Введение к работе
Актуальность темы. Птицеводство-отрасль агропромышленного комплекса, обеспечивающего устойчивое снабжение населения продуктами питания, а одним из наиболее распространенных технологических процессов этой отрасли является промышленная инкубация. Eё результативность зависит от ряда внешних факторов, главным из которых считается температура. Она оказывает решающее влияние на выводимость яиц и жизнеспособность молодняка сельскохозяйственной птицы.
В настоящее время основой режим инкубации - термостабильный, когда температура в инкубационных шкафах поддерживается на заданном уровне с точностью не хуже ±0,2 С. Но многие ученые-птицеводы обратили внимание на положительное влияние на эффективность рассматриваемого процесса такого фактора, как нестационарность температуры. Именно такую нестационарность обеспечивает в своем гнезде птица-наседка, переворачивая и перекатывая яйца, а также периодически на разное время, покидая гнездо и добиваясь при этом высоких показателей вывода молодняка. Выдвинута гипотеза, что именно нестационарность температурного режима служит одной из причин повышения выводимости яиц и жизнеспособности молодняка при насиживании, и что между параметрами теплового воздействия на указанные биологические объекты и результативностью этого процесса существует определенная корреляционная связь. Проведенные опыты по реализации нестационарного режима инкубации показали перспективность выбранного направления и необходимость дальнейшего более углубленного изучения термоконтрастного режима.
Следует отметить, что в настоящее время инкубаторный парк страны не позволяет воспроизводить нестационарный температурный режим, т.е. для обеспечения в инкубаторах температурного режима, приближенного к условиям насиживания, требуются модернизация систем управления и создание дополнительных специальных элементов и устройств автоматики.
В связи с тем, что вопросы повышения эффективности птицеводства являются весьма актуальными, Всероссийским научно-исследовательским и технологическим институтом птицеводства (ВНИТИП) разработана Республиканская (Федеральная) научно-целевая программа “Повышение эффективности птицеводства” (раздел 03.04), одобренная коллегией Минсельхоза России и Президиумом Россельхозакадемии (Постановление №10/9 от 8.10.1992 г. и письмо № 522 от 16.05.2000 г.). В соответствии с указанной НЦП Министерством сельского хозяйства Ростовской области сформирована научно-техническая программа “Повышение результативности в птицеводческих хозяйствах” (Постановление № 283 от 13.08.1997 г.).
Для реализации указанных программ был создан творческий коллектив из сотрудников Донского государственного аграрного и Южно-Российского государственного технического университетов, деятельность которого проводилась в контакте со специалистами агропромышленного комплекса Ростовской области по теме “Совершенствование инкубационных процессов путем разработки и внедрения средств и систем автоматического управления термоконтрастным режимом инкубации яиц сельскохозяйственных птиц”. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы поддерживались грантами областного министерства. Консультации по отдельным вопросам названной темы проводились высококвалифицированными специалистами ВНИТИП и Мичуринской государственной сельскохозяйственной академии.
Результаты исследований по теме были представлены в трех кандидатских диссертациях и переданы в виде отчетов ВНИТИП и Министерству сельского хозяйства Ростовской области. Настоящая диссертация, кроме указанных программ, выполнялась также в соответствии с тематическим планом госбюджетной НИР ЮРГТУ (НПИ) на период 2003-2006 г.г. по теме “Разработка элементов и устройств для систем управления термоконтрастным режимом инкубации” (шифр темы П3-825 от 24.10.2003) и в рамках двух научных направлений университета “Теоретические основы и принципы построения автоматизированных технологий и оборудования для химических и пищевых производств” и “Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления”, утвержденных ученым советом университета 25.01.2003 и 01.03.2006.
Цель работы. Повышение эффективности инкубационных процессов путем разработки и внедрения имитирующих элементов и управляющих устройств для систем обеспечения нестационарных температурных режимов инкубации.
Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:
обобщить известные результаты исследований температурного режима в гнезде птицы-наседки и дополнить их новыми данными; выделить в экспериментально полученных стохастических температурных зависимостях их периодические составляющие, реализация которых должна выполняться разрабатываемыми устройствами управления системой обеспечения нестационарных температурных режимов инкубационных процессов (СОНТРИ);
разработать усовершенствованные математические модели инкубационного шкафа и объектов инкубации, подверженных нестационарным температурным воздействиям, с последующими исследованиями последних и установлением аналитических связей между этими воздействиями и внутренней температурой яйца, а далее, используя эти соотношения, предложить методику определения теплового состояния в заданной точке контролируемого объекта по поверхностной температуре;
принять решение об использовании для контроля теплового состояния объектов инкубации при внедрении СОНТРИ “яиц-свидетелей” или имитирующих элементов; при выборе второго пути разработать программно-математический инструментарий расчета параметров физических моделей яиц (имитирующих элементов) с последующей метрологической оценкой, применяемых в них, термопреобразователей;
предложить принципы построения управляющих устройств, работающих в комплекте со штатной аппаратурой автоматики инкубаторов, и провести опытно–промышленные испытания разработанных элементов и устройств, сформулировать рекомендации по использованию и внедрению средств контроля и управления для СОНТРИ.
Методы исследований. В работе применен комплексный подход, основанный на теоретическом анализе и эксперименте. При исследованиях использовались методы: теории дифференциального и интегрального исчисления, математического анализа, статистических решений и случайных процессов; теории измерений, автоматического управления и математического моделирования с применением лицензионного пакета прикладных программ MathCad.
Научная новизна работы:
предложенные тепловые динамические модели объектов инкубации, отличается от известных более полным учетом основных геометрических и теплофизических параметров рассматриваемых биологических объектов;
уточненная тепловая динамическая модель инкубационной машины как объекта СОНТРИ учитывает показатель загруженности инкубатора биологическими объектами;
установлены новые аналитические соотношения между внутренней и поверхностной температурами, а новизна методики косвенного измерения теплового состояния биологического объекта по результатам прямых измерений температур на его поверхности подтверждена свидетельством о регистрации разработки в отраслевом фонде алгоритмов и программ (св. № 8932 от 30.08.2007);
алгоритм расчета основных параметров имитирующих элементов для реализации нестационарных температур предложен впервые (св. № 8933 от 30.08.2007);
новизна разработанных управляющих устройств для СОНТРИ, а также предложенных алгоритмов и программ функционирования разработанного микропроцессорного управляющего устройства систем СОНТРИ подтверждена патентами РФ №№ 2253968, 2270453, 2324968, 139715/12 и свидетельством (св. № 10975 от 01.07.2008).
Достоверность научных результатов и выводов диссертационных исследований подтверждается обоснованным использованием апробированных аналитических и экспериментальных методов исследований и аттестованной измерительной аппаратуры; корректностью допущений, принимаемых при решении задач математического моделирования теплофизических объектов; хорошей сходимостью результатов теоретического и экспериментального исследований разрабатываемых средств контроля и управления (их расхождение не превышает 5-8 %), критическим обсуждением полученных результатов на ряде научных конференций и внедрением разработанных элементов и устройств в промышленных системах управления инкубацией, а основные положения работы не противоречат опубликованным материалам других авторов.
Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:
применение разработанных элементов и устройств, совместимых со штатной аппаратурой инкубаторов, позволяет с минимальными трудовыми затратами оснастить последние новыми дополнительными средствами автоматизации и тем самым повысить результативность инкубационных процессов;
- положительные результаты испытаний, а также надежная работа элементов и устройств за период их испытаний показали перспективность выбранного направления реализации режима нестационарных температур (в условиях испытаний выводимость яиц повысилась на 6,5 % и отмечена также повышенная жизнеспособность молодняка птицы в постинкубационный период).
Реализация результатов работы. Результаты диссертации внедрены на Шахтинской инкубаторной станции и приняты фирмой “Пластик Энтерпрайз” (г. Новочеркасск) для организации мелкосерийного выпуска экспериментального образца устройства УОРНТ-1, а также переданы в виде отчетов и рекомендаций Министерству сельского хозяйства Ростовской области. Отдельные материалы диссертационной работы используются в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ) при подготовке инженеров по специальностям 220501.65 “Управление качеством” и 220301.65 “Автоматизация технологических процессов и производств”, а также магистров по направлению 220200.68 “Автоматизация и управление”.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Новые виды математических моделей объектов инкубации в виде “шар в шаре”, “однородный эллипсоид” и “шар в эллипсоиде”.
2. Новые аналитические соотношения между поверхностной и внутренней температурами и методика косвенного измерения теплового состояния объектов инкубации.
3. Программно-математический инструментарий расчета параметров имитирующих элементов СОНТРИ.
4. Принципы построения и алгоритм расчета управляющих устройств для обеспечения нестационарных температурных режимов инкубации.
Апробация работы. Результаты диссертационных исследований были апробированы на 21 конференции различного уровня, в том числе:
ХII-XIX, XXI и XXII Международных научных конференциях “Математические методы в технике и технологиях” (Великий Новгород, 1999; Санкт - Петербург, 2000; Смоленск, 2001; Тамбов, 2002; Ростов-на-Дону, 2003; Кострома, 2004; Казань, 2005; Воронеж, 2006; Саратов, 2008 и Псков, 2009);
III Международной научной конференции “Новые технологии управления движением технических объектов” (Новочеркасск, 2000);
II Межрегиональной студенческой научной конференции “Студенческая наука-экономике России” (Ставрополь, 2001);
I Всеукраинской международной научно-технической конференции аспирантов и студентов “Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых” (Украина, Донецк, 2001);
II-IV Международных научно-технических конференциях аспирантов и студентов “Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых” (Украина, Донецк, 2002-2004);
III Межрегиональной научной конференции “Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах” (Новочеркасск, 2000);
Всероссийской конференции молодых ученых и аспирантов по птицеводству (Сергиев Посад: ВНИТИП, 1999);
I, II Молодежных научных конференциях “Актуальные проблемы экологии в сельскохозяйственном производстве” (Донск. гос. аграрн. ун-т.-п. Персиановский, 1999, 2000);
I научной конференции молодых ученых Южного Федерального округа сельскохоз. вузов "Аграрная научная Россия в новом тысячелетии" (Краснодар: Кубанский ГАУ, 2003).
Публикации. По тематике диссертационной работы опубликовано 40 основных печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 4 патента РФ, а также 27 статей и материалов международных научных конференций, 3 свидетельства об регистрации разработки в отраслевом фонде алгоритмов и программ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 136 наименований и трех приложений. Работа изложена на 127 страницах и содержит 47 рисунков, 12 таблиц.
