CN115119714A - 一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头及灌溉系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头及灌溉系统，灌溉喷头包括主体管道，在主体管道顶部沿主体管道径向阵列设置至少4个喷管管道以及风速传感器，在喷管管道进口端设置电磁阀门；喷管管道出口端的喷口处设置的速度传感器、电磁控制器和阀芯；控制单元的输入端分别信号连接风速传感器、速度传感器，输出端分别信号连接电磁控制器和电磁阀门；实现对环境风向风速数据进行判断是否需要对相应的喷口喷出的水流速度和方向进行调节；由PID模糊控制模块对该喷口进行流速调节；由模糊控制模块对喷口进行射流方向调节；由此实现自动、精准调整各个方向的灌溉水量；使灌溉喷头对目标农作物进行灌溉时，做到均匀灌溉。
Description
技术领域
本发明涉及灌溉技术领域，具体是一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头及灌溉系统。
背景技术
农业用水占全国总用水量的约60％，其中超过90％被用于农田灌溉。因此，大力发展节水灌溉技术是促进水资源可持续利用、保障国家粮食安全、加快转变经济发展方式的重要举措。目前，我国的灌溉技术还比较落后，自动化水平较低，致使水资源的利用效率较低，造成了水资源的浪费以及部分土地板结。精准灌溉作为一种先进的节水灌溉技术，能够根据农作物目标表面有无缺水表现，选择性地灌溉，在农业中已逐步得到推广。然而采用射流喷头喷灌时，水量分布的均匀性在很大程度上取决于风速。例如当风速为3～8m/s时，对于远射程喷头的灌溉面积，将减小30～60％，导致无法做到各个方向的灌溉均匀。
近年来出现了一些抗风的喷头，例如专利号为CN200620060211.5公开的浇水器的抗风喷头，其利用风向风力感应装置包括感风板和复位弹簧，来抑制风的影响，但其完全依靠机械装置调节流量只适用于灌溉精度较低的情况，且其复位弹簧调节精度也低，不适用于精准灌溉的要求。
综上，现有技术中关于抗风喷头都存在着灌溉精度、灌溉均匀等方面的缺陷，因此需要提高这些方面的不足。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头及灌溉系统，可以根据风速传感器所采集的数据，自动、精准调整各个方向的灌溉水量；使灌溉喷头对目标农作物进行灌溉时，做到均匀灌溉，同时能够提高灌溉精度。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头，包括：
主体管道，
设置在主体管道顶部的风速传感器；
设置在主体管道顶部的至少4个喷管管道，所述喷管管道沿主体管道径向阵列分布；
设置在喷管管道进口端的电磁阀门；
设置在喷管管道出口端的喷口，在所述喷口处设置的速度传感器、电磁控制器和阀芯，所述电磁控制器和阀芯磁性连接；
控制单元，所述控制单元的输入端分别信号连接风速传感器、速度传感器，所述控制单元的输出端分别信号连接电磁控制器和电磁阀门；所述控制单元内包括风向风速判断模块、PID模糊控制模块和模糊控制模块；所述风向风速判断模块根据风速传感器实时采集的环境风向风速数据，确定来风方向n以及各来风方向的风速
设定环境风速阈值，若环境风速超过阈值，则需要对与来风方向相对的喷口喷出的水流速度和方向进行调节；PID模糊控制模块的输出信号连接电磁阀门，对该喷口进行流速调节；模糊控制模块的输出信号连接电磁控制器，利用电磁控制器调节阀芯与喷口之间的位置，对喷口进行射流方向调节。
进一步，环境风速超过阈值设置为10％
为喷口标准水流速度；
进一步，若环境中n向来风的风速
则不需要调节各方向喷口的流速和流向，即各个喷口均按照水流速度
工作；n＝N、S、W、E，分别表示北向来风、南向来风、西向来风以及东向来风；
若环境中n向来风的风速
则需要对n向来风对应的喷口的流速和流向进行调节。
进一步，所述阀芯采用椭球型。
进一步，模糊控制模块用于对电磁控制器以及阀芯进行自动控制，输入量为风速方向与正北方向N向所成夹角的角度θw，输出量为阀芯转动的角度；
灌溉角度误差表示为e＝θw-θt，θt为喷管管道与N向所成夹角角度；
灌溉角度误差变化率表示为
et为不同时刻下记录的灌溉角度误差；
设置误差e的基本论域为[-20％，20％]，误差变化率ec的基本论域为[-5％，5％]；
设e和ec相对应的模糊变量为SE和SEC，定义SE和SEC的模糊子集各取的5个语言值, 即{负大，负小，零，正小，正大}，简记为{NB，NS，ZO，PS，PB}，则变量的量化域均为{-2，-1，0，1，2}；
模糊控制最终控制的是椭球型阀芯转动角度，定义其基本论域为[0，30°]，模糊子集为{零，短长，长长}，简记为{ZO，PS，PB}，量化论域为{0，1，2，3}；
最后设置模糊规则，采用最大隶属度法进行逆模糊化，即求得椭球型阀芯调节的模糊控制表。
进一步，喷口设置4个，且4个喷口相互之间的夹角为90°分布，4个喷口分别朝向正东、正南、正西、正北四个方向。
进一步，喷口还可以设置8个，且4个喷口相互之间的夹角为45°分布。
进一步，喷口沿液体流动方向为渐缩型。
进一步，风速传感器选用超声波风速传感器。
一种基于风力导向控制喷口的灌溉系统，包括多个上述基于风力导向控制喷口的灌溉喷头以及连接用的输送管道，设置在输送管道上的阀门。
本发明的有益效果：
1、本发明通过设置风速传感器，在风速过大的时候，风速传感器测得风速，发送信号内置于小型电机的控制单元，控制单元内部根据风向风速判断出需要调节的喷口；再由PID 模糊控制模块和模糊控制模块处理后输出控制指令，相应带动联动装置，自动调节电磁阀门，智能精准自动改变与风向逆向喷口和与风向顺向喷口的喷管管道口面积，使与风向逆向的喷口水流速度增大，与风向顺向的喷口水流速度减小，抵消风力的影响，使各方向的喷口的喷洒面积保持不变，所述的逆风向或顺风向是包括正对和偏向两种，通过模糊控制器，自动调节椭球型阀芯角度，调节灌溉方向，从而做到智能、自动、精准、均匀灌溉。
2、本专利结合PID控制与模糊控制。模糊控制器的设计包括的部分有输入模糊化，根据专家经验和数据总结建立规则库，模糊推理和逆模糊化。实现智能精准对参数的动态调节，从而做到精准均匀灌溉。
3、根据风向自动调节喷灌水流方向，灌溉方向调节采取模糊控制，建立规则库，模糊推理和逆模糊化实现智能精准对参数的动态调节，从而做到精准均匀灌溉。
附图说明
图1是本发明灌溉喷头的剖面结构示意图；
图2是本发明的喷口局部结构示意图；
图3是本发明的系统控制决策图；
图4是PID控制器结构框图；
图5是模糊控制器结构框图；
图6是电磁阀门模糊PID控制方案图；
图7是电磁阀门PID参数动态调整过程图；
图8是本发明的整体系统图；
图中，1、风速传感器；2、喷口；3、喷管管道；4、电磁阀门；5、联动装置；6、主体管道；7、电机；8、速度传感器；9、电磁控制器；10、阀芯。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
灌溉遵循以下方程：
惯性阻力系数方程：
CD＝(24/Re)(1+0.15Re0.687) Re≤1000 (1)
CD＝0.438{1.0+0.21[(Re/1000)-1]1.25} Re＞1000 (2)
式中，CD为惯性阻力系数，为雷诺数Re的函数。
喷洒水滴的雷诺数都很大，处于阻力平方区，因此运动阻力可用牛顿定律计算：
F1＝CD·ρaSVC2/2 (3)
式中，F1为运动阻力(N)，ρa为空气密度(kg/m3)，S为水滴投影面积(m2)，V为水滴运动相对速度(m/s)。
有风时，(3)式可写成：
式中，
为水滴速度向量(m/s)，
为风速向量。
请参阅图1、图2，一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头的结构示意图,该灌溉喷头包括竖直安装在待灌溉土地上的主体管道6，主体管道6的底部为进水端，可以与输送管道连接；主体管道6的顶部为出水端。
在主体管道6的顶部设置至少4个喷管管道3和风速传感器1，上述喷管管道3沿主体管道6的径向阵列布置；喷管管道3为圆柱型管道。风速传感器1安装在主体管道6的顶部，用于采集环境中各风的来向以及各来向风的速度。
喷管管道3的进口端与主体管道6内部连通，喷管管道3的出口端为喷口2。在每个喷管管道3的进口端处均设置1套电磁阀门4，电磁阀门4通过联动装置5连接电机7，通过电机7驱动联动装置5进而由联动装置5调节电磁阀门4的开合，实现对喷口2出射流的流量的调节。
在喷口2处设置速度传感器8，利用速度传感器8采集喷口2处喷出的流体流速。在喷口2内部还设置阀芯10，且喷口2外部设置电磁控制器9，电磁控制器9和阀芯10之间通过磁性连接，通过电磁控制器9控制阀芯10在喷口2处的角度进而改变喷口2处射流的角度。
该灌溉喷头还包括控制单元，控制单元的输入端通过信号线分别连接风速传感器1和速度传感器8，将风速传感器1和速度传感器8分别实时采集的环境风向风速数据以及喷口2处射流流速数据输入控制单元。控制单元的输出端通过信号线分别连接电磁阀门4、电机7和电磁控制器9，输出相应控制指令至电磁阀门4、电机7和电磁控制器9，对灌溉喷头的流速、射流方向进行调节。
控制单元内包括风向风速判断模块、PID模糊控制模块和模糊控制模块。
风向风速判断模块根据风速传感器1实时采集的环境风向风速数据，确定来风方向n以及各来风方向的风速
根据各来风方向的风速
判断是否需要对与来风方向相对的喷口喷出的水流速度和方向进行调节，判断依据为：
若环境中n向来风的风速
则不需要调节各方向喷口2的流速和流向，即各个喷口2保持灌溉设定的初始的速度，不需要进行调节，均按照水流速度
工作；n＝N、 S、W、E，分别表示北向来风、南向来风、西向来风以及东向来风；
若环境中n向来风的风速
则需要对n向来风对应的喷口2的流速和流向进行调节；其中，
为喷口标准水流速度，即根据灌溉喷头之间设置的距离，在无风状态下所有喷管以水流速度
进行喷灌能够均匀覆盖喷头所在土地，即认为水流速度
为喷口标准水流速度。
当风向风速判断模块确定了需要调节的喷口2，则PID模糊控制模块对该喷口2进行流速调节；模糊控制模块对该喷口2进行射流方向调节。具体调节方法如下：
请参阅图4-8、表1-4。本发明所设计的PID模糊控制模块用于对喷口2处的电磁阀门 4进行自动控制，从而做到智能自动调节喷灌水流速度。PID模糊控制模块由PID控制和模糊控制相结合，根据模糊控制规则对模糊逻辑的运算，实现Kp、Ki、Kd参数动态调整。具体如下：
式中，E(k-1)、E(k)分别为第k-1次和第k次采样偏差值；k为采样序号，k＝0，1，2…；P(k)表示第k次采样控制器输出；Kp、Ki、Kd分别表示控制器比例系数、积分系数、微分系数。
根据递推原理，k-1次PID的数学描述为：
将位置式PID控制算子与PID的数学描述式相减，可得：
ΔP(k)＝Kp[E(k)-E(k-1)]+KiE(k)+Kd[E(k)-E(k-1)-E(k-2)] (7)
式中：ΔP(k)表示第k次输出与第k-1次输出差值。
由于ΔP(k)反映了不同采样周期内控制器增量变化，因此，此公式又称为增量式PID 控制算子根据位置式PID控制算子可知，位置式PID控制在任何外界因素影响下都可能导致P(k)发生大幅度变化；而增量式PID控制的输出ΔP(k)却受到的影响较小。因此，PID控制通常采用增量式控制算子。此外，增量式控制不会出现积分失控的问题，具有良好的调节控制性能。
模糊控制部分的设计包括输入模糊化，根据专家经验和数据总结建立规则库，模糊推理和逆模糊化。控制喷灌水流速度时，输入量是水流速度，输出量为阀门调节程度。设Vw为水滴运动速度，Vti为i方向实际测得的风速，则输入为e＝Vw-Vti，即水流速度误差。那么，水流速度误差变化率：
其中，t∈N，即不同时刻t下记录的e的值。
设置误差e的基本(物理)论域为[-10％，10％]，误差变化率ec的基本论域为[-1％， 1％]。设e和ec相对应的模糊变量为SE和SEC，定义SE和SEC的模糊子集各取的7个语言值,即{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM， PB}，则变量的量化(模糊论)域均为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。模糊控制最终的输出量是电磁阀门4调整的程度L，定义其基本论域为[0，40％]，模糊子集为{零，短长，中长，长长}，简记为{ZO，PS，PM，PB}，量化论域为{0，1，2，3，4}。
从模糊集同时满足完备性和一致性的角度出发，将模糊输入变量SE和SEC、模糊输出变量L合理赋值，如表1和表2所示。
表1模糊输入变量赋值表
| SE/SEC | -3 | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 | 3 |
| NB | 1.0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| NM | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| NS | 0 | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 |
| ZO | 0 | 0 | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0 | 0 |
| PS | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0 |
| PM | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 1.0 | 0.5 |
| PB | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 1.0 |
表2模糊输出变量赋值表
| L | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| ZO | 1.0 | 0.3 | 0 | 0 | 0 |
| PS | 0 | 1.0 | 0.5 | 0.5 | 0 |
| PM | 0 | 0 | 0.8 | 1.0 | 0.5 |
| PB | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 1.0 |
采用Mamda-ni直接推理法，根据喷灌实践和经验总结，可设置模糊规则如表3所示。当SE为NB或NM时，SEC无论怎样变化，电磁阀门都不进行调节。在表中间内容的ZO、 PS、PM、PB指的是电磁阀门调节程度从0～40％依次增多。在实际应用中可根据具体情况合理调整模糊规则，以达到最佳的喷灌效果。
表3模糊控制规则表
| SE/SEC | -3 | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 | 3 |
| NB | ZO | ZO | ZO | ZO | ZO | ZO | ZO |
| NM | ZO | ZO | ZO | ZO | ZO | ZO | ZO |
| NS | ZO | ZO | ZO | ZO | ZO | PS | PM |
| ZO | ZO | ZO | ZO | PS | PM | PB | PB |
| PS | ZO | ZO | ZO | PS | PM | PB | PB |
| PM | ZO | ZO | PS | PM | PB | PB | PB |
| PB | ZO | ZO | PS | PM | PB | PB | PB |
采用最大隶属度法进行逆模糊化，即可求得电磁阀门调节的模糊控制表，如表4所示。表4所得到的是控制量的量化等级，然后在与比例因子相乘才能得到执行结果。当为1，则调节程度为10％、为2，调节20％、为3，调节30％、为4，调节40％。
表4系统模糊控制表
本发明设计模糊控制模块用于对电磁控制器9以及阀芯10进行自动控制，更具体地，本发明采用模糊控制智能自动控制电磁控制器9，进而控制阀芯10，从而做到智能自动调节喷灌水流方向。
调节喷灌水流方向时，输入量为风速方向与N向(正北方向)所成夹角的角度，输出量为阀芯10转动的角度。本设计中，设θw为测得风速风向与N向所成夹角角度，θt为喷管管道3与N向所成夹角角度，则输入e＝θw-θt，即灌溉角度误差。那么，灌溉角度误差变化率：
其中，t∈N，即不同时刻下记录的e的值。设置误差e的基本(物理)论域为[-20％，20％]，误差变化率ec的基本论域为[-5％，5％]。设e和ec相对应的模糊变量为SE和SEC，定义SE和SEC的模糊子集各取的5个语言值,即{负大，负小，零，正小，正大}，简记为{NB， NS，ZO，PS，PB}，则变量的量化(模糊论)域均为{-2，-1，0，1，2}。模糊控制最终控制的是椭球型阀芯转动角度，定义其基本论域为[0，30°]，模糊子集为{零，短长，长长}，简记为{ZO，PS，PB}，量化论域为{0，1，2，3}。从模糊集同时满足完备性和一致性的角度出发，将模糊输入变量SE和SEC、模糊输出变量J合理赋值，如表5和表6所示。
表5椭球型阀芯模糊输入变量赋值表
| SE/SEC | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 |
| NB | 1.0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 |
| NS | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0 | 0 |
| ZO | 0 | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0 |
| PS | 0 | 0 | 0.5 | 1.0 | 0.5 |
| PB | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 1.0 |
表6椭球型阀芯模糊输出变量赋值表
| L | 0 | 1 | 2 | 3 |
| ZO | 1.0 | 0.3 | 0 | 0 |
| PS | 0 | 1.0 | 0.5 | 0.5 |
| PB | 0 | 0 | 0.8 | 1.0 |
根据喷灌实践和经验总结，可设置模糊规则如表7所示。当SE为NB或NS时，SEC无论怎样变化，椭球阀芯角度都不进行调节。在表中间内容的ZO、PS、PB指的是椭球阀芯角度调节角度从0～30°依次增多。在实际应用中可根据具体情况合理调整模糊规则，以达到最佳的喷灌效果。
表7椭球型阀芯模糊控制规则表
| SE/SEC | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 |
| NB | ZO | ZO | ZO | ZO | ZO |
| NS | ZO | ZO | ZO | ZO | PS |
| ZO | ZO | ZO | PS | PM | PB |
| PS | ZO | ZO | PS | PM | PB |
| PB | ZO | PS | PM | PB | PB |
采用最大隶属度法进行逆模糊化，即可求得椭球型阀门调节的模糊控制表，如表8所示。表8所得到的是控制量的量化等级，然后在与比例因子相乘才能得到执行结果。当为1，则椭球阀芯角度调节角度为10°；为2，椭球阀芯角度调节角度20°；为3，椭球阀芯角度调节角度30°。
表8椭球型阀芯系统模糊控制表
| SEC/SE | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 |
| -2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 2 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 2 | 3 |
| 2 | 0 | 1 | 2 | 3 | 3 |
电磁控制器和椭球型阀芯方案，自动根据风向自动调节喷灌水流方向。风向包括正对和偏向两种，正对时不需要调节喷灌方向，椭球型阀芯正对喷口，偏向时，电磁控制器控制椭球型阀芯转动，椭球型阀芯轨迹方程：
其中，x、y、z分别表示安装设置的赤道长半径所在轴、安装设置的赤道短半径所在轴、安装设置的极半径所在轴，a、b、c分别表示沿x轴赤道半径、沿y轴赤道半径、极半径。
在本实施例中，喷口2设置4个，且4个喷口2相互之间的夹角为90°分布，这样4 个喷口2可以分别朝向正东、正南、正西、正北四个方向。
在本市实例中，喷口2还可以设置8个，且4个喷口2相互之间的夹角为45°分布，这样8个喷口2就可以在朝向正东、正南、正西、正北四个方向的基础上，同时覆盖像东南、西南等多个角度。
在本实施例中，联动装置5为曲柄摇杆机构，具体地，有一个曲柄和一个摇杆的铰链四杆机构，曲柄连接在电机上，摇杆连接在电磁阀上。
在本实施例中，喷口2沿液体流动方向为渐缩型，且可以通过焊接的方式固定在喷管管道3的出口端。
在本实施例中，阀芯10采用椭球型。椭球型好处是，椭球型每个角度的截面面积不同，可以改变灌溉管道的形状，从而可以通过电磁控制器转动角度，调节合适的角度和截面面积，从而精确的调节灌溉方向。
在本实例中，优选超声波风速传感器。
结合附图3对本申请所设计的灌溉喷头的工作原理进行说明。
在该灌溉喷头开始工作之初，由超声波传感器1实时测得环境风向风速信息,发送给控制单元，控制单元根据环境风向风速信息判断是否需要调节喷口水流速度
若风速
则不需要调节，各方向喷头水流速度保持原速，若风速
判断N、S、W、E四个方向风速
对
的影响，若存在
的情况，控制电路板给小型电机7发出信号，控制小型电机7，小型电机7带动四个方向的联动装置5，四个方向的联动装置5带动对应方向的电磁阀门4，及时改变与风向逆向的喷嘴和与风向顺向的喷嘴的喷管管道3面积，使与风向逆向的喷口2水流速度增大，与风向顺向的喷口2水流速度减小，抵消风力的影响，使各方向的喷口2 的流量保持原来的范围。逆风向或顺风向是包括正对和偏向两种，正对调节幅度最大，偏向的则视偏向角度而定。
本发明中，该基于风力导向控制喷口的智能精准灌溉喷头及系统在使用时，主体管道 6以四条喷管管道正对NSWE方向连接在灌溉管道之上，在风速过大时，超声波风速传感器 1测得风速，将风速数据发送给内置于小型电机7的主控系统。主控系统包括调节流速的 PID模糊控制器和调节灌溉水流方向的模糊控制器。PID模糊控制器根据风向风速数据和气象数据做给小型电机7发出信号，带动联动装置5，自动调节电磁阀门4，从而及时调节水流速度，消除风速的影响。模糊控制器根据风向风速数据，自动调节电磁控制器9，及时改变椭球型阀芯角度，从而及时调节灌溉方向，消除风向的影响。做到智能精准灌溉。本发明根据超声波风速传感器的数据精准自动调整各个方向的灌溉水量，使灌溉喷头对目标农作物进行灌溉时，做到均匀灌溉，可以减轻风速的影响、提高水资源的利用效率、减小土地板结的现象。
同时，基于本申请所涉及的一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头，通过合理布置上述灌溉喷头以及输送管道，形成一种基于风力导向控制喷口的灌溉系统；还包括其他必要的阀门、泵等动力单元。
上述结构中的控制电路属于本领域的公知常识，仅对各元件进行使用，未对其进行改进，内嵌的控制方式算法也是属于通过本领域的技术人员简单编程即可实现的内容，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头，其特征在于，包括：
主体管道(6)，
设置在主体管道(6)顶部的风速传感器(1)；
设置在主体管道(6)顶部的至少4个喷管管道(3)，所述喷管管道(3)沿主体管道(6)径向阵列分布；
设置在喷管管道(3)进口端的电磁阀门(4)；
设置在喷管管道(3)出口端的喷口(2)，在所述喷口(2)处设置的速度传感器(8)、电磁控制器(9)和阀芯(10)，所述电磁控制器(9)和阀芯(10)磁性连接；
控制单元，所述控制单元的输入端分别信号连接风速传感器(1)、速度传感器(8)，所述控制单元的输出分别信号连接电磁控制器(9)和电磁阀门(4)；所述控制单元内包括风向风速判断模块、PID模糊控制模块和模糊控制模块；所述风向风速判断模块根据风速传感器(1)实时采集的环境风向风速数据，确定来风方向n以及各来风方向的风速
设定环境风速阈值，若环境风速超过阈值，则需要对与来风方向相对的喷口喷出的水流速度和方向进行调节；PID模糊控制模块的输出信号连接电磁阀门(4)，对该喷口(2)进行流速调节；模糊控制模块的输出信号连接电磁控制器(9)，利用电磁控制器(9)调节阀芯(10)与喷口(2)之间的位置，对喷口(2)进行射流方向调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头，其特征在于，环境风速超过阈值设置为
为喷口标准水流速度。
3.根据权利要求2所述的一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头，其特征在于，若环境中n向来风的风速
则不需要调节各方向喷口(2)的流速和流向，即各个喷口(2)均按照水流速度
工作；n＝N、S、W、E，分别表示北向来风、南向来风、西向来风以及东向来风；
若环境中n向来风的风速
则需要对n向来风对应的喷口(2)的流速和流向进行调节。
4.根据权利要求1所述的一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头，其特征在于，所述阀芯(10)采用椭球型。
5.根据权利要求4所述的一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头，其特征在于，模糊控制模块用于对电磁控制器(9)以及阀芯(10)进行自动控制，输入量为风速方向与正北方向N向所成夹角的角度θw，输出量为阀芯(10)转动的角度；
灌溉角度误差表示为e＝θw-θt，θt为喷管管道(3)与N向所成夹角角度；
灌溉角度误差变化率表示为
et为不同时刻下记录的灌溉角度误差；
设置误差e的基本论域为[-20％，20％]，误差变化率ec的基本论域为[-5％，5％]；
设e和ec相对应的模糊变量为SE和SEC，定义SE和SEC的模糊子集各取的5个语言值,即{负大，负小，零，正小，正大}，简记为{NB，NS，ZO，PS，PB}，则变量的量化域均为{-2，-1，0，1，2}；
模糊控制最终控制的是椭球型阀芯转动角度，定义其基本论域为[0，30°]，模糊子集为{零，短长，长长}，简记为{ZO，PS，PB}，量化论域为{0，1，2，3}；
最后设置模糊规则，采用最大隶属度法进行逆模糊化，即求得椭球型阀芯调节的模糊控制表。
6.根据权利要求1-5中任意一项权利要求所述的一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头，其特征在于，喷口(2)设置4个，且4个喷口(2)相互之间的夹角为90°分布，4个喷口(2)分别朝向正东、正南、正西、正北四个方向。
7.根据权利要求6所述的一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头，其特征在于，喷口(2)还可以设置8个，且4个喷口(2)相互之间的夹角为45°分布。
8.根据权利要求6所述的一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头，其特征在于，喷口(2)沿液体流动方向为渐缩型。
9.根据权利要求6所述的一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头，其特征在于，风速传感器选用超声波风速传感器。
10.一种基于风力导向控制喷口的灌溉系统，其特征在于，包括多个如权利要求1所述的一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头以及连接用的输送管道，设置在输送管道上的阀门。
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| CN202210736087.3A CN115119714B (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 一种基于风力导向控制喷口的灌溉喷头及灌溉系统 |
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