CN109328998A - 基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法，属于现代农业技术领域。其中所述方法包括：计算当各处灌溉量达到最大灌溉水深时各喷头流量；根据PWM电磁阀的最佳占空比控制范围将喷头分组；计算满足流量需求时每组喷头所用喷嘴大小；根据每组喷头的管道沿程压力损失对喷嘴大小做出修正，使得PWM电磁阀的实际占空比在最佳占空比范围内。上述方法简化了喷嘴配置的计算流程，降低喷嘴安装、喷嘴压力调节的工作量。

Description

基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法

技术领域

本发明涉及现代农业技术领域，具体涉及一种基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法。

背景技术

圆形喷灌机作业时绕中心支轴转动，沿桁架方向相同时间内越远离中心支轴的喷头扫过的面积越大，对应的喷洒量也越大。传统圆形喷灌机无法分别调节单个喷头流量，常通过不等间距的喷头布置、不等尺寸的喷嘴配置，实现从中心支轴到尾端流量由小到大的变化。

如专利文献CN107873483A，201610880122.3(《圆形喷灌机的喷头配置方法及系统》)中由每个喷头的工作压力及流量需求，确定所需喷嘴的大小。由于喷嘴只能在有限的尺寸等级中选用配置。该专利文献中在按尺寸等级选用喷嘴后，在每个喷嘴进口前加压力调节装置以克服实际流量与期望流量的偏差超出许可。当机组规模较大，喷头众多时，需要为每个喷头的进行喷嘴配置和压力调节，工作量繁重且容易出错。脉宽调制(PWM)变量喷灌指在喷灌机的各个喷头前处安装电磁阀，利用调节电磁阀在一个启闭周期内的占空比实现精确控制灌水量。

如专利文献CN104455653A，201410635754.4(《设置电磁阀启闭循环周期的方法及装置》)中确定了如何设定脉冲循环周期。在PWM变量喷灌后，各喷头的压力保持恒定，仅由启闭占空比调节流量，不需为每个喷嘴配置独立的压力调节装置。在圆形喷灌机中，借助PWM变量功能，相邻喷头可以采用相同喷嘴，以不同的占空比实现相邻喷嘴的不同流量变化。但由于圆形喷灌机从中心支轴到尾端流量的变化范围很大，PWM虽然可以调整流量，但沿桁架的近端和尾端的喷嘴间存在着流量的量程级差距，无法仅通过PWM实现整个桁架方向远近的流量变化。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法。

根据本发明提供的一种基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法，包括：

步骤101：计算当各处灌溉量达到最大灌溉水深时各喷头流量Q_i；

步骤102：根据PWM电磁阀的最佳占空比控制范围将喷头分组；

步骤103：根据各喷头流量Q_i计算满足流量需求时每组喷头所用喷嘴大小。

优选地，包括：

步骤104：根据每组喷头的管道沿程压力损失对喷嘴大小做出修正，使得PWM电磁阀的实际占空比在最佳占空比范围内。

优选地，在所述步骤101中：

喷头等间距分布，组内各喷头射程相等，为了使当前地块各处喷灌水深都达到最大值h_MAX，各个喷头造成的喷灌水深相等，设为h；假设某喷灌机包含N个喷头，从中心支轴开始编号分别为1,2,……,N，则编号为i的喷头扫掠过的面积A_i为：

A_i＝π[d'+R+(i-1)d]²-π[d'-R+(i-1)d]²＝4πR[d'+(i-1)d]

其中，d'为第一个喷头中心距离中心支轴的距离；d为喷头间距；R为单喷头喷洒半径；则第i个喷头的流量Q_i为：

Q_i＝hA_i＝4πhR[d'+(i-1)d]。

优选地，所述步骤102包括：

根据每组第一个喷头的流量及最佳占空比下限确定该组喷头最大流量；

根据该组喷头最大流量及最佳占空比上限确定该组喷头最后一个喷头的可控流量；

根据该组喷头最后一个喷头的可控流量确定该组喷头最后一个喷头的位置。

优选地，在所述步骤102中：

设喷灌机所采用的电磁阀的工作占空比范围为a％～b％,0≤a＜b＜100；设将全部N个喷头分为k组，每组喷头采用相同型号的喷嘴；第j组喷头起始喷头的编号为

l_start(j)，结束喷头编号为l_end(j)，其中l_start(1)＝1，j＝1,2,…,k；

步骤201：根据每组第一个喷头的流量及最佳占空比下限确定该组喷头最大流量；编号为l_start(j)的喷头流量对应的占空比不小于a％，则编号为l_start(j)的喷头最大流量Q_jMAX应为：

Q_jMAX＝Q_{l_start(j)}/a％＝4πhR[d'+(l_start(j)-1)d]/a％

步骤202：根据该组喷头最大流量及最佳占空比上限确定该组喷头最后一个喷头的可控流量；

从第l_start(j)个喷头到第l_end(j)个喷头选择相同型号的喷嘴，最大流量相同，均为Q_jMAX，则第l_end(j)个喷头占空比最大为b％，第l_end(j)个喷头流量应满足：

Q_{l_end(j)}＝4πhR[d'+(l_end(j)-1)d]≤Q_jMAX·b％

步骤203：根据该组喷头最后一个喷头的可控流量确定该组喷头最后一个喷头位置；

重复上述过程步骤201、步骤202、步骤203，直至所有喷头分组完毕，确定k组喷头各自的起止范围。

优选地，在步骤103中：

步骤301：计算每组喷头的第一个喷头处的工作压力H(i)；

步骤302：根据喷头工作压力及流量需求计算喷嘴大小；

步骤303：在喷嘴产品手册中选取最接近喷嘴大小计算值且大于喷嘴大小计算值的喷嘴型号；

重复上述过程步骤301、步骤302、步骤303，直至确定所有喷头分组的喷嘴型号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明由于能够同时通过调节喷头喷嘴大小和电磁阀的占空比来改变圆形喷灌机不同位置处的流量需求，使得相应范围内的喷头可以使用相同大小的喷嘴，而无需为每个喷头单独配置喷嘴，简化了喷嘴配置的计算流程，同时不必进行压力调节，大大降低喷嘴安装、喷嘴压力调节的工作量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一个实施例中圆形喷灌机的结构及喷头分组示意图；

图2为一个实施例中基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法流程图；

图3为一个实施例中根据PWM电磁阀的最佳占空比控制范围将喷头分组流程图；

图4为一个实施例中计算满足流量需求时每组喷头所用喷嘴大小流程图。

图中示出：

中心支轴 1

碰头 2

塔车 3

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明针对基于PWM技术的圆形喷灌机提出了一种喷头喷嘴分组配置方法，即按桁架方向喷头等间距分布，将喷嘴分成几组并进行尺寸等级配置，各喷头射程相等，在同一组内采用并借助PWM以实现高精度的流量变化。

如图2所示，为本发明实施例提供的基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法流程示意图，该方法包括如下步骤：

步骤101：计算当各处灌溉量达到最大灌溉水深时，各喷头流量；

喷头等间距分布，组内各喷头射程相等，为了使当前地块各处喷灌水深都可以达到最大值h_MAX，各个喷头造成的喷灌水深应该相等，设为h。假设某喷灌机包含N个喷头，从中心支轴开始编号分别为1,2,……,N，则编号为i的喷头扫掠过的面积A_i为：

A_i＝π[d'+R+(i-1)d]²-π[d'-R+(i-1)d]²＝4πR[d'+(i-1)d]

其中，d'为第一个喷头中心距离中心支轴的距离；d为喷头间距；R为单喷头喷洒半径。则第i个喷头的流量Q_i为：

Q_i＝hA_i＝4πhR[d'+(i-1)d]

步骤102：根据PWM电磁阀的最佳占空比控制范围将喷头分组；

当电磁阀的占空比过小或过大时，电磁阀无法完全打开或关闭，导致喷水水量控制精度下降。设喷灌机所采用的电磁阀的工作占空比范围为a％～b％,0≤a＜b＜100。设将全部N个喷头分为k组，每组喷头可以采用相同型号的喷嘴。第j组喷头起始喷头的编号为l_start(j)，结束喷头编号为l_end(j)，其中l_start(1)＝1，j＝1,2,…,k。

步骤103：计算满足流量需求时，每组喷头所用喷嘴大小；

步骤104：根据每组喷头的管道沿程压力损失对喷嘴大小做出修正，使得PWM电磁阀的实际占空比在最佳占空比范围内。

由于压力损失的存在，每组喷头尾端喷头的工作压力要小于首端喷头的工作压力，若采取同样型号的喷嘴，喷头额定流量较小，电磁阀占空比可能高于最佳工作范围上限。因此尤其是需要对尾端喷头喷嘴型号进行修正，以第l_end(j)个喷头为例，修正后的喷嘴直径d_{l_end(j)}应为：

所述步骤102包括：

步骤201：根据每组第一个喷头的流量及最佳占空比下限确定该组喷头最大流量。编号为l_start(j)的喷头流量较小，希望其占空比不小于a％，则编号为l_start(j)的喷头最大流量Q_jMAX应为：

Q_jMAX＝Q_{l_start(j)}/a％＝4πhR[d'+(l_start(j)-1)d]/a％

步骤202：根据该组喷头最大流量及最佳占空比上限确定该组喷头最后一个喷头的可控流量。

由于短距离内管路沿程压力损失不大，暂时忽略管路压力变化对喷头流量的影响。从第l_start(j)个喷头到第l_end(j)个喷头选择相同型号的喷嘴，故它们的最大流量相同，均为Q_jMAX，则第l_end(j)个喷头占空比最大为b％，第l_end(j)个喷头流量应满足：

Q_{l_end(j)}＝4πhR[d'+(l_end(j)-1)d]≤Q_jMAX·b％

步骤203：根据该组喷头最后一个喷头的可控流量确定其位置。

根据上式可以求出l_end(j)个喷头流量的最大取值。

重复上述过程直至所有喷头分组完毕。由此可以确定k组喷头各自的起止范围。

所述步骤103包括如下步骤：

步骤301：根据管道沿程压力损失模型计算每组喷头的第一个喷头处的工作压力。

依据喷灌机入机处的压力H_in按管路沿程压力损失模型计算每组喷头的第一个喷头处的工作压力。以无末端喷枪、第一个喷头与中心支轴的距离等于相邻两喷头间距的圆形喷灌机为例，参考严海军和金宏智(严海军,金宏智.圆形喷灌机末端出流多口系数的研究[J].农业机械学报,2003(05):65-68.)提出的管路沿程压力损失模型：

其中，F为管路沿程压力损失多口系数，参考Anwar(Anwar A A.Frictioncorrection factors for center-pivots[J].Journal of Irrigation and DrainageEngineering,1999,125(5):280-286.)提出的计算公式：

上两式中：H_f(i)为第i(i＝1,2,……,N)个喷头到中心支轴处的沿程压力损失；N为喷头个数；C为阻力系数；K为单位换算系数；L为管路总长；q为入机总流量；D为管路内径；m为流量指数，n为管径指数。

则第i个喷头处的工作压力H(i)即为：

H(i)＝H_in-H_f(i)

步骤302：根据喷头工作压力及流量需求计算喷嘴大小。

根据流体力学知识，喷头的流量与喷嘴大小和工作压力有关。根据喷头设计流量与当前工作压力可以求出所需喷嘴大小：

其中：d为喷嘴直径，m；Q_i为第i个喷头流量，m³/h；g为重力加速度，可取9.81m/s²；μ为流量系数，一般取0.85～0.95。

步骤303：在喷嘴产品手册中选取最接近喷嘴大小计算值且大于它的喷嘴型号。

根据喷嘴直径计算结果在喷头产品手册中查找与其最接近且大于它的喷嘴型号即可。

因每组喷头的工作压力相同，则第l_start(j)个喷头到第l_end(j)个喷头的喷嘴型号应为：

重复上述过程直至确定所有喷头分组的喷嘴型号。

由此可以确定k组喷头各自的喷嘴型号。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法，其特征在于，包括：

步骤101：计算当各处灌溉量达到最大灌溉水深时各喷头流量Q_i；

步骤102：根据PWM电磁阀的最佳占空比控制范围将喷头分组；

步骤103：根据各喷头流量Q_i计算满足流量需求时每组喷头所用喷嘴大小。

2.根据权利要求1所述的基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法，其特征在于，包括：

步骤104：根据每组喷头的管道沿程压力损失对喷嘴大小做出修正，使得PWM电磁阀的实际占空比在最佳占空比范围内。

3.根据权利要求1所述的基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法，其特征在于，在所述步骤101中：

喷头等间距分布，组内各喷头射程相等，为了使当前地块各处喷灌水深都达到最大值h_MAX，各个喷头造成的喷灌水深相等，设为h；假设某喷灌机包含N个喷头，从中心支轴开始编号分别为1,2,……,N，则编号为i的喷头扫掠过的面积A_i为：

A_i＝π[d'+R+(i-1)d]²-π[d'-R+(i-1)d]²＝4πR[d'+(i-1)d]

其中，d'为第一个喷头中心距离中心支轴的距离；d为喷头间距；R为单喷头喷洒半径；则第i个喷头的流量Q_i为：

Q_i＝hA_i＝4πhR[d'+(i-1)d]。

4.根据权利要求1所述的基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法，其特征在于，所述步骤102包括：

根据每组第一个喷头的流量及最佳占空比下限确定该组喷头最大流量；

根据该组喷头最大流量及最佳占空比上限确定该组喷头最后一个喷头的可控流量；

根据该组喷头最后一个喷头的可控流量确定该组喷头最后一个喷头的位置。

5.根据权利要求4所述的基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法，其特征在于，在所述步骤102中：

设喷灌机所采用的电磁阀的工作占空比范围为a％～b％,0≤a＜b＜100；设将全部N个喷头分为k组，每组喷头采用相同型号的喷嘴；第j组喷头起始喷头的编号为l_start(j)，结束喷头编号为l_end(j)，其中l_start(1)＝1，j＝1,2,…,k；

步骤201：根据每组第一个喷头的流量及最佳占空比下限确定该组喷头最大流量；编号为l_start(j)的喷头流量对应的占空比不小于a％，则编号为l_start(j)的喷头最大流量Q_jMAX应为：

Q_jMAX＝Q_{l_start(j)}/a％＝4πhR[d'+(l_start(j)-1)d]/a％

步骤202：根据该组喷头最大流量及最佳占空比上限确定该组喷头最后一个喷头的可控流量；

从第l_start(j)个喷头到第l_end(j)个喷头选择相同型号的喷嘴，最大流量相同，均为Q_jMAX，则第l_end(j)个喷头占空比最大为b％，第l_end(j)个喷头流量应满足：

Q_{l_end(j)}＝4πhR[d'+(l_end(j)-1)d]≤Q_jMAX·b％

步骤203：根据该组喷头最后一个喷头的可控流量确定该组喷头最后一个喷头位置；

重复上述过程步骤201、步骤202、步骤203，直至所有喷头分组完毕，确定k组喷头各自的起止范围。

6.根据权利要求1所述的基于脉宽调制变量喷灌的圆形喷灌机喷头喷嘴配置方法，其特征在于，在步骤103中：

步骤301：计算每组喷头的第一个喷头处的工作压力H(i)；

步骤302：根据喷头工作压力及流量需求计算喷嘴大小；

步骤303：在喷嘴产品手册中选取最接近喷嘴大小计算值且大于喷嘴大小计算值的喷嘴型号；

重复上述过程步骤301、步骤302、步骤303，直至确定所有喷头分组的喷嘴型号。