紅三葉種子丸粒化工作參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化*

侯占峰，馬學(xué)杰，薛晶，戴念祖，劉敏

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,呼和浩特市,010018)

0 引言

種子丸粒化是為了滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精量化播種需求、提高種子品質(zhì)及價(jià)值的種子處理技術(shù)[1]。20世紀(jì)90年代歐美等一些國(guó)家的種子丸粒化技術(shù)發(fā)展較快且工藝逐漸成熟,其丸化后的合格率高達(dá)90%以上[2-4],種子丸粒化包衣設(shè)備研究向智能化、精細(xì)化的方向發(fā)展。

中國(guó)對(duì)丸粒化技術(shù)的研究起步較晚,20世紀(jì)90年代起國(guó)內(nèi)眾多高等院校及科研院所逐漸開展了丸粒化包衣機(jī)相關(guān)技術(shù)的研究,丸粒化包衣效率和質(zhì)量都有所提高,取得了較大進(jìn)步[5-9]。如胡志超等[10]為了提高5B-5型種子包衣設(shè)備的包衣質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)種藥均勻供給和精確計(jì)量,研發(fā)了種子計(jì)量校正計(jì)算和控制方法。韓豹等[11]設(shè)計(jì)研制了適用于玉米、小麥、水稻、大豆蔬菜、花卉等種子的包衣設(shè)備。桑杰等在BY-150型種子包衣機(jī)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套包衣流程總體方案,提高了種子包衣機(jī)的自動(dòng)化和精細(xì)化程度。胡志超等[12]研制了一款回轉(zhuǎn)釜式種子包衣機(jī),并用油菜種子進(jìn)行了丸粒化包衣試驗(yàn)研究。馬榮朝等[13]研制了一款輕小型種子包衣設(shè)備,并對(duì)輕小型種子包衣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)研究,為種子包衣機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。邵志威[14]、仇義[15]、戴念祖[16]等針對(duì)牧草種子振動(dòng)丸粒化包衣機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究,主要針對(duì)種子丸粒化包衣合格率進(jìn)行了工作參數(shù)的優(yōu)選,沒有涉及牧草種子綜合性能的多目標(biāo)工作參數(shù)優(yōu)化。

綜上所述,國(guó)內(nèi)研究者所研發(fā)的種子丸粒化包衣設(shè)備主要采用包衣鍋旋轉(zhuǎn)方式,且丸粒化包衣主要應(yīng)用在花卉、蔬菜及農(nóng)作物種子,針對(duì)小粒牧草種子設(shè)計(jì)的丸粒化包衣設(shè)備應(yīng)用較少。多數(shù)種子丸粒化包衣設(shè)備對(duì)于不同種子的適應(yīng)能力不夠,針對(duì)不同類型種子需要開展種子丸粒化包衣最佳工作參數(shù)的選取與匹配試驗(yàn)研究,一定程度上限制了種子丸粒化包衣設(shè)備的大面積推廣使用。

因此,本文以自行設(shè)計(jì)的牧草種子振動(dòng)丸粒化包衣機(jī)為研究對(duì)象,利用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)紅三葉種子丸粒化包衣工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選研究,為開發(fā)牧草種子丸粒化包衣設(shè)備及類似工作效率高、丸粒化質(zhì)量高的新型設(shè)備提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與評(píng)價(jià)指標(biāo)

針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)廣泛種植的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的豆科牧草紅三葉作為試驗(yàn)對(duì)象,丸粒化配方采用大豆粉作為固體粘結(jié)劑,硅藻土作為填充劑,大豆粉與硅藻土配比為3∶7。根據(jù)牧草種子噴播要求,丸粒化包衣種子與粉料質(zhì)量比為1∶3。

1.1 丸化包衣機(jī)整體結(jié)構(gòu)組成及工作原理

試驗(yàn)裝置主要由種子供給系統(tǒng)、粉料供給系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、丸粒化裝置、振動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 種子丸粒化包衣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

丸粒化包衣開始前,先將種子、丸化粉料和粘結(jié)劑分別置于種子、粉料和藥液儲(chǔ)存桶中。啟動(dòng)控制系統(tǒng)后,種子首先供入丸粒化包衣鍋中,粘結(jié)劑以霧狀噴入丸粒化包衣鍋中并潤(rùn)濕種子表面,此時(shí)按照一定種子、粉料比將丸化粉料供入包衣鍋中,牧草種子在丸粒化包衣鍋的旋轉(zhuǎn)與振動(dòng)復(fù)合作用下實(shí)現(xiàn)內(nèi)外層間的擴(kuò)散、混合、粘結(jié),丸化包衣粉料在運(yùn)動(dòng)過程中均勻地黏附于種子表面,重復(fù)進(jìn)行定量供液和供粉,直到種子增重比達(dá)到要求后,丸粒化包衣結(jié)束。

1.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了檢驗(yàn)?zāi)敛莘N子丸粒化包衣機(jī)工作性能,參照中華人民共和國(guó)煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 141—1998《煙草包衣丸化種子》、中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7730—2011《種子包衣機(jī)試驗(yàn)方法》中關(guān)于種子丸粒化質(zhì)量性能指標(biāo),提出采用單籽丸化合格率J和單籽抗壓強(qiáng)度P作為牧草種子丸粒化包衣作業(yè)質(zhì)量的考核指標(biāo)。

(1)

式中:Zh——牧草種子完全被粉料包敷且只有1粒草種的粒數(shù);

Zb——草種未完全包敷與草種數(shù)目大于1粒的粒數(shù)之和。

單籽抗壓強(qiáng)度P為平均每粒丸化牧草種子所能承受的最大壓力,其計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中:Pi——被測(cè)試第i粒丸化種子的抗壓強(qiáng)度,N;

N——測(cè)試種子粒數(shù)。

為了降低丸粒化包衣牧草種子的破碎率,避免種子在播種過程中出現(xiàn)破損,使丸化種子更加適合飛播與噴播播種。設(shè)計(jì)要求丸粒化包衣機(jī)針對(duì)不同類型的小粒牧草種子均能達(dá)到單籽丸化合格率≥90%,牧草種子丸粒化包衣單籽抗壓強(qiáng)度≥25 N。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)因素及試驗(yàn)結(jié)果

為了研究丸粒化包衣設(shè)備工作參數(shù)對(duì)丸粒化包衣性能質(zhì)量的影響規(guī)律,以丸粒化包衣機(jī)關(guān)鍵工作參數(shù)包衣鍋轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率、包衣鍋傾角為試驗(yàn)因素,單籽丸化合格率、單籽抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)響應(yīng)指標(biāo),采用三因素三水平Box-Behnken響應(yīng)面分析法進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)因素水平根據(jù)預(yù)試驗(yàn)進(jìn)行選取,如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Tab. 1 Factor level table of orthogonal test

每組性能試驗(yàn)進(jìn)行3次,每次間隔時(shí)間分別為10 min,試驗(yàn)結(jié)果取平均值。試驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)紅三葉種子單籽丸化合格率,烘干后測(cè)取紅三葉種子單籽抗壓強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 紅三葉種子二次回歸正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Quadratic regression orthogonal test scheme and experimental results of red clover

2.2 紅三葉種子單籽丸化合格率和單籽抗壓強(qiáng)度響應(yīng)模型

利用Design軟件對(duì)試驗(yàn)因素與響應(yīng)指標(biāo)間不同種類模型進(jìn)行建模對(duì)比分析,表3為單籽丸化合格率和單籽抗壓強(qiáng)度各種回歸模型的方差分析。

表3 紅三葉單籽丸化合格率和單籽抗壓強(qiáng)度多種回歸模型方差分析Tab. 3 Variance analysis of multiple fitting regression models of red clover seeds

由表3可以看出,采用線性模型、2FI模型、二次方程模型和三次方程模型均可對(duì)紅三葉單籽丸化合格率及單籽抗壓強(qiáng)度的模型進(jìn)行擬合,其中二次方程模型的P值<0.000 1,二次方程模型擬合呈現(xiàn)非常顯著的特性,表明二次方程模型進(jìn)行擬合具有準(zhǔn)確度高、與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果一致性好的特點(diǎn)。因此,對(duì)于紅三葉種子單籽丸化合格率及單籽抗壓強(qiáng)度采用二次方程模型進(jìn)行擬合。

通過Design-Expert 11.0對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到紅三葉種子單籽丸化合格率及單籽抗壓強(qiáng)度的二階回歸方程分別為

J=96.28-1.2A-3.45B-2.35C+0.05AB-

0.15AC-1.35BC-9.69A2-3.39B2-3.28C2

P=27.82+1.31A-1.46B+2.63C-0.225AB+

0.65AC+0.8BC

(3)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證回歸模型的準(zhǔn)確性,采用軟件分析得到單籽丸化合格率及單籽抗壓強(qiáng)度實(shí)際值與模型預(yù)測(cè)值的關(guān)系曲線如圖2所示。

(a) 單籽丸化合格率

(b) 單籽抗壓強(qiáng)度

從圖2可以發(fā)現(xiàn),散點(diǎn)分布全部集中在直線周圍,誤差較小,表明紅三葉種子單籽丸化合格率及單籽抗壓強(qiáng)度實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間具有高度相關(guān)性,模型可靠性較高,可用于紅三葉種子丸粒化包衣過程中響應(yīng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)分析。

3 紅三葉丸粒化包衣性能指標(biāo)單目標(biāo)優(yōu)化

分別以紅三葉單籽丸化合格率最大值、單籽抗壓強(qiáng)度目標(biāo)值大于25 N為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化,同時(shí)為了驗(yàn)證二次回歸模型的準(zhǔn)確性,利用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行丸粒化包衣試驗(yàn)驗(yàn)證,單目標(biāo)工作參數(shù)優(yōu)化結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。

表4 紅三葉種子參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Tab. 4 Optimized variable result of red clover seeds

觀察表4可以看出,單籽抗壓強(qiáng)度與單籽丸化合格率對(duì)應(yīng)的最佳工作參數(shù)不一致,選取參數(shù)時(shí)無法實(shí)現(xiàn)兩者性能均達(dá)到最佳。同時(shí)可以看出,紅三葉種子的單籽丸化合格率試驗(yàn)值與回歸模型預(yù)測(cè)值間的相對(duì)誤差為0.15%,紅三葉種子單籽抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與回歸預(yù)測(cè)值間的相對(duì)誤差僅為5.85%,證明回歸模型的準(zhǔn)確性與可靠性。

4 丸粒化包衣工作參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化

帶精英策略的非支配排序的遺傳算法(NSGA-Ⅱ)是一種基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化算法,它通過對(duì)各個(gè)目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析與協(xié)調(diào),找出能使各個(gè)目標(biāo)函數(shù)都達(dá)到理想目標(biāo)值的最優(yōu)解集。圖3所示為NSGA-Ⅱ算法運(yùn)算流程圖[17]。

圖3 NSGA-Ⅱ算法運(yùn)算流程

進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時(shí),根據(jù)建立的單籽丸化合格率、單籽抗壓強(qiáng)度二次回歸模型,確定兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)。

(4)

式中:JO——單籽丸化合格率目標(biāo)函數(shù);

J(A,B,C)——單籽丸化合格率回歸模型函數(shù);

PO——單籽抗壓強(qiáng)度目標(biāo)函數(shù);

P(A,B,C)——單籽抗壓強(qiáng)度回歸模型函數(shù)。

在目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上建立多目標(biāo)丸粒化包衣機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化模型,同時(shí)滿足下述約束條件。

(5)

應(yīng)用Matlab軟件編寫NSGA-Ⅱ多目標(biāo)優(yōu)化程序,算法中選擇種群規(guī)模為100,交叉率與變異概率分別設(shè)置為0.8和0.2,迭代次數(shù)設(shè)定為500。多目標(biāo)優(yōu)化變量結(jié)果如表5所示。

表5 多目標(biāo)優(yōu)化變量結(jié)果Tab. 5 Multiple target optimized variable result

根據(jù)表5所示的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果選擇第一組參數(shù)既可以確保最佳的單籽丸化合格率,又能滿足單籽抗壓強(qiáng)度的要求。根據(jù)丸粒化包衣機(jī)操作實(shí)際情況,對(duì)表5中數(shù)據(jù)進(jìn)行取整后得到紅三葉種子多目標(biāo)優(yōu)化最佳參數(shù)組合為:振動(dòng)頻率15 Hz、包衣鍋轉(zhuǎn)速59 r/min、包衣鍋傾角35°。為了驗(yàn)證多目標(biāo)優(yōu)化最佳參數(shù)組合的可靠性,以最優(yōu)參數(shù)組合作為試驗(yàn)因素進(jìn)行3次紅三葉種子丸粒化包衣試驗(yàn),得到紅三葉種子單籽丸化合格率平均值為97.1%,與優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差僅為0.80%,單籽抗壓強(qiáng)度平均值為27.8 N,與優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差僅為1.11%,優(yōu)化參數(shù)組合下的單籽丸化合格率與單籽抗壓強(qiáng)度均達(dá)到目標(biāo)期望值,滿足丸粒化包衣使用要求。

5 結(jié)論

1) 通過物理試驗(yàn)值獲取了紅三葉種子單籽丸化合格率、單籽抗壓強(qiáng)度的二次回歸模型,二次回歸模型的方差分析及優(yōu)化參數(shù)組合驗(yàn)證試驗(yàn),均顯示紅三葉種子單籽丸化合格率及單籽抗壓強(qiáng)度模型用于種子丸化包衣性能預(yù)測(cè)分析的準(zhǔn)確性,單籽丸化合格率預(yù)測(cè)值與物理試驗(yàn)值相對(duì)誤差為0.15%,單籽抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)值與物理試驗(yàn)值相對(duì)誤差為5.85%。

2) 通過對(duì)紅三葉種子單籽丸化合格率和單籽抗壓強(qiáng)度二次回歸模型進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化求解,結(jié)果顯示優(yōu)化參數(shù)存在明顯差異,對(duì)紅三葉種子的單籽丸化合格率和單籽抗壓強(qiáng)度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析,綜合得到紅三葉種子最佳工作參數(shù)為包衣鍋振動(dòng)頻率15 Hz、包衣鍋轉(zhuǎn)速59 r/min、包衣鍋傾角35°。