人工模拟降雨自动控制系统的研制

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1、第21卷第7期农业工程学报Vol.21No.71842005年7月TransactionsoftheCSAEJuly2005人工模拟降雨自动控制系统的研制1,21,233郭明航,赵　军,王孙安,郭咏虹(1.中国科学院水利部水土保持研究所,杨凌712100;2.西北农林科技大学水土保持研究所,杨凌712100;3.西安交通大学机械工程学院,西安710061)摘　要:采用先进的闭环自动控制理论和技术研制了一种人工模拟降雨自动控制设备,以降雨过程的最终实际降雨参数控制和驱动降雨过程的各个降雨部件,克服了从水池到喷头之间诸多环节对降雨的随机影响。试验测试结果表明,该设备的主

2、要性能指标优于国内外其他人工模拟降雨系统,是进行土壤侵蚀科学研究的重要实验设备。关键词:土壤侵蚀;人工模拟降雨;自动控制系统中图分类号:TP23;S157文献标识码:B文章编号:100226819(2005)0720184203郭明航,赵　军,王孙安,等.人工模拟降雨自动控制系统的研制[J].农业工程学报,2005,21(7):184-186.GuoMinghang,ZhaoJun,WangSun'an,etal.Researchanddevelopmentoftheauto2controlsystemforartificialrainfallsimulation[

3、J].TransactionsoftheCSAE,2005,21(7):184-186.(inChinesewithEnglishabstract)孔径组成的喷头组,以构造不同的降雨类型,每组喷头组合起来0　引　言构成一个降雨区。以上管路系统、降雨控制器件和降雨喷头的组降雨是土壤侵蚀的直接动力,也是研究土壤侵蚀过程、机理合叠加构成了降雨控制系统的降雨执行系统。最重要的因素之一。在自然降雨条件下,虽然能够得到对应降雨1.2　降雨自动控制系统的组成条件下的土壤侵蚀结果,但由于自然降雨过程的不可重复性使1)降雨测量器件　本设备采用4套高灵敏度自记雨量计测得土壤侵蚀研究不能

4、建立相同的降雨条件而进行必要的重复实量降雨过程的实时动态降雨强度值,以此值为反馈控制信号,进验,这是自然降雨条件下进行土壤侵蚀过程、机理等定量研究的行降雨强度的调整计算。严重局限。因此,研制人工模拟降雨设备以弥补自然降雨对科研2)降雨执行器件　降雨控制执行器件包括3个流量调节的限制,就成为土壤侵蚀科学研究领域重要的课题。以往有关人阀,3个压力调节阀,8个气动开关阀。这些降雨器件在控制台发工模拟降雨方法和设备的研究有过不少的报道[1-9],但这些研究出控制信号时开始工作。都集中在水源—输水管路的水压控制以及喷头形状的选配方3)自动控制器件　控制器件是本设备的计算指挥中

5、心,它面,核心是通过改变输水管路压力和喷头形状来获得不同的降连接测量器件得到降雨初始参数,经过一定的控制算法计算,求雨参数。本设备研制是在1993年中国科学院水利部水土保持研得驱动各个降雨控制执行器件的输出信号,从而触发各个降雨究所建成的人工模拟降雨大厅的模拟降雨系统基础上进行的,控制器件工作,完成降雨过程。主要针对原有系统存在的2个问题进行设备的研制。首先,原降2　降雨自动控制系统工作原理雨控制系统的驱动信号是根据预设的降雨强度曲线,而不是实时降雨强度。也就是说,降雨的控制系统是开环的,没有把降雨2.1　硬件工作原理结果作为反馈信号参与降雨控制系统的过程控制。其次

6、,降雨要为了提高设备的可靠性,其控制系统设计为计算机经过输水管路、喷头等降雨器件,而这些器件因为生锈堵塞常使自动控制和操作台手动控制两种操作模式,两种模式间预设的降雨强度曲线与实际得到的降雨曲线存在较大的误差,可自由切换,其中手动操作优先于自动控制。设备采用从而降低了人工模拟降雨的精度。本设备选用最新的自动控制主流传感器及工控技术,产品质量及理论原理可靠,硬理论和技术,试图研制出能满足科研需要的人工降雨设备。件系统具有普遍自适应功能,全部传感器在最大数量内1　自动控制系统的结构框架可任意插拔选择。数据采集、转换、驱动采用一小型工控机专门完成,并与控制PC机串口通讯。

7、降雨自动控制1.1　降雨区条件降雨区平面几何尺寸为48m×26m,分为2个侧喷区和2系统硬件结构图如图1。3个下喷区,各个分区公用一个100m的室外水池作为降雨的水源,利用水泵-管道系统将水输送到距地面16.0m的喷头。依据4个降雨分区能够独立工作的要求,输水管路由总管、支管和毛管三级不同直径的钢管组成,在各级管路的相应位置分别安装压力调节阀、流量调节阀和气动开关阀等降雨控制器件。侧喷区的降雨喷头由8个结构相同的喷头组成,分为2组,分别安装在降雨区的两侧。下喷区每根毛管的末端安装一组由4个不同收稿日期:2004211218　修订日期:2005202221基金资助