Повышение эффективности привлечения комаров электрооптическим преобразователем с изменяющейся цветностью излучения для подкормки рыбы
На правах рукописи
ШАБАЕВ ЕВГЕНИЙ АДИМОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИВЛЕЧЕНИЯ КОМАРОВ
ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ
ЦВЕТНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ПОДКОРМКИ РЫБЫ
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском
хозяйстве (по техническим наук
ам)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Зерноград – 2008 Диссертация выполнена в Федеральном государственном образовательном учре ждении высшего профессионального образования "Азово-Черноморская государ ственная агроинженерная академия".
Научный руководитель: кандидат технических наук доцент Бабенко Алексей Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Гордеев Александр Сергеевич кандидат технических наук доцент Кононенко Алексей Федорович Ведущее предприятие: Федеральное государственное образовательное учреж дение высшего профессионального образования "Кубанский государственный аграрный университет" (ФГОУ ВПО Кубанский ГАУ, г. Краснодар)
Защита состоится 26 декабря 2008 г. в 10 часов на заседании объединенно го диссертационного совета по защите докторских диссертаций ДМ 220.001. при ФГОУ ВПО АЧГАА, по адресу: 347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. Ленина, 21, ФГОУ ВПО АЧГАА, в зале заседания диссертационного совета (аудитория 201 корпус 5). Тел./факс: (8-86359) 43-3-80.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО АЧГАА.
Автореферат разослан 24 ноября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук профессор Н.И. Шабанов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Удовлетворение запросов населения в рыбных продуктах связано с эффективным использованием внутренних водоемов, рыбные ресурсы которых являются важнейшим источником питания населения, постав щиком кормовой и технической продукции, сырья для медицинских препаратов.
Поэтому необходимо сохранить и приумножить запасы рыб во внутренних водоемах путем их эффективного воспроизводства. Важную роль при этом игра ют корма двух основных групп: живые и неживые. Кормление рыбы при интен сивном ее разведении смесью неживых и живых кормов, полученных с помощью электрооптических преобразователей, наиболее рационально, так как повышение качества кормления происходит путем увеличения доли живых кормов. Это при водит к повышению иммунитета рыбы, ускорению прироста ее живой массы.
Наиболее прогрессивным способом увеличения доли живых кормов в пи щевом рационе рыбы служит использование электрооптических преобразователей для привлечения к прудам комаров семейства хирономид, личинки которых яв ляются излюбленной пищей рыб. С помощью оптического излучения можно в 4…10 раз увеличить численность и биомассу личинок хирономид в прудах.
Немало сделано для увеличения воспроизводства рыбных запасов, однако мероприятия, предусматривающие улучшение условий нагула рыбы путем увели чения доли живых кормов в промысловых водоемах, получили относительно сла бое развитие. Недостаточная изученность параметров источников оптического излучения электрооптических преобразователей для привлечения комаров и зави симости характеристик данного излучения от температуры окружающего воздуха делает работы в этом направлении особенно актуальными.
Целью работы является повышение эффективности электрооптического преобразователя для подкормки рыбы хирономидами путем изменения цветности привлекающего комаров излучения в зависимости от температуры воздуха.
Объект исследования: система "электрооптический преобразователь – комар", параметры работы электрооптического преобразователя для подкормки рыбы хирономидами.
Предмет исследования: закономерность влияния цветности привлекаю щего комаров излучения в зависимости от температуры воздуха и способ повы шения эффективности электрооптического преобразователя для подкормки рыбы хирономидами.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анали за, теории планирования экспериментальных исследований, корреляционно регрессионного и дисперсионного анализа, методы математического моделирова ния систем, элементы математической статистики, методы светотехнических, ко лориметрических и электротехнических расчетов. Для обработки результатов ис следований использовался прикладной пакет статистических программ "Statis tica". Математическое моделирование проводилось с помощью программного комплекса "МВТУ".
Научная новизна работы заключается в повышении эффективности при влечения комаров электрооптическим преобразователем для подкормки рыбы хи рономидами путем изменения цветности его излучения в зависимости от темпера туры окружающего воздуха. В результате анализа и обобщения теоретических положений и экспериментальных исследований разработаны:
– вероятностные статистические модели для оптимизации цветности излу чения электрооптического преобразователя для подкормки рыбы хирономидами в зависимости от температуры окружающего воздуха;
– методика расчета токов RGB-светодиода для получения заданных коор динат цветности излучения электрооптического преобразователя;
– система автоматического управления цветностью излучения электрооп тического преобразователя.
Практическая значимость исследований работы заключается в разработ ке способа повышения эффективности привлечения комаров оптическим излуче нием и в реализующем его электрооптическом преобразователе с изменяющейся цветностью излучения для подкормки рыбы хирономидами, использование кото рого позволяет:
– повысить качество кормления рыбы за счет увеличения доли живых кормов (личинок хирономид) в пищевом рационе рыбы путем повышения коли чества привлеченных комаров излучением электрооптического преобразователя для подкормки рыбы на 21…33% в зависимости от метеорологических и клима тических условий;
– снизить расход комбикормов на кормление рыбы на 2890 кг (при 2 га во доема с кратностью посадки рыбы равной пяти);
– получить годовой экономический эффект в размере 21,5 тыс. руб.
На защиту выносятся следующие основные положения:
– математическая модель изменения оптимальной цветности излучения, привлекающего комаров, в зависимости от температуры воздуха;
– методика расчета токов RGB-светодиода для получения заданных коор динат цветности излучения электрооптического преобразователя;
– система автоматического управления цветностью излучения электрооп тического преобразователя;
– методика расчета излучателя электрооптического преобразователя с из меняющейся цветностью излучения для подкормки рыбы хирономидами;
– электрооптический преобразователь с изменяющейся цветностью излу чения для подкормки рыбы хирономидами.
Реализация результатов исследования. Электрооптические преобразова тели с изменяющейся цветностью излучения для подкормки рыбы хирономидами внедрены на выростных прудах в ОАО "Агрофирма Кагальницкая" и на озере "Маныч" в ООО "Манц".
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы до ложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО Азово Черноморской ГАА (г. Зерноград, 2006…2008 гг.), ФГОУ ВПО Ставропольского ГАУ (г. Ставрополь, 2006, 2007 гг.), ФГОУ ВПО Кубанского ГАУ (г. Краснодар, 2008 г.), на IX и X Международных научно-практических конференциях "Автома тизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве" (г. Углич, 2006, 2008 гг.), на Международной научно-практической конференции "Инновационные технологии для АПК России" в ГНУ ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 2008 г.).
По результатам исследований подана заявка на патент и опубликовано 15 статей в сборниках научных трудов вузов и материалов конференции ГНУ ВИМ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ, в том числе семь статей в изданиях, рекомен дованных ВАК, в журналах: "Известия высших учебных заведений. Северо Кавказский регион. Технические науки", "Труды Кубанского государственного аграрного университета", "Механизация и электрификация сельского хозяйства" и "Автоматизация и современные технологии".
Плавающий светодиодный электрооптический преобразователь с изме няющейся цветностью излучения для подкормки рыбы живыми кормами пред ставлен на всероссийской выставке-демонстрации "День Российского поля – 2007", проходящей в рамках реализации национального проекта "Развитие АПК", орга низаторами которой выступили Министерство сельского хозяйства РФ, Админи страция Ростовской области, Российская академия сельскохозяйственных наук, ГАО "Всероссийский выставочный центр".
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 233 наименова ния, в том числе 56 на иностранных языках и приложений, содержит 160 страниц основного текста, 67 рисунков, 19 таблиц и приложения на 37 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, ее практическая значи мость и научная новизна, определены цель, объект и предмет исследования, из ложены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе "Анализ исследований электротехнологии и оборудования для подкормки рыбы. Задачи исследования" изложены результаты библиографи ческого поиска и систематизации результатов предыдущих научных исследова ний электротехнологии кормления рыбы при искусственном выращивании, при меняемых при этом электрооптических преобразователей и источников аттрактантов, современных научных методов исследования в этой области. Про веден анализ свето- и цветовоспринимающего аппарата комара и связанных с ним реакций насекомого в виде фототаксиса и цветового стимула.
В настоящее время кормление рыбы комбикормом производится в основ ном двумя способами: у берега и с лодки. Второй способ приводит к меньшему скоплению рыб, и поэтому более приемлем. Однако оба эти способа нарушают соотношение между живыми и неживыми кормами, что приводит к снижению иммунитета рыб и продуктивности прудов. Для устранения этого недостатка к водоемам привлекают комаров семейства хирономид, личинки которых являются живым кормом для рыбы. Либо в рыбоводческих хозяйствах создают два цеха:
цех создания и поддержания маточного роя комаров и цех выращивания личинок хирономид, которых скармливают рыбам. Последний способ трудоемок, поэтому для привлечения к прудам комаров применяют оптическое излучение, за счет ко торого можно в 4…10 раз увеличить численность и биомассу личинок хирономид в прудах. В качестве источников-аттрактантов используют люминесцентные или ультрафиолетовые лампы с наибольшей энергией излучения в области 320…380 нм, лампы накаливания, светоизлучающие диоды (СИД), а также их со четания. Наиболее прогрессивным способом увеличения доли живых кормов в пищевом комке рыбы является использование электрооптических преобразовате лей для привлечения к прудам комаров.
Исследованию поведения насекомых в оптическом излучении, разработке электрооптических преобразователей для их привлечения посвящены работы Ж. Леба, В. Будденброка, Г.А. Мазохина-Поршнякова, В.Б. Чернышева, Г.Н. Горностаева, Н.М. Симонова, В.С. Газалова и др.
Большинство существующих электрооптических преобразователей пред назначены для уничтожения насекомых, в то время как для увеличения численно сти хирономид в пруду целесообразно использовать электрооптические преобра зователи, расположенные над поверхностью воды, в местах доступных для рыбы, совместно с платформами для роения комаров, расположенных вблизи излучате лей электрооптических преобразователей, которые привлекают насекомых.
Анализ современных исследований по воздействию оптического излуче ния на человека как биологического объекта показал, что позитивное восприятие той или иной цветности излучения в значительной степени зависит от температу ры окружающей среды. Данное влияние проявляется на психофизиологическом уровне. Этому вопросу посвящены работы ряда ученых, таких как А.А. Круитхоф, Хаджими Накамура, Геррит Ван Ден Бельд, В. Ван Бомель, Л. Ронки, Р. Вайтцель, Р.А. Ваккер, Ш. Мюллер, В. Хальбритер и др.
В виду вышеизложенного, выдвинута научная гипотеза о зависимости оптимальной (с точки зрения положительного фототаксиса) цветности привле кающего комаров излучения от температуры окружающего воздуха.
Рабочая гипотеза сформулирована следующим образом: повышение эф фективности электротехнологии подкормки рыбы живыми кормами возможно за счет увеличения количества привлеченных комаров электрооптическим преобра зователем путем изменения цветности излучения в зависимости от температуры окружающего воздуха.
В соответствии с поставленной целью диссертационной работы сформули рованы следующие задачи исследования:
1. Проанализировать исследования электротехнологии и оборудования для подкормки рыбы живыми кормами;
2. Разработать математическую модель изменения оптимальных коорди нат цветности привлекающего комаров излучения от температуры воздуха и оп ределить параметры работы светодиодного излучателя электрооптического пре образователя для подкормки рыбы хирономидами;
3. Разработать методику расчета токов RGB-светодиода для получения заданных координат цветности излучения электрооптического преобразователя;
4. Разработать систему автоматического управления цветностью излуче ния электрооптического преобразователя для подкормки рыбы хирономидами, исследовать режимы его работы и обосновать конструкцию электрооптического преобразователя, реализующего принцип изменения цветности привлекающего комаров излучения в зависимости от температуры воздуха;
5. Определить технико-экономическую эффективность использования электрооптического преобразователя с изменяющейся цветностью излучения для подкормки рыбы хирономидами.
Во второй главе "Теоретические положения повышения эффективности электрооптического преобразователя для подкормки рыбы" представлены теоре тические положения повышения эффективности электрооптического преобразо вателя для подкормки рыбы хирономидами и аналитические исследования его разработки.
Модель интенсивности лета комаров на излучения с различной цветностью имеет вид полинома второй степени W b0 b1x b 2 y b3x 2 b 4 xy b5 y 2, (1) где W – количество комаров, привлеченных излучением с координатами цветно сти x и y, за время действия данного излучения, шт.;
b0…b5 – коэффициенты модели.
На основании уравнения (1) оптимальные координаты цветности излуче ния, обладающего максимальным положительным фототаксисом для насекомых, определяются следующими выражениями:
x ОПТ b 2b 4 2b1b5 4b3b5 b2 ;
yОПТ b1b 4 2b 2 b3 4b3b5 b 2, 4 где xОПТ и yОПТ – оптимальные координаты цветности x и y.
Методика определения токов RGB-светодиода при заданной цветности из лучения электрооптического преобразователя позволяет определить скважности ШИМ токов R, G, B кристаллов СИД для создания излучения с необходимыми координатами цветности, определяемыми системой уравнений (2). При разработ ке данной методики расчета использованы результаты научных исследований С.К. Карцова, М.Д. Перминова, Н.М. Беспамятновой.
k R FR () k G FG () k B FB ()X ()d x ;
k R FR ( ) k G FG ( ) k B FB ()X ( )d k R FR ( ) k G FG ( ) k B FB ()Y ( )d k R FR ( ) k G FG ( ) k B FB ( )Z( )d k R FR () k G FG () k B FB ()Y ()d y ;
(2) k R FR () k G FG () k B FB ()X()d k R FR () k G FG () k B FB ( )Y ( )d k R FR ( ) k G FG () k B FB ( )Z( )d k R FR () k G FG () k B FB ()Z()d z, k R FR () k G FG () k B FB ()X ()d k R FR () k G FG () k F ( )Y ()d k F () k F ( ) k F ( )Z()d RR BB GG BB где x, y, z – координаты цветности;
Fi() – спектры излучений красного (R), зеле ного (G) и синего (B) кристаллов светодиода при номинальном токе, Вт;
X ( ), Y ( ), Z() – удельные координаты цвета;
ki – коэффициент кратности световой мощности излучения светодиода по отношению к ее величине при заданном токе и температуре гетероперехода.
Примем обозначения (3)…(8), с учетом которых исходные выражения (2) будут иметь вид системы уравнений (9).
FRX FR () X ()d ;
FGX FG ( ) X ( )d ;
FBX FB ( ) X ()d ;
(3) FRY FR () Y ()d ;
FGY FG ( ) Y ( )d ;
FBY FB ( ) Y ()d ;
(4) FRZ FR ( ) Z()d ;
FGZ FG () Z()d ;
FBZ FB () Z()d ;
(5) FRS FRX FRY FRZ FR ( )X () Y ( ) Z( )d ;
(6) FGS FGX FGY FGZ FG ( )X () Y ( ) Z( )d ;
(7) FBS FBX FBY FBZ FB ( )X () Y ( ) Z( )d. (8) k R FRX FRS x k G FGX FGS x k B FBX FBS x 0;
k R FRY FRS y k G FGY FGS y k B FBY FBS y 0;
(9) k F F z k F F z k F F z 0.
R RZ RS G GZ GS B BZ BS Разделив правые и левые части уравнений (9) на kR и обозначив отношение k/kR через k', получим FRX FRS x k FGX FGS x k B FBX FBS x 0;
G FRY FRS y k FGY FGS y k B FBY FBS y 0;
(10) G F F z k F F z k F F z 0.
RZ RS G GZ GS B BZ BS Поскольку x+y+z=1, тогда решение системы уравнений (10) относительно k'G, k'B примет вид xFRZFBY FRY FBZ yFRX FBZ FRZFBX 1 x yFRY FBX FRX FBY k G xF F F F yF F F F 1 x yF F F F ;
GY BZ GZ BY GZ BX GX BZ GX BY GY BX k xFRY FGZ FRZFGY yFRZFGX FRX FGZ 1 x yFRX FGY FRY FGX.
B xFGY FBZ FGZFBY yFGZ FBX FGX FBZ 1 x yFGX FBY FGY FBX Переход от k' к k осуществляется по выражениям (11).
k R k R max k R, k, k B ;
G k G k max k R, k G, k B ;
(11) G k k max k, k, k.
B B R G B Таким образом, для того, чтобы получить заданные координаты цветности x и y смеси излучений RGB-светодиода, необходимо принять для ШИМ скважно сти DR, DG, DB импульсов токов через кристаллы равными, соответственно, коэф фициентам kR, kG, kB, определенным по выражениям (11).
Управление цветностью излучения электрооптического преобразователя рационально проводить с помощью ШИМ токов кристаллов RGB-светодиода, ис пользуя драйвер СИД. При этом в качестве основных возмущающих факторов, влияющих на характеристики излучения RGB-светодиода, следует рассматривать температуры гетеропереходов его кристаллов, для определения которых целесо образно использовать математическую модель, описывающую динамику измене ния температуры частей системы "RGB-светодиод – радиатор". Процессы нагре ва-охлаждения R, G, B кристаллов, подложки и радиатора охлаждения СИД с дос таточной точностью описываются дифференциальными уравнениями теплового баланса одномерного объекта с сосредоточенными параметрами:
dT mc 1 P PП PО, (12) dt где m – масса объекта, кг;
c – удельная теплоемкость материала объекта, Дж/(кг°С);
Т1 – температура объекта, °С;
P – изменение тепловой мощности, повы шающей температуру Т1, Вт;
PП и PО – тепловая мощность, соответственно, подводимая и отводимая от объекта, Вт.
На основе уравнения (12) определены передаточные функции:
Т1 s Т s k Рs W0 s ;
W1 s 1 1 ;
W2 s k 2s, (13) Т 0 s Ts 1 PП s Ts 1 Т1 s где W0(s), W1(s), W2(s) – передаточная функция объекта соответственно по каналу температура-температура, мощность-температура, температура-мощность;
Т0(s), Т1(s), PП(s), P(s) – изображения по Лапласу выходных и входных пара метров, соответственно входной Т0 и выходной Т1 температуры, входной PП и выходной P мощности, идущей на нагрев;
1, k1=RQ, k2=mc – передаточные коэффициенты;
T=mcRQ – постоянная времени, с;
RQ – температурное сопро тивление, °C/Вт.
Структурная схема разработанной тепловой модели RGB-светодиода при ведена на рисунке 1 а, где индексы R, G, B относятся к соответствующему кри сталлу СИД;
S – к подложке светодиода;
H – к его радиатору.
TS (s) W 0R (s) P R (s) TJ R (s) W 1R (s) W 2R (s) TS (s) T H ( s) RQ H (s) W 0 G ( s) W 0 S ( s) WR (s) P G (s) T J G (s) P S ( s) T S ( s) W 1 G ( s) W 1 S ( s) T A (s) W0 H (s) P H (s) P H (s) T H (s) W 2 G ( s) W 2 S ( s) W1 H (s) TS (s) W 0B (s) P B (s) TJ B (s) W 1B (s) W 2B (s) а б Рисунок 1 – Структурная схема тепловых моделей RGB-светодиода (а) и его радиатора (б) Для радиатора Р-216 разработана математическая модель (14) зависимости теплового сопротивления RQH от температур окружающего воздуха ТА, °С и само го радиатора ТH, °С. От значения RQH зависят постоянная времени T и передаточ ный коэффициент k1 в выражении (13).
0, 2637 4,17110 4 T R QH 14,44 4,714102 TA TH TA A. (14) Структурная схема тепловой модели радиатора представлена на рисун ке 1 б, где WR(s) – передаточная функция, определяемая выражением (14).
Разработанные аналитические выражения, математические модели и теп ловые модели системы "RGB-светодиод – радиатор" использованы для определе ния выходных параметров СИД при моделировании, от которых зависит цвет ность его излучения, с целью разработки регулятора системы автоматического управления цветностью излучения электрооптического преобразователя.
В третьей главе "Программа и методика проведения экспериментальных исследований по совершенствованию электрооптического преобразователя для подкормки рыбы" изложены программа экспериментального исследования и ме тодики исследований закономерностей лета комаров на искусственные источники света с различной цветностью при разных температурах окружающего воздуха и описаны экспериментальные установки.
В программу экспериментального исследования входят:
1. Определение интервалов варьирования факторов, температуры воздуха, координат цветности x и y, числа комбинаций последних двух факторов;
разра ботка экспериментальных установок, позволяющих создавать излучение с задан ными комбинациями координат цветности x и y;
2. Определение минимального количества проведения опытов;
3. Проведение параллельных пассивных экспериментальных исследова ний влияния цветности привлекающего комаров излучения на интенсивность лета насекомых на свет при фиксированной температуре окружающего воздуха с ис пользованием экспериментальных установок, которые настроены на все опреде ленные комбинации координат цветности x и y;
4. Активная корректировка плана проведения пассивных экспериментов в зависимости от метеорологических условий, количества проведенных опытов, ох вате факторной области по температуре окружающего воздуха, распределения экспериментальных данных при их группировке по значению температуры;
5. Исследования солнечного модуля как датчика естественной освещен ности в вечернее время суток для использования его с целью синхронизации с уровнем освещенности включения и отключения излучателя электрооптического преобразователя для подкормки рыбы.
Из анализа факторных областей и симплекс-решетчатых планов мини мальное количество опытных точек для адекватного описания функции (1) равно шести, принято 15 (рисунок 2 а). На рисунке 2: – точки цветности излучений R, G и B кристаллов;
– точки цветности настройки экспериментальных установок;
1 – монтажная плата;
2 – подстроечные резисторы;
3 – RGB-светодиод.
б а в Рисунок 2 – Атлас цветности CIE 31 с нанесением треугольника цветности смеси излучений RGB-светодиода (а);
внешний вид (б) и схема электрическая принципиальная (в) экспериментальной установки Рисунок 3 – Расположение экспериментальных установок при проведении опытов Для реализации плана эксперимента изготовлены 15 экспериментальных установок (рисунок 2 б, в), настройка которых осуществлена с помощью цифро вого электроколориметра ТКА-ИЦТ. Эксперименты проводились в условиях опытного пруда "Агрофирмы Кагальницкая" (п. Двуречье, Ростовская область).
Установки располагались на свободном пространстве, на равном расстоянии от мест роения комаров (рисунок 3). Температура воздуха измерялась цифровым прибором ТКА-ТВ с погрешностью измерений ±0,5°С. Установки включались од новременно через 30 минут после захода Солнца и отключались через 15 минут.
Опыты проводились один раз в сутки. Комары, привлеченные излучением экспе риментальных установок, садились на экран из белой бумаги, расположенный пе ред излучателем, и фиксировались нанесенным на него прозрачным липким ге лем. Впоследствии производился подсчет комаров, прилипших к экранам.
Разработанная методика определения оптимальной цветности привлекаю щего комаров излучения при фиксированной температуре воздуха применена для определения коэффициентов модели интенсивности лета комаров на излучение с различными координатами цветности (1). Необходимое количество проведения опытов ограничивается методикой проведения экспериментальных исследований по определению модели изменения оптимальных координат цветности привле кающего комаров излучения от температуры окружающего воздуха. Основными задачами
данной методики являются эмпирическое подтверждение изменения оп тимальных координат цветности привлекающего комаров излучения от темпера туры окружающего воздуха и определение функциональных зависимостей (15), отражающих закономерности данного явления. С этой целью проведены опыты, охватывающие большую часть диапазона температур активного лета комаров.
x ОПТ c 0 c1t В с 2 t 2 ;
В (15) y ОПТ d 0 d1x ОПТ d 2 x ОПТ, где xОПТ, yОПТ – оптимальные координаты цветности;
tВ – температура окружаю щего воздуха, °С.
В соответствии с первым уравнением (15), откликом является координата цветности xОПТ, а фактором – температуру воздуха. Поскольку при проведении экспериментов в условиях опытного пруда воздействовать на температуру окру жающей среды затруднительно, то в данном случае проведены пассивные экспе рименты при количестве групп опытов по диапазонам температур m=7 и мини мальном числе экспериментов в пределах одной группы nmin=5.
Поскольку активный лет комаров происходит в вечерние и утренние часы суток, то рационально включение и отключение излучателя электрооптического преобразователя для подкормки рыбы хирономидами синхронизировать с уров нем естественной освещенности, в качестве датчика которой целесообразно ис пользовать солнечный модуль автономной системы электропитания. В связи с этим проведены экспериментальные исследования изменения напряжения холо стого хода солнечного модуля в зависимости от уровня естественной освещенно сти в вечернее время суток на лабораторной установке, представленной на рисун ке 4, где 1 – солнечные модули MSW-6(12);
2 – чувствительный элемент датчика освещенности;
3 – цифровой блок электроколориметра ТКА-ИЦТ;
4 – плата АЦП LA-70M4;
5 – плата сопряжения;
6 – системный блок ПЭВМ;
7 – разъемы зазем ляющего устройства;
8 – монитор;
9 – клавиатура;
10 – манипулятор типа "мышь".
Рисунок 4 – Лабораторная установка для исследования изменения напряжения холостого хода солнечного модуля от уровня естественной освещенности в вечернее время суток Освещенность измерена электроколориметром ТКА ИЦТ, а напряжение холостого хода солнечного модуля – АЦП LA-70M4. Запись экспериментальных данных (уровня освещенности и напряжения) производилась синхронно, вечером, при освещенности от 100 до 5 лк.
В четвертой главе "Разработка электрооптического преобразователя с изменяющейся цветностью излучения для подкормки рыбы хирономидами" при ведены результаты экспериментальных исследований и их статистическая обра ботка, освещены вопросы, связанные с разработкой электрооптического преобра зователя.
На основании 42 экспериментов определена оптимальная цветность при влекающего комаров излучения путем уточнения коэффициентов модели (1) для всех опытов. Искомая математическая модель изменения оптимальных координат цветности привлекающего комаров излучения от температуры воздуха имеет вид 2 4 x ОПТ 1,070 4,714 10 t В 6,287 10 t В ;
(16) y ОПТ 0,1323 1,835x ОПТ 1,896 x ОПТ.
В результате анализа модели (16), используя D-критерий Колмогорова Смирнова, критерий Граббса, коэффициент детерминации, t-критерий Стьюдента, F-критерий Фишера выявлена нормальность распределения ошибки, отсутствие аномальных опытных данных (выбросов), значимость всех коэффициентов моде ли, подтверждена ее адекватность и точность.
Рисунок 5 – Графическая интерпретация модели (16) Из графической интерпретации модели (16) (рисунок 5) видно, насколько существенным является изменение оптимальной цветности привлекающего кома ров излучения от температуры окружающего воздуха: x=0,5330…0,1862, y=0,3073…0,1437 (1…13 – расчетные точки для диапазона температур воздуха 14…38°С). Таким образом, выдвинутая ранее научная гипотеза получила эмпири ческое подтверждение.
При анализе поверхности отклика (16) в окрестности максимума на осно вании усредненного относительного канонического уравнения определены допус ки по координатам цветности x и y, равные =0,047, минимальное число ступеней регулирования цветности qmin=5 и максимальный шаг дискретизации по темпера туре воздуха tmax=3,4°С.
При реализации методики исследования солнечного модуля как датчика естественной освещенности получены точные адекватные модели (17), отражаю щие динамику изменения уровня естественной освещенности EV, лк, и напряже ния холостого хода UХХ, В, солнечной батареи в вечернее время.
2 0, E V 197,4exp 1005,9 1214,6 ;
U ХХ 0,199 0,2419E V. (17) Для создания равномерного оптического поля одной цветности применены три RGB-светодиода, оптические оси которых расположены в горизонтальной плоскости под углом 120°.
С целью регулирования координат цветности излучения разработана сис тема автоматического управления (САУ) цветностью излучения RGB-светодиода.
Объектом системы является комар, выходными величинами – координаты цвет ности излучения, воспринимаемого его зрительным аппаратом. Данная САУ обес печивает изменение цветности излучения RGB-светодиода в зависимости от тем пературы воздуха в соответствии с моделью (16). Возмущающим воздействием является также температура воздуха, которая влияет на параметры излучения RGB-светодиода через температуры его кристаллов.
Структурная схема моделирования упрощенной САУ цветностью излуче ния RGB-светодиода в среде ПК "МВТУ" изображена на рисунке 6, где 1 – блок "Константа", реализующий постоянный сигнал температуры окружающего возду ха;
D, L, H – макроблоки структурных схем соответственно цифровой части сис темы, RGB-светодиода, теплоотвода;
K1 – блок передаточной функции фасетча того глаза насекомого;
K2 – блок "Язык программирования", реализующий мо дель аддитивного смешения цветов;
2 – блок "Демультиплексор";
3 – блок "Язык программирования" – вспомогательный блок для вычисления ошибки по коорди натам цветности;
x, y, dxy и Tj, Tsp, Th – блоки "Временной график", для визуали зации временных зависимостей соответственно координат цветности x, y, их ошибки и температур R, G, B кристаллов СИД, его подложки и теплоотвода.
Рисунок 6 – Структурная схема моделирования САУ цветностью излучения RGB-светодиода в среде ПК "МВТУ" Скважность Dr Dg Db 36 А, °С Т 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 Рисунок 7 – Зависимость скважности импульсов ШИМ токов RGB-светодиода от температуры воздуха Температура, °С 60 Tjr Tjg Tjb 40 Tsp Th 36А, °С Т 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 Рисунок 8 – Зависимость температур кристаллов RGB-светодиода, его подложки и теплоотвода от температуры воздуха В результате моделирования САУ для разных температур окружающего воздуха (14…38°С) определены скважности ШИМ токов R, G, B кристаллов СИД (рисунок 7), являющиеся параметрами настройки дискретного регулятора цветно сти, а также температуры кристаллов RGB-светодиода (рисунок 8), которые не значительно превышают допустимое значение 80°С.
С помощью разработанной САУ цветностью излучения и определенных настроек дискретного регулятора осуществляется управление координатами цвет ности излучения трех RGB-светодиодов излучателя электрооптического преобра зователя для подкормки рыбы по закону регулирования (16), при этом качество регулирования по задающему и возмущающему воздействиям отвечает заданным требованиям: xy=0,018=0,047, время регулирования Р=0,1 с.
Практически реализация автоматической системы управления (АСУ) уста новкой и входящей в нее САУ цветностью излучения осуществлена на базе широ ко распространенной недорогой современной цифровой техники с применением микроконтроллера (рисунок 9).
C2 C3 C4 C5 C 47 мкФ 0,1 м к Ф 47 мкФ 0,1 м к Ф 0,1 м к Ф D2 M AX 168 03A TE V D 2... V D 4 P L 6 N - 3 L F E 2,3 1,1 IN O U T 15 E N C S+ V D 2. 11 V5 CS- R 5.1 1,1 О м GB1 SA1 13 12 V D 3. D 1 7 8 L0 5 D IM G N D B10 0R 3 IN O U T R 5.2 1,2 О м V D 4. C VD1 GND 0,1 м к Ф D3 M AX 168 03A TE 1N 58 FC 2 2,3 1,1 IN O U T 15 E N C S+ V D 2. R 1 1,6 М О м R 3 4,7 М О м 11 V5 CS- R 6.1 1,1 О м 13 12 V D 3. D IM G N D R2 4 70 кО м R 4 47 0 кО м R 6.2 1,2 О м V D 4. C D4 M AX 168 03A TE 0,1 м к Ф C 1 0,1 м к Ф C 6 0,1 м к Ф 2,3 1,1 IN O U T 15 E N C S+ V D 2. 11 V5 CS- R 7.1 1,1 О м 13 12 V D 3. D IM G N D R 7.2 1,2 О м V D 4. D 5 A T m ega8 5 3 5 R 11 10кО м 16 OC 2 SCL 14 OC 1A SDA D 6 AD T 75AR M Z 13 1 8 OC 1B M OSI V D D O S /A L E R T R8 10кО м R9 10кО м 42 2 2 A IN 0 M IS O SCL A 43 3 XP1 1 A IN 1 SC K SDA A ZQ 1 16 M Гц 8 4 4 XT AL1 RE SET GND A 7 XT AL2 A VC C 6,1 8 5,1 R10 100кО м GND VC C 2 8,3 9 C10, C11 C 22 пФ 0,1 м к Ф Рисунок 9 – Схема электрическая принципиальная электрооптического преобразователя для подкормки рыбы хирономидами Для аккумулирования электроэнергии, вырабатываемой солнечным моду лем MSW-12(12), с учетом условий эксплуатации, выбрана аккумуляторная бата рея FGHL 20722 свинцово-кислотного типа, герметичная необслуживаемая (тех нология AGM), с гелиевым электролитом, со средним сроком эксплуатации 9 лет.
Разработанные внешний (рисунок 10) и внутренние алгоритмы АСУ уста новки позволяют осуществить функционирование электрооптического преобразо вателя для подкормки рыбы хирономидами в соответствии с целями его назначе ния. Созданная программа АСУ установки позволяет практически реализовать ал горитм работы устройства.
Начало 2 4 6 Объявление Переход в Опрос Включение/ переменных ждущий датчика Отключение и констант режим (Idle) температуры СИД 3 5 7 Реинициали- Определение Включение Отключение зация микро- скважностей системы системы контроллера ШИМов СИД Рисунок 10 – Блок-схема внешнего алгоритма АСУ установки Внешний вид излучателя и АСУ установки представлены на рисунке 11 а, где 1 – системная плата;
2 – светодиоды излучателя;
3 – плата датчика температу ры;
4 – теплоотводящая подложка платы СИД;
5 – радиатор;
6, 7 – соединитель ные проводники системной платы соответственно с платами светодиодов, датчика температуры;
8 и 9 – провода соединения системной платы соответственно с сол нечным модулем и аккумуляторной батареей.
а б Рисунок 11 – Внешний вид излучателя и АСУ установки (а), плавающего светодиодного электрооптического преобразователя с изменяющейся цветностью излучения для подкормки рыбы хирономидами (б) Для реализации электротехнологии подкормки рыбы хирономидами может быть применен плавающий светодиодный электрооптический преобразователь с изменяющейся цветностью, представленный на рисунке 11 б, где 1 – системная плата;
2 – отсек с источниками-аттрактантами (RGB-светодиодами);
3 – солнечная батарея;
4 – датчик температуры воздуха;
5 – выключатель.
В пятой главе "Анализ технико-экономической эффективности применения разработанного электрооптического преобразователя для подкормки рыбы хиро номидами" приведено технико-экономическое обоснование применения разрабо танного электрооптического преобразователя для подкормки рыбы хирономидами.
Разработанный способ привлечения комаров оптическим излучением, практически реализованный в электрооптическом преобразователе с изменяю щейся цветностью излучения для подкормки рыбы хирономидами, позволяет на 21…33%, в зависимости от метеорологических и климатических условий, повы сить количество привлекаемых комаров по сравнению с контролем.
При использовании электрооптического преобразователя с изменяющейся цветностью излучения для подкормки рыбы хирономидами на 2 га водоема с кратностью посадки рыбы равной пяти годовая экономия денежных средств со ставляет 21,5 тыс. руб., чистый дисконтированный доход за 9 лет равен 120,9 тыс. руб., индекс доходности – 10,2, а срок окупаемости – 0,66 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Кормление рыбы при интенсивном ее разведении смесью неживых и живых кормов, полученных с помощью электрооптических преобразователей, яв ляется наиболее прогрессивным. Повышение эффективности электрооптического преобразователя, применяемого в электротехнологии подкормки рыбы хирономи дами, возможно путем изменения цветности привлекающего комаров излучения в зависимости от температуры воздуха.
2. На основе теоретических и экспериментальных исследований разрабо тана математическая модель зависимости оптимальных координат цветности при влекающего комаров излучения от температуры воздуха. С помощью данной мо дели определены режимы работы светодиодного излучателя электрооптического преобразователя для подкормки рыбы хирономидами: изменения оптимальных координат цветности равны x=0,5330…0,1862, y=0,3073…0,1437 при допусках =0,047;
минимальное число ступеней регулирования цветности qmin=5;
макси мальный шаг дискретизации по температуре воздуха tmax=3,4°С. Установлено, что в зависимости от температуры окружающего воздуха изменяется оптимальная цветность привлекающего комаров излучения. При повышении температуры воз духа оптимальная цветность смещается от оранжево-красных оттенков в область сине-фиолетовых.
3. Разработана методика расчета токов RGB-светодиода при заданной цветности излучения электрооптического преобразователя, позволяющая опреде лить скважности ШИМ токов R, G, B кристаллов светодиода, с учетом их темпе ратур, для создания излучения с необходимыми координатами цветности.
4. Разработана система автоматического управления цветностью излуче ния с определенными настройками дискретного регулятора, которая осуществляет управление координатами цветности излучения RGB-светодиодов электрооптиче ского преобразователя для подкормки рыбы хирономидами в соответствии с за коном регулирования (путем изменения цветности излучения по разработанной модели, отражающей зависимость координат цветности от температуры окру жающего воздуха) при заданном качестве регулирования: статическая ошибка xy0,047, время регулирования Р0,1 с. Температура активной области излу чающих кристаллов RGB-светодиода незначительно превышает 80°С, для всего рабочего диапазона по температуре воздуха. Разработанная автоматическая сис тема управления электрооптическим преобразователем обеспечивает автономный режим его работы.
5. Разработанный способ привлечения комаров и реализующее его уст ройство повышает эффективность привлечения комаров излучением электрооп тического преобразователя на 21…33% по сравнению с контролем в зависимости от метеорологических и климатических условий. При использовании электрооп тического преобразователя с изменяющейся цветностью излучения для подкорм ки рыбы хирономидами годовая экономия денежных средств составляет 21,5 тыс. руб., чистый дисконтированный доход за 9 лет равен 120,9 тыс. руб., ин декс доходности – 10,2, а срок окупаемости – 0,66 года.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
– в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Шабаев, Е.А. Анализ и синтез систем автоматического регулирования с использованием программного комплекса "МВТУ" [Текст] /Б.А. Карташов, Е.А. Шабаев //Автоматизация и современные технологии. – 2006. – №4. – С. 36-42.
2. Шабаев, Е.А. Анализ теплового режима мощных светодиодов в рабо чем диапазоне температур [Текст] /В.С. Газалов, Е.А. Шабаев, А.М. Блягоз //Ме ханизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. – №6. – С. 36-38.
3. Шабаев, Е.А. Детализация колориметрических характеристик излуче ния светодиода [Текст] /В.С. Газалов, Е.А. Шабаев //Труды Кубанского государ ственного аграрного университета. – 2008. – Вып. №2 (11). – С. 242-245.
4. Шабаев, Е.А. Многокритериальная параметрическая оптимизация сис тем автоматического регулирования в среде программного комплекса "МВТУ" [Текст] /Е.А. Шабаев //Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2005. – №2. – С. 132-133.
5. Шабаев, Е.А. Моделирование нелинейных динамических систем в сре де программного комплекса "МВТУ" [Текст] /Б.А. Карташов, А.Б. Карташов, М.Ю. Медведько, Е.А. Шабаев //Автоматизация и современные технологии. – 2008. – №8. – С. 25-30.
6. Шабаев, Е.А. Определение пиковой длины волны излучения светодиода [Текст] /В.С. Газалов, Е.А. Шабаев //Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. – №1. – С. 54-55.
7. Шабаев, Е.А. Оценка погрешностей вычислений координат цветности излучений RGB-светодиода при изменении шага интегрирования [Текст] /В.С. Газалов, Е.А. Шабаев //Труды Кубанского государственного аграрного уни верситета. – 2008. – Вып. №3 (12). – С. 195-199.
– в сборниках научных трудов вузов:
8. Шабаев, Е.А. Анализ и синтез систем автоматического регулирования на основе программного комплекса "МВТУ" [Текст] /Е.А. Шабаев //Научная мо лодежь: пути и перспективы развития агроинженерной науки: студенческий сб.
науч. тр. /ФГОУ ВПО АЧГАА. – Зерноград, 2005. – С. 13-24.
9. Шабаев, Е.А. Влияние изменения температуры атмосферного воздуха на активность привлечения комаров оптическим излучением [Текст] /В.С. Газалов, Е.А. Шабаев //Электротехнологии и электрооборудование в сель скохозяйственном производстве: сб. науч. тр. /ФГОУ ВПО АЧГАА. – Зерноград, 2007. – Вып. 6. – Т. 1. – С. 29-33.
10. Шабаев, Е.А. Влияние цветности излучения на привлечение комаров электрооптическим преобразователем подкормки рыбы при изменении темпера туры воздуха [Текст] /В.С. Газалов, Е.А. Шабаев //Электротехнологии и электро оборудование в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. /ФГОУ ВПО АЧГАА. – Зерноград, 2007. – Вып. 7. – Т. 1. – С. 113-121.
11. Шабаев, Е.А. Оптимизация систем автоматического регулирования на основе метода структурного моделирования [Текст] /Б.А. Карташов, Е.А. Шабаев //Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве: сб. докладов IX Международной научно-практической кон ференции (19–20 сентября 2006 г., г. Углич). Часть 2. – М.: Известия, 2006. – С. 456-466.
12. Шабаев, Е.А. Повышение качества смешения излучения в светодиод ных электрооптических преобразователях для подкормки рыбы [Текст] /В.С. Газалов, Е.А. Шабаев //Методы и технические средства повышения эффек тивности применения электроэнергии в сельском хозяйстве: сб. науч. тр. /ФГОУ ВПО СтГАУ. – Ставрополь, 2006. – С. 71-75.
13. Шабаев, Е.А. Применение математических моделей спектра светодиода для расчета координат цветности излучения светодиода [Текст] /В.С. Газалов, Е.А. Шабаев //Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйствен ном производстве: сб. науч. тр. /ФГОУ ВПО АЧГАА. – Зерноград, 2007. – Вып. 7. – Т. 1. – С. 127-137.
14. Шабаев, Е.А. Разработка методики планирования эксперимента по оп ределению оптимальной цветности излучения электрооптического преобразова теля подкормки рыбы [Текст] /В.С. Газалов, Е.А. Шабаев //Методы и технические средства повышения эффективности применения электроэнергии в сельском хо зяйстве: сб. науч. тр. /ФГОУ ВПО СтГАУ. – Ставрополь, 2007. – С. 141-153.
15. Шабаев, Е.А. Современный метод анализа и структурно параметрического синтеза цифровых систем автоматического регулирования [Текст] /Б.А. Карташов, Е.А. Шабаев //Автоматизация и информационное обеспе чение производственных процессов в сельском хозяйстве: сб. докладов X Между народной научно-практической конференции (16–17 сентября 2008 г., г. Углич).
Часть 2. – М.: Известия, 2008. – С. 222-228.
ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 13.11.2008 г.
Формат 6084/16. Уч.-изд. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ №519.
Редакционно-издательский отдел ФГОУ ВПО АЧГАА 347740, г. Зерноград, ул. Советская, 15.