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        氣吸式排種器性能試驗(yàn)及預(yù)測(cè)分析

        2015-07-15 05:38:58那曉雁趙春雁孫士明張兆國(guó)
        關(guān)鍵詞:氣吸式種器玉米種子

        那曉雁,趙春雁,孫士明,張兆國(guó)*

        (1.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,云南 昆明 650500;2.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040;3.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150081)

        排種器是精密播種機(jī)的核心部件,分為機(jī)械式和氣吸式2 種[1]。機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但對(duì)種子尺寸要求高,排種頻率低,無(wú)法適應(yīng)高速作業(yè)的要求[2–5];氣吸式排種器具有省種、不傷種、播種均勻性好、易實(shí)現(xiàn)精密播種等諸多優(yōu)點(diǎn)[6]。

        氣吸式排種器在播種玉米種子時(shí),受到轉(zhuǎn)速、工作中的撞擊和振動(dòng)、前進(jìn)速度、種箱剩余種子數(shù)量等因素的影響,試驗(yàn)狀況復(fù)雜多變,需建立一種評(píng)價(jià)模型對(duì)氣吸式玉米精密排種器合格率進(jìn)行預(yù)測(cè)。筆者采用2BQ 系列玉米播種機(jī),對(duì)4個(gè)玉米品種進(jìn)行播種試驗(yàn),檢測(cè)氣吸式排種器的性能,通過(guò)回歸預(yù)測(cè)法[7]和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[8]建立了氣吸式玉米排種器合格率的預(yù)測(cè)模型,現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        2BQ 系列播種機(jī)由哈爾濱沃爾科技有限公司生產(chǎn),其氣吸式排種器的排種盤有30個(gè)吸孔,排種盤直徑215 mm,風(fēng)壓–6.6 kPa。供試玉米種子:杜玉一號(hào)(馬齒大粒,黑龍江省杜爾伯特蒙古自治縣種子管理站)、龍單38(馬齒小粒,黑龍江省農(nóng)科院玉米研究所)、先玉335(圓形大粒,鐵嶺先鋒種子研究有限公司);鑫鑫6 號(hào)(圓形小粒,黑龍江省鑫鑫種子有限公司)。供試種子的物理參數(shù)列于表1。

        表1 玉米種子的物理參數(shù) Table 1 Physical parameters of the corn seed

        1.2 方法

        檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)采用JSP–12 排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院博納科技有限公司出品)。由于氣吸式排種器的田間前進(jìn)速度為6 ~12km/h[9],因此,試驗(yàn)選取的速度確定為6 ~12km/h,每遞增0.5km/h,測(cè)定4個(gè)品種玉米種子的排種合格率。每組試驗(yàn)均取200 粒種子,每個(gè)速度進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),通過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)可直接測(cè)定重播率、漏播率和合格率。

        試驗(yàn)采用靜態(tài)試驗(yàn),即:使排種器處于靜止?fàn)顟B(tài),排種裝置在實(shí)際作業(yè)轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn),不考慮排種器打滑的情況,其速度與排種器的前進(jìn)速度相當(dāng)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 氣吸式排種器的排種合格率

        氣吸式排種器臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果(表2)的標(biāo)準(zhǔn)差比較小,數(shù)據(jù)的分散程度比較小,結(jié)果比較穩(wěn)定。由于合格率是檢測(cè)排種器性能的主要指標(biāo),因此,合格率的大小即能較好地反映排種器的性能。

        由表2 可知,氣吸式排種器對(duì)不同粒型和不同尺寸的玉米種子都有比較好的性能表現(xiàn),杜玉一號(hào)合格率最高,為97.71% ,排種性能最好,其次是鑫鑫6 號(hào),最高合格率為96.00%,龍單38 與先玉335的合格率為91% ~93%,排種性能相當(dāng)??梢钥闯鰵馕脚欧N器的排種性能隨著速度的升高而下降。

        表2 玉米種子的排種合格率 Table 2 The qualification rate of corn seed metering

        2.2 模型建立

        2.2.1 氣吸式排種器合格率的回歸模型

        利用SPSS 數(shù)學(xué)分析軟件對(duì)排種器前進(jìn)速度和種子的長(zhǎng)、寬、厚與排種合格率進(jìn)行回歸分析,回歸系數(shù)列于表3。由表3 可以看出,此模型的自變量長(zhǎng)、寬、厚存在嚴(yán)重的多重共線性。多重共線性說(shuō)明OLS 估計(jì)量的方差增大,難以區(qū)分每個(gè)解釋變量的單獨(dú)影響,變量的顯著性檢驗(yàn)失去意義,回歸模型缺乏穩(wěn)定性,預(yù)測(cè)結(jié)果無(wú)意義,參數(shù)估計(jì)值與實(shí)際相悖。Spss 中逐步回歸法是按偏相關(guān)系數(shù)的大小次序?qū)⒆宰兞恐饌€(gè)引入方程,對(duì)引入方程中的每個(gè)自變量偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),效應(yīng)顯著的自變量留在回歸方程內(nèi),循此繼續(xù)遴選下一個(gè)自變量,并且可以消除存在多重共線性的自變量。其回歸系數(shù)見(jiàn)表4。

        表3 回歸系數(shù) Table 3 Regression coefficients

        表4 去除三軸尺寸的回歸系數(shù) Table 4 Remove the three axis dimension regression coefficients

        其回歸預(yù)測(cè)模型為

        式中:Pr為合格率;X1為前進(jìn)速度。

        由于線性回歸分析將不同種子的尺寸作為非顯著因素進(jìn)行了剔除,因而不同尺寸類型的種子對(duì)氣吸式排種器的性能沒(méi)有顯著影響。

        2.2.2 氣吸式排種器合格率的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

        BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要模型之一。其一般建模步驟為網(wǎng)絡(luò)初始化,隱層輸出計(jì)算,輸出層計(jì)算,全值更新,閾值更新,判斷算法是否迭代結(jié)束[10]。

        利用MATLAB 軟件進(jìn)行BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算。訓(xùn)練函數(shù)為TRAINLM,學(xué)習(xí)函數(shù)為L(zhǎng)EARNGDM,傳遞函數(shù)為TANSIG,隱層節(jié)點(diǎn)5,迭代次數(shù)100,學(xué)習(xí)率0.1,目標(biāo)0。

        2.2.3 回歸模型與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

        回歸模型與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果見(jiàn)圖1。

        圖 1 排種器合格率實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值 Fig.1 Metering device qualification rate of the measured values and the model prediction

        由圖1 可知, BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型對(duì)于預(yù)測(cè)非線性模型有很好的預(yù)測(cè)精度,考慮的因素也比較全面,證明BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)氣吸式排種器的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)?;貧w分析的預(yù)測(cè)不能將種子的類型與尺寸等因素考慮在模型內(nèi),故線性回歸預(yù)測(cè)不能很好地對(duì)氣吸式排種器的實(shí)際性能作出精確的預(yù)測(cè)。另外,隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,合格率會(huì)受到諸多因素的影響,單純依靠試驗(yàn)不能完全反映前進(jìn)速度對(duì)排種器合格率的影響。運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)排種器性能進(jìn)行初步的判斷,可對(duì)后續(xù)的研究提供參考。

        [1] 趙佳樂(lè),賈洪雷,姜鑫銘,等.大豆播種機(jī)偏置雙圓盤氣吸式排種器[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(8):78–83.

        [2] 劉文忠,趙滿全,王文明,等.氣吸式排種裝置排種性能理論分析與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(9):133–138.

        [3] 廖慶喜,高煥文.玉米水平圓盤精密排種器排種性能試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(1):99–103.

        [4] 于建群,馬成林,左春檉,等.組合內(nèi)窩孔玉米精密排種器的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1997,13(4):94–97.

        [5] 周祖良,錢簡(jiǎn)可.指夾式玉米精密播種排種器[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013(1):47–53.

        [6] 趙曉順,于華麗,張晉國(guó),等.槽縫氣吸式小麥精量排種器[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(2):48–51.

        [7] 馮莉,趙春雁,那曉雁.聚乙烯基木塑復(fù)合材料動(dòng)態(tài)彈性模量預(yù)測(cè)模型[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015(6):110–112.

        [8] 王吉權(quán),王福林,邱立春,等.基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機(jī)總動(dòng)力預(yù)測(cè)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(12):121–126.

        [9] 孫士明,那曉雁,靳曉燕,等.不同形態(tài)玉米種子分級(jí)單粒播種性能試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015(7):171–175.

        [10] 柳松青.MATLAB 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP 網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2003(11):81–88.

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