Улучшение качества регулирования кислотности почвы на основе электроактиватора воды при выращивании томатов в условиях закрытого грунта
На правах рукописи
ЦОКУР ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ КИСЛОТНОСТИ ПОЧВЫ
НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОАКТИВАТОРА ВОДЫ
ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ТОМАТОВ В УСЛОВИЯХ ЗАКРЫТОГО ГРУНТА
Специальность: 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Краснодар – 2013 1
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образователь ном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский госу дарственный аграрный университет»
Научный руководитель: Овсянников Дмитрий Алексеевич кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты: Курзин Николай Николаевич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой «Физики»
Чёба Борис Павлович кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государ ственная агроинженерная академия», профессор кафедры «Энергетика»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ставропольский государствен ный аграрный университет» (г. Ставрополь)
Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссерта ционного совета Д220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, КубГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, ауд. № 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубан ский государственный аграрный университет».
Автореферат разослан 23 ноября 2013 года и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak2.ed.gov.ru/ и на сайте ФГБОУ ВПО Кубанского ГАУ http://kubsau.ru/
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук В. С. Курасов ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. На сегодняшний день выращивание овощей в теплицах актуально в связи с круглогодичным циклом получения продуктов питания.
Однако в результате совершенствования технологий выращивания растений в закрытом грунте нарушаются физико-химические свойства почв, что приводит к ухудшению условий роста и развития овощных культур, в частности томатов.
Питательные вещества становятся недоступными для растений томатов, если кислотность почвы (водородный показатель) отклоняется от оптимальной в результате внесения удобрений или известкования почв. Поэтому целесооб разно поддержание значения водородного показателя на необходимом уровне.
Существующие способы регулирования кислотности почвы имеют низ кие показатели качества, затруднено их использование в процессе выращивания томатов в условиях закрытого грунта, что приводит к потери урожайности.
Наиболее перспективным является полив почвы электроактивированными рас творами с заданными параметрами, но в данном способе не учитывается факт изменения водородного показателя почвы под действием электроактивирован ной воды. К тому же существующие электроактиваторы не подходят с позиции элемента автоматической системы регулирования кислотности почвы, что не позволяет в настоящее время эффективно применять перспективный метод коррекции рН почвы электроактивированными растворами при выращивании томатов в условиях закрытого грунта. Таким образом, улучшение качества ре гулирования водородного показателя почвы на основе электроактиватора воды является актуальной задачей для дальнейшего развития систем орошения овощных культур.
Диссертационная работа выполнена в рамках плана НИР Кубанского ГАУ по госбюджетной тематике 2011–2015 гг. (ГР 01201153641, подраздел 1.3).
Научная гипотеза – улучшить качество регулирования кислотности поч вы при выращивании томатов в условиях закрытого грунта можно путем обос нования параметров обработки почвы электроактивированными растворами и системы регулирования кислотности почвы, включающей в себя электроакти ватор воды.
Цель работы – улучшение показателей качества регулирования кислот ности почвы на основе электроактиватора воды при выращивании томатов в условиях закрытого грунта.
Объект исследования – электроактиватор воды, кислотность почвы.
Предмет исследования – показатели качества регулирования кислотно сти почвы при выращивании томатов в условиях закрытого грунта.
Задачи исследования:
Разработать функциональную схему системы регулирования кис 1.
лотности почвы электроактивированными растворами в условиях закрытого грунта.
Разработать математическую модель, обосновывающую электриче 2.
ские, термодинамические, и конструкционные параметры электроактиватора воды в качестве элемента автоматической системы регулирования кислотности почвы при выращивании томатов в условиях закрытого грунта.
Экспериментально установить зависимости влияния электроакти 3.
вированных растворов с заданными параметрами и их количества (в соответ ствии с нормами полива) на кислотность почвы во времени при выращивании томатов в условиях закрытого грунта.
Провести исследование качества регулирования и определить опти 4.
мальные параметры обработки почвы электроактивированными растворами с целью регулирования ее кислотности в зависимости от нормы полива и вне сения кислых удобрений.
Произвести технико-экономическое обоснование применения сис 5.
темы регулирования кислотности почвы при выращивании томатов в условиях закрытого грунта.
Методы исследований. В работе использованы основные положения теории электротехники, теплотехники, автоматического управления, методика планирования многофакторного эксперимента, математическая обработка ре зультатов теоретических и экспериментальных исследований проводилась на ПЭВМ с использованием прикладных программ МВТУ 3.7, MathCAD 2014, Microsoft Excel, STATISTICA 6.0.
Научная новизна работы состоит в следующем.
Разработана функциональная схема системы регулирования кис 1.
лотности почвы электроактивированными растворами в условиях закрытого грунта, обеспечивающая заданное качество регулирования, снижение обобщен ного интегрального среднеквадратичного показателя отклонения кислотности почвы на 90%.
Разработана математическая модель, обосновывающая электриче 2.
ские, термодинамические и конструкционные параметры электроактиватора воды в качестве элемента автоматической системы регулирования кислотности почвы.
Получена регрессионная модель влияния электроактивированных 3.
растворов с заданными параметрами на кислотность почвы и ее изменение во времени после полива, обосновывающая необходимое управляющее воздей ствие для регулирования кислотности почвы при выращивании томатов в усло виях закрытого грунта.
Практическая значимость результатов исследования.
Выявлены закономерности влияния электроактивированных раство 1.
ров на кислотность почвы и ее изменение во времени после полива, обосновы вающие необходимое управляющее воздействие для регулирования кислотно сти почвы при выращивании томатов в условиях закрытого грунта.
Установлены зависимости кислотности и температуры воды от 2.
электрических параметров электроактиватора при различной геометрии канала, обосновывающие получение раствора с необходимыми параметрами для созда ния управляющего воздействия.
Разработана конструкция электроактиватора воды, отличающаяся 3.
от традиционной, тем, что канал электроактиватора разделен на шесть ячеек, отношение сечения каждой ячейки к последующей в котором составляет 0,85, что приводит к снижению температуры на выходе на 8% в сравнении с элек троактиватором с одинаковыми сечениями ячеек.
Рассчитаны оптимальные параметры электроактивированного рас 4.
твора для регулирования кислотности почвы в зависимости от нормы полива и внесения кислых удобрений по критерию минимального значения обобщенного интегрального среднеквадратичного показателя отклонения.
Получены результаты исследования качества регулирования кис 5.
лотности почвы при выращивании томатов в условиях закрытого грунта.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- функциональная схема системы регулирования кислотности почвы электроактивированными растворами в условиях закрытого грунта;
- математическая модель электроактиватора воды, как элемента автома тической системы регулирования кислотности почвы;
- регрессионная модель влияния электроактивированных растворов с за данными параметрами на кислотность почвы во времени после полива;
- закономерности влияния электрических параметров электроактиватора на кислотность и температуру воды при различной геометрии канала;
- оптимальные параметры электроактивированного раствора для регули рования кислотности почвы;
- результаты исследования качества регулирования кислотности почвы.
Реализация результатов исследования. Результаты исследования внед рены в крестьянском (фермерском) хозяйстве «Болотов А.В.» (Краснодарский край), а также в учебный процесс кафедры электрических машин и электропри вода Кубанского ГАУ (г. Краснодар).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложе ны и обсуждены на ежегодных научных конференциях КубГАУ: на IV Всерос сийской научно-практической конференции молодых ученых (г. Краснодар, 2010 г.), на научно-практических конференциях преподавателей по итогам НИР (г. Краснодар, 2011 и 2012 гг.), на 67-й итоговой научной конференции студен тов (г. Краснодар, 2012 г.);
на открытом конкурсе на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах РФ (г. Красно дар, 2009 г.);
на V Международной научно-практической конференции «Элек тротехнологии. Энергосбережение и возобновляемые источники энергии»
(г. Волгоград, 2010 г.);
на краевом конкурсе на лучшую научную и творческую работу среди студентов высших учебных заведений «Олимп науки Кубани», (г. Краснодар, 2010 г.);
на открытом конкурсе на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам по разделу «Процессы и машины агроинженерных систем» (г. Краснодар, 2010 г.);
на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Минсельхоза России (работа заняла II место в номинации «Тех нические науки»), г. Саратов, 2013.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в научных работах, в том числе 2 статьи – в издании, рекомендуемом ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованных источников и приложения. Работа содержит 119 страниц основного текста, 66 рисунков, 22 таблицы. Список использован ных источников содержит 105 наименований, в том числе 2 на иностранном языке.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введение обоснована актуальность исследований, сформулирована цель работы, научная новизна, практическая значимость и представлены основ ные положения, выносимые на защиту.
В первой главе дан краткий анализ отрицательного влияния кислых удобрений на питание растений, вследствие отклонения показателя кислотно сти почвы от оптимального значения.
Установлено что наиболее перспективным способом коррекции кислот ности почвы при выращивании томатов в условиях закрытого грунта является ее полив электроактивированными растворами с заданными параметрами.
Работы в этой области проводились в Ставропольском ГАУ, Азово Черноморской агроинженерной академии, Волгоградском ГАУ, Удмуртском государственном университете и в Кубанском ГАУ. Такими учеными, как В.И.
Пындак, В.В. Лагутин, В.Г. Широносов, Э.А. Александрова отмечается поло жительное влияние электроактивированных растворов, как на сами выращива емые растения, так и на физико-химические параметры почв. Однако до сих пор вопрос регулирования кислотности почвы с помощью электроактивирован ных растворов при выращивании растений томатов в закрытом грунте практи чески не разработан, применяемые методы имеют относительно низкие показа тели качества и не могут быть использованы в процессе выращивания томатов в условиях закрытого грунта.
Известные промышленные электроактиваторы имеют недостатки: высо кие значения тока при низком напряжении питания, что не позволяет управлять процессом электролиза средствами автоматики, необходимость водоподготов ки, высокая стоимость, сложность в эксплуатации, необходимость добавления солей, что запрещено условиями технологического процесса.
Наиболее близкими к рассматриваемой тематике являются электроакти ваторы для сельскохозяйственных нужд, разработанные такими учеными, как Б.П. Чба, Н.А. Сюсюра, Н.М. Симонов, О.П. Болтрик, А.С. Оськин и А.Н. Ла гутин. Однако эти электроактиваторы не подходят для регулирования кислот ности почвы ввиду их направленности на другие технологические процессы (повышение всхожести семян, консервация кормов и т. д.), необходимости применения хлорсодержащих веществ, а также из-за невозможности их исполь зования как элемента автоматической системы регулирования кислотности почвы.
Во второй главе описаны теоретические исследования по разработке си стемы регулирования кислотности почвы электроактивированными раствора ми, включающей электроактиватор воды (рисунок 1). Система позволяет про изводить внутрипочвенное орошение растений томатов католитом для компен сации отрицательного воздействия вносимых удобрений, а также дополнитель но производить профилактику заболеваний растений раствором анолита.
Анолит 8 Католит Вода 1 1 – насос;
2 – фильтр песчаный;
3 – фильтр сетчатый;
4 – электроактиватор воды;
5 – датчик расхода воды;
6 – рН метр;
7 – датчик температуры воды;
8 – емкость для католита;
9 – дат чик уровня;
10 – емкость для анолита;
11 – регулятор давления;
12 – трубопровод для подачи анолита, 13 – трубопровод для подачи католита;
14 – распылитель.
Рисунок 1 – Технологическая схема регулирования кислотности почвы Разработана функциональная схема системы регулирования кислотности почвы (рисунок 2).
R I1 I ОР W1(p) W8(p) Рэл N W9(p) W2(p) W7(p) РО W10(p) W3(p) рНводы W11(p) W4(p) рНпочвы W5(p) W12(p) W6(p) W1(p) – передаточная функция программного регулятора ПР;
W2(p) – передаточная функция усилительного органа УО;
W3(p) и W4(p) – передаточные функции регулирующего органа (электроактиватора) РО;
W5(p) – передаточная функция корректирующего органа КО;
W6(p) – передаточная функция измерительного органа ИО;
W8(p) – передаточная функция по возмущающему воздействию;
W8(p),W9(p), W10(p),W11(p),W12(p) – передаточные функции по управляющему воздействию на почву.
Рисунок 2 – Функциональная схема системы регулирования кислотности почвы Определить показатели качества регулирования кислотности почвы мож но путем получения передаточных функций всех элементов функциональной схемы.
Передаточные функции W1(p), W2(p) представляют собой коэффициенты усиления kПР, kУО программного регулятора и усилительного органа соответ ственно.
Регулирующий орган (РО) – электроактиватор воды, согласно функцио нальной схеме описывается двумя передаточными функциями W3(p) и W4(p).
Для их определения была разработана математическая модель проточного элек троактиватора воды.
Канал электроактиватора был условно разбит на 6 ячеек (рисунок 3).
Выход Вход Площадь сечения канала SB Поток воды LЭ Вода L hЭ Электроды bЭ а) б) Рисунок 3 – Канал электроактиватора (а) и геометрические параметры его ячейки (б) Разработанная математическая модель учитывает электрические, тепло вые и геометрические параметры электролита, электродов и диафрагмы, а так же влияние газонаполнения электролита. Модель реализована в программной среде MathCAD.
Установлено, что сужение канала электроактиватора по направлению те чения воды в нем, приводит к снижению температуры. Так, при одинаковых условиях, температура воды на выходе из канала с коэффициентом сужения К = 0,85 снижается на 8% по сравнению с традиционной геометрией канала.
Полученная математическая модель позволяет обосновать необходимые пара метры электроактиватора воды как регулирующего органа системы регулиро вания кислотности почвы.
Математическая модель канала электроактиватора представляет из себя систему из 12 дифференциальных уравнений:
mЭ1c pЭ dtЭ t Э1 P t S d 1S Э1 ЭП1 В 1 Э l1 dt В d t В 2 S c PЭО1 t В В1 В1 В1 В1 pВ mЭ 2 c pЭ dt tЭ 3 P t Э 2 S Э 2 d 2 S Э 2 ЭП 2 В l dt 2 В tВ 4 P t В 2 d В 2 S В 2 В 2 c pВ ЭО2 В m c Э 3 pЭ dtЭ tЭ 5 1 PЭП 3 t В 3 S Э 3 d 3SЭ l3 dt В t В 6 P t В 3 d В 3 S В 3 В 3c pВ ЭО3 В (1) mЭ 4 c pЭ dtЭ t 1 P t 4 S Э 4 d Э 7 4 S Э 4 ЭП 4 В l4 dt В t P t В 4 d В 4 S В 4 В 4 c pВ ЭО4 В В mЭ 5c pЭ dtЭ tЭ 9 P t S d 5 S Э 5 ЭП 5 В 5 Э l5 dt В t В10 P t d В 5 S В 5 В 5c pВ ЭО5 В В mЭ 6 c pЭ dtЭ tЭ11 P t 6 S Э 6 d 6 S Э 6 ЭП 6 В l6 dt В t В12 P t В 6 d В 6 S В 6 В 6 c pВ ЭО6 В где mЭ – масса электродов, кг;
cpЭ – удельная теплоемкость электродов, Дж/(кг·°С);
tЭ – температура электродов, °С;
tВ – температура электролита, °С;
PЭП и PЭО – тепловая мощность, подводимая и отводимая от электродов соот ветственно, Вт;
– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·°С);
SЭ – площадь по верхности электродов, м2;
l – длина канала, м;
В – расчетная скорость движе ния воды в канале, м/с;
SВ – площадь сечения канала, м2;
В – плотность воды, кг/м3;
cpВ – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг·°С).
По результатам моделирования построена номограмма (рисунок 4), поз воляющая определить выходные параметры раствора в зависимости от потреб ляемой мощности электроактиватора и геометрии канала.
I, A 4% Т, °С 3,25 Р, кВт 45 35 30 2 2,25 2, 1,25 1,5 1,75 2,75 9, 6% 8% 10, 11, К=1 К=0, рН Рисунок 4 – Номограмма, определяющая выходные параметры раствора в зави симости от потребляемой мощности электроактиватора и геомет рии канала На основании теоретического исследования электроактиватор воды как регулирующий орган системы регулирования кислотности почвы можно пред ставить как произведение звена чистого запаздывания и апериодического звена 1-го порядка:
k -р WРО ( р) W3 ( р) W4 ( р) е (2) T4 p Время чистого запаздывания определяется по формуле h VПОЧВЫ, (3) L QВ где h – расстояние от электроактиватора, до точки измерения кислотности во ды, м;
V ПОЧВЫ – объем поливаемой почвы, м3;
L – длина капельного трубопро вода, м;
QВ – производительность электроактиватора, м3/с.
Коэффициент усиления РО k4 можно определить по формуле:
0, L КВ 20В 1 В (t В 20) 2 20Э (1 Э (t Э t 20 )) LЭ I2 S Э1 S В 2,1341 20В 1 (t 20) l Д К Д В В k4 (4) QВ где 20Э – удельное сопротивление электродов при температуре 20°С, Ом·м;
Э температурный коэффициент электрического сопротивления электродов, К -1;
LЭ - длина электрода, м;
20В - удельное сопротивление электролита при темпера туре 20°С, Ом·м;
В - температурный коэффициент электрического сопротивле ния электролита, К-1;
L - расстояние между работающими поверхностями элек тродов, м;
KВ – коэффициент увеличения удельного сопротивления электроли та;
lД – толщина диафрагмы, м;
КД – коэффициент учитывающий пористость диафрагмы и характер ее пор;
I – действующее значение постоянного тока, А.
Передаточные функции W5(p), W6(p) представляют собой коэффициенты усиления: kИО и kКО измерительного и корректирующего органов соответствен но.
Передаточная функция по возмущающему воздействию на почву W7(p) описывается апериодическим звеном 1-го порядка.
Передаточная функция почвы по управляющему воздействию определена со следующими допущениями:
толщина почвы (20 см) имеет 4 участка по 5 см (рисунок 5);
каждый участок описывается апериодическим звеном первого порядка.
Капельная лента Участки почвы Рисунок 5 – Поперечное сечение грунта в теплице.
С точки зрения автоматики каждый участок почвы выглядит как аперио дическое звено 1-го порядка, а время полива – как интегрирующее звено. Таким образом, передаточная функция объекта регулирования имеет вид:
WОР ( р) W7 ( р) W8 ( р) W9 ( р) W10 ( р) W11 ( р) W12 ( р) (5) k7 k8 k9 k10 k11 k T7 p 1 T8 p 1 T9 p 1 T10 p 1 T11 p 1 p В соответствии с функциональной схемой (см. рисунок 2) получена пере даточная функция всей системы регулирования кислотности почвы при выра щивании томатов в условиях закрытого грунта:
hVПОЧВЫ k р k ПР kОУ е LQ T4 p W( р) hVПОЧВЫ k р 1 k ПР kОУ е k КО LQ (6) T4 p k7 k k8 k9 k10 k T p 1 T p 1 T p 1 T p 1 p T p 11 7 8 9 10 Определены показатели качества, предъявляемые к системе регулирова ния: динамическая ошибка, коэффициент перерегулирования G, запас устой чивости по амплитуде и обобщенный интегральный среднеквадратичный по казатель J.
Функциональная схема адаптирована к программному комплексу «МВТУ» (рисунок 6).
Рисунок 6 – Функциональная схема системы регулирования кислотности почвы в программном комплексе «МВТУ»
По результатам моделирования построен график переходного процесса регулирования кислотности почвы (рисунок 7).
Рисунок 7 – График переходного процесса регулирования кислотности почвы в программном комплексе «МВТУ»
Из анализа полученного графика следует, что при моделировании пере ходной процесс составил пять суток. Определена устойчивость системы по го дографу Найквиста. Запас устойчивости по амплитуде составил 0,25, обобщен ный интегральный показатель – 15,6%.
В третьей главе изложен процесс планирования эксперимента. В каче стве независимых переменных приняты: х1 – водородный показатель электроак тивированной воды (3 уровня – 10, 11, 12);
х2 – количество воды, л/м2 (3 уровня – 10, 20, 30). В качестве зависимых переменных были приняты: у1 – значение рН почвы через время t = 1 ч после полива;
у2 – рН почвы через t = 1 сут;
у3 – рН почвы через t = 2 сут;
у4 – рН почвы t = 4 сут;
у5 – рН почвы через t = 8 сут.
Начальное значение рН почвы – 6,5. В результате проведенного эксперимен тального исследования получены регрессионные модели (7), описывающие влияние кислотности электроактивированного раствора (х1) и его количества (х2) на кислотность почвы (у1-5) во времени при выращивании томатов в услови ях закрытого грунта. Коэффициент детерминации составил 0,88, что говорит о высоком качестве построенной модели. Частный случай влияния электроакти вированного раствора на кислотность почвы через время t = 8 сут представлен на рисунке 8.
y1 27,738889 4,300000x 1 0,032500 x 2 0,002500 x1 x 2 0,216667 x 1 2 0,000333x 2 y 2 14,527778 1,633333x 1 - 0,005833 x 2 0,002500 x1 x 2 0,0833333x 1 0,000167 x 2 (7) y3 13,755556 1,40000x 1 - 0,028333 x 2 0,005000x1 x 2 0,066667 x 1 0,000333x 2 y 4 13,505556 1,383333x1 - 0,004167 x 2 0,002500 x1 x 2 0,066667x1 0,000333x 2 y 8,495556 0,470000x 0,000833 x 0,026667x 2 0,000117x 5 1 2 1 x 6,85 6, 6,85 6, 6,8 6, 6,75 6, 6,7 6, 6,65 6, 6,6 6, 6,55 6, 9,8 10,0 10,2 10,4 10,6 10,8 11,0 11,2 11,4 11,6 11,8 12,0 12, 6,5 6, x а) б) Рисунок 8 – Диаграмма влияния (а) и поверхность проекций (б) водородного показателя электроактивированного раствора (х1) и его количества (х2) на водородный показатель почвы (у5) через время t = 8 сут Из анализа рисунка 8 следует, что через 8 сут, при поливе почвы электро активированными растворами с рН (х1) от 9,8 до 10,5 и норме полива (х2) в диа пазоне от 8 до 20 л/м2 кислотность почвы (у5) останется неизменной – 6,5.
С целью определения оптимального управляющего воздействия для точ ного и качественного регулирования кислотности почвы оптимизированы па раметры обработки по критерию минимального значения обобщенного инте грального среднеквадратичного показателя отклонения J, выражение для кото рого имеет вид:
J ((8,495556 0,470000 х1 0,000833х2 0,026667 х12 0,000117 х2 N Р ) (8) (а1t a N Р )) где NР – рациональный для растений уровень кислотности почвы (для томатов NР = 6,5);
а3, а4 – коэффициенты, определяемые экспериментально и зависящие от количества и вида вносимых удобрений;
t – время, ч.
Определены значения J (у6) для каждого из вариантов параметров обра ботки почвы при ее удобрении суперфосфатом. Получена регрессионная мо дель, которая описывает влияние электроактивированных растворов и их ко личества на значение обобщенного интегрального среднеквадратичного пока зателя отклонения показателя рН почвы от заданного уровня:
y6 997,802944 171,187833x1 9,3216083x 2 0,8296750 x1 x (9) 7,3283333x1 0,0173283x 2 В соответствии с данной моделью получены графические поверхности, связывающие обобщенный интегральный среднеквадратичный показатель от клонения кислотности почвы J (у6) от величины водородного показателя воды (х1) и ее количества (х2) (рисунок 9).
Методом поиска экстремума были получены оптимальные интервалы рН раствора и норм полива при выращивании томатов в закрытом грунте по крите рию минимального обобщенного интегрального среднеквадратичного показа теля отклонения кислотности почвы от заданного уровня (рисунок 9 б).
10 л/м 30 л/м2 20 л/м 31,5 28, 22, х 17,3 12,5 40 35 30 25 8 20 9,8 10,0 10,2 10,4 10,6 10,8 11,0 11,2 11,4 11,6 11,8 12,0 12, 10, 11, 10, 10, 10, х 9, а) б) Рисунок 9 – Диаграмма зависимости (а) и поверхность проекций (б) обобщен ного интегрального среднеквадратичного показателя отклонения кислотности почвы (у6) от величины водородного показателя воды (х1) и ее количества (х2) Так для нормы полива Q = 28 – 31,5 л/м2 определены оптимальные ин тервалы водородного показателя воды - рН = 9,8 – 10,11. Так же получены данные для остальных норм полива (таблица 1).
Таблица 1 – Оптимальные параметры электроактивированного раствора для нормализации кислотности почвы Обобщенный интегральный сред Норма по- Оптимальное зна- Оптимальные неквадратичный показатель откло лива, л/м2 чение рН раствора интервалы нения кислотности почвы (у6) Q = 31,5 – 28, 30 9,983 рН = 9,8 – 10, Q = 22,7 – 17, 20 10,5 6, рН = 10,27 – 10, Q = 12,5 – 10 11 рН = 10,8 – 11, Проведены испытания в двух теплицах крестьянского (фермерского) хо зяйства «Болотов А.В.» В первой проводилось выращивание томатов по тра диционной технологии, во второй – с регулированием кислотности почвы.
Изображение теплицы и макета электроактиватора представлены на рисунке 10.
а) б) Рисунок 10 – Электроактиватор воды (а) и изображение исследуемой теплицы Графическая интерпретация полученных экспериментальных данных представлена на рисунке 11. На данном рисунке показаны: нормируемый уро вень рН – 6,5, изменение водородного показателя почвы при внесении кислых удобрений и при использовании системы регулирования. Из графика следует, что при использовании предлагаемой системы регулирования кислотность поч вы поддерживается в диапазоне от 6,2 до 7, а без ее использования рН почвы изменяется от 6,2 до 5,6.
7, 6, 6, 6, рН почвы 6, 6, 5, 5, 5, 0 200 400 600 800 1000 1200 Время, час рН=6,5 Стабилизация Возмущающее воздействие Рисунок 11 – Графики изменения кислотности почвы при внесении удобрений и регулирования электроактивированными растворами с заданными параметрами Основные показатели качества регулирования кислотности почвы при выращивании томатов в условиях закрытого грунта перечислены в таблице 2.
Таблица 2 – Показатели качества регулирования кислотности почвы Эксперименталь Показатель Моделирование ные значения 0,5 0, Динамическая ошибка –0,3 –0, 10 Коэффициент перерегулирования, % –10 – Запас устойчивости по амплитуде 0,25 0, Обобщенный интегральный 15,6 9, среднеквадратичный показатель, % Достигнутое качество регулирования позволяет эффективно применять разработанную систему.
Проведенные нами производственные испытания показали увеличение по сравнению с контролем урожайности томатов на 16% и крупности плодов – на 30% при использовании системы регулирования кислотности почвы. Это объ ясняется созданием наилучших условий для роста и развития, так как при под держании оптимального для растения уровня рН почвы ему доступно большее количество необходимых для его жизнедеятельности минеральных веществ.
В четвертой главе приведена экономическая оценка эффективности внедрения системы регулирования рН почвы при выращивании томатов в усло виях закрытого грунта. Установлено, что срок окупаемости от внедрения разра ботанной системы для теплицы площадью 1000 м2 составит 7 мес.
ВЫВОДЫ 1. Разработана функциональная схема системы регулирования кислотно сти почвы электроактивированными растворами в условиях закрытого грунта, которая реализована и исследована в программном комплексе «МВТУ». Полу чены передаточные функции элементов системы, обеспечивающей заданное качество регулирования, снижение обобщенного интегрального среднеквадра тичного показателя отклонения рН почвы на 90%.
2. Разработана математическая модель, обосновывающая электрические, термодинамические и конструкционные параметры электроактиватора воды как регулирующего органа системы регулирования кислотности почвы. С ее по мощью установлено, что температура воды в канале с коэффициентом сужения К = 0,85 ниже на 8% по сравнению со стандартной конструкцией при одинако вых значениях рН. Математическая модель подтверждена экспериментально, относительные погрешности экспериментальных значений от теоретических составляют 4%.
3. Получена регрессионная модель, описывающая влияние рН электроак тивированного раствора и его количества, на кислотность почвы во времени.
Модель обосновывает управляющее воздействие, которое необходимо сфор мировать для точного регулирования кислотности почвы. Адекватность модели доказана расчетом критерия Фишера, который составил F(5,3) = 24,3 и коэффи циента детерминации R2 = 0,88.
4. Определены оптимальные значения кислотности раствора по критерию минимального обобщенного интегрального среднеквадратичного показателя отклонения кислотности почвы от заданного уровня при различных технологи чески допустимых нормах полива для выращивании томатов в закрытом грун те: 1) при норме полива Q = 30 л/м2 оптимальные интервалы водородного по казателя воды рН = 9,86 – 10,11;
2) при Q = 20 л/м2 – рН = 10,27 – 10,7;
3) при Q = 10 л/м2 – рН = 10,8 – 11,15.
5. В результате производственных испытаний определены показатели ка чества регулирования кислотности почвы в теплице: коэффициент перерегули рования – 7%, интегральный среднеквадратичный показатель – 9,8%, запас устойчивости по амплитуде – 0,25. Установлено, что при внедрении системы регулирования кислотности почвы в процесс капельного орошения теплицы площадью 200 м2 урожайность томатов повысилась на 16%, а крупность плодов – на 30%.
6. Экономическая эффективность от внедрения системы регулирования кислотности почвы при выращивании томатов в теплице площадью 1000 м2, выраженная через чистый дисконтированный доход, составила: за счет компен сации отрицательного воздействия вносимых кислых удобрений – 757 тыс.
руб.;
за счет профилактических поливов растений томатов анолитом – 225 тыс.
руб.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ - в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Цокур Д.С. Математическая модель электроактиватора воды для системы стабилизации кислотности почвы при выращивании томатов в условиях за крытого грунта. // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. – Крас нодар: КубГАУ, 2013. – № 08 (092). – IDA [article ID]: 0921308043. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/08/pdf/43.pdf, 1,125 у.п.л.
2. Цокур Д.С. Система стабилизации кислотности почвы при выращивании томатов в условиях закрытого грунта / Д.С. Цокур // Научный журнал Куб ГАУ [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2013. – № 09 (093). – – Режим доступа:
IDA [article ID]: 0931309002.
http://ej.kubagro.ru/2013/09/pdf/02.pdf, 1,063 у.п.л.
- в прочих изданиях:
3. База данных «Основные характеристики, методы программирования кон троллеров, панелей оператора, применяемых для автоматизации технологи ческих процессов в сельском хозяйстве» / Д.А. Овсянников, С.А. Николаен ко, Д.С. Цокур // свид. №2010620175 - М. РОСПАТЕНТ, 2010.
4. База данных «Классификация, основные характеристики датчиков, приме няемых для автоматизации технологических процессов в АПК». / Д.А. Ов сянников, С.А. Николаенко, В.А. Дидыч, Д.П. Харченко, Д.С. Цокур // свид.
№ 2010620096 - М. РОСПАТЕНТ, 2010.
5. База данных «Классификация, основные характеристики, методы настройки автоматических регуляторов, используемых для автоматизации технологи ческих процессов в АПК» / Д.А. Овсянников, С.А. Николаенко, В.А. Дидыч, А.П. Волошин, Д.С. Цокур // свид. № 2010620111- М. РОСПАТЕНТ, 2010.
6. База данных «Элементы теории автоматического управления, применяемые в сельском хозяйстве» / Д.А. Овсянников, С.А. Николаенко, В.А. Дидыч, А.П. Волошин, Д.С. Цокур // свид. № 2010620112. - М. РОСПАТЕНТ, 2010.
7. Цокур Д.С. Перспективы применения электротехнологии в процессе выра щивания овощей в малых теплицах / Д.С. Цокур // Материалы IV Всерос.
науч.-практ. конф. молодых ученых. – Краснодар: КубГАУ, 2010. – С. 436– 438.
8. Цокур Д.С. Особенности использования электроактиваторов в теплицах / Д.С. Цокур, А.П. Волошин // Материалы IV Всерос. науч.-практ. конф. мо лодых ученых. – Краснодар: КубГАУ, 2011. – С. 466–468.
9. Программа для ЭВМ для расчета зависимостей напряжения, сопротивления и мощности электроактиватора от температуры электролита / А.П. Воло шин, Д.С. Цокур // свид. № 2012611984 - М. РОСПАТЕНТ, 2012.
10. Цокур Д.С. Система повышения урожайности томатов в условиях закрытого грунта электроактивированными растворами на базе программируемого микроконтроллера ATMEGA 16 / Д.С. Цокур, Р.Н. Савчук // Студенчество и наука: сб. науч. тр. Вып. 9. Т. 1. – Краснодар, КубГАУ, 2013. – С. 539–542.
11. Цокур Д.С. Стабилизация кислотности почвы электроактивированными растворами для повышения урожайности томатов / Д.С. Цокур // Материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Ставрополь, 14–17 мая 2013 г. – Ставро поль, 2013. С. 178–180.
12. Цокур Д.С. Анализ направлений совершенствования источников оптиче ского излучения применяемых в сооружениях закрытого грунта / Д.С. Цо кур, Е.В. Овсиенко // Материалы IV Междунар. науч.-практ конф. – Сара тов: СГАУ, 2013. – С. 244–245.
Подписано к печати 18.11.2013 г. Формат 60х84 / Бумага офсетная Офсетная печать Печ. л. 1 Заказ № Тираж 100 экз.
Отпечатано в типографии Кубанского ГАУ 350044, Краснодар, ул. Калинина, 13.