利用响应面法对蒸汽催芽系统的优化设计

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1、现代化农业２０１５年第１期（总第４２６期）·５９·利用响应面法对蒸汽催芽系统的优化设计邢佐群，王深研（黑龙江省农垦科学院，哈尔滨１５００３８）摘要：利用响应面实验设计方法对水稻催芽蒸汽增温系统进行了优化设计，包括响应值的选择、系统运行参数的选择和因素交互影响分析以及系统最佳参数优化等。响应面法的特点和优势是可以比传统实验设计方法减少大量的实验次数，并且还可获得精度较高的回归方程，大大减少科研工作者在优化工程问题时的工作

2、量。关键词：催芽；蒸汽增温；优化设计；响应面法０引言目前在我国北方寒地稻区比较先进的催芽方式是蒸汽催芽。水稻种子发芽是由各种生物活性酶参与下的复杂生物化学过程，而这些酶的活性常常随温度的变化而变化，某些特殊的酶在温度变化１～２℃时即可失去活性。因此，在水稻催芽育苗过程中，温度控制是最基本也是最重要的一个工艺步骤。精准稳定的温度控制系统则是水稻催芽育苗生产中实现高出芽率和强壮秧苗素质的有力保证。近些年，在各行各业的工程问题中，都大量地引入了各种数学模型，应用计算机技术进行模拟计算。虽然这些技术的发展对工程技术发展有很明

3、显的推动作用，但由于众多参数的引入，每种参数取值的量值和变化范围都有很大区别，这就给数据后期处理带来了一系列问题，如方差齐性、曲线不光滑等问题。针对这类问题，一种可靠高效的实验设计方法渐渐得到了发展，这就是响应面法（ＲｅｓｐｏｎｓｅＳｕｒｆａｃｅＭｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ，简称ＲＳＭ）。本文详细介绍了利用响应面实验设计方法对蒸汽增温系统的优化设计，为今后的进一步研究提供了理论参考。１蒸汽增温系统的优化设计蒸汽增温系统主要由电蒸汽发生器、温度控制器、压力喷头、三通、弯头、不锈钢无缝管、继电器等部件组成。以黑龙江八一农垦大学

4、的普通保温型透明塑料薄膜大棚为基础，塑料大棚南北走向，长５０ｍ、跨距８ｍ、顶高２ｍ，棚内设有锅炉增温装置。在大棚内搭建长５ｍ、跨距２ｍ、顶高１ｍ的塑料小棚。小棚的覆盖材料采用单层０．０８ｍｍ厚的ＰＶＣ无滴塑料薄膜。蒸汽发生装置采用上海仁云锅炉有限公司生产的ＬＤＲ０．００４－０７型电蒸汽发生器，蒸汽管路采用外径３１ｍｍ、内径２９ｍｍ的不锈钢无缝钢管，每节管两头加工３０ｍｍ长外螺纹，分别均布６个ＣＺＣ－３／８型压力喷头（全铜折射式可调微喷头）。多点温度控制仪型号为Ｄ８０－０１－０１－ｓｌ，连接１５个高精度工业用温度传感器

5、ＰＴ１００。１５个地面测温探头均匀分布在棚内地面上（离地间距１５ｃｍ），每两个测温点横向距离为１１００ｃｍ，纵向距离为８００ｃｍ，边界距离分别为２００ｃｍ和３００ｃｍ。图１蒸汽增温系统三维示意图１．１响应值的选择由于小棚温室主要起催芽助苗作用，固该实验观测目标主要是土壤表层气流温度。小棚温室内土壤表层共均匀分布１５个温度传感器，当系统运行时，所有温度传感器会同时升温。那么检验该增温系统的稳定性便是这些传感器升温是否同步。如果升温同步，意味着小棚内土壤表层温度变化同步均匀，作物出芽率受温度差异影响较小。反之，各测温点升

6、温速率差异较大，当升温最快的观测点较先达到设置上限时，系统被迫停止工作，这时可能还存在温度较低的观测点还未升温充足，不利于种子发芽，因而会对催芽实验的出芽收稿日期：２０１４－１０－１０·６０·现代化农业２０１５年第１期（总第４２６期）率造成影响。在该实验中，为了描述各测温点的升温是否同步，我们试选取各个测温点温度观测值之间的极差、方差和变异系数为响应值，来考察系统运行的稳定性，各计算公式如下。均值：Ｘ珡＝１ｎ２１ｎ（Ｘ

7、）２；Ｘｉ；极差：Ｘ＝Ｘｍａｘ－Ｘｍｉｎ；方差：Ｓ＝ｉ－Ｘｎｉ＝１ｎ－１ｉ＝１标准偏差：Ｓ＝槡Ｓ２；变异系数：ＣＶ＝Ｓ／Ｘ珡１．２系统运行参数的选择选择影响蒸汽增温系统效能的４个因素为：喷头个数Ａ、喷头压力Ｂ、风扇转速Ｃ和喷气时间Ｄ。１．３因素交互影响分析通过对该实验的全因素方差分析得知，各因素之间的交互影响结果是：ＡＣ＞ＢＣ＞ＡＤ＞ＡＢ，且只有交互相ＡＣ的Ｐ值小于０．０５，表明４个因素之间，只有Ａ因素（喷头个数）和Ｃ因素（风扇转速）之间存在交互影响。随着喷头个数从２个到４个的变化，响应值逐渐减小；当喷头个数继续

8、增加到６个时，响应值无明显变化。喷头压力与响应值的变化趋势是：先是随着压力逐渐增高至２５０ｋＰａ时，响应值逐渐减小；而当喷头压力继续升高时，响应值又逐渐升高。２蒸汽增温系统最佳参数优化利用Ｄｅｓｉｇｎｅｘｐｅｒｔ进行最佳参数优化，优化目标是使方差值最小。蒸汽增温过程中各测温点观测值之间方差越小，升温越同步。表１蒸汽增温系统最佳运行参数解决方案方