英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
Open Journal of Modelling and Simulation , 2013, 1, 14-23
用自动化控制系统和模拟程序测试微型喷灌系统的闭合回路
哈尼· A·曼苏尔、哈尼·M·迈哈纳、穆罕默德·E·哈格雷、Ahmehd·S·哈桑
埃及开罗国家研究中心水利灌溉部农业及生物科
埃及开罗沙漠研究中心水土资源保护署
埃及开罗农业研究中心农业工程研究所灌溉系
电子邮箱：*mansourhani2011@gmail.com
于2013年2月18日收到
于2013年3月25日修订
与2013年4月1日接受
本文版权归哈尼·A·曼苏尔等人所有。本文为发行于the Creative Commons Attribution License的开放文章，允许在任何媒体上任意引用、发布、复制。the Creative Commons Attribution License提供被正确引用的原始工作。
摘要：
美国南伊利诺伊大学农业学院的试验农场进行了田间试验。该项目进行自动化灌溉，当前使用低成本传感器和简单的电路使得该项目成为了低成本的产品。甚至贫穷的农民也能购买该产品。本研究工作最适合那些用水受限和水恐慌的地方。在最优成本下，这项提案是个大规模实现农业现代化的模型。在农业工程领域，使用传感器方法进行灌溉操作是重要的。众所周知，闭式微型喷灌系统是经济有效的。闭式回路是微型喷灌系统的一个修正，而且给微型喷灌系统增加了优势因为它能改善外侧线末端的低工作压力问题。在传统的闭式微型喷灌系统中，农民不得不一直监视着灌溉时间表。而灌溉时间表对于不同的农作物是不一样的。使用这个灌溉系统人们可以节省人力和水资源来提高产量和纯利润。数据可以总结如下：经研究，使用横向长度为60米的灌溉方法时，当预测值和实测水头损失满足CM1M-SIS lt; CM2M-SIS 时，灌溉时间可以按照下面的递增顺序排列。在所有闭式回路设计中，相关系数用来比较预测值和实测水头损失。一般来说，当长度为60米，坡度为0（实验条件）时，对于所有的闭式回路相关分析值gt;0.9。起初，在不同灌溉方式的相互作用下CM2M-SIS 和 CM1M-SIS之间存在着显著差异。
关键词：自动化；控制器；仿真；程序；微型喷灌器；灌溉；横向；闭式；回路。
- 引言
不断增加的食品需求促进了食品生产技术的快速发展。在一个像印度这样的国家，经济主要以农业为基础，气候条件为各向同性，我们仍然不能充分利用农业资源。主要原因是缺乏降雨和土地储水量短缺。从地球上持续取水正在使得水位降低。正因为如此，在联合国灌溉地的土地上，许多土地都在慢慢地自食恶果。另一个非常重要的原因是无计划地使用水，正因为如此才造成大量的水资源浪费。在现代闭式微型喷灌系统中，最重要的优点是水被微型喷灌器供应在植物的根部，由于微型喷灌器的缘故，大量的水得以节省。在当今时代，印度农民一直在通过手动控制使用灌溉技术，通过它，农民可以定期灌溉土地。这个过程有时消耗更多的水，有时候水到得比较晚，所以农作物干枯了。在可见植物萎蔫发生之前，水分缺失对植物有害。轻度缺水以后，植物生长变慢了，果实也变小了。如果我们使用基于闭式微型喷灌系统的自动微控制器，这个问题就可以完美解决。当植物急需水分时，自动微控制器可以进行灌溉。灌溉系统使用阀门控制灌溉与否。这些阀门可以很容易地通过控制器和螺线管实现自动化。自动化的农场或温室灌溉允许农民在合适的时间，使用适量的水，不管有没有人来开关这些阀门。除此之外，使用自动化设备可以让农民减少过分浇灌并且避免在一天中错误的时间浇灌。在需要的时候保证充足的水分和养分这会提高农作物的生命力。在高度专业化的温室蔬菜生产中，自动化闭式微型喷灌系统是一种精确控制土壤水分的重要工具，而且它是一种简单、精确的灌溉方法，同时帮助人们节省时间，免除在调节土壤水分含量时的人为错误，最大限度地获得净利润。
整个自动化工作分为两个部分，首先是深入研究灌溉系统的基本组成，然后是设计并实现控制电路。所以，我们首先要理解一些关于闭式微型喷灌系统基本的框架。如图1
图1 微型喷灌系统
-
- 灌溉的定义
灌溉通常是为了帮助农作物生长人工向土壤施水。在作物生产中，它主要用于干旱地区和降雨短缺时期同时保护植物免受霜冻。
-
- 灌溉的类型
地表灌溉、局部灌溉（滴灌、微型喷灌、喷灌等）、闭式微型喷灌系统、喷灌。
闭式微型喷灌系统也被称为小型喷灌系统或者微灌溉，无论是在土壤表面或直接在根部，通过阀门、管道、管材和发射器的网络对植物的根部缓慢地浇水，它是一种最大限度地减少水和肥料的使用的喷灌方法。
1.3 现代灌溉系统的观念
传统灌溉方法比如高空喷灌、洪水型灌溉系统通常只浇到植物的根茎和底部的叶片。整个土壤表面水分处于饱和状态，并且在灌溉完成很久以后仍旧保持湿润。这种情况促使了真菌感染。洪水型灌溉的方法消耗了大量的水，但是农作物之间的土壤仍然保持干燥，只能从偶尔的降雨中获得水分。
与之相反，微型喷灌器或者闭式微型喷灌系统是一种现代灌溉技术，它慢慢地将少量的水浇灌到植物根部的一部分。闭式滴灌系统由埃及研究人员哈尼·曼苏尔在2010年的论文中发明。为了保持良好的土壤水分状况，适当使用水资源缓解植物的水压力，所以要经常性浇水。
闭式微型喷灌系统节水，因为只有植物的根部接收到水分。如果提供适量的水，则只有少数水分渗漏到深层。由于可以在减少供水和劳动的同时提高产量，闭式微型喷灌系统很流行。闭式滴灌系统只需要喷灌或地表灌溉所需水量的一半。较低的水压和水流量降低了能源成本。可以实现更高程度的水控制。可以给植物提供更精确的水量。由于植物叶子保持了干燥，所以病虫害也减少了。经营成本通常是减少的。灌溉过程可以连续，因为每排植物之间的间隙都保持着干燥。通过这种类型的灌溉系统，肥料可以使用。这能导致减少化肥的使用和减少化肥成本。与架空喷灌系统相比，闭式微型喷灌系统造成的水土流失更少。闭式微型喷灌系统能够广泛应用于田间。典型的闭式滴灌系统结构见如下图2、图3.
图2 外侧线单管闭式微型喷灌系统布局图
图3 外侧线双管闭式微型喷灌系统布局图
本研究的目的是为农业产业设计并模拟一种新的水利现代化建设的解决方案。
2. 材料和方法
美国南伊利诺伊大学农业学院的试验农场进行了田间试验。田间试验设计的是随机分组，每组三个重复。用线长度60m进行田间实验。以下引用外侧线单管闭式微型喷灌系统和外侧线双管闭式微型喷灌系统如图2、图3.
灌溉网络包括以下构成部分：
- 控制头：它位于水源供应处。它由离心式水泵（由电动发动机驱动，输出80立方米/小时，提升40米）、砂滤料过滤器（双罐）、滤网过滤器（12目）、反流预防装置、压力调节器、压力表、流量计、控制阀、化学物质喷嘴组成；
- 主线：直径75毫米的PVC管用来将水从源头传递到田间的主要控制点；
- 子干线：直径75毫米的PVC管通过一个包含两个球阀和压力表的控制单元被连接到主线；
- 流形线：直径50毫米的PVC管通过控制阀连接到分主线；
- 外侧线：直径25毫米的聚乙烯管连接到歧管网络的开头部分；
- 微型喷头：间隔50厘米，在工作压力为1个大气压下这些在线的直径25毫米的聚乙烯管微型喷头每小时流量为12升；
闭式微型喷灌系统的组成部分包括：供应线、控制阀、供应及回流管、微型喷头外侧线、发射部分、止回阀和空气减压阀/真空断路器。
2.1. 灌溉调度
白天灌溉的时间间隔使用如下公式计算：
I = d/Etc （1）
d是每次灌溉使用的净水深度（毫米），Etc是作物蒸发蒸腾量（毫米每天）。
d = AMD·ASW·Rd·P
AMD是允许土壤水分消耗（%），ASW是土壤可用水（毫米水/每米深），Rd是有效根区深度（米），或者灌溉深度（米），P是土壤湿润区百分比（%）。
AW (v/v %) = ASW (w/w % )·B.D.
B.D.是土壤容重（GM·立方厘米）。
在闭式微型喷灌系统下灌溉间隔是4天。
基于闭式微型喷灌系统的自动化控制器设计：
设计机械模型时应考虑的关键因素：
压力（流量推力）：大多数产品在1和1.5巴之间的压力下操作最好，正常家庭压力为10米（1巴）。
供水和质量：对于闭式微型喷灌系统来说自来水和井水很容易过滤。池塘、沟渠和一些井水都有特殊的过滤需求。水的质量和来源将决定系统所需的类型。
流量：用一个一或五加仑的桶和一个计时表我们可以测量你的供水量。计时用多长时间来填满这个桶，然后使用测得的这个数字计算每小时可获得多少水。加仑每分钟times;60 =每小时加仑数。
海拔：随着海拔的变化，可以引起在系统内的水压力变化。每2.3英尺的高度变化引起一磅的压力变化。设计压力补偿发射器用在海拔变化程度很大的地区。
土壤类型和根系结构：土壤类型将决定一个标准的微型喷灌器在某处如何分布。由于水在垂直方向比在水平方向渗透速率快，所以沙质土壤需要更近的发射间距。在粘性土壤里水倾向于横向扩散，提供了广泛分布的格局。在粘土里，发射器可以分布得更广一些。肥沃的土壤下，水会渗透扩散得更广一些。深根植物可以适应更宽间距的发射器而发射器间隔紧密时浅根植物的浇灌效率更高（低间隙发射器）。在粘土里或山坡上，短周期重复频率工作最佳。在沙质土壤里，使用高间隙发射器比用低间隙发射器可以更好的使水沿着水平方向扩散。
定时：按时定期浇水是必不可少的。在粘土里或山坡上，短周期重复频繁的浇灌，以防止径流，侵蚀和浪费水。在沙质土壤里，建议使用低输出发射器慢慢浇灌。计时器有助于防止过多干燥、过湿的循环，这些循环对植物产生压力妨碍植物的生长。他们也允许在最佳时间浇水，如清晨或深夜。
浇灌需求：不同需水量的植物可能需要他们自己的灌溉回路。例如，每周需要浇灌的果园和每天需要浇灌的花园需要的是不同的灌溉回路。耐旱的植物和需要大量的水的植物的灌溉需求不一样。
基于闭式微型喷灌系统的自动化控制器单元的组成部分如下：
（A）控制头，（B）流量表，（C）控制，冲洗阀，（D）化学注入装置（施肥单元），（E）带发射器的歧管和微型喷灌器，（F）湿度和温度传感器，（G）自动化控制器（系统的大脑）。
由传感器发送的信号被相应的放大器放大到所需的水平。然后，被放大的信号被馈送到所要求的分辨率的模/数转换器，以获得可供自动控制器使用的数字形式的传感信号。
传感器：液晶模块可用于系统中用于监测所有传感器的电流读数和各阀的当前状态。电磁阀是由一个自动化控制器通过继电器控制。当需要时，化学注入装置用于用水混合所需要数量的肥料、农药和营养物质。变速水泵电机可控制水压，利用自动控制器单元的脉宽调制输出可实现。流量表用于分析总体耗水量。通过自动化控制器单元的串行端口，所需的读数可以被转移到集中的计算机进行进一步的分析研究。大范围应用自动化，多个这样的自动化控制器可以连接到中央计算机，自动化控制单元有内置的定时器，使得传感系统并行工作。在传感器故障的情况下，经过阈值时间后，定
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[148764]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
