人工降雨模拟器系统设备
人工降雨模拟系统方案
一、前言
为使该系统模拟的降雨与自然降雨物理性能最大相似，采用世界上唯一专业生产模拟雨滴喷头的美国spaying systemsco公司生产的fulljet旋转下喷式喷头模拟降雨，本系统拟采用我公司研制开发的，已装备于世界第二大的人工模拟降雨实验大厅----中国科学院水利部水土保持研究所土壤侵蚀人工模拟降雨大厅的“人工模拟自动降雨系统”，该系统运行3年来，已为国内外著名水土保持机构模拟降雨2千余次，接待国家领导参观视察数十次，每次降雨圆满、准确，目前已成为土壤侵蚀模拟降雨设备行业标准。
二、 空间布局及机械管路组成
1、 降雨供水管路及喷头
人工模拟降雨器
顶部降雨喷头采用fulljet１／８，２／８，３／８ｇ３种规格的喷头组合降雨，从而形成从小到大的雨强连续可调，雨滴形态，降雨均匀度与自然降雨相似的人工自动模拟降雨，可进行5――100ｍｍ／ｈ的各种雨强模拟降雨，均匀度大于0.84，开关阀以前为铁质管材，防锈要求，开关阀以后为pe管材，各管路测控部件采用法兰盘连接，以方便维护，顶部管路及喷头布设结构图如下：
三、自动控制系统
本设计方案采用4套最新的配装式高灵敏度无线自记雨量计，获得降雨现场实时动态实际降雨强度值，以此实际降雨强度平均值为反馈控制信号与实验设定雨强比照，结合新型反馈调控算法在整个降雨期反复无穷逼近设定的雨强值。这样即可自动得到真实、准确、稳定的降雨过程。控制方法的流程框图如下：
评价：此方案以现场实际实时动态雨强为反馈控制信号，可实时监控实验区各监测点的雨强分布及平均值，不但可省略实验前的人工率定过程，而且实验过程中可随时得知当时雨强值，人工手动操作可随时干预降雨控制过程。
新型闭环反馈逼近控制算法：为准确、快速、稳定的进行降雨过程控制，本项目采用闭环反馈控制算法。控制算法为：首先，根据资料，流量调节阀的驱动电流与阀门的开启位置为线性关系，而阀门的开启位置又与雨强为线性关系。其次假设；
实验要求雨强为y0，
现场无线自计雨量计的当前实际雨强平均值，简称当前雨强为yx，
其相应流量调节阀当前位置的驱动电流值，简称当前驱动电流为ix，
流量调节阀最大流量变化值相应的驱动电流变化值为imax，
流量调节阀最大流量变化值相应的雨强变化为ymax，
y0相应的流量调节阀驱动电流为ix0。
则应有如下公式成立
（yx- y0）/ymax=（ix- ix0）/imax
ix0= ix -imax*（yx- y0）/ymax
求得设定（目标）雨强相应流量调节阀驱动电流推算值为ix0。以分十步逐步逼近设定雨强计算，则在流量调节阀当前基础上调节步长为：
（ix- ix0）/10
当完成此步长调节，并经消除系统滞后延时后再以当时应流量调节阀当前位置的驱动电流值为ix反复重复上述调节过程直至降雨结束。算法子程序软件流程框图为：
人工模拟降雨器
 图. 闭环反馈逼近控制算法框
评价：  这种新型闭环反馈逼近控制算法可在任意降雨控制状态下启动控制算法，即可在自动控制与手动操作之间随时任意切换。在考虑调控贯性的情况下，ix- ix0= imax*（yx- y0）/ymax，当前雨强yx与实验要求雨强y0差异较大时，流量调节阀逼近实验要求雨强y0的调节步长（ix-ix0）/10也大，下次再以新的当前雨强yx逼近实验要求雨强y0，当yx与y0越接近，反复逼近调节步长越越小，这样不但调控速度快而且y0控制平稳。
现场传感器/执行器设置：依据大厅管路结构，现场传感器/执行器设置布局图如下：
图中v1为流量调节阀，p1为压力传感器，z1、z2、z3、z4为自计雨量计，k1、k2、k3开关阀。下喷区分别由3套不同大小的喷头管路系统组合叠加而成。它支持三种工作模式：
1、 纯手动控制模式：参考控制台显示管道压力，通过手动调节控制台上的旋纽控制不同雨强。
2、 计算机监测模式：通过手动调节控制台上的旋纽控制不同雨强，同时计算机显示当前降雨强度，管道压力、阀门状态等。
3、 计算机控制模式：设置降雨曲线后，由计算机调控、显示全部降雨过程。
评价：  该方法采用的传感器/执行器为目前主流器动调节器件，质量成熟可靠，此方案使用传感数量较少，可直接适合于各种降雨控制系统。
四、降雨自动控制系统硬件原理
该降雨自动控制系统为全计算机自动控制。可从当前点闭环反馈逼近控自动控制降雨过程。所有传感器/执行器与控制器间均为即插即用方式。降雨自动控制系统硬件结构图如下：
评价：采用主流传感器及工控技术，产品质量及理论原理可靠，硬件系统具有普遍自适应功能，全部传感器在最大数量内可任意插拔选择。数据采集、转换、驱动采用一小型工控机专门完成，与控制pc机串口通讯，这样一旦控制pc机染毒或损坏，任意更换一台pc机，安装控制软件后即可控制降雨。
降雨自动控制系统软件原理：该系统采用全开放式中文菜单操作软件系统，现场选择参数、系统滞后校正延时、流量调节阀/自计雨量计特性参数、降雨过程曲线等可在降雨过程中随时重新修正。该软件具有系统调试子菜单，它只在人工调节极值雨强ymax时显示流量调节阀驱动电流极值imax，可方便得到闭环反馈逼近控制算法参数。该软件还具有可显示各个雨量计、平均值，设定值的过程曲线、实时监测结果数显，设定参数辅助提示，异常情况关泵、结果文本输出等功能。流程框图如下：
雨强表示为雨强xxx.x，降雨结束到计时xxxxx秒。每字10*10厘米
评价： 该系统软件采用全开放式设计，开关状态、降雨区设置、雨量计设置等现场参数可依据实际情况自由设置，以适应于各种不同降雨区。现场条件参数、测量结果实时数显，过程曲线显示。软件可在任意情况下转入自动控制状态，即手动控制可任意中断插入控制过程。实验结果可多种方式文本输出。
技术指标
1、 可直接使用于任何降雨区控制。
2、 调节时间3、 稳态误差4、 控制降雨雨强变化范围5---100mm/h。
5、 最大连续降雨时间99999秒。
人工模拟降雨器
五、人工降雨模拟控制系统说明书
用途及使用范围
本系统主要用于模拟降雨实验，雨量的测量和降雨雨强的控制。系统可将雨量计的模拟信号转换为数字量，以数字形式显示当前雨量。
系统适用于模拟降雨大厅等环境实验室。
主要技术指标
1、雨量筒承雨口内径：                     φ200
2、雨量筒分辨力：                         0.5mm
3、雨量计工作电压：                       dc5v
4、主控制器工作电压：                     ac220v  50hz
5、显示屏工作电压：                       dc24v
6、信号采集器工作电压：                   dc24v
7、传感器通讯方式：                       有线
8、各板卡间通讯方式：                     rs485
9、上位机与下位机通讯方式：               rs232
10、降雨区阀门控制：                      4~20ma dc
系统组成
本系统由主控制器、信号采集器、显示屏、计算机组成。
   主控制器的组成：主控制器外部由机箱，总电源开关，显示屏电源开关，气泵、水泵、备泵、小水泵开关，下喷1—8区选择开关，下喷区、侧喷ⅰ区、侧喷ⅱ区自动手动选择开关，下喷区、侧喷ⅰ区、侧喷ⅱ区阀门开度手动调节钮，下喷区、侧喷ⅰ区、侧喷ⅱ区阀门开度表，下喷区、侧喷ⅰ区、侧喷ⅱ区压力表组成。
主控制器内部由开关电源，电源板，压力控制板，开度控制板，自动关泵控制板，继电器组接线端子组成。
信号采集器由主控板，信号接收板，显示板，外控板组成。
成套设备：
   主控制器                                      1台
   数据采集器                                    1台
   雨量计                                        4只
   雨量筒                                        4只
   电源线                                        1根
   串口线                                        1根
系统功能
主控制器的主要功能：
1、 用数字量显示现场管道的压力及降雨区阀门的开度。
2、 手动调节降雨区阀门的开度。
3、 手动及自动控制的选择。
4、 显示屏电源的开关。
5、 气泵、水泵、备泵、小水泵的开、关。
6、 下喷1—8区阀门的选择。
7、 自动控制气泵、水泵、备泵、小水泵关泵。
信号采集器的主要功能：
1、组织协调各板卡之间的通讯，数据经处理上传给计算机。
2、将接收到的雨强计的开关量信号转换成数字信号。
上位机软件部分的主要功能：
1、 232参数键，是用来选择计算机端口、波特率、及字节宽度等。
2、 接收数据键，按此键进入自动控制界面。
3、 查询键，是用来调出以前的实验记录数据。
4、 阀门标定键，用来选择及标定降雨1、2、3区各阀门的参数。
5、 导入文件键，可将以前保存的数据文件调出。
6、 导出文件键，可将本次实验的数据文件保存到预想的路径。
7、 打印键，可直接打印本次实验的雨强曲线图。
8、 退出键，结束实验时按此键退出。
9、 启动键，一切准备就绪后，按此键启动软件。
10、 运行键，按运行键后，系统进入自动工作状态。
11、 结束键，实验过程中如要中断实验可按此键。
12、 设定采样总时间，在此处可输入需要降雨的时间，时间以秒为单位。
13、 设定数据采样周期，可设定数据采样一次所间隔的时间（采样周期一般不小于20秒）。
14、 设定期望降雨雨强，自动控制部分会计算出4个雨量筒的平均雨强，并和设定的期望雨强做比较自动调节降雨区阀门的开度。
15、 倒计时，显示剩余的降雨时间。
16、 接收指示，显示数据接收的状态。
17、 人工阀门选择，选择已标定的要使用的阀门。
18、 开度控制选择，用来选择降雨区。
19、 设定调整周期，自动控制时调整阀门开度的周期（调整周期一般不小于20秒）。
20、 人工调整幅度，在对自动开度调节不满意时，可人工输入自己的开度。
21、 自动步长，是指自动控制时每次调节开度的百分比，步长越大每次调节的开度越大。
22、 雨强曲线图，用5种颜色分别表示4个雨量筒的雨强和平均雨强。
使用说明
1、 降雨前，先将雨量筒放置在需要测量雨强的位置，并打开雨量计电源开关。
2、 打开主控制器电源，并打开显示屏电源，将要选择降雨区的阀门开度控制拨到自动。
3、 进入计算机控制软件界面，选择阀门标定，设定好要使用的阀门并保存。然后选择数据接收，进入自动控制软件界面。
4、 键入本次实验数据要保存的文件名，选择好已标定的阀门、降雨区，设定本次实验的时间、期望雨强，设置好采样周期、调整周期、自动步长等。
5、 打开气泵，等气泵压力到2.5mp时，再打开水泵。
6、 启动并运行上位机软件，这时系统进入自动控制状态。
7、 倒计时开始显示剩余降雨时间，接收指示显示接收状态。
8、 压力表和开度表分别显示降雨区的管道压力和阀门开度。
9、 计算机会根据当前的平均雨强和设定的期望雨强做比较，当平均雨强大于期望雨强时，系统自动关小降雨区阀门开度，反之，则开大降雨区阀门开度。
10、 当倒计时结束时，系统会自动关掉水泵，延时10秒后自动关掉气泵。
11、 如果将主控制器上的开度控制选择在手动控制方式，降雨区开度则不受自动控制的调节。
12、 如在实验过程中，想终止实验，可按结束键，这时系统仍然会自动关闭水泵，延时10秒后关闭气泵。
13、 实验结束后，应先退出上位机软件，然后再关闭显示屏电源和主控制器电源，最后关闭4个雨量计电源。
注意事项
1、 放置雨量筒时，应水平放置。
2、 如果接收不到某个雨量计的数据，应检查这个雨量计的电源是否打开或电池是否有电。
3、 上位机软件数据接收不正常时，应检查主控制器电源是否打开，或者232通讯线是否松动。
4、 实验结束后，应将4个雨量计的电源关闭，防止电池电量耗尽。

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张良柱
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