Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих методов исследования электротехнологических процессов обработки семян 17
1.1 Предпосевная обработка и определение ее роли в подготовке семян к посеву 17
1.2 Технология ВЧ и СВЧ обработки семян и особенности ее исследования ... 25
1.3 Анализ статистических методов для исследования электротехнологических процессов обработки семян и развития растений 30
1.4 Выводы и направления дальнейших исследований 36
Глава 2. Параметрические модели исследования взаимодействия электротехнологических параметров и показателей эффективности ВЧ и СВЧ обработки семян 40
2.1 Модель комплексной системы исследования электротехнологических процессов ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений 40
2.2 Аналитическая модель электротермического процесса ВЧ и СВЧ обработки семян 49
2.3 Параметрические модели оптимизации и оценки эффективности ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений 55
2.4 Параметрические модели прогнозирования посевных качеств и урожайности семян
Глава 3. Теоретические модели и алгоритмы системы исследования процессов ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений 70
3.1 Непараметрические модели оценки показателей эффективности ВЧ и СВЧ обработки семян в условиях неполной информации 70
3.2 Гибридные модели уточнения закономерностей процессов ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений 79
3.3 Коллективы моделей синтеза локальных закономерностей процессов ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений 95
3.4 Алгоритм определения значимости параметров процесса ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений. 104
3.5 Алгоритмы поиска относительного глобального экстремума в процессах ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений 110
Глава 4. Техническое и информационное обеспечение системы исследования процессов ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений 121
4.1 Планирование эксперимента, оборудование и методика для проведения лабораторных и полевых опытов 121
4.2 Программное обеспечение системы исследования изучаемых процессов 139
Глава 5. Результаты исследования электротехнологических процессов ВЧ и СВЧ обработки семян 155
5.1 Параметрические модели прогнозирования показателей эффективности ВЧ предпосевной обработки семян пшеницы и развития растений 155
5.2 Параметрические модели исследований процесса СВЧ обеззараживания семян пшеницы от твердой головни 173
5.3 Гибридные модели уточнения эмпирических (параметрических) закономерностей процессов ВЧ и СВЧ обработки семян пшеницы 181
5.4 Коллективы решающих правил локальных закономерностей при исследовании процессов ВЧ и СВЧ обработки семян пшеницы 184
5.5 Выбор эффективных режимов ВЧ и СВЧ предпосевной обработки семян пшеницы на основе алгоритмов поиска относительного глобального экстремума 189
5.6 Статистический анализ моделей системы исследования по влиянию параметров процесса ВЧ обработки семян валерианы лекарственной на показатели эффективности 192
5.7 Статистическая модель динамики развития валерианы лекарственной 202
5.8 Статистический анализ исследования влияния технологии СВЧ обработки клубней картофеля на показатели эффективности 205
Глава 6. Результаты производственных испытаний оборудования и технико- экономические показатели вч и свч обработки семян 213
6.1 Целевые функции определения параметров и показателей эффективности ВЧ и СВЧ обработки семян 213
6.2 Методика расчета экономической эффективности применения ВЧ и СВЧ технологии 215
6.3 Результаты испытания установок по предпосевной ВЧ и СВЧ обработке семян 225
6.4 Практические рекомендации по подготовке семян к посеву энергией ВЧ и СВЧ полей
Общие выводы 239
Заключение 242
Литература 244
Приложения 266
- Технология ВЧ и СВЧ обработки семян и особенности ее исследования
- Аналитическая модель электротермического процесса ВЧ и СВЧ обработки семян
- Гибридные модели уточнения закономерностей процессов ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений
- Программное обеспечение системы исследования изучаемых процессов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Анализ тенденций развития агропромышленного комплекса России и в развитых капиталистических странах, показывает, что рост энергоматериальных затрат на производство продукции растениеводства опережает рост урожайности.
Использование современных комплексов в растениеводстве для увеличения урожайности, указывает на многообразие факторов воздействия на семена и развитие растений, зачастую не объединенных единой системой исследования, организационной структурой агротехнических и методологических подходов выбора технологических процессов с учетом природно-климатических условий и отличительных признаков возделываемых культур. Анализ методологических подходов в решении проблемы систематизации технологических процессов растениеводства раскрывает проблемную ситуацию увеличения урожайности при снижении энергоматериальных затрат в растениеводстве и приводит к постановке народнохозяйственной проблемы - увеличения продуктивности в растениеводстве при снижении энергоматериальных затрат.
Актуальность решения этой проблемы связана не только с эффективным использованием существующих методов обработки почвы, растений, уборки урожая и эффективных методов подготовки семян к посеву: химических, термохимических, термических методов и технических средств, но и в разработке энергоэкономичных электротехнологических приемов обработки семян и растений.
Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные
в этом направлении отечественными и зарубежными учеными и их научными школами: М.Г. Евреиновым, А.С. Гинзбургом, Л.Г. Прищепом, И.Ф. Бородиным, СП. Лебедевым, А.М.Басовым, Ф.Я. Иза-ковым, В.И. Тарушкиным, A.M. Худоноговым Н.В. Цугленком, и другими, определили широкий круг задач по определению различных методов обработки семян и растений и их применению в современном сельскохозяйственном производстве.
Однако существующая методика исследований разрабатываемых электротехнологических процессов не позволяет раскрыть причинные и функциональные связи между явлениями наблюдаемые при воздействии электротехнологических и экологических параметров на качественные показатели семян и растений и не позволяет применять полученные закономерности для решения практических задач эффективного использования этих методов и технических средств в сельскохозяйственном производстве.
Разработанные электротермические ВЧ и СВЧ технологии обработки семян также характеризуются сложностью, стохастическим характером процессов воздействия электромагнитных полей на семена, большим количеством полевых опытов и неопределенностью зависимостей последующего развития растений от внешних воздействий.
В связи с этим сформулирована и решается научно-техническая проблема - формирование системы исследования процессов ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений, обеспечивающих увеличение урожайности и снижающих энергетические затраты.
При решении данной проблемы необходима разработка адекватных методических, математических и информационных средств ком плексного исследования ВЧ и СВЧ технологии обработки семян в условиях неполной информации, включая ее техническое обеспечение, что и определяет актуальность темы диссертации: «Система исследования электротехнологических процессов ВЧ и СВЧ обработки семян».
Цель и задачи исследования. Разработать научные и методологические принципы создания комплексной системы исследования электротехнологических процессов ВЧ и СВЧ обработки семян, обеспечивающих увеличение продуктивности растений, при снижении энергоматериальных затрат.
Для достижения поставленной цели необходимо решить общую научную задачу: - определить причинные и функциональные связи взаимодействия параметров в процессах ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений.
Объект исследования - электротехнологические процессы ВЧ и СВЧ обработки семян пшеницы, картофеля и валерианы лекарственной.
Предмет исследования - причинные и функциональные связи и закономерности взаимодействия электротехнологических параметров и показателей эффективности ВЧ и СВЧ обработки.
Для выполнения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
Провести анализ существующих методов исследования электротехнологических процессов обработки семян и на основе анализа обосновать проблему и сформулировать научные и методологические принципы создания системы исследования электротехно логических процессов ВЧ и СВЧ обработки семян. Разработать теоретические модели причинных и функциональных связей между явлениями, возникающими при взаимодействии электротехнологических параметров и показателей эффективности ВЧ и СВЧ обработки семян.
Разработать теоретические модели и алгоритмы математического обеспечения системы исследования электротехнологических процессов ВЧ и СВЧ обработки семян.
Разработать систему управления комплексными исследованиями, изготовить нестандартное оборудование для проведения исследования по определению эффективных электротехнологических режимов ВЧ и СВЧ обработки семян.
Провести комплексные исследования по определению эффективных электротехнологических режимов ВЧ и СВЧ обработки семян.
Изготовить промышленные ВЧ и СВЧ установки и определить эффективность комплексной системы исследования электротехнологических процессов ВЧ и СВЧ обработки семян в производственных условиях.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались, методы теории вероятностей и математической статистики, теория активного планирования эксперимента и имитационное моделирование.
Научная новизна исследований. Впервые с единых методологических позиций на основе системы методических, технических и информационных средств, разработаны процессы ВЧ и СВЧ предпо 10
севной подготовки семян пшеницы, картофеля и валерианы лекарственной к посеву включающие:
-теоретические модели причинных и функциональных связей взаимодействия между явлениями в электротехнологических процессах ВЧ и СВЧ обработки семян;
-теоретические модели и алгоритмы математического обеспечения системы исследования электротехнологических процессов ВЧ и СВЧ обработки семян;
-параметрические и непараметрические модели прогнозирования показателей эффективности ВЧ и СВЧ электротехнологических процессов обработки семян;
-систему управления комплексными исследованиями по определению эффективных режимов ВЧ и СВЧ обработки семян;
-результаты системы исследований эффективных электротехнологических режимов ВЧ и СВЧ обработки семян;
- технические задания на разработку и изготовление устройств ВЧ и СВЧ обработки семян повышающих урожайность и снижающих энергоматериальные и трудовые затраты.
Практическая значимость работы. Особенность разработанных в диссертации статистических моделей и алгоритмов оптимизации состоит в их использовании при комплексных исследованиях различных электротехнологических процессов растениеводства и решении задач прогнозирования и управления этими процессами.
Полученные результаты исследования создают базу для проектирования технологии и технических средств предпосевной ВЧ и СВЧ обработки семян сельскохозяйственных и лекарственных культур и для использования в сельскохозяйственном производстве разработанных практических рекомендаций по применению ВЧ и СВЧ технологий обработки семян.
Реализация результатов: - данная технология включена в систему ведения сельского хозяйства Красноярского края.
Бюро Отделения механизации и электрификации сельского хозяйства РАСХН, рассмотрев результаты исследований Красноярского СХИ по применению электромагнитных полей ВЧ и СВЧ для борьбы с болезнями и вредителями на семенах сельскохозяйственных культур, рекомендовало их для широких производственных испытаний в других регионах страны;
- результаты исследований использованы в методических рекомендациях "Интенсификация тепловых процессов подготовки семян к посеву энергией ВЧ полей", утвержденных на НТС Госагропрома СССР;
- результаты исследований использованы в учебном процессе Крас- ГАУ и при написании трех опубликованных монографий: «Имитационные модели пространственно распределенных экологических систем», 1999г., «Система защиты зерновых и зернобобовых культур от семенных инфекций»,2003г., «Методология и теория системы исследования электротехнологических процессов», 2003г
Автор защищает:
- теорию и методологию системы комплексных исследований ВЧ и СВЧ процессов предпосевной обработки семян;
- параметрические модели выбора эффективных технологических режимов предпосевной ВЧ и СВЧ обработки семян, разработанных на основе теории активного планирования эксперимента;
- способы, устройства и программное обеспечение комплексных исследований по предпосевной ВЧ и СВЧ обработке семян сельскохозяйственных культур;
- гибридные непараметрические модели и коллективы решающих правил для исследования технологических режимов и прогнозирования показателей эффективности ВЧ и СВЧ обработки семян, посевных качеств и динамики развития растений, обеспечивающие совместное использование известных полиномиальных аппроксимаций искомых зависимостей и непараметрических статистик для их корректировки по экспериментальным данным;
- эффективные режимы термообработки семян сельскохозяйственных и лекарственных культур энергией ВЧ и СВЧ полей, образцы производственных устройств и результаты испытаний ВЧ и СВЧ технологий в производственных условиях.
Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах, в частности: НИИ защиты растений, Ленинград, 1983-1985 гг.; научная конференция, ЧИМЭСХ, 1983 г., ВНИИ ТВЧ, Ленинград, 1983-1985 гг.; VIII Всесоюзный симпозиум по водному режиму растений, Ташкент, 1984 г.; Киевское специальное проектно-конструкторское бюро "Укрсортсемовощ", Киев, 1986 г.; ГПО "Союзлекраспром", Ленинград, 1987 г.; НТС Красноярского СХИ, 1987 г.; Научно-технический совет Госагропрома СССР, Москва, 1988-1989 г.; региональная научно-техническая конференция "Ресурсосберегающие технологии" в Волгоградском СХИ, 1988 г.; науч 13
ные конференции КрасГАУ, Красноярск, 1983-2002 гг.; Всесоюзная научно-практическая конференция с международным участием "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов", Красноярск, 24-26 марта 1999 г., 2001 г., Москва, МГАУ, 2002.
Личный вклад. Основные научные результаты, изложенные в диссертации, получены самостоятельно. На основании разработанных способов, устройств и научных результатов исследования изготовлено лабораторное оборудование, разработаны и переданы технические задания на изготовление опытных образцов промышленного оборудования ВЧД2-2,5/81, ВЧДЗ-6/81 и «Импульс-ЗУ» заводу термического оборудования «Кристалл», г. Таганрог, НИИТВЧ, г. С.-Петербург, производственному объединению «Полет» и ЧИМЭСХу, г.Челябинск, испытанные в производственных условиях на предпосевной обработке семян. В собственных работах автору принадлежат структурные, структурно-логические и функциональные схемы решения проблемы, система математического моделирования комплексных исследований, теоретические принципы синтеза и анализа моделей и алгоритмов, постановка задач и методов их реализации. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит от 30 до 90 % объема выполненных работ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ, из них 3 монографии, 5 авторских свидетельств и учебное пособие по планированию активного эксперимента в агропромышленных исследованиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов после каждой главы, основных выводов, списка литературы (217 наименований, из них 18 на иностранных языках) и 3-х приложений. Работа содержит 265 страниц основного текста, 45 рисун 14
ков, 25 таблицы, 34 страниц приложений.
Содержание работы. Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи исследований, дается общая характеристика работы. В первой главе анализируются различные методы предпосевной обработки семян, направленные на их биостимуляцию и обеззараживание. Обосновывается эффективность электротехнологических методов ВЧ и СВЧ обработки, сочетающих электромагнитное и тепловое воздействие на семена. Обосновывается система статистических методов исследования электротехнологических процессов. Формулируются направления научных исследований.
Во второй главе приводится модель комплексных исследований по влиянию электротехнологических режимов на показатели эффективности ВЧ и СВЧ технологий и аналитически обосновывается эффективность применения параметрических моделей. Рассматривается теоретическая модель причинных и функциональных связей при взаимодействии электротехнологических факторов ВЧ и СВЧ обработки семян и на основе разработанных алгоритмов поиска экстремума разрабатывается методика выбора рациональных электротехнологических режимов, обеспечивающих решение задач условной оптимизации параметров ВЧ и СВЧ технологий подготовки семян к посеву.
В третьей главе разрабатываются теоретические модели и алгоритмы математического обеспечения системы исследования электротехнологических процессов ВЧ и СВЧ обработки семян, основанные на параметрических (гибридные и коллективные) моделях оценива 15
ния показателей эффективности ВЧ и СВЧ технологии обработки семян, преимущество которых заключается в возможности сочетания параметрических и локальных методов аппроксимации. Практическая значимость предложенного подхода состоит в реализации принципа научной преемственности исследований, когда известные модели не отвергаются, а являются основой построения более совершенных аппроксимаций. Данная идея развивается при построении коллективов решающих правил для прогнозирования посевных качеств и урожайности сельскохозяйственных культур при ВЧ и СВЧ обработке семян при неявно заданных целевых условиях.
В четвертой главе приводятся система управления комплексными исследованиями, нестандартное оборудование для технического и информационного обеспечения системы исследования и прогнозирования показателей эффективности ВЧ и СВЧ обработки семян. Приведена схема математической обработки результатов опыта. Приводятся лабораторные установки для проведения исследований.
Пятая глава содержит результаты комплексного исследования ВЧ и СВЧ обработки семян пшеницы, картофеля и валерианы лекарственной базирующихся на статистических моделях оценивания зависимости их посевных качеств и урожайности от технологических режимов и внешних факторов воздействия. Приводятся закономерности влияния режимов на температуру нагрева, урожайность и посевные качества семян пшеницы, картофеля и валерианы лекарственной и определяются оптимальные режимы ВЧ и СВЧ обработки семян.
В шестой главе на основе производственных испытаний разработанных и изготовленных производственных установок приведены ре 16
зультаты технико-экономические исследований, доказывающие эффективность использования токов ВЧ и СВЧ на предпосевной обработке семян. Даны практические рекомендации по использованию ВЧ и СВЧ полей в технологиях подготовки семян сельскохозяйственных и лекарственных культур к посеву.
Работа выполнялась на кафедре системоэнергетики Красноярского государственного аграрного университета с 1977 года в соответствии с планами НИР КрасГАУ заданиями ГКНТ № 268 и №121 на тему: "Разработка методов и технических средств обеззараживания, стимуляции и сушки семян сельскохозяйственных культур" и тематическими планами НИР Сибирского отделения РАСХН.
Технология ВЧ и СВЧ обработки семян и особенности ее исследования
В настоящее время с целью обеззараживания семян сельскохозяйственных культур, стерилизации и пастеризации пищевых продуктов, стерилизации биохимических продуктов, переработки продуктов пчеловодства нашло широкое применение использование ВЧ энергии. Применение токов ВЧ имеет одно важное преимущество - эффективное и быстрое поражение микробной флоры, загрязняющей обрабатываемый объект, при сохранении его качественных показателей. Быстрота ввода энергии во всю толщу обрабатываемого объекта, легкость регулирования этого процесса делают метод наиболее перспективным и при обеззараживании семян. В настоящее время накоплен обширный материал, подтверждающий наличие эффекта обеззараживания при обработке сельскохозяйственной продукции и семян сельскохозяйственных культур токами высокой частоты [6,10,11,21,122]
По данным В. Д. Еременко и др. (Московский институт народного хозяйства), токи высокой частоты оказывают фунгицидное действие в опытах с искусственным заражением чеснока. Наиболее чувствительной является температура 50 С. Однако при длительной обработке, по данным Петровой-Завгородней (ВИЗР, 1960), наблюдается снижение энергии прорастания, всхожести и гибель семян. Исходя из этого, были тщательно проанализированы свойства паразитных бактерий, приводящих к болезням семян и гибели растений. На первом этапе решения этой проблемы был определен способ обработки семян, который позволяет полностью устранять грибную инфекцию и уничтожать споры твердой головни. [147] Он заключается в обработке предварительно увлажненных в течение 3...15 мин семян в электромагнитном поле сверхвысокой частоты 10б...1010 Гц. Для увлажнения 1 т зерна использовали 20...30 кг воды с температурой Ю...20С [147].
Физическая сущность предлагаемого высокочастотного метода базируется на различии свойств сухого зерна и пораженных его участках вирусами, грибами и бактериями.
Длина волны X, при которой тангенс диэлектрических потерь tg5 воды максимален, определена экспериментально. По данным П.Дебая, Х= 1 см, а по данным Г.И. Сканави, =1,8 см. Расхождение здесь объясняется тем, что измерения проводились при разных температурах. Впоследствии А. Хиппель показал, что при частотах электрического поля 108 Гц потери носят дипольный характер. Частотный максимум тангенса потерь наблюдается при 9x109 Гц. По данным Р.Л. Филиппова, в этом диапазоне частот неполярные диэлектрики, например, сухое зерно, ведут себя как "прозрачная" среда, т.е. не поглощают электрическую энергию. Тангенс потерь воды равен 0,95, он примерно в 600 раз больше, чем tg8 сухого зерна пшеницы (0,0016).[91,92,93,185] Таким образом, энергия электрического поля при обработке предварительно увлажненных семян поглощается пленкой воды и увлаженными пораженными участками. [123]
При предварительном увлажнении (20...30 кг воды на 1 т семян) поверхность и пораженные участки зерен хорошо смачивается. Поскольку споры грибов и твердой головни обладают большой влагопоглотительной способностью, они впитывают воду в десятки раз быстрее, чем зерно. Через 3-15 мин сухие споры набухают, влажность их достигает 80...90%. Незараженные участки семян за этот промежуток времени, не успевают увлажниться и остаются сухими. При обработке таких семян в поле высокой или сверхвысокой частоты основная часть энергии поглощается спорами и поверхностной пленкой воды. Споры интенсивно нагреваются и гибнут, а температура семян при этом повышается незначительно. Кроме того, в данном случае благодаря прогреву семян стимулируется рост и развитие растений. [147,159,184] При высокочастотной обработке семян перед посевом необходимо учесть рекомендации С.Д. Птицина, выражающие аналитическую зависимость предельно допустимой температуры нагрева от влажности зерна и времени пребывания его в нагретом состоянии [108, 109,110].
Высокочастотная технология обработки семян является комбинированной и объединяет в себе электрический и тепловой методы. На ее основе реализуют процессы биостимуляции семян, их обеззараживания.
Теоретическое обоснование высокочастотной технологии базируется на электродинамической и гидродинамической модели клетки. При воздействии электромагнитного поля высокой частоты на материал, в нем за счет токов смещения, основанных на явлении диэлектрической поляризации, идет процесс со значительным выделением тепла [18,92,93]. Основными факторами, оказывающими стимулирующее и обеззараживающее действие на семена, являются температура нагрева зерна, зависящая от напряженности в материале и времени обработки и внешними факторами: время от обработки до посева., норма высева и т.д. Многие исследователи указывают на нестабильность в повышении урожайности семян зерновых прошедших физическую обработку [78]. Это объясняется тем, что у обработанных семян улучшаются их посевные качества (повышается энергия прорастания, всхожесть, сила роста). Повышение лабораторно-полевой всхожести не всегда дает повышения урожайности. Это объясняется тем, что, оптимизируя режим обработки ЭМПВЧ в полевых условиях из-за отсутствия комплексных исследований, не учитываются внешние условия выращивания растений. Применение токов ВЧ и СВЧ имеет одно важное условие - эффективное и быстрое уничтожение микробной флоры, загрязняющей обрабатываемый объект, при сохранении его качественных показателей. Быстрота ввода энергии во всю толщу обрабатываемого объекта, легкость регулирования этого процесса делают этот метод наиболее перспективным и при обеззараживании семян. В настоящее время накоплен обширный материал, подтверждающий наличие эффекта обеззараживания при обработке сельскохозяйственной продукции и семян сельскохозяйственных культур токами высокой частоты
В процессе обеззараживания семян энергией ВЧ и СВЧ полей необходимо путем увлажнения разделить свойства семян и паразитирующих грибных и вирусных инфекций. В результате неоднократно проведенных исследований установлено время увлажнения для разделения основных физических свойств: оно лежит в пределах 1:30 минут. Предварительные исследования по определению влияния частоты колебаний электромагнитного поля на зараженность и урожайность семян показали, что на частотах 27 МГц генератор ЛДГ-1; 40,68 МГц генератор ВЧД 4 - 6/40; 81 МГц генератор ВЧД 2,5-6/81; 2400 МГц СВЧ печь "Электроника" при условии одинаковой скорости нагрева, эти показатели лежат примерно на одном уровне и зависят в основном от времени обработки, удельной мощ зо
ности выделяемой в материале и периода "обработка-посев". Определяющими факторами существенно влияющими на технологический эффект обеззараживания является скорость нагрева, время нагрева и конечная температура семян. Сравнительные исследования проводились при соблюдении одинаковой скорости нагрева, на указанных частотах, по заданной температуры. Каких-то существенных специфических воздействий влияния частоты на основные качественные показатели семян зарегистрировать не удалось, к сожалению отсутствие методологических комплексных исследований и соответствующих теоретических положений сдерживает широкое внедрение в АПК России данного метода обработки.
Аналитическая модель электротермического процесса ВЧ и СВЧ обработки семян
При высокочастотной технологии предпосевной обработки семян зерновых основными показателями эффективности являются: температура нагрева массы семян после обработки, зараженность, энергия прорастания, всхожесть и сила роста. К технологическим параметрам относятся: частота ЭМП, напряженность ЭМП или удельная мощность, экспозиция обработки. К характеристикам внешних факторов воздействия относятся: показатели качества семенного материала, период «обработка-посев», норма высева, разнофонность почвы посевных площадей, температура окружающей среды и количество осадков и во время вегетации.
Обобщенным показателем эффективности процесса производства сельскохозяйственных культур служит урожайность, которая зависит не только от условий их развития, но и от показателей этапа предпосевной подготовки семян и последующем выращивании из них растений.
В подсистеме 3 показатели эффективности каждого j этапа рассматриваемого процесса определяются его электротехнологическими параметрами, внешними условиями и результатами предыдущих эта 49 пов и оцениваются в конечном итоге целевыми функциями или сравнительными исследованиями или технико-экономическими показателями.
В процессе обеззараживания семян энергией высокочастотного поля необходимо путем увлажнения за счет разной скорости поглощения воды микрофлорой и сухими структурами семени разделить диэлектрические свойства семян и паразитирующих на них грибных и вирусных инфекций. Это утверждение положено в основу авторских свидетельств [147,184].
Изобретение заключается в предварительном увлажнении семени в течение 3-15 мин, а затем их обработки в электромагнитном поле ВЧ или СВЧ.
Для описания процесса ВЧ или СВЧ обработки семян взято два случая: без увлажнения и с увлажнением (обеззараживание).
При высокочастотном подводе тепла температура сухих семян изменяется в зависимости от изменения экспозиции (времени) нагрева и частоты электромагнитного поля (ЭМП). При этом с увеличением частоты ЭМП, т.е. скорость нагрева семян возрастает. На основании полученных зависимостей, для исследований и определения режимов активизации ростовых процессов в семени можно использовать пределы для частоты разрешенного диапазона /=19...27 МГц, а для времени обработки т =30... 150 с, позволяющих нагревать семена до предельно-допустимой температуры.
При расчете температуры нагрева предварительно увлажненных семян (2.4), (2.5) рис. 2.5. температура увлаженных структур семян соответствующих вирусов, грибов и бактерий, с течением времени обработки за счет избирательного нагрева в ЭМП резко возрастает по сравнению с температурой сухих семян. Разность в нагреве увлаженных структур и сухого семени позволяет сделать вывод о том, что споры твердой головни и другие грибы и бактерии, находящиеся в увлажненном состоянии на его поверхности и во внешних структурах семени нагреваются до более высокой температуры и гибнут. 3 2 і
При этом можно теоретически подобрать среднеинтегральную температуру нагрева семени не превышающую предельно допустимую. При этом способе обеззараживания семена дополнительно проходят тепловой обогрев, что должно оказывать положительное влияние на качественные показатели семян, и урожайность.
Учитывая вышеизложенное необходимо найти рациональные технологические режимы предпосевной обработки семян пшеницы - основной культуры среди зерновых, валерианы лекарственной — основной культуры среди лекарственных и картофеля - основной продовольственной культуры для питания населения. Широкое применение ВЧ и СВЧ технологии сдерживается противоречивостью сведений об оптимальных режимах предпосевной обработки семенного материала сельскохозяйственных культур. Такое состояние проблемы обусловлено сложностью изучаемых процессов воздействия высокочастотных электромагнитных полей ВЧ и СВЧ на семенной материал и неопределенностью зависимостей их последующего развития от внешних воздействий.
Выход из создавшегося положения возможен на основе создания системы исследования эффективной организации экспериментальных работ и применения современных методов математического моделирования и технических средств обработки результатов, для нахождения оптимального сочетания максимально возможных факторов на показатели эффективности семян и последующее развитие из них растений.
При этом необходимо решить ряд вышеперечисленных задач для комплексного исследования процесса ВЧ и СВЧ обработки семенного материала.
Для этих целей разрабатывались параметрические модели оптимизации и оценки показателей эффективности ВЧ и СВЧ обработки семян.
Процесс производства сельскохозяйственных и лекарственных культур выглядит в виде иерархической структуры, уровни которой составляют следующие технологии: предпосевная подготовка и посев; развитие растений и их уборка; отбор семенного материала и его хранение. Причем этап развития растений также характеризуется нелинейной структурой, отражающей динамику роста и созревания культур.
Для решения задач прогнозирования урожайности и выбора рациональных параметров технологии предпосевной обработки семян необходима разработка соответствующих математических моделей. Исходная информация при этом сосредоточена в статистических данных, полученных в ходе экспериментальных работ, либо в процессе производства сельскохозяйственных культур. Обычно объем выборки ограничен, что при большой размерности исследуемых факторов затрудняет построение модели ВЧ и СВЧ обработки семян на основе традиционных подходов.
Для параметрического моделирования подсистемы 1 и 2 (рис.2.1 ) используется теория планирования эксперимента. Основной целью планирования является определение оптимального сочетания факторов воздействия, для улучшения посевных качеств и урожайности семян.
Гибридные модели уточнения закономерностей процессов ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений
Пусть при восстановлении однозначной зависимости y = p(x)VxeRk кроме выборки v:{{х1 ,у \і = \,п) известны частичные сведения (либо принимается гипотеза) : ( ,«) о виде преобразования р(х) с точностью до набора параметров аєят. Увеличение объема априорной информации и требование наиболее полного ее использование в задаче восстановления у = р(х) позволяют расширить область применения принципов имитационного моделирования. Один из эффективных подходов решения указанной проблемы состоит в предварительном исследовании аппрокси-мационных свойств q(x)=g(F(x,a), p(x)) параметрической модели зависимости F(x,a) путем организации вычислительного эксперимента (q(x \x ev) на статистических данных V с формированием «рабочей» выборки Vх =(x tq(x ]j. По полученной информации Vі восстанавливается зависимость q(x), представляющая собой функцию невязки между F(x,a) и (р(х), с помощью имитационной процедуры. Гибридная модель формируется как некоторая комбинация F(x,«) и q(x), зависящая от вида введенного преобразования q.
Неопределённость выбора функции невязки порождает проблемы в обоснованном применении той или иной разновидностей гибридных моделей, несмотря на имеющиеся рекомендации, полученные в результате аналитических исследований. Так, гибридная модели с функцией невязки типа разности хорошо зарекомендовала себя в случае небольшой ошибки, накладываемых на переменные изучаемой зависимости. При больших систематических ошибках эффективно использовать невязку типа отношение. Отсутствие подобных сведений либо при комбинированном характере случайных воздействий делает необходимым применение принципов коллективного оценивания, что позволяет повысить эффективность гибридных моделей и дополнительно вскрыть недостаточную инфор мацию.
Данная оценка параметра ОС коллектива (3.17) зависит от вида восстанавливаемой зависимости ФУ ), вида приближающей функции F(x, а) и плотности распределения р(х). Подставляя различные функции (р(х) и F(x, а), выбрав конкретный вид плотности вероятности и интервал хе[а, Ь], можно определить, какая из гибридных моделей ведёт себя более эффективно на данном интервале и найти приближённое значение а. Традиционный подход построения модели прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур с учетом особенностей технологии предпосевной обработки семенного материала состоит в использовании уравнений регрессии второго порядка F(x, а). Например, общая урожайность клубней картофеля (ц/га) после обработки в электромагнитном поле сверхвысокой частоты представляется уравнением регрессии у = 228.2-21.4Л:,2 + 211.ІХ2 + 6.8х, -\9Лх2 -Ъ2ххх2 где X] — экспозиция нагрева, с; х2 — скорость нагрева (град/с). Параметры х/ и х2 нормированы и принимают значения в интервале [-i;i] Недостаток подобных параметрических моделей состоит в использовании в основном интегральных свойств восстанавливаемой зависимости у = р(х). При этом экспериментальные данные (х ,У,/ = 1,«), представляющие сведения о локальном поведении искомой зависимости, применяются лишь при оценке коэффициентов а параметрической модели у = F(x, а). Кроме того, модели этого типа имеют систематическую погрешность, т.е. не обладают свойством обучаемости.
На основании данных х о технологии предпосевной обработки семенного материала, условиях посева, характеристиках качества почвы и климатических условиях оценивается по F(x9a) урожайность сельскохозяйственной культуры. Для условий х рассчитывается по статистике f{x) функция невязки, которая корректирует первоначальную оценку урожайности.
По значениям F(x,a) и f(x) в соответствии с моделью строится уточненная графическая зависимость оценки урожайности.
Другое преимущество гибридных моделей состоит в соблюдении принципа преемственности научных исследований, что проявляется в возможности использования в качестве априорных сведений ранее разработанных моделей прогнозирования урожайности. Коллективы моделей синтеза локальных закономерностей процессов ВЧ и СВЧ обработки семян и развития растений.
К настоящему времени в результате научных исследований предложен целый ряд моделей для определения эффективных режимов высокочастотной обработки семян, отличающихся концептуальными подходами и математическими средствами их реализации. Поэтому актуальным является проблема обобщения известных моделей в рамках единого решающего правила на основе принципов коллективного оценивания.
В данном разделе предлагаются статистические модели коллективного типа для решения задач исследования процесса ВЧ и СВЧ обработки семян. Рассматривается их применение при изучении влияния параметров х высокочастотной технологии предпосевной обработки семенного материала на показатели ее эффективности у. [77,151,152,154,155].
Программное обеспечение системы исследования изучаемых процессов
Программное обеспечение предназначено для автоматизации решения задач моделирования и оптимизации технологии высокочастотной обработки семян в условиях неполной информации, (рис. 4.4).
В подсистеме 1 и подсистеме 2 (рис. 2.1) программные средства реализованы в среде визуального программирования Delphi 6.0 и Microsoft EXCEL2000 и представляет собой диалоговый пакет программ, который предназначен для работы в операционной среде Windows 98 или Windows 2000 на компьютерах типа Pentium 4 с объемом оперативной памяти не менее 128 Mb. Подсистемы ориентированы на конкретную структуру без данных и предусматривает возможность подключения новых баз данных. Программные модели комплекса представляют исследователю следующие возможности: Первичная обработка данных и обнаружение статистических закономерностей, характеризующих технологический процесс ВЧ и СВЧ обработки семян и их посевных и урожайных качеств. Восстановление закономерностей ВЧ и СВЧ технологии обработки семян на основе гибридных моделей обеспечивающих сочетание преимуществ параметрических и локальных аппроксимаций. Анализ динамики развития сельскохозяйственных растений с помощью непараметрических моделей временных зависимостей коллективного типа по коротким рядам наблюдений их параметров. Оценивание вклада параметров ВЧ и СВЧ обработки семян в формировании значений показателей их эффективности. Выбор эффективных технологических параметров ВЧ и СВЧ обработки семян на основе непараметрических алгоритмов оптимизации. Ориентация моделей и алгоритмов комплекса программ на обнаружение скрытых закономерностей при малом уровне исходной информации придает ему универсальный характер и возможность исследовать ВЧ и СВЧ обработку семян различных сельскохозяйственных культур.
Для реализации системы исследования предлагаемого комплекса разработана соответствующая структура программного обеспечения. Блоки структуры комплекса соответствуют задачам, имеющим самостоятельное значение, что обеспечивается заложенными программными возможностями. Пользователь включается в режим диалога после обращения к пакету. Основу диалога составляет древовидная структура представления вариантов анализа данных ВЧ и СВЧ обработки семян либо конкретизации знаний, заложенных в справочном материале или предыдущих исследованиях.
Предусматривается вывод результатов работы пакета в стандартном DBF формате. Это дает возможность выхода на специализированные программные средства, например, привлечение широко распространенных пакетов «STATGRAF», «STATISTICA», «QUATTRO» и т.д. Пакет программ реализован в двух вариантах на языке Delphi с ориентацией на персональные компьютеры типа IBM PC. Статистические данные представляются в коде ASCII и DBF формате.
Взаимосвязь между блоками структуры комплекса программ представлена на рис. 4.4. Функциональными модули условно могут быть разбиты на 3 блока: восстановления стохастических зависимости, моделирования временных процессов и оптимизации систем при неполной информации.
Блок первый восстановления стохастических зависимостей, обеспечивает построение модели прогнозирования показателей эффективности ВЧ и СВЧ технологии обработки семян от ее параметров, при различных уровнях априорной информации. Если известны лишь экспериментальные данные, то рекомендуется использовать непараметрические модели. Параметрические аппроксимации предлагают знание вида восстанавливаемой зависимости. Оптимизация статистических моделей осуществляется из условия минимума эмпирического средневариатического критерия точности аппроксимации.
Во втором блоке моделирования временных процессов по коротким рядам наблюдений их переменных, исследуется не только закономерности динамики развития сельскохозяйственных растений, но и осуществляется оценивание вклада технологических параметров ВЧ и СВЧ обработки семян и решается задача выбора эффективных режимов.
В третьем блоке рассматривается непараметрические алгоритмы выбора эффективных вариантов ВЧ и СВЧ обработки семян и более подробно содержание и порядок работы основных функциональных модулей комплекса программ.
Основное назначение комплексных программ заключается в оценивании по экспериментальным данным и исследовании зависимостей показателей эффективности от электротехнологических параметров ВЧ и СВЧ обработки семян.
Использование исходной информации заключается в выборе статистически независимых наблюдений показателей эффективности от их технологических параметров ВЧ и СВЧ обработки семян.
Для реализации программного обеспечения исследования непараметрических моделей временных зависимостей коллективного типа при динамике развития растений из семян обработанных ВЧ и СВЧ энергией использовались непараметрические модели коллективного типа, основанные на методе двойного коллективного оценивания.
Идея синтеза непараметрических моделей коллективного типа динамики состояния функционального развития растений основывается на построении системы упрощенных аппроксимаций восстанавливаемой зависимости (не имеющих самостоятельного значения) относительно временной последовательности элементов выборки V с последующим их сглаживанием в коллективе решающих правил с помощью методов непараметрической статистики. Подобные модели адекватны уровню априорной неопределенности, соответствующему классу непараметрических систем, и обобщают их.
В комплекте программ системы упрощенных аппроксимаций восстанавливаемой зависимости формируются в двух направлениях от начального (х!,у!) и конечного (хп,уп) условий, что позволяет на их основе построить две непараметрические модели коллективного типа динамики показателей развития сельскохозяйственных растений.
Формирование обобщенного коллектива решающих правил, сочетающего преимущества первой и второй модели, осуществляется на четвертом уровне структуры программного обеспечения. Здесь же подбираются оптимальные веса моделей (р) из минимума среднеквадратического критерия. После чего, по вектору входной переменной можно оценить значение функции, т.е. произвести прогноз состояния исследуемой системы.
Для оценивания вклада электротехнологических и экологических параметров на развитие растений при ВЧ и СВЧ обработке семян разработана процедура дифференциации исследуемых факторов на основе непараметрической модели прогнозирования показателей эффективности динамики развития сельскохозяйственных растений.
При линейной системе упрощенных аппроксимаций непараметрическая модель коллективного типа показателей эффективности динамики развития сельскохозяйственных растений (4.15) преобразуется в линейный полином с нелинейными коэффициентами. Поэтому появляется возможность решить важную прикладную задачу - оценивание вклада аргументов в формировании значений восстанавливаемой зависимости.
