【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及实验室内模拟自然降雨环境，尤其是一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统。
技术介绍
1、在水文学和水土保持等学科领域内，很多重要课题研究都是用降雨作为影响因子来进行试验开展，尤其在研究土壤侵蚀的过程、水土流失规律、水土保持对策和收益方面的运用十分广泛。但是通过自然降雨开展土壤侵蚀试验，会出现一些不便之处，例如会受到降雨时长、降雨地点和其他不确定因素的影响，阻碍了研究工作的进行。因此设计一种不受自然环境影响的实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统是十分有意义的。
2、常用的模拟降雨装置分为针管桁架式和下喷式。针管桁架式需要在装置中布置大量的喷头且雨滴动能难以达到天然降雨的终点速度，应用较少。下喷式模拟降雨装置存在着降雨均匀性较差问题。
3、针对以上现象提出一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统。
技术实现思路
1、本专利技术的目的旨在提供一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，通过本系统能够模拟自然降雨对土壤侵蚀，且能够收集不同深度土壤中的淋滤液进行研究。
2、为实现上述目的，本专利技术是通过这样的技术方案来实现的，一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，包括储水区、降雨区和淋滤区三大部分，及主控器、变频器和计算机；所述降雨区一端与储水区通过管道连接，另外一端与淋滤区连接；所述储水区中存储的水经过降雨区模拟为不同强度降雨，实现对淋滤区的土壤侵蚀，并由淋滤区收集不同深度土壤中的淋滤
3、进一步的，所述的储水区包括入水管口、电磁控制阀一、液位计、蓄水池和相连的管道。
4、进一步的，所述入水管口、电磁控制阀一、液位计、蓄水池通过管道从左向右依次相连。
5、进一步的，所述降雨区可分为第一路降雨支路和第二路降雨支路。
6、进一步的，所述第一路降雨支路包含电磁力泵、电动套筒调节阀一、涡街流量计一、温压补偿装置一、电磁控制阀二、电磁控制阀三、电动可调喷头一通过管道与蓄水池从左向右依次相连。
7、进一步的，所述第二路降雨支路包含电动套筒调节阀二、涡街流量计二、温压补偿装置二、电磁控制阀四、电磁控制阀五、电动可调喷头二通过管道从左向右依次相连。
8、进一步的，所述淋滤区可分为第一路淋滤支路和第二路淋滤支路。
9、进一步的，所述淋滤箱一装入土壤装填实验柱一通过水管与旋钮开关一、旋钮开关二、旋钮开关三、旋钮开关四、淋滤水箱一从左向右依次相连，组成第一路淋滤支路。
10、进一步的，所述淋滤箱二装入土壤装填实验柱二通过水管与旋钮开关五、旋钮开关六、旋钮开关七、旋钮开关八、淋滤水箱二从左向右依次相连，组成第二路淋滤支路。
11、进一步的，所述降雨区和淋滤区所用管径dn20mm。
12、进一步的，所述蓄水池总容积3m3，进水口管径dn50mm，出水口管径dn20mm；所述淋滤箱一和淋滤箱二总容积1m3；所述淋滤水箱一、淋滤水箱二总容积0.5m3。
13、进一步的，所述主控器、变频器、液位计、电磁控制阀一、电磁力泵、电动套筒调节阀一、涡街流量计一、温压补偿装置一、电磁控制阀二、电磁控制阀三和电动可调喷头一构成第一路降雨支路的闭环控制回路；进一步的，所述主控器、变频器、液位计、电磁控制阀一、电磁力泵、电动套筒调节阀二、涡街流量计二、温压补偿装置二、电磁控制阀四、电磁控制阀五和电动可调喷头二构成第二路降雨支路的闭环控制回路；系统电源由主控器提供，各传感器连接控制器输入端，电动套筒调节阀一和电动套筒调节阀二连接主控器输出端，主控器通过rs485接口与计算机连接。
14、还包括模拟降雨控制方法，所述方法包括控制部分以及参数设置部分，所述控制部分可分为一般闭环控制算法、阀门开环控制算法和阀门闭环pid控制算法。
15、进一步的，所述一般闭环控制算法为液位计检测蓄水池的水的液面高度，当低于设定值，控制器打开电磁控制阀一阀门，水流入满足设定液位高度后关闭电磁控制阀一阀门。
16、进一步的，所述阀门开环控制算法是根据电动套筒调节阀一与降雨强度的关系存在一阶比例环节，同时实际测量发现电动套筒调节阀一的控制存在一定的延迟特性其开环传递函数表达式为：
17、w(s)＝kse-τs；
18、所述ks为电动套筒调节阀一模型的比例系数，τ为对象时滞。
19、进一步的，所述调节电动套筒调节阀一开度x与降雨强度f(x)的存在近似为线性关系式，其函数表达式为：
20、f(x)＝a0+a1x；
21、所述a0和a1为线性关系函数表达式的参数。
22、采用最小二乘法对线性函数的拟合求解，其拟合函数转换为如下矩阵形式表达式：
23、
24、所述n为数据测量组数，δ＝n·sxx-sx·sx。
25、所述
26、进一步的，所述经求解和修正后计算出a0＝0，a1＝6.6；所述调节电动套筒调节阀一开度与管道流量的关系式为f(x)＝6.6x。
27、进一步的，所述阀门开环控制算法开环传递函数进行泰勒展开：
28、
29、所述ks此处取值为6.6；所述电动套筒调节阀一存在一定延迟特性，其泰勒展开高次项皆可省略，经多次测试τ值为0.1；所述电动套筒调节阀一开度与降雨强度开环传递函数表达式为：
30、
31、进一步的，所述阀门闭环pid控制算法是根据设置的降雨强度通过阀门开环控制算法对电动套筒调节阀一快速开启，达到一个与设定降雨强度接近值，由闭环pid控制实现对电动套筒调节阀一的精确控制，达到所设置降雨强度。
32、所述阀门闭环pid控制算法数学模型是给定降雨强度r(t)和实际输出值y(t)之间的误差e(t)的关系式为:
33、e(t)＝y(t)-r(t)；
34、所述误差的比例(p)、积分(i)、微分(d)通过线性组合构成控制量，对电动套筒调节阀进行控制，其控制算法表达式如下：
35、
36、所述u(t)为pid调节器输出的调节量，kp为比例系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数；所述上式进行拉氏变换得出相应的传递函数形式：
37、
38、进一步的，所述经仿真和多次测试kp取值为0.015，ti取值为2，td取值为0.3。
39、进一步的，所述阀门闭环pid控制算法的pid调节器传递函数为：
40、
41、进一步的，所述降雨强度的精确控制是通过阀门开环控制算法快速响应，达到一个与设定降雨强度接近值，后通过阀门闭环pid控制算法对电动套筒调节阀一的精确控制，完成模拟降雨过程。
42、进一步的，所述参数设置部分为上位机选用qt5.12软件进行控制界面建立和参数的设置，先将所有参数输入qt5.12的数据库，为后续参数调用做准备。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：包括储水区、降雨区、淋滤区、主控器、变频器以及计算机；所述降雨区的一端与储水区通过管道连接，另外一端与淋滤区通过管道连接，所述储水区包括入水管口、电磁控制阀一、液位计以及蓄水池，所述入水管口、所述电磁控制阀一、所述液位计以及所述蓄水池通过管道从左至右依次连接，所述降雨区包括第一路降雨支路以及第二路降雨支路，所述第一路降雨支路包括电磁力泵、电动套筒调节阀一、涡街流量计一、温压补偿装置一、电磁控制阀二、电磁控制阀三、电动可调喷头一并通过管道从左向右依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：所述第二路降雨支路包含电动套筒调节阀二、涡街流量计二、温压补偿装置二、电磁控制阀四、电磁控制阀五、电动可调喷头二并通过管道从左向右依次连接。
3.根据权利要求1所述的一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：所述淋滤区包括第一路淋滤支路以及第二路淋滤支路，所述淋滤箱一装入土壤装填实验柱一通过水管与旋钮开关一、旋钮开关二、旋钮开关三
4.根据权利要求3所述的一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：所述淋滤箱二装入土壤装填实验柱二通过水管与旋钮开关五、旋钮开关六、旋钮开关七、旋钮开关八、淋滤水箱二从左向右依次相连，组成第二路淋滤支路。
5.根据权利要求1所述的一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：所述降雨区和淋滤区所用管径DN20mm，所述蓄水池总容积3m3，进水口管径DN50mm，出水口管径DN20mm；所述淋滤箱一和淋滤箱二总容积1m3；所述淋滤水箱一和淋滤水箱二总容积0.5m3，所述主控器、变频器、液位计、电磁控制阀一、电磁力泵、电动套筒调节阀一、涡街流量计一、温压补偿装置一、电磁控制阀二、电磁控制阀三和电动可调喷头一构成第一路降雨支路的闭环控制回路；进一步的，所述主控器、变频器、液位计、电磁控制阀一、电磁力泵、电动套筒调节阀二、涡街流量计二、温压补偿装置二、电磁控制阀四、电磁控制阀五和电动可调喷头二构成第二路降雨支路的闭环控制回路；系统电源由主控器提供，各传感器连接控制器输入端，电动套筒调节阀一和电动套筒调节阀二连接主控器输出端，主控器通过RS485接口与计算机连接。
6.根据权利要求1所述的一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：还包括模拟降雨控制方法，所述方法包括控制部分以及参数设置部分，其中所述控制部分包括一般闭环控制算法、阀门开环控制算法和阀门闭环PID控制算法，所述一般闭环控制算法为液位计检测蓄水池的水的液面高度，当低于设定值，控制器打开电磁控制阀一阀门，水流入满足设定液位高度后关闭电磁控制阀一阀门。
7.根据权利要求6所述的一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：所述阀门开环控制算法是根据电动套筒调节阀一与降雨强度的关系存在一阶比例环节，同时实际测量发现电动套筒调节阀一的控制存在一定的延迟特性其开环传递函数表达式为：
8.根据权利要求7所述的一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：所述阀门闭环PID控制算法是根据设置的降雨强度通过阀门开环控制算法对电动套筒调节阀一快速开启，达到一个与设定降雨强度接近值，由闭环PID控制实现对电动套筒调节阀一的精确控制，达到所设置降雨强度；
9.根据权利要求6所述的一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：所述参数设置部分为上位机选用QT5.12软件进行控制界面建立和参数的设置，先将所有参数输入QT5.12的数据库，为后续参数调用做准备。
...【技术特征摘要】
1.一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：包括储水区、降雨区、淋滤区、主控器、变频器以及计算机；所述降雨区的一端与储水区通过管道连接，另外一端与淋滤区通过管道连接，所述储水区包括入水管口、电磁控制阀一、液位计以及蓄水池，所述入水管口、所述电磁控制阀一、所述液位计以及所述蓄水池通过管道从左至右依次连接，所述降雨区包括第一路降雨支路以及第二路降雨支路，所述第一路降雨支路包括电磁力泵、电动套筒调节阀一、涡街流量计一、温压补偿装置一、电磁控制阀二、电磁控制阀三、电动可调喷头一并通过管道从左向右依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：所述第二路降雨支路包含电动套筒调节阀二、涡街流量计二、温压补偿装置二、电磁控制阀四、电磁控制阀五、电动可调喷头二并通过管道从左向右依次连接。
3.根据权利要求1所述的一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：所述淋滤区包括第一路淋滤支路以及第二路淋滤支路，所述淋滤箱一装入土壤装填实验柱一通过水管与旋钮开关一、旋钮开关二、旋钮开关三、旋钮开关四、淋滤水箱一从左向右依次相连，组成第一路淋滤支路。
4.根据权利要求3所述的一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：所述淋滤箱二装入土壤装填实验柱二通过水管与旋钮开关五、旋钮开关六、旋钮开关七、旋钮开关八、淋滤水箱二从左向右依次相连，组成第二路淋滤支路。
5.根据权利要求1所述的一种实验室内可自动化控制调节降雨强度的淋滤试验系统，其特征在于：所述降雨区和淋滤区所用管径dn20mm，所述蓄水池总容积3m3，进水口管径dn50mm，出水口管径dn20mm；所述淋滤箱一和淋滤箱二总容积1m3；所述淋滤水箱一和淋滤水箱二总容积0.5m3，所述主控器、变频器、液位计、电磁控制阀一、电...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭志娟，叶义生，黄保荣，白细民，熊良樑，付蕾，李文璇，马晓伟，叶凌，
申请(专利权)人：江西省勘察设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。