселения Земли и его непрерыв ным стремлением к улучшению качества жизни, что достигается за счет всё возрастающего потребления материальных и энергетических ресурсов плане ты и сопровождается загрязнением окружающей среды экологически вред ными химическими веществами, тяжёлыми и радиоактивными металлами, приводит к заболеваниям живых организмов и их заражению болезнетвор ными микробами и вирусами.
Основываясь на результатах научных исследований и работ в области электротехнологии и учитывая хемоэлектромагнитные процессы, происхо дящие на уровне биологических клеток, предлагается решение проблемы, связанной с увеличением продуктивности сельскохозяйственной продукции, улучшения её качества и безопасности при минимальных материальных, энергетических затратах и воздействиях на окружающую среду и за счет со вершенствования и разработки электрофизических методов и средств кон троля и управления сельскохозяйственными технологиями, основанными на контроле электрических свойств сельскохозяйственной продукции и методах её визуализации.
Разработка и совершенствование электрофизических методов и средств контроля и управления сельскохозяйственными технологиями и создание на их основе информационно-управляющих систем сельскохозяйственных тех нологий, работающих с учётом собственных систем регуляции живых орга низмов, воссоздающих себя в процессах обмена с окружающей средой в со ответствии с генетической программой, заложенной в них природой, являет ся актуальной и практически значимой проблемой сельскохозяйственного производства.
Исследования указанной научно-технической проблемы выполнялись автором с 1979 года в соответствии с государственной научно-технической программой 0.51.21 «Разработать и внедрить новые методы и автоматизиро ванные технические средства применения электрической энергии в техноло гических процессах сельскохозяйственного производства» и планами НИР ФГОУ ВПО МГАУ имени В. П. Горячкина.
Цель и задачи исследования. Совершенствование электрофизических методов и средств контроля и управления сельскохозяйственными техноло гиями, обеспечивающих максимально полную реализацию генетического по тенциала сельскохозяйственных растений и животных.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
осуществить анализ современных технологий производства сельскохо зяйственной продукции и определить тенденции развития методов, систем и средств контроля и управления её параметрами;
систематизировать и классифицировать параметры жизнеобеспечения и управляемые электрофизические параметры сельскохозяйственной продук ции, сельскохозяйственные технологии, электротехнологии, системы контро ля и управления ими;
выявить механизм наноэлектротехнологий биологической клетки, усо вершенствовав электротехническую модель её мембраны;
разработать математическую модель электрофизических процессов, происходящих в биологических клетках и объектах;
разработать математические модели электрических свойств и визуали зации биологических объектов;
создать технические средств электрофизического контроля и управле ния сельскохозяйственными технологиями, провести их испытания и оценить технико-экономическую эффективность.
Объект исследования. Биологические объекты сельскохозяйственной продукции, сельскохозяйственные технологии и электротехнологии, техни ческие средства контроля и управления параметрами сельскохозяйственной продукции.
Предмет исследования. Электрофизические методы определения ко личественных и качественных параметров сельскохозяйственной продукции и её безопасности;
математические модели электрических свойств и визуали зации биологических объектов.
Методы исследования. В основу теоретических и экспериментальных исследований положен системный подход. Использовались методы матема тической статистики, корреляционного и регрессионного анализов, методы активного планирования эксперимента, дифференциального и интегрального исчислений, математического моделирования и программирования с приме нением ЭВМ и компьютерных прикладных программ.
Научная новизна. Выполненное исследование позволило получить следующие новые научные результаты:
систематизированы и классифицированы параметры жизнеобеспечения и управляемые электрофизические параметры сельскохозяйственной продук ции, сельскохозяйственные технологии, электротехнологии и системы кон троля и управления ими;
раскрыт механизм наноэлектротехнологий биологической клетки и усо вершенствована электротехническая модель её мембраны;
разработана математическая модель электрофизических процессов, про исходящих в биологических клетках и объектах, для состояний: покоя, сти муляции, угнетения, возбуждения (стресса) и электрического пробоя мем бран, являющаяся основой для осуществления контроля процессов жизнедея тельности биологических объектов при внешних воздействиях;
разработаны математические модели электрических свойств и визуали зации биологических объектов, используемые при контроле и управлении параметрами сельскохозяйственных технологий.
Практическая ценность исследования заключается в следующем:
разработанные математические модели являются основой для совер шенствования электротехнологических установок контроля и управления сельскохозяйственными технологиями;
разработан комплекс технических средств электрофизического контроля и управления сельскохозяйственными технологиями;
создана блочно-модульная основа информационно-управляющих систем сельскохозяйственными технологиями и намечены пути планомерного пере хода от техногенно-интенсивных технологий к интенсивным биоэкологизи рованным и биоинформационным, обеспечивающим максимально полную реализацию генетического потенциала сельскохозяйственных растений и жи вотных.
Внедрение результатов исследований. Проведенное исследование апробировано в ГНУ ВИЭСХ и других научно-исследовательских институтах и вузах, признано перспективным для дальнейших научно-практических раз работок по снижению материальных и энергетических затрат производства сельскохозяйственной продукции на основе предложенных соискателем электрофизических методов контроля и управления сельскохозяйственными технологиями и математических моделей электрофизических процессов, происходящих в клетках живых организмов. Результаты исследования также использованы в изданных автором монографии, учебнике и учебных пособи ях для студентов сельскохозяйственных техникумов, колледжей и вузов.
На основе полученных в исследовании результатов создан комплекс технических средств электрофизического контроля и управления сельскохо зяйственными технологиями, включая: устройства контроля влажности сель скохозяйственных материалов и контроля процессов самоконсервации и хра нения зерна;
электроактиватор микробиологических процессов;
электронно оптическую систему визуализации живых организмов, которые внедрены в ряде хозяйств и сельскохозяйственных предприятий. Результаты испытаний и апробации проведенных исследований подтверждены соответствующими документами приведенными в приложении к диссертационной работе.
На защиту выносятся:
систематизация и классификация параметров жизнеобеспечения и управляемых электрофизических параметров сельскохозяйственной продук ции, сельскохозяйственных технологий, электротехнологий, систем контроля и управления ими;
механизм наноэлектротехнологий биологической клетки и усовершен ствованная электротехническая модель её мембран;
математическая модель электрофизических процессов, происходящих в биологических клетках и объектах для состояний покоя, стимуляции, угнете ния, возбуждения (стресса) и электрического пробоя мембран;
математические модели электрических свойств и визуализации биоло гических объектов;
комплекс технических средств электрофизического контроля и управле ния сельскохозяйственными технологиями.
Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на ежегодных научных и научно-практических международных конференци ях профессорско-преподавательского состава МГАУ имени В. П. Горячкина с 1979 по 2007 гг.;
всесоюзных и всероссийских научно-технических симпо зиумах, конференциях и семинарах: «Высокоэффективные электротехноло гии по производству продуктов сельского хозяйства, их переработке и хране нию» (г. Москва, 1993), «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России и повышения качества техники» (г. Москва, РАСХН, 1996), «Высокоэффективные электротехнологии и биоинформационные системы управления АПК» (г. Москва, 1997), «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (г. Углич, 2000, 2004), «Состояние и проблемы измерений» (г.
Москва, 2002), «Автоматизация и компьютерные технологии в АПК» (г. Мо сква, МГАУ, 2002), «Достижения вузовской науки – агропромышленному производству» (г. Москва, МГАУ, 2003), «Автоматизация технологических процессов в сельском хозяйстве» (г. Москва, МГАУ, 2004), «Современное состояние и перспективы развития селекции и семеноводства овощных куль тур» (г. Москва, ВНИИССОК, 2005), «Наноэлектротехнологии в сельском хозяйстве» (г. Москва, МГАУ, 2006), «Интеллектуальные системы» (AIS”05) и «Интеллектуальные САПР» (г. Таганрог, 2005), «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, ВИЭСХ, 2006), «Сис темный анализ в проектировании и управлении» (Санкт-Петербург, 2006), «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процес сов в сельском хозяйстве» (г. Углич, 2006), «Научно-технический прогресс в инженерной сфере агропромышленного комплекса России: методология и практика оказания интеллектуальных услуг сельскохозяйственному произ водству» (г. Москва, РАСХН, 2006).
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубли кованы в 115 печатной работе, включая монографию, 5 учебников и учебных пособий, 8 авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, библиографического списка (425 на именований) и приложений, изложена на 294 страницах машинописного тек ста, содержит 92 рисунка и 15 таблиц.
СОДЕЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность дальнейшего совершенствова ния методов и средств электрофизического контроля количественных и каче ственных параметров сельскохозяйственной продукции и её безопасности;
разработки и совершенствованию информационно-управляющих систем сельскохозяйственных технологий;
определены цель и задачи исследования, охарактеризованы научная новизна и практическая ценность, сформулирова ны основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ состояния производства сельскохо зяйственной продукции и тенденций развития методов, систем и средств контроля и управления сельскохозяйственными технологиями, обеспечи вающих максимально полную реализацию генетического потенциала сель скохозяйственных растений, животных и получение высококачественной и безопасной продукции в количествах, необходимых для удовлетворения по требностей народонаселения страны в продуктах питания, кормах для жи вотных и сельскохозяйственных материалах.
Сельскохозяйственная продукция состоит из живых организмов – био логических объектов (БО): растений, животных, птиц. Если для получения промышленной продукции (П) необходимы технические средства производ ства (ТСП), производительные силы (ПС), вещество (В), энергия (Э) и техни ческая информация (ТИ): проекты, чертежи, документация, регламентирую щая последовательность выполнения технологических операций (рис. 1а), то сельскохозяйственная продукция (СП) может быть воспроизведена (в био геоценозах) при наличии: В, Э и информации (И) об изменении параметров окружающей среды (рис. 1б) – за счет процессов метаболизма, под управле нием собственных генетических систем регуляции.
ТИ И В В П СП Технические средства Сельскохозяйственная производства продукция Э Э а б ПС Рис. 1 – Схемы производства сельскохозяйственной продукции Объёмов СП, производимой в биогеоценозах (где между видами идёт борьба за выживаемость в ущерб урожайности, продуктивности и качеству), недостаточно для удовлетворения потребностей общества, поэтому её произ водство осуществляется в агротехнологиях, в которых СП, являясь объектом контроля и управления используется, наряду с ТСП, как средство для произ водства предмета труда – СП, а человек (ПС) создает ТИ, выполняет техно логические операции (вручную или с использованием ТСП) и осуществляет операции контроля и управления производством СП, получая информацию о параметрах процесса с помощью своих органов чувств или контрольно измерительных приборов и средств автоматизации.
Над проблемой интенсификации производства и повышения качества сельскохозяйственной продукции, установления связей её количественных и качественных параметров с входными воздействиями (возмущающими и управляющими) и разработкой на этой основе систем управления (програм мирования) продуктивностью (урожайностью) и качеством СП работали и работают выдающиеся российские и зарубежные учёные в области растение водства, животноводства, птицеводства, механизации, электрификации и ав томатизации сельскохозяйственного производства.
Агротехнологии, используемые сегодня, – это высокоавтоматизиро ванные и электромеханизированные системы, способные обеспечить высо кую урожайность сельскохозяйственных растений и продуктивность живот ных и птиц. Весомый вклад в создание и совершенствование современных агротехнологий и их информационно-управляющих систем внесли И.Ф. Бо родин, И.А. Будзко, И.И. Мартыненко, Г.И. Назаров, А.И Викторов, В.А. Во робьев, Е.А. Воронин, В.А. Грабауров, Н.И. Кирилин, В.Р. Краусп, А.М. Му син, В.Т. Сергованцев, Р.М. Славин, Д.С. Стребков, Ю.А. Судник, А.В.Шавров, В.Д. Шеповалов, Л.П. Шичков и многие другие учёные.
Тем не менее следует признать, что в настоящее время в сельскохозяй ственном производстве всё-таки преобладают техногенно-интенсивные тех нологии, характеризующиеся высокими материальными и энергетическими затратами и загрязняющие окружающую среду, вследствие чего снижаются качество и потребительские свойства СП. Кроме того, из-за возросших объё мов производства СП, скоростей её обработки и переработки, человек (опе ратор) не в состоянии справиться с потоком получаемой стохастической ин формации, которую необходимо оперативно обрабатывать, принимая пра вильные решения и одновременно управляя производственным процессом, что также отрицательно влияет на качество и потребительские свойства СП.
Выход из создавшегося положения во внедрении в сельскохозяйствен ное производство информационно-управляющих систем – систем точного земледелия и животноводства. Пути перехода к этим системам намечены в работах Л.Б. Кормановского, Ю.Ф. Лачуги, Н.М. Марченко, Н.М. Морозова, Б.А. Рунова, В.П. Якушева и других учёных.
Объектом контроля и управления систем точного земледелия и живот новодства является сельскохозяйственная продукция, состоящая из отдель ных БО: растений, животных, грибов, микроорганизмов (рис. 2).
Воздействия на биологический объект – параметры жизнеобеспечение Управ-мые параметры управляющие возмущающие fvi fri fwi fsi fzi fpi fqi fci fui fi fgi µpi БО Свойства биообъекта µri Генераторные Параметрические µwi ЭМП АП ФХС ЭФС m Х НЧ µsi НЧ Ж ВЧ и СВЧ g µzi W µvi k ИК p () УЗИ В s I Рис. 2. Классификация параметров жизнеобеспечения и управления биологических объектов Учитывая, что все живые организмы возникли, эволюционировали и функционируют под воздействием факторов окружающей среды, являющих ся определяющими жизнедеятельность биологических объектов, назовем эти факторы параметрами жизнеобеспечения и разделим на:
fi – возмущающие воздействия, т.е. воздействия, оказываемые окру жающей средой на СП по: fri – питанию;
fwi – влагообеспечению;
fsi – возду хообеспечению;
fzi – экологически вредные биотические и абиотические воз действия, радиоактивных и тяжелых металлов;
fpi – акустические и механиче ские воздействия;
fvi – электромагнитные воздействия, в том числе fqi – теп лообеспечение и fci – светообеспечение, fui – низкочастотные и высокочастот ные и fi – ионизирующие электромагнитные (ЭМИ);
fgi – влияние гравита ции: сил тяжести Земли, Солнца, Луны и других планет Солнечной системы;
i – управляющие (регулирующие) воздействия, создаваемые ТСП сельскохозяйственных технологий и призванные устранить возмущающие воздействия окружающей среды на СП по: ri – питанию;
wi – влагообеспе чению;
si – воздухообеспечению;
zi – защите от экологически вредных био тических и абиотических воздействий;
pi – акустические и механические воздействия;
vi – электромагнитные воздействия, в том числе qi – тепло обеспечение и ci – светообеспечение;
ui – низкочастотные и высокочастот ные и i – ионизирующие ЭМИ.
Следует отметить, что:
любой из вышеназванных параметров жизнеобеспечения БО является интегральной совокупностью i – факторов, определяющих этот параметр;
одноименные возмущающие и регулирующие воздействия в сумме со ставляют соответствующий параметр жизнеобеспечения СП, в том числе и оптимальный;
вышеперечисленные параметры делятся на вещественные и энергетиче ские. К вещественным отнесем элементы питания, водо-, воздухообеспече ния и экологически вредные факторы окружающей среды;
к энергетическим – механические и акустические воздействия;
силы гравитации;
электромаг нитные воздействия, включая теплоту, свет, низко- и высокочастотные и ио низирующие излучения. Все параметрам жизнеобеспечения воспринимаются БО на информационном уровне и используются ими в работе собственных систем регуляции: генетической, организменной и клеточной;
к влиянию fgi – сил гравитации БО хорошо адаптировались, имея систе мы регуляции своего положения в земных условиях, и это надо учитывать при проектировании систем управления производством СП;
получение высококачественной продукции с максимальной продуктив ностью возможно только при обеспечении СП всеми параметрами жизне обеспечения и при их оптимальных величинах.
Благодаря проведённым научным исследованиям и работам Н.А. Ар темьева, М.Г. Евреинова, В.И. Баева, А.М. Басова, И.Ф. Бородина, Е.Н. Жи вописцева, И.Ф. Кудрявцева, С.П. Лебедева, Г.В. Новиковой, Л.Г. Прищеп, В.Ф. Сторчевого, В.И.Тарушкина, В.Н. Шмигеля, Н.В. Цугленка и многих других ученых в сельскохозяйственном производстве широко используются электротехнологии – непосредственные электромагнитные воздействия на СП в широком диапазоне их изменения от постоянного тока до ионизирую щих излучений.
Однако несмотря на практические успехи электротехнологий, остаётся невыясненным электрофизический механизм воздействия на БО многих па раметров жизнеобеспечения, в том числе электромагнитных полей во всём диапазоне их изменения. Не дано объяснение, почему при малых дозах воз действия происходит стимуляция жизнедеятельности биологических объек тов, а при высоких – их угнетение и гибель, даже иногда без разрушения мембран клеток.
Производство высококачественной и безопасной СП, в том числе и с использованием систем точного земледелия и животноводства невозможно без технических средств контроля их m – количественных и k – качественных параметров. Для оперативного контроля этих параметров широко использу ются способы, основанные на измерении электрофизических свойств (ЭФС) БО: – диэлектрической проницаемости;
g – активной проводимости;
I – ин тенсивности электромагнитной или акустической волн;
оптических коэффи циентов () – поглощения и () – отражения энергии излучения и других корреляционно связанных с m- или k- параметрами БО: X – химическим со ставом;
Ж – жизнеспособностью;
p – объёмной плотностью;
W – влажно стью;
s – перемещением и другими.
БО являются источниками электромагнитных (ЭМП) и акустических (АП) полей. ЭМП БО изменяются в диапазоне от низких частот (НЧ) до вы соких ВЧ и сверхвысоких СВЧ, инфракрасного (ИК) и видимого (В) диапа зонов;
акустические – от НЧ диапазона до ультразвуковых излучений (УЗИ).
Системы оперативного контроля параметров количества и качества СП могут быть основаны на измерении параметров ЭМП и АП, например, на контроле – поверхностных или мембранных биоэлектрических потенциалов.
Современный уровень развития систем оперативного контроля пара метров сельскохозяйственных технологий базируется на теоретических по ложениях и методах электрического, оптического и ультразвукового контро ля, разработанных А.М. Башиловым, М.А. Берлинером, А.С. Гордеевым, А.И. Мартыненко, Ю.П. Секановым, М.Ф. Трифоновой и др.
Однако в этих работах не учтено, что СП состоит из живых организ мов, обладающих собственными электромагнитными полями. В работах И.И.
Гунара, А.И.Мартыненко, Ю.Х. Шогенова, М.М. Фомичёва, посвященных исследованию поверхностных биоэлектрических потенциалов (БЭП) не про анализирована их взаимосвязь с электрофизическими явлениями, происхо дящими на клеточном уровне. Биофизики В.Ф. Антонов, М.В. Волькен штейн, А.Н. Волобуев в своих работах по исследованию мембранных БЭП также не учли, что биологические клетки являются живыми организмами и для питания, кроме потенциалообразующих ионов Na+, K+, Ca, Cl, H, им необходимы и другие ионы и полярные молекулы, транспортируемые че рез мембрану и используемые клеткой при синтезе органических веществ.
На основе анализа методов и средств контроля параметров сельскохо зяйственной продукции нами установлено, что наиболее перспективными яв ляются электрофизические методы контроля параметров СП, позволяющие оперативно и в реальном времени получать биоинформацию об изменяю щихся свойствах живых организмов, что может быть использовано для соз дания систем контроля и управления ростом и продуктивностью биологиче ских объектов, систем контроля и защиты их от болезней, болезнетворных микроорганизмов и вирусов.
Во второй главе рассмотрены наноэлектротехнологии биологических клеток и обоснована значимость собственных электрических полей и токов для жизнедеятельности биологических объектов. Жизнедеятельность сель скохозяйственной продукции начинается с наноуровня, с синтеза из ионов, атомов и неорганических молекул простых органических молекул (ПОМ) в соответствии с генетической программой, записанной в ДНК каждой клетки.
Для синтеза органических веществ необходимы энергия, вещество и инфор мация (рис. 1б). Производство энергии, транспорт веществ, создание и пре образование информации в живых организмах осуществляется с использова нием электрической энергии.
Производство энергии. Для обеспечения процессов жизнедеятельности в клетках используется химическая энергия молекул – аденозинтрифосфат (АТФ). Производство АТФ осуществляется в органеллах клеток: хлоропла стах и митохондриях. Хлоропласты содержатся в клетках зелёных растений, митохондрии – во всех клетках живых организмов.
Хлоропласты (рис. 3а) имеют внешнюю 1 и внутреннюю мембрану – мембрану тилакоида 2 и способны преобразовывать h – энергию квантов солнечного света по цепи: h H+ Т WАТФ ПОМ.
h h 1 2 O – e 1 2 C6H12O6 O – e + H H+ H+ H+ H+ H+ крист H2O e– CO т O2– к люмен C3H4O + + + H H2O H H O2– O2– e– H+ e– Ф + АДФ O2– Ф + АДФ АТФ H+ + + строма H H протонный резервуар C6H12O6 АТФ CO а б Рис.3. Производство энергии в органеллах биологических клеток Энергия фотонов h расходуется на фотолиз молекул воды в люмине тилакоида на кислород О2, ионы водорода Н+, электроны е– и перенос е– в полость стромы хлоропласта. На мембране 2 создается разность потенциалов т: за счет электрохимического потенциала н+ ионов водорода, образующих на её внутренней стороне положительный заряд и электронов, образующих на её внешней стороне отрицательный заряд. Величину т определим по формуле Нернста – по величине равновесной i-той ЭДС на мембране, обра зованной диффузией через неё i-тых ионов:
RT Cci ln Ei =, (1) Zi F Cbi где Еi = т;
R – универсальная газовая постоянная;
T – абсолютная темпера тура;
F – постоянная Фарадея;
Zi – валентность i-того иона, т.е иона водоро да;
Cci, Свi – концентрации в данном случаи ионов водорода, соответственно находящихся внутри и снаружи тилакоида хлоропласта.
При достижении т 150…200 мВ на мембране 2, протоны водорода, находящиеся в люмене тилакоида, силой электрического поля продавлива ются через открывающиеся в мембране 2 каналы АТФ – синтетазы в строму хлоропласта, возбуждая молекулы ортофосфорной кислоты (Ф). Возбужден ный Ф вступает в реакцию с аденозиндифосфатной кислотой (АДФ), образуя кДж /моль. В строме хло молекулы АТФ, обладающих энергией WАТФ=31, ропласта из молекул углекислого газа и водорода с использованием энергии молекул АТФ синтезируются ПОМ: глюкоза (С6Н12О6), лактоза и другие, в которых идет накопление энергии солнечного света.
Животные, птицы, грибы и растения в ночное время суток энергию по лучают за счет аэробного дыхания – медленного горения ПОМ в митохонд риях – природных топливных элементах (рис. 3б). В организмах животных ПОМ образуется за счёт диссоциации поглощенных органических веществ.
Митохондрии, как и хлоропласты, имеют внешнюю 1 и внутреннюю 2 мем брану – мембрану крист митохондрий. Генерирование химической энергии молекул АТФ происходит по цепи: ПОМ н+ кWАТФ, где к – раз ность электрических потенциалов на мембране крист митохондрий.
За счет гликолиза ПОМ (С2Н12О6) на внешней стороне хлоропласта об разуются молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3) и АТФ. Молекулы С3Н4О3 переносятся в полость крист митохондрии, где происходит их окис ление кислородом О2. Выделившиеся в результате «горения» протоны Н+ и электроны е– на мембране крист разделяются: е– возвращаются в полость крист и окисляют кислород, Н+ транспортируется в протонный резервуар, образованный внешней 1 и внутренней 2 мембранами митохондрий.
Далее всё по аналогии с производством энергии в хлоропластах, но со сменой полярности на внутренней мембране 2. Величина к определяется по формуле (1), при этом к = Еi,;
Cci, Свi – концентрации ионов водорода соот ветственно в протонном резервуаре и в полости крист митохондрии.
При достижении критической разницы электрических потенциалов на мембране 2 протоны водорода, находящиеся в протонном резервуаре, силой электрического поля продавливаются через открывающиеся каналы АТФ – синтетаз в полость крист митохондрий, возбуждая Ф и образуя молекулы АТФ. Протоны водорода, попавшие в полость крист митохондрий, соединя ются с окисленным кислородом и образуют воду. Молекулы АТФ являются переносчиками свободной энергии, а не формой её запасания. Накопление энергии осуществляется в синтезируемых ОВ.
Энергия молекул АТФ расходуется на синтез ОВ, выполнение механи ческой работы, образование теплоты, получение и передачу информации или на транспорт питательных веществ и продуктов метаболизма через мембрану клетки. Так, сложные органические вещества растительного происхождения (ОВРП) синтезируются за счет энергии ПОМ (синтез ОВРП может осуществ ляться в дневное время и за счет энергии вырабатываемой хлоропластами, но в основном он осуществляется за счет энергии вырабатываемой митохондр мями ОВРП h H т WАТФ ПОМ н к WАТР ОВРП, а органические вещества животного происхождения (ОВЖП) за счет энергии ОВ по цепи: ОВ ПОМ H k WАТФ ОВЖП.
Транспорт веществ. Биологические клетки, являясь открытыми систе мами, постоянно ведут вещественный обмен с окружающей средой в виде молекул воды, кислорода (углекислого газа) и органических веществ и ио нов: катионов – K+, Na+, Ca2+, Mg2+, NH и анионов – Cl, SO42, NO3, HCO3, F и других. Обеспечение клеток питательными веществами, удаление из них продуктов метаболизма происходит через их мембраны. Их транспорт осу ществляется в соответствии с градиентами концентраций i-тых ионов и элек трического потенциала, образованного на мембране за счёт ЭДС i-тых ионов.
Величины i-тых ЭДС рассчитываются по уравнению (1) в зависимости от концентрации i-тых ионов: Cci – в межклеточной жидкости – снаружи клетки и Свi – в цитоплазме – внутри клетки.
Электрофизические процессы, происходящие на мембране клетки, мо гут быть объяснены с помощью электрической схемы замещения в виде ак тивного четырехполюсника (АЧП) с iвх – входным и iвых – выходным токами (рис. 4), значение которых определяют величины активных проводимостей:
g сн – межклеточной жидкости, gвн – цитоплазмы клетки, СМ – ёмкости мем браны и состояния клетки. Состояния клетки зависят от параметров элемен тов параллельных ветвей АЧП, состоящих из электродвижущих сил и актив ных проводимостей.
Рис.4. Электрическая схема замещения мембраны клетки в виде АЧП Учитывая, что все клетки являются живыми организмами и постоянно ведут потребление питательных веществ из межклеточной жидкости и уда ление в неё продуктов метаболизма, определим величину М – мембранного электрического потенциала через его пс – постоянную составляющую и – мгновенную переменную составляющую М = пс+ (2) Считая, что пс (в соответствии с известными работами по биофизике) большинства биологических клеток образована ENa – ЭДС ионов натрия и EK – ЭДС ионов калия, величины которых определяются в соответствии с выражением (1), найдем её для АЧП по методу двух узлов:
E g EK g K пс = Na Na, (3) g Na g K где g Na и g K – нелинейные проводимости, соответственно ионов Na+ и K+, зависимые от величины М.
Переменную составляющую, образованную разнонаправленным пере мещением положительных и отрицательных ионов питательных веществ и продуктов метаболизма через мембрану, определяем через её комплексную величину Е g (4) n g j Cм i i где g – суммарная активная проводимость, а Е – комплекс суммарной ЭДС i-тых ионов питательных веществ и продуктов метаболизма;
i – кру говые частоты i-тых токов, образованных i-тыми ионами;
n – общее количе ство ионов, перемещаемых через мембрану i-тыми ЭДС.
В АЧП можно определить по iC – ёмкостному току, зная величину n Cм или по i – суммарному току, зная величину g, где iC = i = ii – сумм i мгновенных токов i-тых ионов (за исключением токов ионов Na и K+, диф + фундирующих через мембрану), в том числе ионов Na+ и K+, перемещаемых через мембрану с помощью АТФаз, белков – переносчиков и микровезику лярного транспорта.
Проведённые расчёты М и моделирование электрофизических процес сов на мембране клетки с помощью электронной программы Electronics Workbench, в основу которых положены экспериментальные данные, полу ченные английскими учёными Ходжкиным и Хаксли, позволили определить м во N a и gвременном интервале пд – по численные значения, g всем K тенциала действия и вести расчёт токов, напряжений на элементах как в со стоянии покоя клетки, так и в состоянии её возбуждения с TВ – периодом возбуждения.
В состоянии покоя (рис.5а), биологическая клетка (участок мембраны клетки) находится при условии макс пс кп, (5) где пс= пп – потенциал покоя;
образован токами ионов натрия и калия и от рицателен по отношению к внешней поверхности клетки;
при расчётах полу чен равным –82,8 мВ;
кп – критический (пороговый) потенциал, при котором клетка переходит в состояние возбуждения;
в расчетах кп принят равным – 47,8 мВ;
макс – амплитуда – переменной составляющей М при нор мальных условиях питания составляет (0,05…0,1) пп кп, этим клетка за страхована от случайных возбуждений.
а б Рис. 5. Изменение мембранного электрического потенциала биологической клетки в состоянии: а – покоя (стимуляции), б - возбуждения Изменение М, в состоянии покоя может быть представлено в виде сиг нала, совершающего колебания вокруг пп с переменными амплитудой макс и частотой, определяемых изменениями концентраций i-тых ионов и полярных молекул, находящихся в межклеточной жидкости и в цитоплазме клетки, их подвижностью и скоростью перехода через мембрану. Потребле ние питательных веществ клеткой (живым организмом) может быть опреде лено по количеству потреблённых ею:
t W i dt, Вт·с;
энергии t q i dt, А·с;
количеству электричества (6) t m k i dt, кг, или вещества где t – время роста и развития живого организма;
k – коэффициент пропор циональности, кг/А·с.
В состояние возбуждения (рис. 5б) биологическая клетка (участок мем браны клетки) переходит при условии макс пс кп. (7) Это может произойти за счёт увеличения, например iвх, вызванного возбуждением соседней клетки (участка мембраны). В соответствии с (2) и (7), когда м становится равным или больше кп, клетка возбуждается. В момент м = кп за счёт открытия ионных каналов Na и K происходит скач кообразное изменение проводимостей вначале g Na, а затем и g K, что приво дит к изменению токов I Na и IK и клетка переходит в состояние возбужде ния. Мембрана клетки, за счёт накопленной электрической энергии, характе ризующейся величиной пп, мгновенно меняет полярность, возникает пд – потенциал действия и м в импульсе принимает положительное значение, равное потенциалу полного возбуждения (реверсии) клетки м = пв = пп + + пд (8) В состоянии возбуждения клеткой генерируется iвых, достигающий сво его максимального значения при м = пв Состояние возбуждения клетки ха рактеризуется TВ, определяемым по времени входа клетки в состояние воз буждения при м = кп и по времени выхода из него при м = пп. После со стояния возбуждения наступает Т Р – период рефракции, во время которого клетка нечувствительна к внешним возмущениям.
Находясь в состоянии полного возбуждения при м = пв, клетка приво дит в возбуждение соседние клетки (участки мембраны), и импульс потен циала действия передаётся от клетки к клетке. В зависимости от величины возмущающего воздействия изменяется частота следования импульсов и их количество, что и используется в информационно-управляющих системах ре гуляции жизнедеятельности биологических объектов.
Состояние покоя является естественным состоянием большинства био логических клеток, при котором они растут и развиваются. Вместе с клетка ми растёт и развивается весь живой многоклеточный организм (или отдельно взятая колония клеток), получающий в достаточном количестве и ассорти менте питательные вещества из внешней среды.
В состоянии покоя клетка может быть стимулирована путем увеличе ния интенсивности её питания, например, за счет изменения концентрации любого из ионов (увеличения снаружи и уменьшения внутри клетки). Она также может быть стимулирована и введена в состояние возбуждения внеш ним электрическим полем.
В состоянии возбуждения большинство клеток живых организмов ис пытывают стресс. Нервные клетки животных переходят в режим передачи информации, мышечные – выполнения работы. При продолжительном нахо ждении в состоянии возбуждения стресс вызывает большие энергетические затраты (утраты клетками запасов электрической энергии) вплоть до гибели клеток, при этом их мембраны не разрушаются.
Представим биологическую клетку в виде сферы (рис. 6, дано сечение), образованной её фосфолипидной мембраной толщиной hм. Электрическая напряжённость, вызванная м в любой точке мембраны клетки (на рис.6а, по казаны 4 точки направления и действия ЕМ), равна EM= М/hM (9) а б в Рис. 6. Изменение электрической напряженности Е на мембране клетки, при воз действии внешнего электрического поля напряженностью Eв При воздействии на клетку внешнего постоянного электрического поля напряжённостью Eв (рис. 6б) производится векторное суммирование Eв с EM, во всех точках мембраны клетки. При указанных направлениях действия Eв и EM, Е будет максимальна в точке 1, минимальна в точке 3 и иметь промежу точные значения в остальных точках мембраны клетки (рис. 6в), образуя мэ – суммарный мембранный электрический потенциал (рис. 7).
стимуля возбуждение гибель угнетение норма (стресс) гибель ция +пв EВ, t +кп –пп –пр мэ Рис.7. Изменение М при воздействии внешнего электрического поля Следовательно, при воздействии Eв на клетку во времени t на одной из её половин наблюдается увеличение мэ, а на другой – его уменьшение. Сни жение мэ вначале приводит к стимуляции клетки, а затем при выполнении условия (7 – к её возбуждению. Увеличение мэ вначале приводит к угнете нию клетки, а затем при достижении рп – электрического потенциала пробоя – к электрическому пробою мембраны клетки, следствием чего становятся разрушение мембраны и гибель клетки.
С использованием пакетов Simulink и Power Sistem Blockset системы MATLAB показано, что воздействие переменного электрического поля также вызывает вышерассмотренные биологические эффекты. Причём на низких частотах стимуляция и возбуждение достигаются за счёт изменения ампли туды Ев, её частоты f = 1 /(Тв+Тр) и начальной фазы, а на высоких частотах, при f 150 /(Тв+Тр) – только за счёт изменения амплитуды Ев.
На высоких и сверхвысоких частотах возможна стимуляция БО за счет резонансных явлений, вызываемых совпадением частот диапазона (106 до 1012 Гц) с частотами колебаний полярных белковых молекул мембран клеток, вращением и перемещением их фосфолипидных молекул. В оптическом диа пазоне возможна стимуляция БО за счёт резонансных явлений, вызываемых совпадением частот диапазона с частотами вращения ионов в ионных кана лах при их перемещении через мембрану.
Стимуляция биологических объектов сопровождается ускорением об менных процессов на мембранах их клеток и связана с увеличением потреб ления питательных веществ и удалением из организма продуктов метаболиз ма. Поэтому стимуляция жизнедеятельности биологических объектов может вызываться не только электромагнитными полями и токами, но и любыми другими параметрами жизнеобеспечения. Так, например, при увлажнении семян водой создаются условия для ускорения ионно-обменных процессов на мембранах клеток;
увеличение температуры окружающей среды вызывает уменьшение hм, что приводит к увеличению скорости обменных процессов на мембране клетки;
при повышении содержания СО2 увеличивается его кон центрация в межклеточной жидкости и, соответственно, его потребление клетками растений;
увеличение концентрации питательных (минеральных или органических) в межклеточной жидкости сопровождается их усиленным потреблением клетками организма.
Создание и преобразование информации. Распознавание живыми орга низмами воздействий параметров жизнеобеспечения производится на уровне организма и на клеточном уровне. На первом из указанных уровней они кон тролируются специальными клетками – многочисленными рецепторами: фо то-, термо-, хемо- и механическими, реагирующими на свет и цвет, темпера туру, запах, вкус, давление, перемещение, силу гравитации и звук. На уровне клетки параметры жизнеобеспечения контролируются специальными белка ми, встроенными в мембраны клеток и реагирующими как на размеры ионов и молекул, так и на их полярность.
Живые организмы создали самоуправляемый и самоприспосабливаю щийся механизм, имеющий информационно-управляющую систему регуля ции процессов жизнедеятельности (на генетическом, клеточном уровнях и уровне организма) и позволяющий контролировать всё многообразие пара метров жизнеобеспечения, обеспечивая рост и развитие БО в изменяющихся условиях окружающей среды.
В третьей главе проведена систематизация свойств СП и классифика ция сельскохозяйственных технологий. В зависимости от основного свойства сельскохозяйственной продукции – её воспроизводства – биологические объ екты делятся на активные (АБО), пассивные (ПБО) и продукты их перера ботки (ПП).
АБО – это живые организмы, находящиеся в активном состоянии, т.е. в стадии роста и развития. К ним относятся: растения, животные, птицы, гри бы, микроорганизмы и другие живые организмы. Основной технологический процесс – производство. В процессе роста и развития m и k активные биоло гические объекты увеличиваются.
ПБО – это живые организмы, находящиеся в стадии физиологического покоя, но способные при определённых условиях перейти в активное состоя ние. Это зерно, семена, споры, клубни, яйца и другие ПБО. Основной техно логический процесс – хранение. При длительном хранении m и k ПБО уменьшаются, при переходе в активное состояние – увеличиваются.
К ПП сельскохозяйственной продукции относятся продукты питания, корма для животных и птиц, сельскохозяйственное сырьё для промышленно сти. Это стебли растений, соки, крупы, мясо, консервы, молоко, масло, кожа, шерсть и другие. ПП не могут перейти в активное состояние – рост и разви тие. Основные технологические процессы – переработка и хранение. При пе реработке m и k ПП изменяются, качественные показатели, как правило, улучшаются. При хранении m и k ПП уменьшаются и ухудшаются, и с тече нием времени ПП приходят в негодность.
Наряду с основными технологическими процессами в сельскохозяйст венном производстве осуществляется обработка СП: сортировка овощей пе ред закладкой на хранение, посадкой, стимуляция зерна перед посевом и др.
Наибольший интерес представляют АБО, так как только в процессе их роста и развития осуществляется синтез органических веществ, необходимых для обеспечения их жизнедеятельности, а также накопление этих веществ (они используются для питания, кормления и как сельскохозяйственное сы рье). Схему производства и потребления СП можно представить в виде тро фической цепи питания rчi – человека (рис. 8), включающей в себя цепи пи тания: rжi – животных и rрi – растений.
Рис.8. Схема производства и потребления сельскохозяйственной продукции Жизнедеятельность АБО во многом определяется средой их обитания.
Различают воздушную, водную и почвенную среды, а также их сочетания.
Сельскохозяйственные растения и животные обитают в воздушной среде и получают питание в сухом или влажном виде. Обеспечивая БО ri – питанием, wi – влагой и si – воздухом БО в оптимальных пределах достигают макси мальной продуктивности, высокого качества и безопасности СП.
Проникновение в СП zi – болезнетворных микробов и вирусов, радио активных и тяжелых металлов также осуществляется по каналам жизнеобес печения БО: ri – питания, wi – водо- и si – воздухообеспечения. Для предот вращения последствий от производства некачественной СП и её потребления осуществляют входной контроль ri, wi и si: при производстве продукции 1 – растениеводства, 2 – животноводства, 3 – при питании человека. Некачест венные корма и продукты питания подлежат уничтожению. Для своевремен ного принятия мер по обеспечению качества и безопасности СП должен осу ществляться оперативный контроль (ОК) и управление её m и k в процессах производства продукции растениеводства и животноводства.
Проведённый анализ сельскохозяйственных технологий показал, что фактически системы точного земледелия и животноводства (СТЗ и Ж) ис пользуются и сегодня, но системы их контроля и управления несовершенны.
Они ориентированы на усреднённые показатели СП и параметров жизне обеспечения и не охватывают всего перечня возмущающих параметров, ко торые необходимо контролировать для создания оптимальных условий жиз недеятельности БО. Как правило, они не замкнуты по параметрам управле ния: продуктивности, урожайности, физиологическому состоянию БО и не учитывают индивидуальных особенностей БО. В результате всего этого гене тический потенциал живых организмов реализуется не полностью, производ ство СП осуществляется с высокими энергетическими и материальными за тратами, снижается качество и безопасность производимой продукции.
Представив сельскохозяйственную технологию в виде системы автома тического управления, состоящую из СП и технических средств производст ва, разделим СТЗ и Ж на работающие по принципу управления по возмуще нию – биоэкологизированные СТЗ и Ж и работающие с использованием ком бинированного принципа управления – биоинформационные СТЗ и Ж.
Будем различать биоэкологизированные СТЗ и Ж обеспечивающие:
а) контроль всех fi и создающие i опт.i ki f i ;
б) контроль всех fi, создающие i опт.i ki f i и при необходимости обеспечивающие регулирование отдельных i, т. е. работающие с внутрен ними обратными связями. Здесь опт.i – оптимальная величина i-того пара метра жизнеобеспечения;
ki – коэффициент пропорциональности.
Биоинформационные СТЗ и Ж обеспечивают контроль fi, создание и регулирование не только i, но и принятые для управления yji, т.е. j-тые управляемые (контролируемые) параметры БО по его i-тому параметру жиз необеспечения, т.е. системы работают с внутренними и главными обратными связями.
Предложенные схемы можно использовать при проектировании и вне дрении автоматизированных биоэкологизированных по и i-тым параметрам жизнеобеспечения и биоинформационных СТЗ и Ж по j-тым управляемым параметрам БО, зависимых от i-тых параметров жизнеобеспечения. По мере совершенствования электрофизических методов контроля и управления и внедрения в производство первичных преобразователей возмущающих, регу лирующих и контролируемых величин СП и исполнительных регулирующих устройств параметров жизнеобеспечения можно последовательно переходить к проектированию и внедрению автоматических информационно управляющих систем.
Четвертая глава посвящена разработке методик исследований и ма тематических моделей электрофизических свойств (ЭФС) СП от поверхност ных электрических потенциалов и электрических свойств на постоянном токе до СВЧ-диапазона и визуализации БО сельскохозяйственной продукции.
Нами исследованы ЭФС различной сельскохозяйственной продукции естественной влажности: зерна (пшеницы, ржи, ячменя, овса), семян (огур цов, кабачков, тыквы), корнеплодов (свёклы, моркови, картофеля), а также продукты переработки СП, прошедшие искусственную сушку: корнеплоды (свёклы, моркови, картофеля), зерно (пшеницы, ячменя и стебельчатые корма (солома ячменя, тимофеевка, клевер и люцерна), в диапазоне от постоянного тока до частот 1010 Гц.
Подготовка образцов к измерениям проводилась по единой методике.
Перед измерениями ЭФС определялась естественная влажность образцов, они помещались в герметические ёмкости, и туда же добавлялось необходи мое количество дистиллированной воды до необходимой их влажности. Кон диционирование осуществлялось в климатической камере типа «Feutron» при температуре 8 ± 2 0С в течение 2-х суток, с периодическим перемешиванием через 8 часов. Перед измерениями ЭФС в течение суток проводилось термо статирование, перемешивание и деление образца на субобразцы по количест ву стендов, в том числе для измерений: ЭФС, влажности и объёмной плотно сти или натуры. После измерений образец смешивался, подсушивался на 3…4 % влажности, опять помещался в герметическую емкость и поступал на кондиционирование и термостатирование. Процесс измерений и подсушки повторялся до тех пор, пока не достигалась естественная влажность образца.
Измерение ЭФС образцов естественной влажности осуществлялось, минуя увлажнение и 2-хсуточную выдержку в климатической камере.
Для обеспечения единства результатов измерений на разных участках частотного диапазона расчёт, g проводился с учётом тарировки всех пер вичных преобразователей на эталонных жидкостях (ССl4 и трансформатор ное масло). Измерения ЭФС проводились в трехкратной повторности с ис пользованием стендов постоянного и переменного токов и СВЧ-установок.
При комнатной температуре и влажности образцов зерна пшеницы в интервале 12…30% произведена оценка влияния на ЭФС ее физико химических параметров. Исследовано 39 сортов зерна пшеницы I – IV типов, различных районов и лет произрастания. Физико-химические параметры оп ределены Сибирским и Кубанским филиалами ВНИИЗ и объединены в сле дующие 5 групп: W и g K, и g K, – влажность (%);
N – натура (г/л);
Г З – па раметры, характеризующие гранулометрические свойства зерна: a, b, c, b/a, c/a – линейные размеры и их отношения (мм), V – объём зерновки (см3), Ф1 – Ф5 – фракционные свойства, m1000 – масса 1000 зерен (г), v – скорость витания (м/с), S – скважность;
С3 – параметры, характеризующие структурные свой ства зерна: – плотность зерновки (г/см3), G – стекловидность (%), Б – белок (%), Кр – крахмал (%), К – клейковина (%);
ЭЗ – параметры прямо или кос венно характеризующие концентрацию электролитов в зерновке: Z – зола (%), Ж – жир (%), Э – эндосперм (%), Кл – клетчатка (%).
Для аппроксимации и g в функции физико-химических свойств ис пользован метод шагового челночного множественного регрессивного анали за, позволяющий из множества признаков выбирать наиболее существенные и включать их в уравнения регрессии. Установлено, что расхождения между полученными аппроксимирующими зависимостями ЭФС по типам зерна не значимы. В указанном диапазоне частот для всего массива зерна получены математические модели в виде полиномов первой и второй степени. Напри мер, на частоте 63 кГц имеем:
для диэлектрической проницаемости = 0,55 W – 1,22b + 0,06 Ф1 + 0,05 Ф2 – 0,83 Ж – 0,5;
для активной проводимости g = 27W 2 – 605W+ 4,7Ф1 + 324S – 1,84Z + 7 K1 –1,25 G +2100.
В результате проведённого анализа моделей установлено, что:
основными параметрами, определяющими и g зерна пшеницы, являют ся: вид сельскохозяйственных культур, частота электрического тока, их тем пература, объёмная плотность и влажность, максимальное влияние которой проявляется в диапазоне частот 0,1…1мГц;
диэлектрическая проницаемость, при учете физико-химических пара метров, определяется более точно, чем g так для коэффициент множествен ной регрессии составляет 95…97%, а для g – 90…93%, коэффициент парной корреляции по влажности составляет 73…88%, а для g – 45…84%;
влияние физико-химических параметров на и g крайне нестабильно:
так, на низких частотах на оказывают влияние электролиты, гранулометри ческие и структурные свойства зерна;
с увеличением частоты их влияние уменьшается, но увеличивается влияние натуры (объёмной плотности);
на g во всем диапазоне частот натура влияния не оказывает, но в большей степе ни, чем на, оказывают влияние электролиты, гранулометрические и струк турные свойства зерна.
Для оценки влияния на диэлектрическую проницаемость вида сельско хозяйственных культур, их влажности, температуры и объёмной плотности методом активного планирования эксперимента исследованы ЭФС зерна (пшеницы, ржи, ячменя, овса), семян (огурцов, кабачков, тыквы), корнепло дов (свёклы, моркови, картофеля) и стебельчатых кормов (соломы ячменя, тимофеевки, клевера, люцерны) в диапазоне частот от 38,6 кГц до 25,9МГц.
Для всех культур получены математические модели типа = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 – b4x4 + b12x1x2 + +b13x1x3 – b14x1x4+b23x2x3 – b24x2x4 – d34x3x4 (10) где b0, b1, …, b34 – коэффициенты чувствительности соответствующих пара метров;
параметры: x1 W – влажности образца, x1 = (W – 14)/Iw, при измене нии W от 8,4 до 19,5% и её основном интервале Iw равном 4%;
x2 р – объем ной плотности образца, для стебельчатых кормов x2 = (p – 0.22)/Ip, при изме нении р от 0,08 до 0,36 г/см3 и её основном интервале Ip равном 0,1 г/см3;
для корнеплодов x2 = (p – 0.35)/Ip, при изменении р от 0,28 до 0,42 г/см3 и её ос новном интервале Ip равном 0,05 г/см3;
x2 N – натуре зерна, для пшеницы N = 780 г/л, для ржи N = 681 г/л, для ячменя N = 657 г/л, для овса N = 586 г/л;
x3 – температуре образца, х3 = – 14/I, при изменении от 12 до 68 0С и её основном интервале I равном 20 0 С;
x4 f – частоте изменения электро магнитного поля, x4 = lgf – 6, при изменении f от 38,6 кГц до 25,9 МГц и её основном интервале If равном 1.
Проведенный анализ математических моделей (10) и их приращений:
b b x b x b x I dWp 2 12 1 23 3 24 4 w dp ;
от объемной плотности b1 b12 x2 b13 x3 b14 x4 I p b b x b x b x I dW 3 13 3 23 2 34 4 w d ;
от температуры b1 b12 x2 b13 x3 b14 x4 I b b x b x b x I dWf 4 14 1 24 2 34 3 w df, от частоты b1 b12 x2 b13 x3 b14 x4 I f выраженных в процессах влажности показал, что с высокой степенью кор реляции определяется видовым составом сельскохозяйственных материалов, их влажностью, объёмной плотностью и температурой во всем исследуемом диапазоне частот.
В результате проведённых экспериментов установлено, что основным параметром, определяющим деление БО на активные и пассивные, является их влажность. Все основные процессы, происходящие на мембранах клеток и их органелл и обеспечивающие их жизнедеятельность: производство энергии в хлоропластах и митохондриях, транспорт питательных веществ в клетку и удаление из неё продуктов метаболизма, возможны только при наличии сво бодной воды в органеллах, цитоплазме клетки и межмембранном простран стве. Генераторные свойства зерновой массы обнаруживаются при влажно сти 18…20 % и более.
Резко переменные воздействия параметров жизнеобеспечения (полив растений после увядания, разгерметизация зерновой массы, нагрев зерновок и зерновой массы, механические повреждения биологических объектов и т.п.) вызывают коррелированные между собой изменения активной проводи мости и поверхностных потенциалов. Так, при механическом повреждении клубней картофеля его п – поверхностные электропотенциалы и g – актив ная проводимость в течение 2…3 часов возрастают, а затем через примерно такое же время возвращаются в исходное состояние.
На основе экспериментов по определению ЭФС (п и g) сельскохозяй ственных материалов, проведенных с электродными ячейками, заполненны ми указанными материалами и сопоставления полученных результатов с микроэлектродным способом измерений ЭФС отдельных семян и зерновок можно сделать вывод о том, что макроэлектродный способ измерений ЭФС обеспечивает получение достоверной информации об электрофизиологиче ских процессах, происходящих в клетках БО, и позволяет упростить схему измерений (не требуется усилитель и возможно использование вольтметров с входным сопротивлением менее 108 Ом).
Создание биоинформационных СТЗ и Ж возможно при использовании цифровых электронно-оптических систем (ЭОС). Они позволяют: проводить визуализацию и идентификацию отдельных БО (индивидуумов), выделяя их из общего производственного процесса;
вести оперативный контроль роста и развития БО, определять их физиологическое состояние и двигательную ак тивность;
контролировать качество СП по её цветным видеоизображениям с помощью специально разрабатываемых алгоритмов распознавания: цвета, формы, размеров, текстуры, дефектов, повреждений и других параметров БО.
ЭОС контроля и управления позволяют максимально полно вести «живое»
наблюдение, оперативно отслеживать события и изменения в реальном вре мени как при производстве СП, так и при её хранении и реализации. Они способны при необходимости воспроизвести и осуществить анализ накоп ленной информации от начала производства до момента реализации СП, что позволяет говорить о создании интеллектуальных биоинформационно управляющих систем сельскохозяйственного производства.
Задача распознавания изображений в данном исследовании решена с использованием электронной программы, разработанной на основе неиндек сированных баз данных (Image Mining). Построение триплетных признаков базируется на методах стохастической геометрии и функциональном анализе.
Характерной особенностью триплетных признаков является их структура в виде последовательной композиции трех функционалов П(F) = ? ? (F 1(,,t), каждый из которых связан с нормальными координатами (р,) скани рующей изображение БО прямой и её естественной координатой t.
В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследо ваний и производственных испытаний разработанных нами электрофизиче ских методов и технических средств контроля и управления агротехнология ми, подтверждающие достоверность разработанных математических моделей ЭФС сельскохозяйственной продукции.
В соответствии с экспериментально полученными математическими моделями ЭФС сельскохозяйственной продукции разработано устройство контроля влажности сельскохозяйственных материалов, обеспечивающее её измерение по диэлектрической проницаемости с минимальной ошибкой на частоте 120 кГц (при коррекции показаний устройства за счёт изменения его чувствительности к видовому составу и создании определённой объёмной плотности образца путём его уплотнения и введения температурной поправ ки). Определение влажности осуществляется согласно зависимости ( м 1) 0 S W [bм bкCк b (м 20)], (11) h где bМ, b K и b – соответственно коэффициенты чувствительности устройст ва к изменению емкости первичного преобразователя, % влажности / пФ;
влажности к изменению CK – вида, сорта культуры, % влажности;
влажно сти к изменению температуры, % влажности / оС;
коэффициенты b k и b определены при влажности равной 14 % и температуре – 20 оС;
м – темпе ратура материала, оС;
S – площадь электродов, м2;
h – межэлектродное расстояние, м.
При измерении влажности произвольное количество материала загру жается в межэлектродное пространство первичного преобразователя устрой ства и уплотняется до определенной объемной плотности силой сжатия ка либровочной пружины. Автоматически диэлькометрическим датчиком кон тролируется м СП, датчиком перемещений – межэлектродное расстояние и датчика температуры – температура СП. При учете видового состава сель скохозяйственных материалов, в соответствии с (11), производится расчет показаний влажности, с отображением результата на электронном табло уст ройства. Измерение влажности осуществляется в диапазоне 8…22% с точно стью ± 1,5%. Применение устройства контроля W сельскохозяйственных ма териалов позволяет снизить трудозатраты на определение влажности одного образца с 0,62 до 0,03 ч.
Разработанные устройства контроля процессов самоконсервации и хранения зерна предназначено для контроля электрофизиологических про цессов происходящих в свежеубранном (или увлажненном) зерне при его са моконсервации и длительном хранении в закрытых земляных траншеях или герметизированных емкостях.
Влажное зерно закладывается на хранение в течение 8…12 ч.(лаг период) с момента его обмолота до полной герметизации хранилища (точка 3), включая время доставки зерна до места хранения (точки 1 – 2) и время за кладки его на хранение (точка 2 – 3) (рис. 9). В момент установки датчика устройства в зерновой массе (точка 2) он фиксирует её п – поверхностный электрический потенциал (а – начальное значение п, на рисунке даны изме нения в относительных единицах, определяется влажностью, температурой и сортовыми различиями зерновой массы), возрастающий во временном интер вале а-б-в. Возрастание связано с теплом, выделяющимся при дыхании зер на.
п з в б и а ж г д е t 1 2 8 — 12 часов Рис. 9. Изменение проводимости зерна при его самоконсервации и хранении В точке 3 необходимо провести герметизацию хранилища, т. к. в про тивном случае осуществляется запуск ферментативных процессов питания зародышей зерновок, что приводит к ещё большей скорости самосогревания зерновой массы (вплоть до её «самовозгорания»), характеризующейся увели чением п в интервале б – в.
При герметизации зерновой массы, под действием выделяющегося уг лекислого газа, происходит её самоконсервация, зерно впадает в состояние физиологического покоя;
при этом п уменьшается практически до нуля (точка г) и остаётся ему равной во время всего периода хранения г-д. При нормальных условиях хранения зерно сохраняет свои посевные качества и хранится до нового урожая и более.
При разгерметизации хранилища (точка 4), в случае необходимости те пловой сушки зерна, использования его на корм животным или при несанк ционированном вскрытии хранилища происходит «возбуждение» зерна, т.е.
практически мгновенное возрастание п (интервал е – ж), его стресс (интер вал ж – з) и переход к нормальному дыханию кислородом (интервал з – и).
При разгерметизации хранилища зерно должно быть из него выгружено и использовано по назначению в течение 8…12 ч.
Производственные испытания разработанного устройства контроля са моконсервации и хранения влажного зерна показали его эффективность для контроля физиологических состояний зерновой массы и целесообразность использования в технологиях по обработке и переработке зерна.
Разработанный электроактиватор микробиологических процессов ис пользовался на спиртовых заводах для электроактивации водного раствора зерновой барды с клетками кормовых дрожжей. Он состоит из электронного устройство управления и электрореактора, представляющего собой камеру, выполненую из диэлектрического материала с графитовыми электродами, между которыми расположена полиамидная мембрана.
С помощью электроактиватора получены экспериментальные данные изменения m – биомассы дрожжей в зависимости от велечины электрическо го тока (рис. 10), определены оптимальные параметры электроактивации: ко личество электричества – 1500…2200 Кл/кг;
напряженности электрического поля – 50…100 В/м и pH – 5,1…5,2. Электроактивация увеличивает количе ство дрожжевых клеток, обеспечивая прирост биомассы на 11…12 %, при этом дополнительные затраты энергии не превышают 3 кВт·ч на одну тонну готовой продукции.
m, % Рис. 10. Влияние количества электричества на прирост биомассы расчётная экспериментальная 0 800 1200 1600 2000 2400 Q, Кл/кг Таким образом, результаты производственных испытаний, подтвердили адекватность разработанной математической модели роста дрожжей и пока зали высокую сходимость экспериментально полученных результатов с рас четом по модели.
Разработанная соискателем электронно-оптическая система (ЭОС) применена для визуализации и идентификации биологических объектов (рас тений и животных) в производственных условиях (на примере идентифика ции животных. Эксперимент по внедрению ЭОС включал следующие этапы:
создание базы данных контролируемых животных;
обучение ЭОС;
функционирование ЭОС в автоматическом режиме работы.
Данные полученные в результате эксперимента, позволяют сделать вы вод о том, что разработанная система может быть использована для иденти фикации животных при автоматизации процессов их индивидуального корм ления, а также для идентификации других живых организмов и определения их подвижности, активности и скорости перемещений.
В шестой главе дано технико-экономическое обоснование внедрения разработанных в исследовании электрофизических методов и средств кон троля и управления сельскохозяйственными технологиями. Предложены ме роприятия по обеспечению надежности, метрологическому и кадровому обеспечению внедряемых информационно-управляющих систем сельскохо зяйственных технологий и их оснащению разработанными электротехноло гическими средствами контроля и управления параметрами сельскохозяйст венной продукции.
Технико-экономический эффект от внедрения устройства контроля влажности сельскохозяйственных материалов составил 15260 руб. (на одно устройство);
устройства процессов самоконсервации и хранения зерна – руб. (на одну тонну хранимой продукции);
электроактиватора микробиоло гических процессов – 976 руб. (на тонну произведённой продукции);
элек тронно-оптической системы – 1810 руб. (на одно животное).
Основные результаты и выводы 1. Анализ состояния современных технологий производства сельскохо зяйственной продукции и тенденций развития систем их контроля и управле ния показал, что увеличение производства высококачественной и безопасной продукции может быть достигнуто за счёт совершенствования электрофизи ческих методов и средств контроля и управления сельскохозяйственными технологиями, основанных на электрическом контроле параметрических и генераторных свойств сельскохозяйственной продукции и методах её визуа лизации.
2. Раскрыт механизм наноэлектротехнологий биологической клетки и усовершенствована электротехническая модель её мембран, позволяющая осуществлять расчёт и моделирование электрофизических процессов на уровне клетки. Благодаря собственным электрическим полям:
в органеллах клеток (хлоропластах за счёт энергии света, в митохондри ях за счёт энергии окисления – медленного горения органических веществ) производится химическая энергия, используемая во всех физиологических процессах живых организмов;
в клетках живого организма осуществляется электроосмотическая рабо та – транспорт продуктов метаболизма и питательных веществ, необходимых для синтеза органических веществ;
осуществляется регуляция процессов жизнедеятельности биологических объектов, как на уровне организма, так и на клеточном уровне.
3. Проведена систематизация и классификация параметров жизнеобес печения сельскохозяйственной продукции. Установлено, что они могут быть:
вещественными и энергетическими, управляющими и возмущающими;
вос приниматься биологическими объектами на информационном уровне и ис пользоваться ими в работе собственных систем регуляции (генетической, клеточной и организменной). К вещественным параметрам жизнеобеспече ния отнесём элементы питания, водо-, воздухообеспечения и экологически вредные биотические и абиотические факторы окружающей среды;
к энерге тическим – механические и акустические воздействия;
силы гравитации;
электромагнитные воздействия, включая теплоту, свет, низко- и высокочас тотные и ионизирующие излучения.
4. Разработана математическая модель электрофизических процессов, происходящих в биологических клетках для состояний покоя, стимуляции, угнетения, возбуждения (стресса) клеток и электрического пробоя их мем бран, являющаяся основой для осуществления контроля процессов жизнедея тельности биологических объектов при изменении их вещественных, энерге тических и информационных параметров жизнеобеспечения. Все выше пере численные биологические эффекты определяются величиной мембранного электрического потенциала.
Величина мембранного электрического потенциала биологических кле ток, в покое отрицательна и складывается из его постоянной и переменной составляющих. Постоянная составляющая отражает энергетику клетки и ха рактеризует изменения её состояний, а переменная – материальное обеспече ние клетки, т.е. обеспечение её питательными веществами.
5. С позиций контроля и управления определены место и значимость электротехнологий в системе сельскохозяйственного производства. В отли чие от технологий электромеханизации (использующих механическую и электрическую энергии, преобразуемые в механо-акустические воздействия на сельскохозяйственную продукцию или на её вещественные параметры жизнеобеспечения, с целью увеличения количественных и улучшения каче ственных параметров продукции за счёт изменения её физико-механических свойств), в электротехнологиях применяется только электроэнергия непо средственно воздействующая на сельскохозяйственную продукцию или на её вещественные параметры жизнеобеспечения (в широком диапазоне измене ния электромагнитных полей: от постоянного тока до ионизирующих излу чений), в результате чего увеличение количества и улучшение качества про дукции достигается за счёт изменения не только физико-механических свойств, но и изменения её химических и электрических свойств.
6. Установлено, что современные сельскохозяйственные технологии, основанные на принципах управления по возмущению, способны обеспечить получение высококачественной продукции с максимальной продуктивно стью, при использовании биоэкологизированных информационно управляющих систем, контролирующих все воздействия параметров жизне обеспечения на продукцию и создающих номинальные условия для жизне деятельности биологических объектов, т.е. для оптимальной работы их соб ственных систем регуляции.
При экстремальных воздействиях параметров жизнеобеспечения: появ лении новых факторов внешней среды, болезней (вирусных, инфекционных), вызывающих массовую гибель живых организмов, предложено использовать комбинированные (биоинформационные) системы контроля и управления продуктивностью и качеством сельскохозяйственной продукции в открытом и защищённом грунтах, животноводстве и птицеводстве, контролируя не только параметры жизнеобеспечения продукции, но и изменения её электро физических свойств, корреляционно связанные с параметрами количества и качества сельскохозяйственной продукции или применяя методы визуализа ции биологических объектов.
7. Разработаны математические модели электрических свойств сель скохозяйственной продукции: используя параметрические свойства сухих сельскохозяйственных материалов получены изменения активной проводи мости и диэлектрической проницаемости стебельчатых кормов, корнеплодов и зерновых культур в зависимости от их влажности, объёмной плотности, температуры и частоты электрического тока;
в зависимости от генераторных свойств зерновой массы – изменения поверхностных потенциалов определе ны состояния её технологий: самоконсервации, длительного хранения (фи зиологического покоя), расконсервации и несанкционированного доступа в зерновые хранилища.
Обоснованна целесообразность применения методов визуализации для идентификации биологических объектов и определения их физиологической активности, подвижности и изменчивости.
8. Разработан комплекс технических средств электрофизического кон троля и управления сельскохозяйственными технологиями, включая:
устройство контроля влажности сельскохозяйственной продукции;
устройство контроля процессов самоконсервации и хранения зерна;
электронно-оптическая система идентификации живых организмов;
электроактиватор микробиологических процессов для активации жизне деятельности дрожжевых клеток.
9. Результаты проведённых исследований апробированы в научно исследовательских институтах и вузах и признаны перспективными для дальнейших научно-практических разработок и исследований электрофизи ческих методов и средств контроля и управления сельскохозяйственными технологиями. Разработанные автором учебники и учебные пособия исполь зуются в учебном процессе сельскохозяйственных техникумов, колледжей и вузов. Созданные технические средства электрофизического контроля и управления сельскохозяйственными технологиями внедрены в ряде хозяйств и сельскохозяйственных предприятий. Результаты испытаний и апробации проведенных исследований подтверждены соответствующими документами и актами, приведенными в приложении к диссертационной работе.
10. Проведена технико-экономическая оценка разработанных электро технологических средств контроля и управления производством сельскохо зяйственной продукции с учетом их метрологического, кадрового обеспече ния и надёжности. Технико-экономический эффект от внедрения устройства контроля влажности сельскохозяйственных материалов составляет руб. (на одно устройство);
устройства процессов самоконсервации и хране ния зерна – 318 руб. (на одну тонну хранимой продукции);
электроактиватора микробиологических процессов – 976 руб. (на тонну произведённой продук ции);
электронно-оптической систем – 1810 руб. (на одно животное).
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Загинайлов, В. И. Измерение и регулирование влажности травяной сеч ки. Монография [Текст] / В. И. Загинайлов. – М. : 1979. – 31с.
2. Мамбиш, С. Е. Исследование влияния температуры на электрические характеристики зерна пшеницы [Текст] / С. Е. Мамбиш, А. Т. Птушкин, В. И.
Загинайлов / Биохимия : труды ВНИИЗ. – М. : ВНИИЗ, 1979. – С. 125–136.
3. А. с. № 779872 СССР, G 01 N 25/56. Устройство для измерения влажно сти сыпучих материалов [Текст] / И. Ф. Бородин, В. Н. Денисенко, В. И Заги найлов: заявл. 29.01.79 ;
опубл. 15.11.80. Бюл. № 42.
4. А. с. № 886862 СССР, A 01 K 5/02, G 01 N 27/22. Устройство для изме рения влажности кормосмесей [Текст] / В.И Загинайлов, С. Б. Аджиманбетов, В. А. Пушкин, С. А. Николаев: заявл. 18.07.80 ;
опубл. 07.12.81. Бюл. № 45.
5. Денисенко, В. Н. Автоматизация контроля влажности кормов [Текст] / В. Н. Денисенко, В. И. Загинайлов, С. Б. Аджиманбетов / Техника в сельском хозяйстве. – 1981. – № 8. – С. 33–35.
6. А. с. № 981779 СССР G 01 N 27/22. Первичный преобразователь влаж ности пористых и сыпучих материалов [Текст] / В.И Загинайлов, В. И. Стол бов, В. И. Лесников – 1982. Бюл. № 40.
7. Столбов, В. И. О влиянии сортов сельскохозяйственных культур на их электрические свойства [Текст] / В. И. Столбов, В. И. Загинайлов / Сб. науч ных трудов. – Т. 18. – М. : МИИСП, 1981. – С. 51–56.
8. Загинайлов, В. И. Планирование эксперимента с целью поиска опти мальных условий измерения влажности сельскохозяйственных материалов [Текст] / В. И. Загинайлов, В. И. Столбов / Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 1983. – № 3. – С. 23–26.
9. А. с. № 1032385 СССР, G 01 N 25/56. Датчик влажности сыпучих мате риалов [Текст] / В. И. Столбов, В. И Загинайлов, А. Л. Радовицкий: заявл.
11.12.81 ;
опубл. 30.07.83. Бюл. № 28.
10. А. с. № 1010531 СССР, G 01 N 27/22. Первичный преобразователь влаж ности сыпучих материалов. [Текст] / В. И Загинайлов, В. И. Столбов, Н. Н.
Данилов, А. Л. Радовицкий: заявл. 17.03.81 ;
опубл. 07.04.83. Бюл. № 13.
11. А. с. № 9899425 СССР, G 01 N 25/56. Устройство для измерения влаж ности сыпучих материалов [Текст] / В. И Загинайлов, И. Ф. Бородин, А. П.
Якименко, С. Б. Аджиманбетов: заявл. 26.06.81 ;
опубл. 15.01.83. Бюл. № 2.
12. Столбов, В. И. Датчик влажности сыпучих материалов [Текст] / В. И.
Столбов, В. И. Загинайлов / Сборник научных трудов. – М. : МИИСП, 1985. – С. 30–33.
13. Загинайлов, В. И. Первичный преобразователь влажности сыпучих ма териалов [Текст] / В. И. Загинайлов, В. И. Столбов / Сб. научных трудов. – М. : МИИСП, 1986. – С. 49–51.
14. Столбов, В. И. Условия оптимальных измерений влажности сельскохо зяйственных материалов [Текст] / В. И. Столбов, В. И. Загинайлов / Сб. на учных трудов. – М. : МИИСП, 1986. – С. 45–49.
15. Герасенков, А. А. Способ определения влажности сыпучих материалов [Текст] / А. А. Герасенков, В. И. Загинайлов, С. П. Дудченко, В. И. Столбов / Cб. научных трудов. – М. : МИИСП, 1986. – С. 47–49.
16. А. с. № 1300365 СССР, 4 G 01 N 25/56. Датчик влажности сыпучих ма териалов [Текст] / В. И. Столбов, В. И Загинайлов: заявл. 28.10.85 ;
опубл.
30.03.87. Бюл. № 12.
17. А. с. № 1376031 СССР, 4 G 01 N 27/22. Устройство для измерения влажности сыпучих материалов в потоке [Текст] / В. И Загинайлов, С. Б. Ад жиманбетов, В. И. Столбов: заявл. 08.09.86 ;
опубл. 23.02.88. Бюл. № 7.
18. Загинайлов, В. И. Исследование электрических характеристик почв се лекционных теплиц на высоких частотах [Текст] / В. И. Загинайлов, В. И.
Столбов / Cб. научных трудов. – М. : МИИСП, 1988. – С. 84–87.
19. Герасенков, А. А. Устройство контроля влажности травяной муки, се мян и зерна [Текст] / А. А. Герасенков, В. И. Загинайлов / Cб. научных тру дов. – М. : МИИСП, 1990. – С. 94–97.
20. Загинайлов, В. И. Аппаратура для многоточечного дистанционного контроля влажности почв в теплицах [Текст] / В. И. Загинайлов, В. И. Стол бов / Cб. научных трудов. – М. : МИИСП, 1990. – С. 97–100.
21. Загинайлов, В. И. Автоматизация и электрификация насосов и насос ных станций в орошаемом земледелии [Текст]: учебное пособие / В. И. Заги найлов, В. Ф. Озерин. – М. : МГАУ, 1992. – 124 с.
22. Пястолов, А. А. Эксплуатация и ремонт электрооборудования и средств автоматизации [Текст]:. учебник / А. А. Пястолов, В. И. Загинайлов. – М. :
Колос, 1993. – 351 с.
23. Фомичев, М. М. Биотехнология подготовки высококачественных семян зерновых культур к посеву [Текст] / М. М. Фомичев, В. И. Загинайлов / Сб.
научных трудов. – М. : МГАУ, 1994. – С. 9–15.
24. Фомичев, М. М. Биоэкологизированные технологии подготовки сушки, хранения и переработки зерна [Текст] / М. М. Фомичев, В. И. Загинайлов / Сб. научных трудов. – М. : МГАУ, 1994. – С. 15–22.
25. Загинайлов, В. И. Использование достижений современной физики в процессе подготовки инженеров по автоматизации сельскохозяйственного производства [Текст] / В. И. Загинайлов, Л. А. Ленский / Сб. научных трудов.
– М. : МГАУ, 1995. – С. 31–37.
26. Кирилин, Н. И. Аналитическое исследование термодинамических про цессов во влагосодержащих материалах [Текст] / Н. И. Кирилин, В. И. Стол бов, В. И. Загинайлов / Сб. научных трудов. – М. : МГАУ, 1995. – С. 52–62.
27. Загинайлов, В. И. Энергетические кадры для села [Текст] / В. И. Заги найлов / Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 1996. – №4. – С. 9–10.
28. Судник, Ю. А. Новый подход в инженерной подготовке специалистов [Текст] / Ю. А. Судник, В. И. Загинайлов / Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 1996. – № 5. – С. 6–7.
29. Загинайлов, В. И. Вопросы хемоэлектромагнитной биоинформатики [Текст] / В. И. Загинайлов, Н. И. Гурецкий, Г. В. Дмитриев / Автоматизация сельскохозяйственного производства : доклады Международной НТК. – Т. 2.
– Углич : ВИМ, 1997. – С. 52–54.
30. Дмитриев, Г. В. Вещественные, энергетические и информационные электромагнитные преобразования биосистем [Текст] / Г. В. Дмитриев, Л. А.
Ленский, В. И. Загинайлов / Сборник научных трудов. – М. : МГАУ, 1996. – С. 31–35.