Содержание к диссертации
стр.
Введение 5
1. Обоснование требований к системам автоматического регули
рования дозы ультрафиолетового облучения в сельском хо
зяйстве и постановка задач исследований 10
1.1. Биологическое действие ультрафиолетового облучения.10
1.2.Современные методы контроля и регулирования дозы ульт
рафиолетового облучения 18
1.3. Технологические требования к системе автоматического
регулирования дозы ультрафиолетового облучения 28
2. Синтез системы автоматического регулирования дозы ульт
рафиолетового облучения в сельскохозяйственном произ
водстве 31
2.1. Математическое описание системы управления 31
Расчет параметров настройки системы управления.... 35
Исследование качества работы системы 42
ВЫВОДЫ 4 7
3. Методика изготовления и исследование датчиков ультрафиоле
тового излучения для системы автоматического регулирования
дозы ультрафиолетового облучения в сельскохозяйственном про
изводстве 4 8
Технология изготовления образцов датчиков 4 8
Исследование основных характеристик датчиков ультрафиолетового излучения 51
3.3. Исследование влияния факторов среды сельско
хозяйственного производства на датчик системы автоматиче
ского регулирования дозы ультрафиолетового облучения...55
3.4. Исследование деградации датчика 64
ВЫВОДЫ 66
4. Разработка системы автоматического регулирования дозы
ультрафиолетового облучения в сельскохозяйственном производ
стве 67
4.1. Структурная схема 67
4.1.1. Алгоритм работы системы 67
4.1. 2. Выбор структурных элементов системы 68
4.2. Электрическая принципиальная схема системы 69
4.2.1. Принципиальная схема блока обработки и
управления 69
Принципиальная схема усилителя 71
Принципиальная схема блока индикации и клавиатуры 73
Принципиальная схема блока сопряжения с приводом 75
4.2.5. Принципиальная схема преобразователя
интерфейса 7 6
4.2.6. Принципиальная схема включения фотоприемни
ка 77
4.2.7. Учет погрешностей в системе 81
ВЫВОДЫ 82
5. Разработка программного обеспечения и моделирование систе
мы автоматического регулирования дозы ультрафиолетового облу
чения в сельскохозяйственном производстве 83
Управляющая программа для микроконтроллера 83
Программа-оболочка для персонального компьютера..92 5.3.Моделирование системы поддержания дозы ультрафиолетового излучения 97
5.3.1. Разработка макета системы 97
5.3.2. Моделирование влияния различных законов управле
ния на работу системы автоматического регулирова
ния 99
Работа системы автоматического регулирования при пропорционально-интегральном законе регулирования 99
Работа системы автоматического регулирования при пропорционально-дифференциальном законе ре-
4
гулирования 100
5.3.2.3 Работа системы автоматического регулирова
ния при пропорционально-интегрально-дифференци
альном законе регулирования 102
5.3.2.4. Сравнение ПИ, ПД и ПИД законов регулирова
ния 103
5.3.3. Анализ полученных результатов моделирования...104
ВЫВОДЫ 105
6. Технико-экономическая эффективность применения системы автоматического регулирования дозы ультрафиолетового облучения
в сельскохозяйственном производстве 106
Основные научные результаты и выводы 112
Список литературы 114
Приложения 130
АББРЕВИАТУРА СОКРАЩЕНИЙ УФИ - ультрафиолетовое излучение; УФО - ультрафиолетовое облучение; GaAs - арсенид галлия; СиРс - фталоцианин меди; CllnPc - хлориндийфталоцианин; Ад - серебро; Uxx ~ фото- эдс; 1КЗ - ток короткого замыкания; ОП - органический полупроводник; с.п. - сельскохозяйственное производство; сх. - сельское хозяйство. ФП- фотоприемник;
МСАР-микропроцессорная система автоматического регулирования; САУ - система автоматического управления; СУ - система управления; АПК - агропромышленный комплекс; УФ - ультрафиолетовый; ПК - персональный компьютер; ШИМ - широтно-импульсный модулятор; ЭД - электродвигатель АЦП - аналого-цифровой преобразователь.
Введение к работе
Развитие с.х. требует интенсификации животноводства и птицеводства, неуклонного их перевода на промышленную основу, что непосредственно связано с внедрением прогрессивной технологии, комплексной механизации и автоматизации производственных процессов [4,5,26,66,67].
Создание и поддержание оптимального микроклимата в производственных помещениях животноводческих комплексов, ферм и птицефабрик наряду с полноценным кормлением является определяющим фактором в обеспечении здоровья животных и птицы, их воспроизводительной способности и получении от них максимального количества продукции высокого качества [11,48,51].
Микроклимат (внутренний климат) помещения - это климат ограниченного пространства, включающий совокупность следующих факторов среды: газового состава, температуры, влажности, подвижности (скорости движения) и охлаждающей способности воздуха, освещенности, атмосферного давления, ионизации, уровня шума, количества взвешенных в воздухе пылевых частиц и микроорганизмов [70,77,78].
Биологическое воздействие УФО, как одной из составляющей микроклимата, на организм человека и сельскохозяйственных животных весьма значительное. Оно положительно влияет на рост и развитие, обмен веществ. УФО способствует интенсификации биохимических и обменных процессов организма, повышению уровня окислительно-восстановительных реакций, устойчивости к заболеваниям [19,24,27,38].
УФО необходимо строго дозировать. Передозировка может привести к болезням, а недостаточное облучение неэффективно. Как правило дозу облучения определяют временем включения облучателя и высотой его подвеса над объектом, предполагая известной спектральную характеристику источника. Однако, на са-
мом деле, доза, получаемая объектом будет отличаться от расчетной. На величину потока излучения ламп влияют: отклонение напряжения сети, соляризация стекла, изменение температуры и влажности окружающей среды, запыление источников излучения и арматуры облучателя, а также естественный спад потока излучения на протяжении срока службы источников. Учесть влияние каждого фактора окружающей среды на работу облучательной установки на практике невозможно. Это затрудняет определение времени облучения и может привести к ошибочным результатам. Поэтому при эксплуатации УФ облучательных установок необходимо периодически измерять облученность и дозу облучения [30,31,43].
Точное получение заданной дозы УФО независимо от отклонения напряжения питания, состояния ламп и других факторов можно достичь, применяя стационарные автоматизированные установки длительного действия с устройством, которое обеспечивает дозированное количество УФО. Учитывая изложенное, в настоящей работе проведено дальнейшее изучение и разработка способов регулирования дозы УФО. Разработан датчик (первичный измерительный преобразователь) УФИ и МСАР дозы УФО на его основе для предприятий АПК, отличающаяся высокой точностью, чувствительностью, малой стоимостью, простотой, удобством применения и гибкостью [45,46,47].
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Общей целью диссертационной работы является разработка МСАР дозы УФО на предприятиях АПК с использованием более совершенных технических средств контроля ультрафиолетового излучения (УФИ), устойчивых к воздействию влажной агрессивной среды сельскохозяйственного производства. Для реализации поставленной цели диссертационной работы требуется решить следующие задачи:
1. Разработать алгоритм работы и структурную схему МСАР дозы УФО.
Разработать датчик контроля интенсивности УФО для МСАР.
Исследовать влияние факторов агрессивной среды сельскохозяйственных помещений на работу датчика УФИ.
Разработать конструктивное решение МСАР, а также ее аппаратное и программное обеспечение.
Исследовать процессы функционирования МСАР дозы УФО в условиях сельскохозяйственного производства и разработать рекомендации по практическому использованию МСАР в сельском хозяйстве.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Объектами исследований являются МСАР, связанные с непрерывным контролем дозы УФО, в условиях их функционировании в сельскохозяйственных помещениях.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ. Предметом исследований является математическая модель МСАР дозы УФО, схемы, технические и программные средства управления в сельскохозяйственных помещениях.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Поставленные в работе задачи решались с использованием теории автоматического управления, физики полупроводников, математического моделирования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научная новизна положений, изложенных в работе, представлена следующими результатами исследований: 1. Разработана методика изготовления датчика для контроля
УФИ в среде сельскохозяйственных помещений. 2.Математически описаны и исследованы закономерности, учитывающие влияние различных факторов агрессивной среды сельскохозяйственных помещений на работу датчика УФИ. 3.Разработан датчик УФИ, устойчивый к воздействию агрессивной среды, и МСАР дозы УФО на его основе. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Практическая ценность работы подтверждена патентом на изобретение № 2170994 от
20.07.2001.[109] Результаты исследований использованы при разработке информационно-измерительной части МСАР дозы УФО для сельскохозяйственного производства. Применение разработанной МСАР дает возможность достаточно точно и оперативно осуществлять контроль дозы УФО для своевременного принятия мер по обеспечению надлежащих условий содержания животных и птицы, позволяет увеличить привесы живой массы на 4-6 %.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке и создании МСАР дозы УФО и реализованы на свинокомплексе ЗАО "Надеево" в Вологодской области. Результаты исследований включены в лекционные курсы, послужили основой для постановки лабораторных работ и подготовки методических материалов в Вологодской государственной молочнохозяйственной академиии и Вологодском государственном техническом университете.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы были доложены на международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и наука - третье тысячелетие " г. Москва, 1997 г.; на шестой всероссийской конференции молодых исследователей "Шаг в будущее", г. Москва , 20-24 апреля 1998 г./ на пятой международной конференции «Распознавание 2001», октябрь 2001 г.; на международной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем»; на научно-технической конференции «Молодежь и наука в XXI век», 1997 г./ на первой областной межвузовской научно-практической конференции «Вузовская наука - региону», 25 - 26 мая 2000 г.; на региональной научно-практической конференции "Менеджмент экологии", г. Вологда, ВоГТУ, 12-14 мая 1999г.; на научных семинарах кафедры электрооборудования ВоГТУ в 2000-2005 г., 15 декабря 2005 года на
кафедре электрооборудования и автоматики РГАЗУ, г. Балашиха Московской области.
За успешные исследования в области создания МСАР в АПК автору присуждена стипендия фонда Сороса в 1996, 1997 годах, а также стипендия правительства Российской Федерации в 1998 году.
ПУБЛИКАЦИИ. Содержание диссертации отражено в 15 печатных трудах, включая патент на изобретение № 2170994 от 20.07.2001.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: 1.Разработанная методика получения датчиков УФИ на органической основе, на которую получен патент. 2. Результаты исследований работы датчика УФИ в агрессивной среде сельскохозяйственных помещений. 3.Разработанная МСАР дозы УФО, ее аппаратное и программное обеспечение. ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на 14 0 страницах компьютерного текста, содержит 4 таблицы, 4 4 иллюстрации, состоит из введения, б глав, заключения, списка литературы, включающего 155 наименований, в том числе 8 на иностранных языках, приложения на 10 страницах.
Автор выражает благодарность за оказанную поддержку и помощь:
Заведующему кафедры электрооборудования Вологодского государственного технического университета, профессору А.Е.Немировскому.
Профессору кафедры физики Вологодского государственного технического университета М.И. Федорову.
З.Дудину Андрею Петровичу.
4 . Программистам Вологодского педагогического университета. 5. Сотрудникам кафедры электрооборудования Вологодского государственного технического университета.
