0 引言
精准农业灌溉技术是通过运用一些现代化技术监测作物各个生育期内的生长状况和环境要素,根据监测得出的土壤墒情和作物需水量,通过使用精确的灌溉设施对作物进行高效施水施肥,在确保满足作物生长过程中灌溉需求的前提下,实现高产、节水、精准的农业灌溉技术[1-8]。同时,变量喷灌作为精准农业灌溉技术的重要组成部分,是解决作物空间需水量不同、提高灌溉有效水利用指数,充分发挥作物生产潜能的水分管理方法[9-11]。它可通过对喷灌机多个喷头的流量进行变量调节,根据农田中不同分区作物的不同长势、缺水信息进行针对性地灌溉[12-15]。
目前,实现变量灌溉的方式主要通过变量喷头和脉宽调制(PWM)技术实现。BUI[16]提出可通过水压控制锥形调节机构运动以改变喷嘴形状实现变量喷洒;郝培业[17]设计了一种新型摇臂式喷头,通过在进水管内设置由喷头内中心轴控制的水流调节阀实现变量喷洒;韩文霆等[18]设计了一种非圆形喷洒域的摇臂式喷头,通过使喷嘴前方的碎水螺钉碎水改变了喷头射程使其喷洒出任意边界形状的图形,满足了不同形状地块喷灌的要求。随着科技的发展,PWM变量控制技术的日益成熟,通过将PWM变量控制与喷灌机行走速度的控制相结合,可以满足与任意田块匹配的变量灌溉需求,因此PWM变量控制也发展成为变量喷灌的主流方法[10]。陶帅等[19]提出了PWM脉冲相位错开的减缓方法,将变量灌溉的控制误差维持在5%以下;邓巍等[20]研究了在开关电磁阀控制下扇形喷头的喷雾特性,发现喷头流量调节倍数可达4.17。刘大印等[21]采集拖拉机速度实现调节PWM值,减少了流量传感器的使用,实现了大田喷药均匀性。
但目前通过电磁阀调节流量的方法较单一,仅通过控制灌溉时间控制灌水量,这种调节方式不仅需要阀体频繁快速启闭,且无法实现系统的分区精细调节(即通过阀体开度更加精细对喷灌流量进行调节),自动化程度低。因此,将流量调节阀应用在灌溉通道上,可实现对管道流量的精细调节。本文将流量调节阀应用在喷灌管路中,基于流量调节阀的性能试验建立流量控制数学模型,以实现对灌溉流量的精准测控。
1 材料与方法
1.1 变量喷灌装置设计
1.1.1 试验装置
试验装置如图1所示,包括供水装置、流量调节装置和实时监测装置。供水装置通过水泵提供所需水压;流量调节装置通过流量调节阀调节管道流量;实时监测装置由压力变送器和流量计组成。图中喷头安装高度为1.8 m,喷嘴型号采用12号,喷嘴直径为6.4 mm。
图1 试验装置图
Fig.1 System structure diagram
1.储水罐 2.水泵 3.压力变送器 4.流量计 5.流量调节阀 6.喷灌喷头
1.1.2 变量喷灌控制结构设计
变量喷灌控制总体结构由采集执行系统和控制系统组成,总体结构图如图2所示。
图2 变量喷灌控制总体结构图
Fig.2 Overall structure diagram of variable sprinkler device
采集执行系统以PLC控制器为核心,分别连接由压力变送器和流量计组成的采集端和由调节阀、驱动器等设备组成的执行机构。控制系统以控制监测软件为核心,开度控制算法通过对监测数据进行处理计算,输出阀门调节开度并下达执行命令。
1.2 试验设计
流量调节阀水力性能试验:设置主管压力为0.08、0.1、0.12、0.14、0.16 MPa 5个压力水平,V型电动调节阀相对开度设置20%、40%、60%、80%、100% 5个开度水平,末端连接Senninger i-Wob2型喷头,监测不同主管压力和开度下的阀前阀后压力和调节阀流量。
开度-电脉冲关系试验:阀体相对开度在0～100%设置10个水平,记录阀体运行的实际相对开度lre和与之对应的电脉冲信号h。
单喷头水量分布试验:测量Senninger i-Wob2型喷头在主管压力为0.08、0.1、0.12、0.14、0.16 MPa与调节阀相对开度为20%、40%、60%、80%、100%不同组合下的水量分布。从喷头处引出3条射线进行雨量筒布置,相邻射线间的角度为45°,相邻雨量筒布置间距为0.5 m,共布设64个雨量筒,每组试验的喷洒时间为10 min。雨量筒布置示意图如图3所示。
图3 雨量筒布置示意图
Fig.3 Rain bucket layout diagram
流量调测效果验证试验:设置不同的压力和开度水平,监测不同压力和开度水平下的实际流量和调节开度,并与通过数学模型的计算流量进行对比,以测试流量控制模型的调测效果,具体试验因素水平见表1。
表1 流量调测效果验证试验因素水平
Tab.1 Flow measurement effect verification test factors and levels
试验名称因素水平流量调节验证试验主管压力/MPa0.08、0.10、0.12目标流量/(m3·h-1)0.60、0.72、0.84(压力为0.08MPa时)0.72、0.84、0.96(压力为0.10MPa时)0.84、0.96、1.08(压力为0.12MPa时)流量测量验证试验主管压力/MPa0.08、0.10、0.12目标开度/%20、40、60、80、100
1.3 测试指标及方法
压力:主管压力、阀前阀后压力采用PCM300型压力变送器(精度0.5%)监测。
流量:调节阀通过流量采用ZJSUS-DN25型涡轮式电子流量计(精度10%)监测。
喷洒水量:采用雨量筒测量。
阀门旋转角度:通过R1809-0007A型角度位移电位器(精度10%)测得,并通过量角器进行验证。
2 结果与分析
2.1 流量调节阀水力性能
2.1.1 调节阀调节原理
调节阀在工作时的阀前压力P1、管道流量q之间的关系[22]可表示为
(1)
其中
(2)
(3)
(4)
(5)
式中 KL——特征流量系数
KP ——阀后压力预测系数
Kφ——流量预测系数
kv ——相对流量系数,仅与阀门开度有关
ΔPr100——阀门全开时阀体损失,MPa
ρ——介质密度,试验采用清水,取1 g/cm3
q100——阀体全开时流量,m3/h
平均流量系数
ΔPi,so——某一开度下管道损失,MPa
n——计算总个数
ΔPso——调节阀某一开度下管道损失,MPa
ΔPso100——调节阀最大开度下管道损失,MPa
对于特征流量系数计算结果如表2所示。
表2 特征流量系数计算结果
Tab.2 Calculation result of characteristic flow coefficient
序号阀前压力P1/MPa阀后压力P2/MPa阀体损失ΔPr100/MPa实测流量q100/(m3·h-1)特征流量系数KL10.0720.0700.0020.9320.7620.0920.0890.0031.0519.1330.1120.1090.0031.1521.0240.1320.1280.0041.2519.8350.1520.1480.0041.3521.27
实测流量通过流量计直接读取得到,并对计算得到的各个主管压力下的流量系数取平均值,可得KL=20.40。
阀后压力预测系数KP通过全开度下阀前压力与阀后压力的比值确定,同一管路中为常数。阀前阀后压力关系见图4,并进行拟合,得到拟合直线斜率为0.97,R2为0.99。即阀后压力预测系数KP为0.97。
图4 阀前、阀后压力关系
Fig.4 Relationship diagram of valve front pressure and valve rear pressure
损失比值系数计算结果如表3所示。
表3 不同相对开度、阀前压力下损失比值系数
Tab.3 Loss ratio coefficient under different relative opening and valve pressures
相对开度/%阀前压力/MPa0.080.100.120.140.1600.0250.0300.0250.0290.025200.0340.0430.0370.0420.037400.0670.0810.0710.0870.077600.1330.1670.1500.1900.174800.1670.2310.2310.2860.2671000.2000.2730.2730.3330.333
对计算得到的各水平下的损失比值系数取平均,可得
同时根据试验数据计算得到的流量预测系数Kφ为7.08。
将根据试验数据计算得到的相对流量系数实际数据和拟合数据绘制成图5。
图5 实测与拟合相对流量系数曲线
Fig.5 Measured and fitted relative flow coefficient curves
由图5可知,相关流量系数受压力的影响很小,主要是受到开度的影响。开度越大,流量越大,阀体损失越小,对应着相对流量系数就会越大。同时可以看到,在相对开度为60%前,相对流量系数随开度的变化量较大;但在相对开度为60%后,相对流量系数变化量随开度的增加而减小。
相对开度与相对流量系数拟合关系式为
(6)
式中 lre——相对开度,%
2.1.2 阀门相对开度与电脉冲的关系
通过角度位移电位器将旋转角度转化为电脉冲数,调节阀相对开度与电动机电脉冲数关系见图6。
图6 相对开度与电脉冲数关系曲线
Fig.6 Relative opening and electric pulse relationship curve
由图6可知,电动调节阀相对开度与电脉冲数呈负相关,并将相对开度与电脉冲数进行拟合,拟合曲线R2为0.99,拟合曲线公式为
h=-2.17lre+521
(7)
式中 h——电脉冲数
2.1.3 流量调节阀阀体损失计算
由于流量调节阀在调节过程中,不同开度的阀体损失也是不同的。因此为了探究不同阀体开度下阀体损失,需计算阀体损失系数。
阀体损失系数计算公式为[23]
ΔPL=ξq2
(8)
式中 ΔPL——阀前阀后压力差,MPa
ξ——阀体损失系数,只与阀体开度有关,h2/m5
将监测到的各个工况下的阀前阀后压力和流量代入式(8)计算得到各个阀体开度下相对应的阀体损失系数。因为阀体损失系数仅与阀体开度有关,但是由于管道内压力存在波动,因此为消除这部分误差,对相同阀体开度下各工况的阀体损失系数求取平均值。相应的计算结果如表4所示。
表4 不同相对开度、阀前压力下阀体损失系数
Tab.4 Valve body loss coefficient under different relative opening and valve pressures h2/m5
相对开度/%阀前压力/MPa0.080.100.120.140.16平均值200.6560.6540.6710.6860.7110.676400.1200.1310.1270.1200.1180.123600.0310.0350.0350.0330.0330.033800.0180.0170.0140.0140.0140.0151000.0080.0100.0080.0090.0080.009
将阀体开度与阀体损失系数进行拟合,得到拟合曲线决定系数R2为0.997,拟合曲线公式为
7.697 4lre+1.545 8
(9)
2.2 阀门开度对喷头水力性能的影响
2.2.1 喷洒射程
喷洒射程是指喷头中心线与测出的灌水强度为某一数值的那一测点的距离,该点的喷灌强度为0.25 mm/h[24];根据此方法得到不同开度下的射程如表5所示。
表5 不同开度条件下单喷头喷洒射程和阀后压力
Tab.5 Spray range of single injection nozzle under different opening adjustment
相对开度/%主管压力/MPa0.080.100.120.140.16射程/m阀后压力/MPa射程/m阀后压力/MPa射程/m阀后压力/MPa射程/m阀后压力/MPa射程/m阀后压力/MPa206.210.0226.520.0306.740.0386.860.0457.030.053406.920.0507.420.0637.450.0787.890.0947.950.108607.410.0657.460.0827.950.1008.340.1198.370.137807.430.0687.840.0878.000.1078.380.1268.400.1451007.450.0707.870.0898.030.1098.410.1288.430.148
因为喷头射程与其工作压力存在正相关关系,从表5可以看出,在同一开度下,随着主管压力的增大,喷头射程也在增加;在同一主管压力下,由相对流量系数变化规律可知,阀体开度越大,阀体自身损失越小,使阀后压力越大,从而喷头射程也越大。只是在相对开度60%前射程随着开度的增大变化明显,但在相对开度60%后,射程随开度变化的趋势减小。
2.2.2 喷头流量
喷头流量直接受主管压力和开度的影响,不同压力和开度下测得的喷头流量见图7。
图7 喷头流量与相对开度关系曲线
Fig.7 Nozzle flow opening diagram
从图7可知,在同一开度下,喷头流量随着压力的增大而增大,并且开度越大,流量受压力的变化就越明显。在同一主管压力下,流量随着开度的增大而增大,但开度越大流量变化值越小。同时压力越大,流量变化值随开度的变化就越大。并且流量随着开度变化的整体趋势基本一样,不受压力的影响。
2.3 软件设计
基于主管压力和阀体开度对流量调节的流程图如图8所示,具体步骤如下:
图8 流量控制模型运行流程图
Fig.8 Flowchart of flow control mathematical model operation
(1)设定目标流量、流量允许控制误差和其他初始化参数。
(2)读取管道入口压力和当前开度,计算当前管道流量。并判断其与目标流量的差值是否在流量允许控制误差范围内。若在,本次流量调节直接结束;反之,通过数学模型根据目标流量计算相对开度,并计算该开度下的调节流量。
(3)根据目标开度计算电脉冲信号,控制驱动电机转动调节至目标开度。
(4)通过式(1)计算流量;开度计算则是根据调节阀流量调节性能相关计算的反向计算,将目标流量作为q,并输入其他参数通过式(1)计算得到相对流量系数kv,再将其代入式(6)的反函数lre=f(kv),求得相对开度lre,最终根据式(7)计算得到电脉冲数,即目标流量对应的电脉冲数。
2.4 变量喷灌调测效果
2.4.1 流量调节效果
评价调节效果通常选用调节时间、稳态相对偏差两个指标进行评价,调节时间反映调节速率,稳态相对偏差则反映调节的精准性[25],相关公式为
t=t1-t0
(10)
式中 t——调节阀的调节时间,s
t0——调节阀开始调节的时间,s
t1——调节流量达到稳态流量5%所用时间,s
(11)
式中 ess——稳态相对偏差,%
qc——调节流量,m3/h
q0——目标流量,m3/h
每组处理得到的调节时间t、稳态相对偏差ess,以及通过流量计监测的稳态流量见表6。
表6 调节效果评价结果
Tab.6 Evaluation form of adjustment effect
P/MPaq0/(m3·h-1)qc/(m3·h-1)t/sess/%0.600.64126.670.080.720.75174.170.840.83191.190.720.76135.560.100.840.85141.190.960.95211.040.840.88124.760.120.960.961701.081.07220.931.151.15420
由表6可知,在同一目标流量下,调节时间随着压力的增大而减小,但稳态相对偏差随着压力的增大而增大;在同一压力下,调节时间随着目标流量的增大而增大,稳态相对偏差随着目标流量的增大而减小。整体上,调节的稳态相对偏差不超过6.67%,最大开度调节时间不超过42 s,满足流量快速稳定的调节要求。
由于本文的喷灌形式是每次调节后,待满足灌溉需求后关闭流量调节阀,等待下次调节指令发出。因此本文无需考虑流量调节阀返程误差对流量调节和后续流量测量效果的影响。
2.4.2 流量测量效果
对于调节阀流量测量性能,采用精准度P来评价测量的准确率,计算公式为
(12)
式中 qd——通过式(1)计算的流量,m3/h
qa——流量计监测的实际流量,m3/h
对实际流量和计算流量进行数据处理,得到各工况下调节阀对流量的测量精准度见表7。
表7 各工况下调节阀流量测量性能评价结果
Tab.7 Flow measurement performance evaluation result of regulating valve under each working condition
阀前压力/MPa相对开度/%实际流量/(m3·h-1)计算流量/(m3·h-1)精准度/%200.540.5598.15400.810.7997.530.08600.900.8998.89800.920.9398.911000.930.9597.85200.610.6298.36400.890.998.880.10601.011.0099.01801.031.0598.061001.051.0798.10200.660.6896.97400.980.9998.980.12601.111.11100801.141.1698.251001.151.1996.52
从表7可以看出,不同压力下的测量流量精准度达到96%以上,并且随着相对开度和流量的增大,精准度有所提高。但在相同相对开度下,压力对调节阀的流量测量精准度影响不显著。
3 结论
(1)设计了一种流量调测装置,该装置以V型流量调节阀作为执行部件,以电动机为动力输入,压力变送器为采集软件,PLC作为控制器,计算机作为控制终端,实现了喷灌流量的调测。
(2)通过对调节阀的水力性能进行试验,建立了主管压力、流量和开度之间的关系,确立了通过阀体开度计算阀体损失的计算式。水量分布试验表明,喷头射程和流量在相对开度为60%前,随调节阀开度变化明显;而在相对开度为60%后,随开度的变化趋势越来越小。
(3)根据建立的主管压力、流量和相对开度之间的关系,构建了变量喷灌调测系统。该系统的流量调节稳态相对偏差不超过6.67%,调节时间最大为42 s, 同时流量测量精度达到96%以上。并且在试验中发现,随着压力和相对开度的增大,调节阀调测精度更好。
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