投射式投飼機(jī)投飼精準(zhǔn)性試驗(yàn)

張豐登，朱松明，張佩琦，季柏民，王珂宇，文彥慈，葉章穎

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程研究所，杭州310058）

我國作為水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，水產(chǎn)品養(yǎng)殖總量位居世界第一[1]。中國漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒調(diào)查顯示，2015年我國水產(chǎn)品養(yǎng)殖總量達(dá)到4 937.90萬t，約占國內(nèi)水產(chǎn)品生產(chǎn)總量的73.70%[2]。飼料是水產(chǎn)養(yǎng)殖中最主要的可變成本，一般占養(yǎng)殖總成本的50%～80%，提高飼料利用率對(duì)增加養(yǎng)殖效益有著重要的作用，既減少飼料浪費(fèi)，又減少由于殘留飼料造成局部水環(huán)境惡化的可能性[3-7]。室內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖已成為現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要發(fā)展方向，它是在人工控制條件下進(jìn)行小型水體內(nèi)高密度的水生動(dòng)物養(yǎng)殖[8-10]，在確保水產(chǎn)養(yǎng)殖生物優(yōu)質(zhì)高速生長的基礎(chǔ)上，進(jìn)行飼料管理，將直接決定生物的生長環(huán)境和生長速率?？傊?，各種相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用旨在實(shí)現(xiàn)最大的生長速率、最小的飼料浪費(fèi)和穩(wěn)定的代謝物。

中國投飼機(jī)研制始于20世紀(jì)70年代，1978年中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械研究所成功研制出了池塘自動(dòng)喂料機(jī)[11]。根據(jù)自動(dòng)化程度，投飼方式一般分為人工投飼、半自動(dòng)投飼和自動(dòng)投飼等。在喂養(yǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖生物時(shí)，通過人工投飼可以觀察到養(yǎng)殖生物是否飽食，從而對(duì)投喂快速糾正，但該喂養(yǎng)方法只適用于較小的生產(chǎn)系統(tǒng)，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的管理人員。大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)一般采用半自動(dòng)投飼，只需定期管理投飼系統(tǒng)，可以解放人力，但需要確定合理的投喂量和投喂時(shí)間，不合理的投喂不僅不能促進(jìn)魚類生長，反而還有可能減弱其對(duì)病害的抵抗力，難以保證生物達(dá)到健康生長狀態(tài)[12-14]。自動(dòng)投飼通過計(jì)算機(jī)等控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)投飼的全自動(dòng)化控制，可完全符合大規(guī)模生產(chǎn)的要求，但因其成本較高，目前國內(nèi)應(yīng)用較少[15]。而在國外，ARANDA等[16-17]、RODRIGO等[18]、HERRERO等[19-20]研究了魚類的主動(dòng)式投喂——關(guān)于魚的自我選擇飲食，這種方法可以在提高飼料利用率的同時(shí)提高魚類福利，但還不適宜大規(guī)模養(yǎng)殖。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)使用的投飼機(jī)品種繁多，按投料方式大致可以分為氣力管道式、振動(dòng)式、旋轉(zhuǎn)拋灑式和投射式：氣力管道式主要是由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)壓并通過管道進(jìn)行輸料與撒料；振動(dòng)式主要是通過振動(dòng)方式使飼料下落，以實(shí)現(xiàn)投料功能；旋轉(zhuǎn)拋灑式是先將飼料下落至撒料盤，然后通過撒料盤的旋轉(zhuǎn)使飼料拋出；投射式則是先將飼料下落至投料口，再由風(fēng)機(jī)吹出。在實(shí)際使用過程中，以上各種投飼機(jī)都能代替人工撒料，養(yǎng)殖者也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷有哪些因素可能會(huì)影響到投飼機(jī)的工作，但無法確定具體影響投飼機(jī)投飼精準(zhǔn)性的因素及其影響程度。本文針對(duì)在實(shí)際室內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖過程中遇到的有關(guān)投飼機(jī)精準(zhǔn)性問題，以一種投射式投飼機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)可能影響投飼機(jī)精度的因素進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，旨在為該類型投飼機(jī)的使用和研制提供技術(shù)性參考，為更快更好地發(fā)展我國漁業(yè)機(jī)械奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 投飼機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 投飼機(jī)性能

試驗(yàn)所用投飼機(jī)為杭州啟程公司研制的QCTR-15型智能投飼機(jī)，它是一種用于室內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖的投射式投飼機(jī)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工撒料，為養(yǎng)殖魚蝦等提供了一種新的投飼方式，其具體性能參數(shù)見表1。

表1 投飼機(jī)性能參數(shù)Table1 Performance parameter of feeding machine

1.2 工作原理

1.2.1 投飼精準(zhǔn)性

半自動(dòng)化的投飼機(jī)在投飼作業(yè)時(shí)，需要人工設(shè)置投飼量，而由于軟件與硬件本身的原因，實(shí)際投飼量并不能達(dá)到與設(shè)置投飼量等值的要求。本文所指的投飼精準(zhǔn)性就是指上述兩者之間的差異程度，表達(dá)為兩者間設(shè)置投飼量與實(shí)際投飼量的差值。

1.2.2 工作原理

本試驗(yàn)所用投飼機(jī)由中央控制器進(jìn)行控制，其中央控制器主要由可編程邏輯控制器（programmable logic controller,PLC）和變壓器構(gòu)成，可以同時(shí)控制15路投飼機(jī)，并且可以設(shè)定每次的投飼量和投飼時(shí)間，是一款定量定時(shí)的投飼機(jī)。當(dāng)?shù)竭_(dá)投飼時(shí)間時(shí)，中央控制器會(huì)控制羅茨風(fēng)機(jī)（Roots blower）和螺旋輸料器工作，同時(shí)在料筒內(nèi)的攪拌器開始工作，當(dāng)料筒內(nèi)的飼料通過螺旋輸料器輸送到投料口時(shí)，由于在投料口的后方安裝有羅茨風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)將飼料從投料口吹出去，而在投料口的外端還接有一個(gè)可調(diào)角度的散料板，當(dāng)被風(fēng)機(jī)吹出來的飼料碰撞到散料板時(shí)，會(huì)沿著散料板的平面拋撒出去，其軌跡為一條拋物線，至此，完成投飼動(dòng)作。而投飼機(jī)的實(shí)時(shí)投飼量反饋則是通過固定于其下方的壓力傳感器執(zhí)行，壓力傳感器將實(shí)時(shí)投飼量傳到中央控制器并與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際投飼量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，中央控制器會(huì)控制投飼機(jī)停止投料動(dòng)作。投飼機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 投飼機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of feeding machine

圖2 飼料運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Movement trajectory of feed

1.3 飼料拋撒軌跡分析

因試驗(yàn)所用投飼機(jī)用于室內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖，處于一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境內(nèi)，所以空氣流動(dòng)可以忽略不計(jì)。由于在實(shí)際養(yǎng)殖過程中，養(yǎng)殖者對(duì)投飼機(jī)的投飼距離更為關(guān)注，因此，本文探究了影響投飼距離的相關(guān)因素。當(dāng)投飼機(jī)開始投料時(shí)，將飼料視為質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行分析，飼料在拋出前會(huì)流經(jīng)散料板，從而改變飼料的運(yùn)動(dòng)軌跡并使飼料散開，其飼料軌跡簡圖如圖2所示。

散料板可以圍繞與投料口的鉸點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即可以調(diào)節(jié)β的角度和h2的大小，其中h2是撒料板頂部到底面的距離。當(dāng)飼料經(jīng)過撒料板拋出的一瞬間，其速度矢量在水平方向的速度分量定義為vx，在豎直方向的速度分量定義為vy。同時(shí)定義h1為在豎直方向內(nèi)飼料從撒料板頂端到飼料所能到達(dá)的最高點(diǎn)的距離，t1為飼料從撒料板頂端到所能到達(dá)的最高點(diǎn)所用時(shí)間，t2為飼料從撒料板頂端拋出到落地的時(shí)間，s為飼料在水平方向上拋出的距離，則根據(jù)牛頓第二定律可以得到)。聯(lián)合上述數(shù)學(xué)表達(dá)式可以解出：

式中：g為重力加速度，m/s2；β為散料板與水平面的夾角，（°）。

由式（1）可得，飼料的水平拋撒距離與v、β、h2和g有關(guān)，故實(shí)際投飼機(jī)的水平拋撒距離s只與v、β和h2有關(guān)聯(lián)。風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)力大小可以改變v的大小，故能影響投飼機(jī)的水平拋撒距離；改變散料板的角度，可以調(diào)節(jié)β的角度和h2的大小，同時(shí)，根據(jù)能量守恒定理，當(dāng)h2的大小發(fā)生改變時(shí)，飼料流出散料板的瞬間動(dòng)能也會(huì)發(fā)生改變，即散料板也可以改變v的大小。由此得出，散料板和風(fēng)機(jī)可以共同決定投飼距離，因此，在投飼機(jī)實(shí)際使用過程中，養(yǎng)殖者可以通過改變風(fēng)機(jī)風(fēng)速和散料板的角度來調(diào)節(jié)投飼距離。

2 投飼機(jī)投飼精準(zhǔn)性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

2.1.1 試驗(yàn)器材

3臺(tái)杭州啟程QC-TR-15型智能投飼機(jī)設(shè)備及其控制箱、TSI Alnor VelociCalc 9545空氣速度計(jì)、?？低曃炇‥ZVIZ）系列CS-C3C-31WFR（4 mm）監(jiān)控系統(tǒng)等器材。

試驗(yàn)所用測(cè)定風(fēng)機(jī)風(fēng)速的空氣速度計(jì)可用具有多個(gè)傳感器的單個(gè)探頭同時(shí)測(cè)量和記錄空氣速度和溫度，速度測(cè)量范圍是0～63 m/s，精度為讀數(shù)的±3%，完全滿足試驗(yàn)測(cè)量范圍及精度的要求。同時(shí)，采用的?？低曃炇‥ZVIZ）系列監(jiān)控系統(tǒng)是一款無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭，水平視長角為72°，對(duì)角94°，具有夜視功能，該系統(tǒng)的圖像將直接儲(chǔ)存在Micro SD卡內(nèi)，可以通過指定的軟件（螢石云視頻app）在手機(jī)和電腦上隨時(shí)隨地查看數(shù)據(jù)的變化。

2.1.2 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建與調(diào)試

試驗(yàn)所用投飼機(jī)具有“飲水機(jī)”的簡潔外觀，以一種懸臂梁式安裝形態(tài)將固定于“工”字形托架上的稱重傳感器緊固在試驗(yàn)室的地板上，再將投飼機(jī)固定在“工”字形托架上。因試驗(yàn)所用投飼機(jī)用于室內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖，故試驗(yàn)平臺(tái)搭建在室內(nèi)，盡可能接近實(shí)際養(yǎng)殖環(huán)境。

因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中風(fēng)機(jī)風(fēng)速需要不定期調(diào)節(jié)，從而使投飼機(jī)的射程不確定，會(huì)導(dǎo)致飼料分布范圍廣而很難收集起來，所以安裝好投飼機(jī)后，在投飼機(jī)的投飼方向布置一張3 m×4 m的毛氈布，以便很好地收集飼料并保證飼料顆粒的清潔性。在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)人員的走動(dòng)會(huì)對(duì)飼料產(chǎn)生一定程度的破壞，而在投料過程中也會(huì)有一部分飼料發(fā)生破碎，但破碎率為0.5%，符合國家所規(guī)定的破損率＜1%的技術(shù)要求，所以在收集飼料時(shí)，需要人工將破損較為嚴(yán)重的那部分飼料（粉碎狀）剔除，以保證每次試驗(yàn)的飼料形狀及質(zhì)量等的一致性，滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則之局部控制原則，即在試驗(yàn)時(shí)采取一定的技術(shù)措施減少非試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，這樣得到的試驗(yàn)結(jié)果才可以直接用于分析試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響。

同時(shí)，在投飼機(jī)控制箱的PLC顯示屏前架設(shè)一臺(tái)無線攝像頭，并根據(jù)攝像頭的焦距調(diào)節(jié)其與顯示屏的距離，同時(shí)，將攝像頭接入網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置為全天候監(jiān)控記錄。

在安裝完畢、檢查接線無誤后，進(jìn)行投飼機(jī)調(diào)零，標(biāo)定質(zhì)量刻度，然后進(jìn)行投飼動(dòng)作，檢驗(yàn)試驗(yàn)平臺(tái)是否調(diào)試完善。試驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

2.1.3 試驗(yàn)因素與指標(biāo)的選取

試驗(yàn)所用投飼機(jī)可調(diào)節(jié)的因素有投飼時(shí)間、每次投飼的量、風(fēng)機(jī)風(fēng)速、給料速度、料筒內(nèi)飼料的量和散料板的傾斜角度，本試驗(yàn)采用單指標(biāo)的考察方式，選擇的試驗(yàn)指標(biāo)為投飼機(jī)設(shè)定投飼值與實(shí)際投料量之間的差值，即投飼誤差，屬于定量指標(biāo)試驗(yàn)。確定試驗(yàn)指標(biāo)后，對(duì)每一個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)（預(yù)試驗(yàn)），以確定最終的試驗(yàn)因素。為了便于預(yù)試驗(yàn)的開展，將投飼間隔時(shí)間0.5 h、每次投飼200 g、風(fēng)機(jī)風(fēng)速15.25 m/s、排料速度10.3 kg/h、料筒裝料量4 000 g、散料板的傾斜角度β=41°、直徑為4.0 mm的球形顆粒飼料（密度為290 kg/m3）作為一個(gè)標(biāo)定狀態(tài)，然后分別只改變其中的1個(gè)因素，其余因素不變，展開相應(yīng)的試驗(yàn)。通過預(yù)試驗(yàn)，得出散料板的傾斜角度對(duì)于投飼量準(zhǔn)確度的影響并不明顯，主要影響的是投飼機(jī)投出飼料的初始速度、運(yùn)動(dòng)軌跡及拋出距離，與之前所做的軌跡分析結(jié)論一致。同時(shí)，因?yàn)橥讹暀C(jī)的給料速度可調(diào)范圍較窄，所以本試驗(yàn)中的給料速度對(duì)投飼量的準(zhǔn)確度的影響也不明顯，因此散料板的傾斜角度和投飼機(jī)的給料速度不作為本試驗(yàn)的研究因素。綜上，最終確定的試驗(yàn)可控因素包括投飼時(shí)間、每次的投飼量、風(fēng)機(jī)風(fēng)速、料筒內(nèi)的飼料量。

圖3 試驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Site of test platform

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在本次研究中，采用基于Box-Behnken的響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)法[21-23]，選取影響投飼機(jī)工作性能的風(fēng)機(jī)風(fēng)速（x1）、投飼間隔時(shí)間（x2）、每次投飼量（x3）及料筒內(nèi)的飼料量（x4）作為試驗(yàn)因素，且對(duì)每個(gè)因素取3個(gè)具有代表性的水平（最小值、中間值和最大值），選取投飼誤差（Y）作為試驗(yàn)指標(biāo)。因?yàn)槊看卧囼?yàn)直接獲得的是實(shí)際投飼值（Y1），因此，投飼誤差（Y）是實(shí)際投飼值（Y1）與設(shè)置投飼值的差值。選定試驗(yàn)因素與指標(biāo)后，利用Design Expert 8.0.6軟件設(shè)計(jì)出29組試驗(yàn)（包括5組中心試驗(yàn)），每組試驗(yàn)分別進(jìn)行5次重復(fù)，并對(duì)試驗(yàn)因素水平進(jìn)行編碼，編碼值和實(shí)際值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。此外，通過試驗(yàn)建立4個(gè)因素與投飼誤差指標(biāo)之間的二次回歸方程，同時(shí)研究各個(gè)單因素效應(yīng)和交互影響。為了提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，設(shè)置3組平行試驗(yàn)，即3臺(tái)投飼機(jī)同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 因素水平編碼表Table2 Code table of factors and levels

2.3 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)從2016年11月開始啟動(dòng)，于2017年5月結(jié)束。在試驗(yàn)過程中，對(duì)供試的4個(gè)因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中：對(duì)于風(fēng)速的調(diào)節(jié)，雖然所用投飼機(jī)有一個(gè)風(fēng)速調(diào)節(jié)旋鈕，可以在某一范圍內(nèi)達(dá)到無級(jí)調(diào)速，但缺點(diǎn)是未標(biāo)出風(fēng)速的大小，致使無法直觀判斷或者獲得風(fēng)機(jī)風(fēng)速的大小，因此，試驗(yàn)使用TSI風(fēng)速儀來測(cè)定風(fēng)速的大小。而對(duì)于投飼間隔時(shí)間和投飼量的調(diào)節(jié)，則可以直觀地在中央控制器的觸摸屏上進(jìn)行調(diào)整，但因?yàn)橥讹晻r(shí)間設(shè)定只能取整，故將投飼間隔時(shí)間0水平的理論值62.5 min設(shè)置為63 min。對(duì)于料筒量的調(diào)節(jié)，在裝料時(shí)時(shí)刻關(guān)注顯示器上的數(shù)值，在接近調(diào)整值時(shí)進(jìn)行微量調(diào)整。

通過預(yù)試驗(yàn)，得到當(dāng)料筒內(nèi)飼料余量低于200 g時(shí)，投飼機(jī)的效率會(huì)迅速下降。因此，在正式試驗(yàn)時(shí)，將飼料余量200 g作為警戒線，即最低閾值。當(dāng)投飼余量到達(dá)警戒線時(shí)，立刻停止投飼，待重新裝料后，再按當(dāng)前設(shè)定值進(jìn)行投飼。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄依靠無線監(jiān)控設(shè)備（螢石云應(yīng)用），以便隨時(shí)隨地查看試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

3.1 投飼誤差模型的建立

通過Design Expert 8.0.6軟件對(duì)投飼試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[24-26]，獲得基于編碼因子的含有一次項(xiàng)、二次項(xiàng)和交互項(xiàng)的回歸模型（R2=0.966）：

式中：正項(xiàng)代表正的相關(guān)關(guān)系，負(fù)項(xiàng)代表負(fù)的相關(guān)關(guān)系，數(shù)值大小代表相關(guān)關(guān)系的大小。

回歸模型的方差分析結(jié)果如表4所示?？梢钥闯觯菏M性不顯著，說明本試驗(yàn)無其他因素（例如飼料形狀）的顯著影響；同時(shí)，回歸模型顯著，說明方程的擬合效果好，故給出的二次回歸模型[式（2）]是合適的，且試驗(yàn)所選的4個(gè)因素對(duì)于投飼機(jī)投飼精度整體上有顯著影響。

在上述回歸模型[式（2）]中，由于投飼機(jī)的風(fēng)機(jī)風(fēng)速（x1）的一次項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值遠(yuǎn)大于投飼間隔時(shí)間（x2）、單次投飼量（x3）及料筒量（x4）的一次項(xiàng)系數(shù)的絕對(duì)值，說明這4個(gè)影響因素中，投飼機(jī)的風(fēng)機(jī)風(fēng)速對(duì)投飼誤差的影響最明顯。同時(shí)，從表4中的P值可以看出：風(fēng)機(jī)風(fēng)速（x1）的一次項(xiàng)（P＜0.000 1）對(duì)投飼誤差有極顯著的影響；投飼間隔時(shí)間（x2）的二次項(xiàng)（P=0.000 3＜0.01）對(duì)投飼誤差有極顯著影響；風(fēng)機(jī)風(fēng)速（x1）的二次項(xiàng)（P=0.014 0＜0.05）對(duì)投飼誤差有顯著影響；料筒量（x4）的二次項(xiàng)（P=0.013 6＜0.05）對(duì)投飼誤差有顯著影響。其他項(xiàng)對(duì)投飼誤差的影響均不顯著。

3.2 單因素效應(yīng)分析

根據(jù)韓永俊等[24]的方法，在單因素效應(yīng)分析中，將建立的二次回歸模型即式（2）中的任意3個(gè)因素固定在0水平，得到的單因素效應(yīng)模型如下。各因素的影響曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，對(duì)于風(fēng)機(jī)風(fēng)速效應(yīng)曲線而言，曲線在此范圍內(nèi)呈單調(diào)遞增狀態(tài)，表明在此范圍內(nèi)投飼誤差隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)速的增大呈先減小后增大的變化規(guī)律，即風(fēng)機(jī)風(fēng)速過大或過小都會(huì)使投飼誤差變大，且當(dāng)風(fēng)速調(diào)到1水平時(shí)，投出的飼料會(huì)大于設(shè)定值，這可能是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的工作使投飼機(jī)產(chǎn)生了一定的振動(dòng)，過大的風(fēng)機(jī)風(fēng)速會(huì)降低投飼機(jī)的穩(wěn)定性。同時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)速的不同也會(huì)在投飼機(jī)出料口產(chǎn)生不同的壓強(qiáng)，過低的風(fēng)速不能完全將出料口的飼料吹出，從而使得投飼誤差變大。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table3 Results of tests

對(duì)于投飼間隔時(shí)間的單因素效應(yīng)曲線而言，投飼誤差隨著間隔時(shí)間的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，且在±0.5水平范圍內(nèi)變化緩慢，分析其原因可能與傳感器的滯后性和PLC的內(nèi)部循環(huán)周期有關(guān)。對(duì)于投飼量的單因素效應(yīng)曲線而言，投飼誤差隨著投飼量的增大先減小后增大，但是變化幅度不大。因?yàn)橥讹暀C(jī)的系統(tǒng)誤差是±7.5 g，故在取投飼量水平為-1時(shí)，系統(tǒng)誤差與投飼量的比值大，使其產(chǎn)生的投飼誤差較大。對(duì)于料筒量的單因素效應(yīng)曲線而言，投飼誤差隨著料筒量的增大先減小后增大，且變化幅度不大，影響不顯著，分析其原因可能是當(dāng)料筒內(nèi)放料過少時(shí)，投料過程中投飼機(jī)穩(wěn)定性降低造成誤差變大，當(dāng)料筒內(nèi)放料過多時(shí)，飼料一部分力作用在桶壁，造成誤差變大。

表4 投飼試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析Table4 Analysis of variance of feeding test

圖4 單因素對(duì)投飼誤差的影響曲線Fig.4 Influence curve of single factor on feeding error

3.3 試驗(yàn)因素對(duì)投飼誤差的影響

為直觀地分析試驗(yàn)指標(biāo)與各因素間的關(guān)系，運(yùn)用Design Expert 8.0.6軟件得到響應(yīng)曲面，如圖5顯示了風(fēng)機(jī)風(fēng)速和投飼間隔時(shí)間對(duì)投飼機(jī)投飼誤差的影響，同時(shí)也可利用Matlab軟件，繪制三維等高線圖[27]。

由圖5可以直觀看出：隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)速的逐漸升高，投飼誤差整體上先減小后增大，其投飼誤差也由負(fù)值變?yōu)檎担浑S著間隔時(shí)間的增大，投飼誤差也是呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。從響應(yīng)曲面上可以直觀得到，風(fēng)機(jī)風(fēng)速對(duì)投飼誤差的影響較為顯著。

圖5 風(fēng)機(jī)風(fēng)速和投飼間隔時(shí)間對(duì)投飼誤差的影響Fig.5 Influence of wind speed and feeding interval time on feeding error

從Design Expert 8.0.6軟件生成的等高線圖（圖6）可以看出，投飼誤差0值線所涵蓋的風(fēng)機(jī)風(fēng)速范圍是16.48～20.70 m/s，即在此風(fēng)速范圍內(nèi)，總會(huì)找到一個(gè)間隔時(shí)間使理論投飼誤差為0，而這條投飼誤差0值線就是最優(yōu)等高線。

3.4 優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證

運(yùn)用Design Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化功能對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化[28]，將試驗(yàn)指標(biāo)的目標(biāo)結(jié)果設(shè)定為理想值[（0±0.01）g]，可以得到如表5所示的優(yōu)化結(jié)果。從中可以得出，當(dāng)將試驗(yàn)指標(biāo)的目標(biāo)結(jié)果設(shè)定為理想值[（0±0.01）g]時(shí)，其風(fēng)速范圍為16.48～20.70 m/s，且當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速、間隔時(shí)間、投飼量及料筒量分別為18.11 m/s、117.70 min、177.00 g和4 457.50 g時(shí)，投飼誤差為-8.40×10-10，最接近于0，因此將此組合定為最優(yōu)組合，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，在此條件下投飼誤差為（1.23±5.63）g，與目標(biāo)結(jié)果接近。但在實(shí)際養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中關(guān)注的往往是投飼距離，因此當(dāng)設(shè)定投飼誤差范圍為±5 g時(shí)，通過Design Expert 8.0.6軟件可以求得風(fēng)機(jī)風(fēng)速范圍是11.96～22.00 m/s，在此風(fēng)速下測(cè)得投飼機(jī)的實(shí)際投飼距離為0.66～5.30 m，即在實(shí)際養(yǎng)殖生產(chǎn)中，建議在投飼距離為0.66～5.30 m范圍內(nèi)使用投飼機(jī)。

圖6 風(fēng)機(jī)風(fēng)速和投飼間隔時(shí)間對(duì)投飼誤差影響的等高線圖Fig.6 Contour map of effect of wind speed and feeding interval time on feeding error

3.5 投飼誤差模型的優(yōu)化

運(yùn)用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化，按照表4中P值從大到小的順序，逐次剔除最不顯著的因素，得到基于編碼因子的含有一次項(xiàng)和二次項(xiàng)的回歸模型（R2=0.955）：

回歸模型的方差分析結(jié)果如表6所示?？梢钥闯?，失擬性不顯著，回歸模型顯著，說明優(yōu)化后的方程的擬合效果好，故按次剔除不顯著因素后得到的二次回歸模型[式（7）]是合適的。同時(shí)，從表6中的P值可以看出：風(fēng)機(jī)風(fēng)速（x1）的一次項(xiàng)（P＜0.000 1）對(duì)投飼誤差有極顯著的影響；投飼間隔時(shí)間（x2）的二次項(xiàng)（P＜0.000 1）對(duì)投飼誤差有極顯著影響；風(fēng)機(jī)風(fēng)速（x1）的二次項(xiàng)（P=0.006 3＜0.05）對(duì)投飼誤差有顯著影響；料筒量（x4）的二次項(xiàng)（P=0.004 8＜0.05）對(duì)投飼誤差有顯著影響。這與表4中的結(jié)果一致，說明其他項(xiàng)對(duì)投飼誤差的影響確實(shí)均不顯著。

表5 優(yōu)化結(jié)果Table5 Optimization results

表6 優(yōu)化后投飼試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析Table6 Analysis of variance of feeding test after optimization

4 結(jié)論

在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了投飼誤差的二次回歸模型。從模型的方差分析中可以看出，方程的擬合效果好，并且投飼機(jī)的風(fēng)機(jī)風(fēng)速對(duì)投飼誤差的影響顯著，其他單因素的影響都不顯著。從響應(yīng)曲面圖可以得到，隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)速的逐漸升高，投飼誤差整體上先減小后增大，并由負(fù)值變?yōu)檎怠?/p>

從建立的二次回歸模型中可以得到各個(gè)單因素效應(yīng)模型，且單因素效應(yīng)曲線均為拋物線。從二次回歸模型的系數(shù)可以得到各個(gè)因素對(duì)投飼誤差的影響程度排序：風(fēng)機(jī)風(fēng)速＞投飼量＞間隔時(shí)間＞料筒裝料量。

對(duì)最優(yōu)工作參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)表明，驗(yàn)證結(jié)果與理論值十分接近。但在實(shí)際養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中關(guān)注的往往是投飼距離，可以通過改變風(fēng)機(jī)風(fēng)速和散料板的角度來調(diào)節(jié)，當(dāng)規(guī)定投飼誤差范圍為±5 g時(shí)，建議投飼距離為0.66～5.30 m。