便携式人工模拟降雨器

说明:
 整体有二大部分组成分为：管路系统方案、降雨模拟系统方案。一.管路系统方案：可以使得有效降雨面积在30平米任意拼接,成长方型架构.建议降雨面积成长方型5*6米标准径流场上使用构制。可适应于任何坡度的使用.二. 是指在实验区建成降雨区，降雨区为了有效的保证达了下垫面的实验得以完成，30平米,降雨高度为4米。三.指标如下: （1）、有效降雨面积：30平米（2）、降雨高度：    4m（3）、雨强连续变化范围：20～150mm/h（4）、降雨均匀度系数： 大于0.8（5）、雨滴大小调控范围：1.7～2.8mm（6）、降雨历时： 任意（7）、降雨测量精度：0.01mm/h（8）、降雨调节精度：7mm/h

一、总则:
 人工模拟降雨系统,是应交流所设计所成，整体解决方案有二大部分组成分为：管路系统方案、降雨模拟系统方案。二大部分组成后全部实现降雨实验的整个过程.以下是分项解释:
管路系统方案：是指整个实验区内架有管路系统。即降雨所走的水路系统.整个管路系统除接头外,均为热渡管制造,管路系统形成后,可以使得有效降雨面积在30平米任意拼接,成长方型架构.建议降雨面积成长方型5*6米标准径流场上使用构制。可适应于任何坡度的使用.
降雨模拟系统方案：是指在实验区建成降雨区，降雨区为了有效的保证达了下垫面的实验得以完成，30平米,降雨高度为4米。整个降雨可以达到模拟人工降雨的效果，详见人工降雨模拟方案。
 3、总体技术指标如下：
 （1）、有效降雨面积：30平米
 （2）、降雨高度：    4m
 （3）、雨强连续变化范围：20～150mm/h
 （4）、降雨均匀度系数： 大于0.8
 （5）、雨滴大小调控范围：1.7～2.8mm
 （6）、降雨历时： 任意
 （7）、降雨测量精度：0.01mm/h
 （8）、降雨调节精度：7mm/h
 （9）、雨强软件系统的专业定制
 二、人工模拟降雨管架方案
1. 管道布置图

 说明:如上图所示：依据降雨面积30平米，高度4米现场要求，设计如上，主供水管采用中部平衡供水，喷头供水管采用3组4米高的3个不同规格叠加的供水管路，管道分为一个层面,形成降雨区.降雨投影面积在水面叠加交叉均匀，从而形成最好的降雨效果。降雨雨强为20-150之间。以一组管路降雨时,面积为六平米,如此叠加,直至于30平米.

2.喷头布置图

注：所有管路系统均为活接式的，可以任意的拼接，所有接头均为活接式的。可以接出面积为30平米。

3.管路布置拓朴图

三、降雨模拟自控系统
1、闭环反馈逼近控制算法
 本设计方案采用1套最新的配装式高灵敏度雨量计，获得降雨现场实时动态实际降雨强度值，以此实际降雨强度平均值为反馈控制信号与实验设定雨强比照，结合新型反馈调控算法在整个降雨期反复无穷逼近设定的雨强值。这样即可自动得到真实、准确、稳定的降雨过程。控制方法的流程框图如下：

评价：此方案以现场实际实时动态雨强为反馈控制信号，可实时监控实验区各监测点的雨强分布及平均值，不但可省略实验前的人工率定过程，而且实验过程中可随时得知当时雨强值，人工手动操作可随时干预降雨控制过程。
 新型闭环反馈逼近控制算法：为准确、快速、稳定的进行降雨过程控制，本项目采用闭环反馈控制算法。控制算法为：首先，根据资料，流量调节阀的驱动电流与阀门的开启位置为线性关系，而阀门的开启位置又与雨强为线性关系。其次假设；
实验要求雨强为Y0，
现场无线自计雨量计的当前实际雨强平均值，简称当前雨强为Yx，
其相应流量调节阀当前位置的驱动电流值，简称当前驱动电流为Ix，
流量调节阀最大流量变化值相应的驱动电流变化值为Imax，
流量调节阀最大流量变化值相应的雨强变化为Ymax，
Y0相应的流量调节阀驱动电流为Ix0。
则应有如下公式成立
 （Yx- Y0）/Ymax=（Ix- Ix0）/Imax
 Ix0= Ix -Imax*（Yx- Y0）/Ymax
求得设定（目标）雨强相应流量调节阀驱动电流推算值为Ix0。以分十步逐步逼近设定雨强计算，则在流量调节阀当前基础上调节步长为：
（Ix- Ix0）/10
当完成此步长调节，并经消除系统滞后延时后再以当时应流量调节阀当前位置的驱动电流值为Ix反复重复上述调节过程直至降雨结束。算法子程序软件流程框图为：

评价：  这种新型闭环反馈逼近控制算法可在任意降雨控制状态下启动控制算法，即可在自动控制与手动操作之间随时任意切换。在考虑调控贯性的情况下，Ix- Ix0= Imax*（Yx- Y0）/Ymax，当前雨强Yx与实验要求雨强Y0差异较大时，流量调节阀逼近实验要求雨强Y0的调节步长（Ix- Ix0）/10也大，下次再以新的当前雨强Yx逼近实验要求雨强Y0，当Yx与Y0越接近，反复逼近调节步长越越小，这样不但调控速度快而且Y0控制平稳。

2、控制系统软件原理
 该系统采用全开放式中文菜单操作软件系统，现场选择参数、系统滞后校正延时、流量调节阀/自计雨量计特性参数、降雨过程曲线等可在降雨过程中随时重新修正。该软件具有系统调试子菜单，它只在人工调节极值雨强Ymax时显示流量调节阀驱动电流极值Imax，可方便得到闭环反馈逼近控制算法参数。该软件还具有可显示各个雨量计、平均值，设定值的过程曲线、实时监测结果数显，设定参数辅助提示，异常情况关泵、结果文本输出等功能。流程框图如下：
 

评价： 该系统软件采用全开放式设计，开关状态、降雨区设置、雨量计设置等现场参数可依据实际情况自由设置，以适应于各种不同降雨区。现场条件参数、测量结果实时数显，过程曲线显示。软件可在任意情况下转入自动控制状态，即手动控制可任意中断插入控制过程。实验结果可多种方式文本输出。

3、技术指标
可直接使用于任何降雨区控制。
调节时间<30S。
稳态误差<5%。
控制降雨雨强变化范围20---150mm/h。
最大连续降雨时间99999秒。

 四、降雨系统参数
1.主要技术指标

 本系统主要用于模拟降雨实验，雨量的测量和降雨雨强的控制。系统可将雨量计的模拟信号转换为数字量，以数字形式显示当前雨量。
 系统适用于模拟降雨等环境实验室。                  

1、雨量筒承雨口内径：                     Φ200
2、雨量筒分辨力：                         0.5mm
3、雨量计工作电压：                       DC5V
4、主控制器工作电压：                     AC220V  50Hz
5、显示屏工作电压：                       DC24V
6、信号采集器工作电压：                   DC24V
7、传感器通讯方式：                       有线
8、各板卡间通讯方式：                     RS485
9、上位机与下位机通讯方式：               RS232
10、降雨区阀门控制：                      4~20mA DC

2.控制台系统测控组成图：

五、 系统主要部件及技术指标:            
类别 序号  名  称 型号 数量 技术指标 
软件 1 系统自控软件 绿色 1套 目前最为流行的绿色软件，不需安装，直接运行。点对点的控制硬件。雨强显示精度为0.1，即显示为000.0的。并导出格式为表格式。使用Access数据库。 
 2 硬件系统组态 运行环境 1项 为硬件环境定制软件运行环境，使得硬件与软件间的有机配合工作。 

降
雨管路系统 1 喷头 F123/8 27只 大中小三种雨滴型号，分别为1.5、2.0、2.5三种，每种15个只分别安装在五路系统上。 
 2 管路及分水系统 热渡管 1套 热电渡管，管径为40MM，立柱式的架设。降雨层面分成三个层面。总体五路系统，每种系统的一路和另一路对应成叠加降雨方式。 
   蓄水罐 1只 熟塑料制作，总承水重量为1.5吨。 
 3 雨量计 南水 1台 水利部南京水纹研究所出品，目前是中国最为准确的雨量计，误差率在4%左右 
 4 流量调节阀 日本、西仪 1台 西安汇源仪表有限公司出厂，型号为HYDDF-40-02.控制模块系日本进口。调节精度为0.1.法兰式的接头。 
 5 电磁管路开关 直径25 27只 江苏电磁阀门公司生产，电磁阀，承受水压为0.8MP，工作电压为220V，50HZ，管径为25MM，内丝式的接头。 
 6 过滤器 南阀 1只 不锈刚过滤器，将过滤网更换为60目的，有效的挡住杂质。 
 7 水泵及管线 2KW/40 1 水泵为杭州生产名牌产品，工作电压为220V,或380V均可，流量为8立方每小时左右，扬程为18米左右，40外接管径，所有管线均为国标。 
电控系统 1 模拟降雨自动控制中心 单片机 1 整体降雨系统的控制中心，三路开关量信号，卡版接入式，通信串口为232或485式的接头，板子的制作，线路图的排布，按设计方案排布。 
   表头 1 雨强显示表，倒计时显示表，开度显示表，均为八字表头，精度为0.1即显示为：000.0。 
   柜子数据线 1 柜子为南京华龙电子商城定制，外型美观大方，外接为插入式，使用及方便。端子排接头为标准式。 
   电子电调器 1 有西安汇源仪表公司出厂，定位调节电动阀门的开度，从而调节出相应的雨强. 
 2 控制电柜 上世 1 空气一关，接触器，继电器等，均为国标。 
 1 安装培训 工程师工作 1 由工程师组成工作，安装所需工具用具，培训所花时间及吃住行费用。 
 2 运费路费 费用 1 整个设备的运输费用，及上力费，及工程师为生产中采购加班等费用。