DEVELOPMENT OF THE AUTOMATED SYSTEM OF CONTROL OF THE PROCESS OF ANIMAL FORAGE PRODUCTION
Journal: VESTNIK OF ASTRAKHAN STATE TECHNICAL UNIVERSITY. SERIES: MANAGEMENT, COMPUTER SCIENCE AND INFORMATICS
Volume 2014 № 2
, 2014
Rubrics: MANAGEMENT, MODELING, AUTOMATION
Authors:
1.
Astrakhan State University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor-consulter of the Department of Physics)
2.
Astrakhan State University
3.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 17
to 21
Status:
Published
Received:
05.04.2014
Accepted:
25.04.2014
Published:
25.04.2014
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 592:51-76
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK [28.691.892.26:32.871]:[44.9:45.45-52]
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 592:51-76
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK [28.691.892.26:32.871]:[44.9:45.45-52]
Language:
Russian
Keywords:
automated system, food from insects, acrididae
Abstract (English):
The paper considers the automated system of attracting and processing of locusts in a feeding ground for fish and birds. In the system the selective electromagnetic radiation in the optical range, the parameters of which are calculated on the basis of information quality criteria of the optical-electronic systems are used to attract insects, while for forage mass infrared camera drying is used. The estimation of the productivity of installation, confirming its economic efficiency is given.
The paper considers the automated system of attracting and processing of locusts in a feeding ground for fish and birds. In the system the selective electromagnetic radiation in the optical range, the parameters of which are calculated on the basis of information quality criteria of the optical-electronic systems are used to attract insects, while for forage mass infrared camera drying is used. The estimation of the productivity of installation, confirming its economic efficiency is given.
Keywords:
automated system, food from insects, acrididae
automated system, food from insects, acrididae
Введение В настоящее время одной из проблем, оказывающих негативное влияние на экономическую эффективность сельхозпредприятий - производителей растениеводческой продукции, является ущерб, наносимый им насекомыми-вредителями культурных растений. Борьба с ними осуществляется в основном с применением химических средств защиты, что приводит к заражению продукции, почвы и водных ресурсов ядохимикатами и, как следствие, наносит значительный вред здоровью человека и окружающей среде [1]. Одним из эффективных альтернативных способов борьбы с насекомыми-вредителями является использование технических систем управления поведением насекомых, основанных на применении физических раздражителей, которые оказывают на них привлекающее или отпугивающее воздействие [2]. Например, наиболее существенным преимуществом электрооптического способа борьбы с насекомыми-вредителями садовых растений [3-5] является уменьшение остаточных количеств ядохимикатов и их метаболитов в продукции, а также отсутствие влияния на организм человека. В связи с вышеизложенным целью исследований была разработка эффективной автоматизированной системы для передачи оптического сигнала насекомым-вредителям, в частности саранче, её накопления и переработки в кормовую массу для питания рыб и птиц в прудовых хозяйствах и фермах. Автоматизированная система Экономическая привлекательность рассматриваемой автоматизированной системы состоит в ее двойном назначении: борьба с саранчой и получение дешевых высокобелковосодержащих кормов (рис. 1). Для защиты посадок от роя саранчи необходимо иметь совокупность нескольких установок, которые размещаются вдоль границы поля. Обнаружение насекомых осуществляется системой технического зрения 2, которая обеспечивает наведение на участок с максимальной концентрацией саранчи в рое [1, 3]. После «захвата» рецепторным органом насекомого электромагнитного излучения оптического диапазона саранча направляется к его источнику 1, засасывается внутрь ловушки с помощью вентилятора 4 и попадает на сетку, находящуюся под низким напряжением 3. В результате частичной парализации двигательных органов насекомое попадает в камеру подсушивания 8. Саранчовые, попадая в камеру подсушивания, равномерно распределяются по ровной пластине из нержавеющей стали размерами 0,8 × 0,8 м2. Рис. 1. Схема автоматизированной системы для привлечения саранчи и ее переработки в кормовую массу: 1 - источники селективного оптического излучения; 2 - система технического зрения; 3 - электрическая сеть малого напряжения; 4 - вентилятор; 5 - электродвигатель с источником питания; 6 - решетка для равномерного заполнения камеры; 7 - нагреватели; 8 - камера подсушивания, 9 - съёмный бункер Подсушивание осуществляется при инфракрасном энергоподводе посредством трубчатых галогеновых ламп 7 с плотностью теплового потока от 3 до 6,85 кВт/м2 в зависимости от количества включенных одновременно ламп (от 1 до 4). После завершения процесса подсушивания полученная кормовая масса поступает в съемный бункер 9 [6]. Соотношение между параметрами инфракрасного энергоподвода - напряжением U, плотностью теплового потока E, длиной волны λ и количеством ламп показано в таблице. Соотношение между параметрами инфракрасного энергоподвода E, Вт/м2 λ, мкм Количество ламп U, В 3 1,3 1 140 1,5 110 1,6 100 3,74 1,3 2 140 1,5 110 1,6 100 5,18 1,3 3 140 1,5 110 1,6 100 Для оценки производительности автоматизированной системы были выбраны следующие показатели: - количество особей в зоне поражения может достигать до 100 шт. на 1 м2; - масса одной особи 0,025 кг [3]. Как известно, скорость полёта саранчи колеблется от 1,8 до 33 км/ч [3], тогда средняя скорость составит 5 м/c, а радиус зоны привлечения - 5 м. В результате максимальная масса исходного сырья, поступающего в зону привлечения за 1 с для переработки, составит 7,85 кг/с, а производительность автоматизированной системы за сезон - порядка 23 т кормовой массы. Математическая модель Работа оптико-электронной системы управления поведением саранчи основана на математической модели процесса передачи оптической информации насекомым, позволяющей рассчитать параметры ее элементов, максимизирующие количество информации, сообщаемой за единицу времени объекту управления - саранче - в зависимости от геометрических и физических характеристик, особенностей ландшафта местности, времени года и суток. Пропускная способность канала передачи оптической информации описывается выражением [7]: , где - полоса частот, воспринимаемая органом зрения насекомого; - функция «отношение сигнал/шум». Считая, что шумы от естественных и искусственных источников излучения складываются аддитивно, приходим к общему выражению для шума [5, 8]: , где - шумы, обусловленные отражением соответственно солнечного, лунного и искусственного излучения от облаков и земной поверхности; - шумы, обусловленные излучением Солнца и Луны; - шум, вызванный рэлеевским рассеянием. При построении математической модели в первом приближении можно пренебречь шумами при отражении излучения Солнца и Луны от облаков вследствие их относительно малой величины по сравнению с другими источниками шумов, а также шумом , вызванным рэлеевским рассеянием, поскольку он носит слабоселективный характер. Тогда полезный сигнал , воспринимаемый глазом насекомого, и общий шум можно представить в виде [8]: , , где , - расстояние между селективным источником излучения и объектом управления, - расстояние от земной поверхности до объекта управления, - высота источника над поверхностью земли; - длина волны; - функция спектральной излучательной способности селективного источника света; - функция относительной спектральной чувствительности глаза насекомого; m - коэффициент, учитывающий различие между функциями видности глаза человека и насекомого; , - спектральный коэффициент ослабления оптического излучения атмосферой в ультрафиолетовой и видимой части спектра, - спектральный коэффициент рэлеевского рассеяния; N - число молекул в 1 м3; A - площадь поперечного сечения молекул, м2. С учетом принятых выше допущений функцию «отношение сигнал/шум» можно представить в виде [5, 8]: . Математическое моделирование [9] позволило получить результаты, с помощью которых можно оценить эффективность работы автоматизированной системы для борьбы с саранчой в течение суток и месяца в зависимости от суммарного шума, создаваемого солнечной и лунной подсветкой (рис. 2). а б Рис. 2. Графики зависимости функции «отношение сигнал/шум» для насекомых с трихромным видом зрения от времени суток: а - ксеноновая лампа; б - галогенная лампа в Рис. 2. Продолжение: в - вольфрамовая лампа при различных значениях температуры Выводы 1. При использовании в качестве источников излучения ламп различного типа суточный рабочий период автоматизированной системы ограничен диапазонами: - от 0 до 5 и от 18 до 24 часов - для ксеноновой лампы; - от 0 до 4 и от 19 до 24 часов - для галогенной лампы; - от 0 до 4 и от 19 до 24 часов - при значениях температуры накала вольфрама ниже 1 000 К и круглосуточно - при значениях температуры накала вольфрама выше 1 000 К. 2. Значение функции «отношение сигнал/шум» для высоких значений температуры значительно больше и достигает 70 при значениях температуры порядка 2 500 К. Однако ресурс работы лампы при этом уменьшается.
1. Lednev G. R. Rekomendacii po zaschite rasteniy ot stadnyh saranchovyh / G. R. Lednev, M. V. Levchenko i dr. / Materialy v ramkah otrasl. nauch.-tehn. programmy Rossel'hozakademii. Astrahan', 2011.
2. Mazohin-Porshnyakov G. A. Rukovodstvo po fiziologii organov chuvstv nasekomyh / G. A. Mazohin-Porshnyakov. M.: Izd-vo Mosk. un-ta, 1983. 456 s.
3. Makuhin A. A. Robotizirovannyy kompleks dlya bor'by s nasekomymi-vreditelyami sel'skohozyaystvennyh kul'tur s primeneniem elektromagnitnogo izlucheniya opticheskogo diapazona / A. A. Makuhin, Yu. A. Pleshkova, A. M. Lihter // Ekokul'tura i fitobiotehnologii uluchsheniya kachestva zhizni na Kaspii: materialy Mezhdunar. konf. / Astrahan. gos. un-t. Astrahan', 2010. S. 67-69.
4. Pat. na poleznuyu model' № 93 221. Ustroystvo privlecheniya nasekomyh s ispol'zovaniem selektivnyh istochnikov elektromagnitnogo izlucheniya / Lihter A. M., Pleshkova Yu. A., Rogozhina Yu. N., Shagautdinova I. T. 14.04.2009.
5. Pleshkova Yu. A. Upravlenie povedeniem nasekomyh s pomosch'yu opticheskoy fil'tracii / Yu. A. Pleshkova, A. M. Lihter // Problemy upravleniya. 2012. №S. 51-55.
6. Aleksanyan I. Yu. Praktikum po raschetu processov i oborudovaniya himicheskih i pischevyh proizvodstv: ucheb. posobie / I. Yu. Alesanyan, V. N. Lysova, Yu. A. Maksimenko, S. A. Davydova. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2012. 348 s.
7. Lihter A. M. Optimal'noe proektirovanie optiko-elektronnyh sistem / A. M. Lihter: monogr. Astrahan': Izd. dom «Astrahanskiy gosuniversitet», 2004. 241 s.
8. Pleshkova Yu. A. Model' processa peredachi opticheskoy informacii v sistemah upravleniya povedeniem nasekomyh / Yu. A. Pleshkova, A. M. Lihter // Ekologicheskie sistemy i pribory. 2010. № 12. S. 24-27.
9. Pleshkova Yu. A. Programmnyy kompleks dlya rascheta harakteristik kanala peredachi opticheskoy informacii dnevnym letayuschim nasekomym / Yu. A. Pleshkova, A. M. Lihter. № 08.01.08/220. 20.01.2011.
