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| 野外大型便携式人工模拟降雨器 |
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说明: 野外大型便携式人工模拟降雨器,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,均为不锈钢制造,管路系统形成后,可以使得有效降雨面积在6-100平米任意拼接,成长方型架构.建议降雨面积成长方型5*20米标准径流场构制。 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，有效降雨面为5*20米，总100平米，降雨高度为4米。 (一).总则: ２ (二）.管路系统方案 ４ 一、前言 ４ 二、空间布局 ５ 1. 管道布置图 ５ 2.喷头布置图 ６ 3.管路布置拓朴图 ７ 4.管路系统组成框图 ８ (三).降雨模拟系统方案 ９ 一、闭环反馈逼近控制算法 ９ 二.现场传感器/执行器设置： １２ 三、降雨自动控制系统硬件原理 １３ 四.控制系统软件原理： １４ 五.技术指标 １６ (四)、系统参数 １６ 一.主要技术指标 １６ 二.系统组成 １７ 三.系统功能 １８ 四.使用说明 ２０ 五.注意事项 ２１ 六.控制台系统测控组成图： ２２ （五）、技术服务 ２３ 一、控制设计： ２３ 二、喷头的选择 ２４ 三、水泵扬程计算： ２６ (一).总则: 人工模拟降雨系统工程,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,均为不锈钢制造,管路系统形成后,可以使得有效降雨面积在6-100平米任意拼接,成长方型架构.建议降雨面积成长方型5*20米标准径流场构制。 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，有效降雨面为5*20米，总100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、总总体技术指标如下： 1）、有效降雨面积：6-100m 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0.84 5）、雨滴大小调控范围：1.7～2.8mm 6）、降雨调节精度：7mm/h 7、柜式控制台，液晶显示数据及雨强值和雨强曲线 8、显示板同时表式显示，所有按键均为方便式按键 (二）.管路系统方案 一、前言 为使该系统模拟的降雨与自然降雨物理性能最大相似，采用世界上唯一专业生产模拟雨滴喷头的美国SPAYING SYSTEMS CO公司生产的FULLJET旋转下喷式喷头模拟降雨，本系统拟采用我公司研制开发的，已装备于众多实验室，为南林大，中国海洋大学，浙江水利厅、格力空调等单位的制作，已形成了行业标准，执行的雨滴系统标准是符合国际标准的雨滴。系统运行5年来，已为国内外著名水土保持机构模拟降雨2千余次，接待国家领导参观视察数十次，每次降雨圆满、准确，目前已成为土壤侵蚀模拟降雨设备行业标准,后期为南京林业大学,贵州大学,浙江水利厅等单位的降雨实验中,得到了最好的验证. 二、空间布局 1. 管道布置图 说明:如上图所示：依据降雨面积5*20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10组5米长的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。 2.喷头布置图 为喷头， 为喷头叠加位置 为降雨有效区 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6-100平米。 3.管路布置拓朴图 4.管路系统组成框图 开关阀（３） 过滤器 顶部供水管路 分水器 喷头 降雨供水侧管 流量调解阀 压力变送器 雨量计 蓄水池 水泵 说明: 顶部降雨喷头采用FULLJET１／８，２／８，３／８Ｇ３种规格的喷头组合降雨，从而形成从小到大的雨强连续可调，雨滴形态，降雨均匀度与自然降雨相似的人工自动模拟降雨，可进行20――150ｍｍ／ｈ的各种雨强模拟降雨，均匀度大于0.84，开关阀以前以后均为不锈钢质管材. (三).降雨模拟系统方案 一、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： 图. 闭环反馈逼近控制算法框 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。 二.现场传感器/执行器设置： 依据管路结构，现场传感器/执行器设置布局图如下： 图中V1为流量调节阀，P1为压力传感器，Z1为雨量计，K1、K2、K3开关阀。下喷区分别由3套不同大小的喷头管路系统组合叠加而成。它支持三种工作模式： 纯手动控制模式：参考控制台显示管道压力，通过手动调节控制台上的旋纽控制不同雨强。 计算机监测模式：通过手动调节控制台上的旋纽控制不同雨强，同时计算机显示当前降雨强度，管道压力、阀门状态等。 计算机控制模式：设置降雨曲线后，由计算机调控、显示全部降雨过程。 评价： 该方法采用的传感器/执行器为目前主流器动调节器件，质量成熟可靠，此方案使用传感数量较少，可直接适合于各种降雨控制系统。 三、降雨自动控制系统硬件原理 该降雨自动控制系统为全计算机自动控制。可从当前点闭环反馈逼近控自动控制降雨过程。所有传感器/执行器与控制器间均为即插即用方式。降雨自动控制系统硬件结构图如下： 评价：采用主流传感器及工控技术，产品质量及理论原理可靠，硬件系统具有普遍自适应功能，全部传感器在最大数量内可任意插拔选择。数据采集、转换、驱动采用一小型工控机专门完成，与控制PC机串口通讯，这样一旦控制PC机染毒或损坏，任意更换一台PC机，安装控制软件后即可控制降雨。 四.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： 图流程框图 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。 五.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)、系统参数 一.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 二.系统组成 本系统由主控制器、信号采集器、计算机组成。 主控制器的组成：主控制器外部由机箱，总电源开关，显示屏电源开关，水泵、下喷1—3区选择开关，自动手动选择开关,压力表组成。 主控制器内部由开关电源，电源板，压力控制板，开度控制板，自动关泵控制板，继电器组接线端子组成。 信号采集器由主控板，信号接收板，显示板，外控板组成。 成套设备： 主控制器 1台 数据采集器 1台 雨量计 1只 电源线 1根 串口线 1根 三.系统功能 主控制器的主要功能： 用数字量显示现场管道的压力及降雨区阀门的开度。 手动调节降雨区阀门的开度。 手动及自动控制的选择。 水泵.开、关。 下喷1—3区阀门的选择。 自动控制水泵。 信号采集器的主要功能： 1、组织协调各板卡之间的通讯，数据经处理上传给计算机。 2、将接收到的雨强计的开关量信号转换成数字信号。 上位机软件部分的主要功能： 232参数键，是用来选择计算机端口、波特率、及字节宽度等。 接收数据键，按此键进入自动控制界面。 查询键，是用来调出以前的实验记录数据。 阀门标定键，用来选择及标定降雨1、2、3区各阀门的参数。 导入文件键，可将以前保存的数据文件调出。 导出文件键，可将本次实验的数据文件保存到预想的路径。 打印键，可直接打印本次实验的雨强曲线图。 退出键，结束实验时按此键退出。 启动键，一切准备就绪后，按此键启动软件。 运行键，按运行键后，系统进入自动工作状态。 结束键，实验过程中如要中断实验可按此键。 设定采样总时间，在此处可输入需要降雨的时间，时间以秒为单位。 设定数据采样周期，可设定数据采样一次所间隔的时间（采样周期一般不小于20秒）。 设定期望降雨雨强，自动控制部分会计算出4个雨量筒的平均雨强，并和设定的期望雨强做比较自动调节降雨区阀门的开度。 倒计时，显示剩余的降雨时间。 接收指示，显示数据接收的状态。 人工阀门选择，选择已标定的要使用的阀门。 开度控制选择，用来选择降雨区。 设定调整周期，自动控制时调整阀门开度的周期（调整周期一般不小于20秒）。 人工调整幅度，在对自动开度调节不满意时，可人工输入自己的开度。 自动步长，是指自动控制时每次调节开度的百分比，步长越大每次调节的开度越大。 雨强曲线图，用5种颜色分别表示4个雨量筒的雨强和平均雨强。 四.使用说明 降雨前，先将雨量筒放置在需要测量雨强的位置，并打开雨量计电源开关。 打开主控制器电源，并打开显示屏电源，将要选择降雨区的阀门开度控制拨到自动。 进入计算机控制软件界面，选择阀门标定，设定好要使用的阀门并保存。然后选择数据接收，进入自动控制软件界面。 键入本次实验数据要保存的文件名，选择好已标定的阀门、降雨区，设定本次实验的时间、期望雨强，设置好采样周期、调整周期、自动步长等。 启动并运行上位机软件，这时系统进入自动控制状态。 倒计时开始显示剩余降雨时间，接收指示显示接收状态。 压力表和开度表分别显示降雨区的管道压力和阀门开度。 计算机会根据当前的平均雨强和设定的期望雨强做比较，当平均雨强大于期望雨强时，系统自动关小降雨区阀门开度，反之，则开大降雨区阀门开度。 当倒计时结束时，系统会自动关掉水泵。 如果将主控制器上的开度控制选择在手动控制方式，降雨区开度则不受自动控制的调节。 如在实验过程中，想终止实验，可按结束键，这时系统仍然会自动关闭水泵。 实验结束后，应先退出上位机软件，然后再关闭显示屏电源和主控制器电源，最后关闭个雨量计电源。 五.注意事项 放置雨量筒时，应水平放置。 如果接收不到某个雨量计的数据，应检查这个雨量计的电源是否打开或电池是否有电。 上位机软件数据接收不正常时，应检查主控制器电源是否打开，或者232通讯线是否松动。 实验结束后，应将4个雨量计的电源关闭，防止电池电量耗尽。 六.控制台系统测控组成图： （五）、技术服务 一、控制设计： 采用嵌入式系统设计，支持系统实时时钟 采用240x128点阵LCD显示，菜单化设计。 支持全中文1、2级字库。 预留1M 字节存储空间。 采用12位PVC组合功能键设计。 支持RS232或RS485通讯模式。 12 BIT AD输入采集压力变送器的输入 12 BIT DA输出控制流量调节阀的开口度。 8路光耦输入用于采集雨量计的输入。 7路继电器输出用于控制喷头的开关。 一路继电器输出用于控制水泵的开关。 PID控制算法设计。 预留大屏显示器接口。 注：先生产好所有的管路，再率定数据，对应的雨强下，对应的压力值，再有压力值，显示出所对应的雨强值。 二、喷头的选择 1、喷头流量的选择 以喷头流量计算（最大流量计算）： 1#喷头：0.192m3/h 2#喷头：0.255m3/h 3#喷头：0.455m3/h 4#喷头：0.639m3/h 以300mm/h雨强计算流量： 1#喷头：0.238m3/h 2#喷头：0.316m3/h 3#喷头：0.562m3/h 4#喷头：0.792m3/h 两种情况比较选择以300mm/h雨强作为计算流量时的喷头流量 2、环网计算闭合差的选择： 环网计算水头损失闭合差取0.05m； 管径计算公式： （1） d—输、配水管道直径，mm； Q—输、配水管道设计流量，m3/h； V—管道内经济流速，m/s 1.1下喷区典型设计 下喷第四喷区环网节点图见图一，通过分析可以知道：该管网部分管段属于沿程泄流管段以1-2段为例，该管段上共有四个出水口间距2.163m；因此该管段需要按照沿程泄流管段来计算。 程泄流管的水头损失通常用下式计算： ΔHt=F·hf F= (2) 式中：ΔHt—沿程泄流管段摩阻损失，m； F —多口系数； hf —无旁侧出流式的摩阻损失，m； N —出口数； m —流量指数； x —进口端至第一个出水口的距离与孔口间距之比； 上式中hf是用计算，其中 （3） 式中： S—管道的比阻率； n—管道的糙率； C—谢才系数；其他符号意义同前； 为了便于施工，考虑尽可能的选用同一种管径，因此进水的管段1-2，1-5选用同一种管径，管网中其余的管段选用同一种管段。 三、水泵扬程计算： 计算公式： ：水泵吸水高度 水泵压水高度 水泵扬程 吸水管与出水管内的总水头损失 最不利点处所需水头 下喷区： 为1m水头，为23.3m水头，为1.819m水头, 为25m水泵扬程Hb为51.2m，所以可以选择扬程为8m的水泵。 下喷式水泵流量的确定： 下喷区干管最大流量在两个下喷区同时工作时产生，最大流量为27.767，考虑到损耗，泵的流量为30m3/h。 |
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