基于EDEM的籠養(yǎng)種鴨精準(zhǔn)飼喂器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

關(guān)鍵詞 籠養(yǎng)種鴨； 精準(zhǔn)飼喂器； 顆粒飼料； 飼喂裝置； 均勻性

中國是世界上最大的蛋鴨養(yǎng)殖和消費(fèi)國，現(xiàn)有的蛋鴨存欄量超過2 億，占全球的90% 以上［1］。傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式下鴨群體對水體造成的污染嚴(yán)重，智能化養(yǎng)殖水平較低，相比之下籠養(yǎng)模式具有飼養(yǎng)密度大、環(huán)境污染小、養(yǎng)殖效益高等優(yōu)勢［2］。目前，蛋鴨的籠養(yǎng)技術(shù)在我國得到了廣泛研究和快速發(fā)展［3-5］。現(xiàn)有的籠養(yǎng)設(shè)施多采取無差別、低精度的螺旋式排料投喂方式，易造成飼料供應(yīng)不足或過度供應(yīng)的問題，不能滿足靈活可變的供料需求，尤其是種鴨的選種培育過程中，飼料供應(yīng)量作為品種選育核心指標(biāo)蛋料比的一部分，更加需要飼喂設(shè)備具有飼料供應(yīng)量易調(diào)節(jié)、精度高的特點(diǎn)［6］。

孟慶軍等［7］在針對A 型養(yǎng)殖籠所設(shè)計(jì)的螺旋排料機(jī)的研究中，以球形飼料為研究對象，發(fā)現(xiàn)進(jìn)料口高度對排料量有顯著影響。戚江濤等［8］研究了奶牛雙螺旋飼喂器螺距和攪龍轉(zhuǎn)速不同組合對裝置供料精度的影響，依據(jù)仿真所得最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)排量驗(yàn)證試驗(yàn)精度超過99.8%。聶傳斌等［9］對種鵝精準(zhǔn)飼喂裝置進(jìn)行了優(yōu)化，通過分析飼料顆粒飛出速度集中度、扭矩、質(zhì)量流率分布，確定了種鵝精準(zhǔn)飼喂裝置的輸送精度、飼料破碎率、輸送扭矩綜合參數(shù)的最優(yōu)組合。杜華興等［10］在平養(yǎng)育雛的飼養(yǎng)條件下設(shè)計(jì)了一種槽輪式排料裝置并進(jìn)行仿真研究，探討了在槽輪輸送結(jié)構(gòu)下，如何優(yōu)化槽輪轉(zhuǎn)速和出料傾斜角來獲取最優(yōu)輸送結(jié)構(gòu)。趙思琪等［11］利用EDEM-Fluent 耦合方法研究投餌機(jī)的拋料分布，針對拋料均勻性進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以拋料的周向分布變異系數(shù)作為優(yōu)化指標(biāo)，最后證明使用仿真可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。上述研究主要針對轉(zhuǎn)速、螺距、出料角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對各類飼料輸送器的飼料輸送穩(wěn)定性等工作指標(biāo)參數(shù)的影響，使用仿真分析對最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用，可以快速確定最優(yōu)參數(shù)組合結(jié)構(gòu)，能減少研發(fā)時(shí)間、節(jié)約研發(fā)成本。但是由于飼料種類、飼喂模式和飼喂對象的不同，在籠養(yǎng)種鴨育種環(huán)境下，以上的飼喂技術(shù)難以直接應(yīng)用。

本研究設(shè)計(jì)了一種葉片式種鴨飼料精量飼喂系統(tǒng)，以飼喂器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為核心研究對象，使用離散元仿真等工具，探索種鴨圓柱型顆粒飼料的充料機(jī)制，優(yōu)化飼喂器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)來提高葉片式飼料飼喂器的工作性能，為實(shí)現(xiàn)籠養(yǎng)家禽的精準(zhǔn)化養(yǎng)殖提供參考。

1 材料與方法

1.1 飼喂系統(tǒng)的工作原理

種鴨精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)使用STM32F103 單片機(jī)開發(fā)板為控制核心，步進(jìn)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為控制執(zhí)行部件，信息采集部件包括掃碼模塊、個(gè)體檢測模塊、產(chǎn)蛋計(jì)數(shù)模塊組和采食余量檢測模塊。飼喂選育過程中種鴨被獨(dú)立飼養(yǎng)在3 層A 型籠具中，8 個(gè)籠具為1 組，籠具之間并排排列，通過具有父本母本序號(hào)以及養(yǎng)殖序列編號(hào)信息條形碼標(biāo)簽標(biāo)記每只籠養(yǎng)鴨個(gè)體。

總飼料供應(yīng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，飼喂平臺(tái)開始從籠具一端沿著籠具排列方向向另一端移動(dòng)，在飼喂平臺(tái)移動(dòng)過程中：掃碼模塊讀取條形碼內(nèi)容，在系統(tǒng)的預(yù)飼喂量數(shù)據(jù)庫獲取此條碼對應(yīng)籠具所設(shè)置的飼喂量，不同的飼喂量設(shè)置對應(yīng)控制核心輸出不同的PWM 波信號(hào)時(shí)間，系統(tǒng)控制核心通過輸出PWM 波信號(hào)時(shí)間來控制飼喂器中步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間從而匹配不同的飼喂量，同時(shí)開啟當(dāng)前籠位的飼喂控制和信息采集工作使能；采食余量模塊進(jìn)行工作，記錄采食數(shù)據(jù)；個(gè)體檢測模塊對個(gè)體信息進(jìn)行識(shí)別，在識(shí)別到正常鴨個(gè)體時(shí)開啟飼喂模塊使能，控制電機(jī)的啟動(dòng)；產(chǎn)蛋計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行鴨蛋識(shí)別和計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)；OLED 顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前籠位各項(xiàng)工作數(shù)據(jù)。隨著飼喂平臺(tái)的繼續(xù)移動(dòng)，當(dāng)掃描模塊讀取到下個(gè)條碼識(shí)別時(shí)，系統(tǒng)完成當(dāng)前1 個(gè)籠位的信息采集和飼喂工作，同時(shí)開啟下1 個(gè)籠位對應(yīng)的控制和數(shù)據(jù)采集工作。在讀取到籠具列末端的終止信號(hào)后，飼喂系統(tǒng)采集工作停止，所有數(shù)據(jù)通過串口上傳到上位機(jī)中。其中，殘余的飼料的處理有2 種方式，對應(yīng)2 種不同的采食量記錄模式：（1）需要保留殘余飼料，則不進(jìn)行飼料處理，便在飼喂量的數(shù)據(jù)管理中，記錄本次飼料供應(yīng)量為殘余量與添加量之和；（2）殘余飼料需要立即取出，進(jìn)行人工取出則飼料供應(yīng)量為本次飼料添加量。上位機(jī)通過阿里云平臺(tái)將數(shù)據(jù)上傳并且生成數(shù)據(jù)報(bào)表，方便其他工作人員獲取本批次的養(yǎng)殖信息，以便進(jìn)行品種選育。

1.2 飼喂器裝置設(shè)計(jì)

1）飼喂器排料工作原理。該系統(tǒng)可以通過掃描模塊獲取當(dāng)前籠位的條形碼數(shù)據(jù)并與飼喂預(yù)設(shè)量數(shù)據(jù)匹配，控制飼喂器上的步進(jìn)電機(jī)工作，以實(shí)現(xiàn)飼喂量的精確控制。在此過程中飼喂器的排料性能決定了該系統(tǒng)中飼料飼喂量的控制精度［12］。飼喂器由1對飼喂器外殼、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)支架、安裝底板、聯(lián)軸器、排料葉片、軸承、軸承座組成（圖2）。步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為57BYG250B，為額定電流2.1 A、扭矩1.2N、步距角度1.8°的二相步進(jìn)電機(jī)。使用的控制驅(qū)動(dòng)器為DM860H，工作電壓和輸出電壓為24 V、輸出電流設(shè)置為2 A，允許峰值電流為2.4 A，即步進(jìn)電機(jī)最大功率為48 W。電機(jī)功率如公式（1）所示。

式（1）中：P 為排料葉片的旋轉(zhuǎn)功率，kW；T 為排料葉片的扭矩，N·m；n 為排料葉片工作轉(zhuǎn)速，r/min。根據(jù)仿真中對排料葉片的最大扭矩進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，排料葉片受到的最大扭矩為1.586 N·m，考慮葉片在試驗(yàn)中的最大轉(zhuǎn)速72 r/min，設(shè)定系統(tǒng)的機(jī)械效率為80%，可算得飼喂器需要的最大輸出功率為14.95W，而步進(jìn)電機(jī)控制器能提供的最大功率為48 W，滿足需求。

控制信號(hào)由STM32F103 單片機(jī)開發(fā)板輸出PWM 脈沖數(shù)來控制步進(jìn)角的速度。飼料通過入料導(dǎo)管進(jìn)入飼喂器，在重力和相互作用力下完成充料，通過排料葉片的旋轉(zhuǎn)作用從出口排出，落入籠具的食槽中。

2）飼喂器主要參數(shù)設(shè)計(jì)。該飼喂器采用葉片螺旋輸送結(jié)構(gòu)，飼喂器的理論排量公式如下所示：

式（2）～（3）中：q總為單位時(shí)間飼喂器總排料速率，kg/min；q1為單位時(shí)間飼喂器葉片強(qiáng)制的排料速率，kg/min；q2為單位時(shí)間飼喂器葉片帶動(dòng)的排料速率，kg/min；n 為扇葉葉片數(shù)量；s 為扇葉之間的橫截面積，m2；l 為排料扇葉有效長度，m；ρ 為飼料顆粒容重，kg/m3；τ 為飼料顆粒在葉片之間的充實(shí)率；w 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；λ 為飼料顆粒的帶動(dòng)層系數(shù)；R 為外殼內(nèi)部最低點(diǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的距離，m；r 為葉片半徑，m。

在飼喂養(yǎng)殖過程中，不同生長階段、不同品種個(gè)體以及不同的培育模式，對飼喂量的需求都不同，需要裝置在對應(yīng)條件下實(shí)現(xiàn)不同排量的精準(zhǔn)供給和快速調(diào)整［13］。該飼喂器采用控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間來控制排量。以飼料排量的均勻性作為研究對象，以單位時(shí)間排料量的變異系數(shù)作為性能指標(biāo)。變異系數(shù)越小，說明在該結(jié)構(gòu)參數(shù)和葉片轉(zhuǎn)速條件下，單位時(shí)間內(nèi)裝置排出的飼料量越均勻，該裝置的排量可控性越好，在進(jìn)行排料葉片工作時(shí)間配置后，飼喂量和設(shè)定量之間的誤差越小，飼喂系統(tǒng)的排料精確度越高。

1.3 仿真試驗(yàn)

1）主要仿真參數(shù)的確定。試驗(yàn)中使用的種鴨飼料外形為類圓柱體的固體壓縮飼料，其平均直徑為4.6 mm，長度為8～13 mm。實(shí)際飼喂過程中，飼料需要通過廠房外的螺旋輸送機(jī)輸送后到達(dá)料箱，再輸送到飼喂器終端，但是在這2 個(gè)輸送階段中飼料會(huì)發(fā)生部分?jǐn)嗔?。因此，為還原真實(shí)飼喂過程，在對飼槽中的飼料長度進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)后，在仿真中將飼料顆粒歸納設(shè)置為3 種長度狀態(tài)：1 號(hào)短顆粒4.4mm、2 號(hào)中顆粒7.8 mm、3 號(hào)長顆粒12.4 mm，在仿真中將所占總顆粒質(zhì)量比分別對應(yīng)設(shè)置為34.5%、22.9%、42.6%。仿真軟件中顆粒模型如圖3 所示。

飼喂器與飼料顆粒接觸部分的材料為光敏樹脂。在飼喂器工作過程中，物體之間光滑無粘附，因此設(shè)置仿真設(shè)計(jì)中顆粒與顆粒和顆粒與飼喂器之間接觸模型為 Hertz-Mindlin 無滑移接觸模型。通過查閱資料和相關(guān)試驗(yàn)測定后［14-15］，最終確定仿真試驗(yàn)所使用的有關(guān)仿真力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

2）仿真試驗(yàn)的設(shè)計(jì)。上述飼喂器結(jié)構(gòu)使用SOLIDWORKS 進(jìn)行三維建模，完成建模、裝配和調(diào)整后，保存為STEP 格式文件導(dǎo)入EDEM 中。為了提高仿真效率，較長的飼槽模型在仿真中使用了圓筒模型代替。最后所得的飼喂器模型結(jié)構(gòu)和仿真過程示意圖如圖4 所示。

為了實(shí)時(shí)記錄排料仿真過程中飼料的排量，在出料口設(shè)置了顆粒通過質(zhì)量監(jiān)測站（圖5），記錄各單位時(shí)間落入飼槽的飼料質(zhì)量，作為排料變異系數(shù)的計(jì)算數(shù)據(jù)。

通過EDEM 中進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)，仿真中將在飼料導(dǎo)管設(shè)置顆粒生成工廠，飼料以150 g/s 的質(zhì)量流進(jìn)入飼喂器內(nèi)腔，以確保在仿真過程中對飼喂器飼料供應(yīng)充足。仿真過程中與顆粒有接觸的模型設(shè)置振幅0.2 mm、頻率10 Hz、方向垂直地面、持續(xù)時(shí)間0.1 s、間隔時(shí)間0.4 s 的正弦運(yùn)動(dòng)，以模擬飼喂過程中飼喂平臺(tái)主電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)。

為了準(zhǔn)確還原飼喂器排料的過程，仿真試驗(yàn)流程分成4 個(gè)階段（圖6）：第一階段，自然充料階段，模擬飼料從飼料導(dǎo)管落入飼喂器空腔中，持續(xù)時(shí)間0.4 s。第二階段，排料充料階段，排料扇葉以設(shè)定的角速度旋轉(zhuǎn)，使飼料充滿飼喂器空腔以及等待多余飼料下落，飼喂器進(jìn)入工作準(zhǔn)備狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間0.8 s。第三階段，飼喂工作階段，模擬飼喂階段飼料投喂過程，步進(jìn)電機(jī)工作以設(shè)定的角速度旋轉(zhuǎn)1 周，持續(xù)時(shí)間因葉片轉(zhuǎn)速不同而不同。第四階段，監(jiān)測等待階段，因?yàn)殡姍C(jī)停止到飼料全部落入飼槽存在時(shí)間延遲，需要等待所有已經(jīng)離開出料口的飼料通過仿真模型中設(shè)置的質(zhì)量檢測站［16］，持續(xù)時(shí)間0.4 s。整個(gè)仿真過程以0.01 s 為數(shù)據(jù)采集間距，通過仿真內(nèi)監(jiān)測站可得每0.01 s 內(nèi)進(jìn)入食槽空間的飼料質(zhì)量。考慮飼料落入飼槽空間的時(shí)間間隔，從1.35 s 開始取相鄰5 次質(zhì)量傳感器的數(shù)據(jù)總和，以每0.05 s 內(nèi)落入飼槽空間中飼料質(zhì)量的變異系數(shù)為指標(biāo)，作為系統(tǒng)排料均勻性的評(píng)判依據(jù)。

1.4 影響因素設(shè)計(jì)

育種飼喂中飼料每次平均供應(yīng)量為95 g，故飼喂器結(jié)構(gòu)中飼料通過間距設(shè)計(jì)為6 mm、排料葉片數(shù)為6 片、葉片有效工作長度為20 mm、葉片螺旋升角為75°，葉片轉(zhuǎn)速為60 r/min，工作持續(xù)1 s，20 組平均飼喂量為96.5 g。在飼喂器排料性能檢測試驗(yàn)階段，發(fā)現(xiàn)葉片到內(nèi)腔底部的飼料通過間距、排料葉片的螺旋升角和排料葉片的角速度等因素對排料速率、排料質(zhì)量波動(dòng)變化等排料結(jié)果影響較大。為探索結(jié)構(gòu)參數(shù)對飼喂器排料功能的影響，本研究以上述3 個(gè)因素為研究對象，探究3 個(gè)因素對排料均勻性的影響。

飼料通過間距為飼喂器內(nèi)腔中排料葉片最低處到飼喂器內(nèi)腔底部最低的距離，如圖7 所示。根據(jù)公式（3），飼料通過間距直接影響外殼內(nèi)部最低點(diǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的距離R，同時(shí)間接影響飼料顆粒的帶動(dòng)層系數(shù)λ。

葉片螺旋升角示意圖如圖8 所示，在公式（2）～（3）中，排料葉片螺旋升角會(huì)影響飼料顆粒在葉片之間的充實(shí)率τ 和飼料顆粒的帶動(dòng)層系數(shù)λ。當(dāng)葉片螺旋升角為90°時(shí)，為傳統(tǒng)直型葉片。在排料葉片的三維設(shè)計(jì)中，排料葉片是以葉片截面圖形為草圖、以螺旋線為掃描引導(dǎo)線進(jìn)行三維掃描繪制而成。螺旋線的螺旋升角就是排料葉片的螺旋升角。其中，螺旋升角的計(jì)算公式為：

螺旋升角范圍為0°～90°，升角越大，排料葉片接近直型葉片。隨著排料葉片螺旋升角從90°開始減小，飼料顆粒受到的葉片軸向方向的力會(huì)從零開始增加，同時(shí)飼料受徑向力開始減小。軸向力方向?yàn)榇竽粗杆傅姆较颍ǜ鶕?jù)右手螺旋法則，當(dāng)四指與葉片旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)）。軸向力使得飼料顆粒有垂直向內(nèi)的運(yùn)動(dòng)趨勢，使得當(dāng)螺旋升角過小時(shí)，飼料顆粒有在飼喂器內(nèi)壁聚集的可能性，從而影響飼喂器的排料性能。因此，在本研究中設(shè)計(jì)螺旋升角應(yīng)當(dāng)有最小值。試驗(yàn)中使用單片機(jī)向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送不同的脈沖頻率信號(hào)以控制葉片轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

式（6）中：w 為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f 為控制信號(hào)脈沖頻率，固定值，大小為72 MHz；p 為驅(qū)動(dòng)器細(xì)分倍數(shù)，試驗(yàn)中設(shè)置為800；arr為pwm 波計(jì)數(shù)閾值；psc為pwm 波預(yù)分頻系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)

為考察上述3 個(gè)因素對變異系數(shù)的影響，設(shè)置三因素三水平正交試驗(yàn)。在預(yù)試驗(yàn)階段，發(fā)現(xiàn)飼料通過間距和葉片轉(zhuǎn)速對飼料排料影響效果明顯，超出一定范圍會(huì)使得飼喂器系統(tǒng)在短時(shí)間完不成指定飼喂量供應(yīng)或者使得單位時(shí)間飼喂量過大不利于系統(tǒng)通過時(shí)間調(diào)節(jié)飼喂量。因此，選取飼料通過間距為2、10 mm 作為水平最值，原轉(zhuǎn)速的80% 和120% 作為水平最值。當(dāng)葉片螺旋升角度為60°時(shí)，相鄰2 塊葉片邊緣的連線與旋轉(zhuǎn)軸平行，使得軸向截面上，葉片占據(jù)飼料的體積均勻分布，能緩解傳統(tǒng)直型扇葉的脈沖效應(yīng)，故選取葉片螺旋升角60°與傳統(tǒng)直型葉片螺旋升角90°作為水平最值。試驗(yàn)因素編碼表如表2 所示，設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，其中X1、X2、X3 分別代表飼料通過間距、葉片螺旋角度、葉片轉(zhuǎn)速，驗(yàn)證指標(biāo)Y1為排料變異系數(shù)。

將表3 的樣本數(shù)據(jù)填入Design Expert 中進(jìn)行二項(xiàng)多項(xiàng)式模型擬合，所得的方差分析如表4 所示。

由表4 可知，Y1 的回歸方程的顯著性Plt;0.000 1，說明該模型極顯著，而失擬項(xiàng)Pgt;0.05，說明函數(shù)各項(xiàng)擬合性好，擬合函數(shù)可信度高［17］。三因素對變異系數(shù)的影響大小順序依次是飼料通過間距、葉片螺旋升角、葉片轉(zhuǎn)速。在交互項(xiàng)中，飼料通過間距和葉片螺旋升角的交互作用對變異系數(shù)的影響最大，對應(yīng)的響應(yīng)面曲線如圖9 所示。通過響應(yīng)面曲線可知：飼料通過間距處于較低水平時(shí)，變異系數(shù)隨葉片螺旋升角的增大而減小，飼料通過間距處于較高水平時(shí)，變異系數(shù)隨葉片螺旋升角的增大先減小后增大；葉片螺旋升角處于較低水平時(shí)，變異系數(shù)隨著飼料通過間距的增大而減小，葉片螺旋升角處于較高水平時(shí)，變異系數(shù)隨著飼料通過間距的增加先減小后增大，因此，飼料通過間距與葉片螺旋升角具有顯著的相關(guān)性。

去除不顯著項(xiàng)，得到單位時(shí)間排量變異系數(shù)二次多項(xiàng)式回歸模型如式（7）所示。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證

設(shè)計(jì)的飼喂系統(tǒng)通過控制排料時(shí)間來控制飼料排量，飼喂時(shí)間中位數(shù)設(shè)置為1 s。根據(jù)飼喂供料需求，需要飼喂器1 s 的飼料排量在60～120 g。重復(fù)變異系數(shù)函數(shù)求解過程，根據(jù)方差分析和擬合結(jié)果得到飼料通過間距、葉片螺旋升角、葉片轉(zhuǎn)速與排量呈一次關(guān)系，擬合方程模型顯著，方程擬合性好，擬合函數(shù)如下所示。

為探索該結(jié)構(gòu)下飼喂器最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)擬合方程，以飼料通過間距、葉片螺旋升角、葉片轉(zhuǎn)速為自變量，以變異系數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)，并結(jié)合實(shí)際飼喂排量需求條件建立數(shù)學(xué)模型。

使用Design Expert 中Numerical Optimization 模塊進(jìn)行目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化求解Y1，得到當(dāng)飼料通過間距為9.0 mm、葉片螺旋升角為71.5°、葉片轉(zhuǎn)速為58.4r/min 時(shí)，變異系數(shù)有最小值18.66%，此時(shí)每0.05 s平均飼料排量為5.5 g，滿足生產(chǎn)需求。為了驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行飼喂器排種試驗(yàn)，圖10 為飼喂器排種臺(tái)架安裝圖。

使用STM32 控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，排料轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間設(shè)置為0.05 s，轉(zhuǎn)動(dòng)停止間隔為2 s，排料轉(zhuǎn)動(dòng)和停止重復(fù)進(jìn)行20 次，使總排料時(shí)間為1 s。通過電子秤測量記錄燒杯內(nèi)飼料質(zhì)量變化，得到每次排料的質(zhì)量，計(jì)算落入燒杯中飼料的平均質(zhì)量、質(zhì)量變異系數(shù)、飼喂總質(zhì)量以及實(shí)際質(zhì)量與預(yù)測質(zhì)量之間的相對誤差。同時(shí)進(jìn)行變量排料試驗(yàn)，增加相同條件下總飼喂時(shí)間為分別0.75、1.25 s 的驗(yàn)證試驗(yàn)，總時(shí)間不同的每組試驗(yàn)進(jìn)行10 次，取10 次結(jié)果的平均值。試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示，結(jié)果顯示，3 組試驗(yàn)結(jié)果的平均變異系數(shù)為18.74%，單位時(shí)間平均排量為5.58 g，與仿真試驗(yàn)預(yù)測結(jié)果相差不大。試驗(yàn)結(jié)果表明，在該結(jié)構(gòu)參數(shù)下，飼喂器排料速率為111.6 g/s，系統(tǒng)能以此排料速率為依據(jù)，建立電機(jī)工作時(shí)間-飼喂量匹配表，從而實(shí)現(xiàn)飼喂量的精準(zhǔn)控制。在各項(xiàng)排量試驗(yàn)中，總設(shè)定量和實(shí)際量之間的最大相對誤差為3.07%，滿足種鴨供料需要求［18］。

3 討論

本研究設(shè)計(jì)一套籠養(yǎng)種鴨飼喂監(jiān)控信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能通過對籠養(yǎng)種鴨的身份識(shí)別后對種鴨個(gè)體實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定量飼喂，同時(shí)能采集種鴨的健康信息以及采食量和產(chǎn)蛋量等重要的養(yǎng)殖育種信息，提高了育種研究的智能化精確化工作水平。

本研究設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制、以步進(jìn)電機(jī)為控制終端的葉片式精量飼喂器，著重對飼喂器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究，通過正交試驗(yàn)分析了飼料通過間距、葉片螺旋升角、葉片轉(zhuǎn)速對飼喂器排料均勻性的影響，結(jié)果表明：當(dāng)飼料通過間距為9.0 mm、葉片螺旋升角為71.5°、葉片轉(zhuǎn)速為58.4r/min 時(shí)，系統(tǒng)能獲取最優(yōu)工作性能參數(shù)，此時(shí)飼喂變異系數(shù)為18.66%，排料速率為110 g/s，各因素對變異系數(shù)的影響主次順序?yàn)轱暳贤ㄟ^間距、葉片螺旋升角、葉片轉(zhuǎn)速。通過臺(tái)架試驗(yàn)對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到飼喂變異系數(shù)為18.74%，飼喂質(zhì)量流為109.26 g/s，多組試驗(yàn)中預(yù)設(shè)量與實(shí)際量的最大相對誤差值為3.07%，試驗(yàn)結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)下飼喂器排料速率穩(wěn)定，在1.5 s 的飼喂時(shí)間內(nèi)，飼喂器能實(shí)現(xiàn)單次0～160 g 內(nèi)可控的飼喂量供應(yīng)，能滿足種鴨選育研究所需要的供料要求。

研究結(jié)果表明，本研究設(shè)計(jì)的種鴨選育飼喂系統(tǒng)可滿足種鴨飼喂過程可控、精量的供料需求，下一步考慮對飼喂器結(jié)構(gòu)中葉片數(shù)目、葉片直徑等其他設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究，通過優(yōu)化其他參數(shù)來進(jìn)一步提升飼喂器的飼喂性能。