适于非方形田块的平移式喷灌机尾枪变量喷洒装置及方法

本发明属于农业节水灌溉，具体涉及适于非方形田块的平移式喷灌机尾枪变量喷洒装置，还涉及适于非方形田块的平移式喷灌机尾枪变量喷洒方法。

背景技术：

1、平移式喷灌机是一种便于机械化运行，自动化水平高的现代高效节水灌溉装备，融合自动控制、精准导航等先进技术，具有节水省工高效等显著优点，是农业灌溉节水化发展和促进粮食产能提升的重要支撑装备，在我国以及国际市场中得到越来越广泛的应用。

2、根据控制灌溉地块的面积，平移式喷灌机选择不同的跨体长度和跨数，总跨度从几十米到数百米不等。机组在行进过程中可采用gps或北斗卫星导航、地沟导航、钢索导航等不同类型导航技术，保障机组行进中沿直线行走，因此平移式喷灌机的喷洒区域形状一般为方形。

3、平移式喷灌机采用的喷头类型一般为低压折射式喷头，包括固定式喷灌、旋转式喷灌以及振荡式喷盘等不同类型。实际运行中，为了提高机组的控制面积，提高机组运行效率，常常在机组两端增加尾枪。为使尾枪具有较大流量和喷洒射程，尾枪工作压力一般远高于低压折射式喷头，需配备增压泵对管道水二次加压。由于尾枪运行时工作压力和射程均保持恒定，机组喷洒控制区域仍为方形。

4、受田边公路或田间道路规划时经常存在倾斜的影响，田块划分时经常出现梯形等非方形的田块，此时采用平移式喷灌机喷洒作业无法实现田块的喷洒全覆盖，在地块单侧或两侧易出现漏喷区域。为解决上述问题实现全域喷洒，需采用变量喷洒技术。

5、当前移动式喷灌变量喷洒技术主要针对中部的低压折射式喷头，采用电磁阀控制喷头的开启或关闭，或者采用电动阀调节不同的阀门开度，从而进行灌水量的控制，申请号为201811319461.x的中国发明专利公开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，提出根据pwm电磁阀的最佳占空比控制范围将喷头分组，并计算满足流量需求时每组喷头所用喷嘴大小，以达到移动式精准喷洒目标；申请号为201510266836.0的中国发明专利公开了一种基于大型喷灌机的变量灌溉控制方法、装置及系统，提出一种自动识别分区并调整喷头工作数量或改变喷水量，实现分区喷灌的变量灌溉技术。但上述专利的实施均针对于移动式喷灌机械主跨体上的低压折射式喷头进行调控，但当平移式喷灌机面向梯形田块等非方形田块喷洒作业时仍存在末端漏喷的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供适于非方形田块的平移式喷灌机尾枪变量喷洒装置，解决了平移式喷灌机面向梯形田块等非方形田块喷洒作业时存在末端漏喷的问题。

2、本发明的另一目的是提供适于非方形田块的平移式喷灌机尾枪变量喷洒方法。

3、本发明所采用的技术方案是，适于非方形田块的平移式喷灌机尾枪变量喷洒装置，包括供水干管，供水干管与供水支管的一端连接，供水支管的另一端与尾枪连接，供水支管上且靠近供水干管的一端设置有电动阀门，供水支管上且靠近尾枪的一端设置有交流增压泵，交流增压泵连接有变频器，变频器连接有plc控制器，plc控制器、电动阀门均与交互控制端连接。

4、本发明所采用的另一技术方案是，适于非方形田块的平移式喷灌机尾枪变量喷洒方法，采用适于非方形田块的平移式喷灌机尾枪变量喷洒装置，具体按照以下步骤实施：

5、步骤1，确定尾枪的工作压力分别与流量、射程的关系；

6、步骤2，根据控制喷洒地块的形状，以尾枪工作压力不低于0.2mpa为基准，获取尾枪射程的最大值和最小值；

7、步骤3，建立交流增压泵的电机供电频率和尾枪射程之间的关系，并确定移动喷洒过程中电机供电频率随时间的变化规律；

8、步骤4，获取尾枪的喷洒总水量与平均喷灌强度，确定尾枪的喷嘴直径；

9、步骤5，优化尾枪喷洒域内的水量分布。

10、本发明的特点还在于，

11、步骤1的具体过程为：

12、根据尾枪的型号及喷嘴直径，从尾枪的产品手册或者通过实测确定出该尾枪在不同工作压力下的流量，拟合出尾枪的工作压力与流量关系式：

13、q＝h(p)(1)

14、式(1)中，q为尾枪的流量，p为尾枪的工作压力；

15、根据尾枪的型号、喷嘴直径以及尾枪在平移式喷灌机末端的安装高度，通过实测确定出该尾枪在不同工作压力下的射程，建立尾的工作压力与射程关系式：

16、r＝g(p)  (2)

17、式(2)中，r为尾枪的射程，p为尾枪的工作压力。

18、步骤2的具体过程为：

19、假设喷洒地块存在两条相互平行且长度不同的边，其中长边为b1，短边为b2，尾枪所在内跨的跨长为l；

20、则尾枪的射程最大值r1为：

21、r1＝b1-l  (3)

22、则尾枪的射程最小值r2为：

23、r2＝b2-l  (4)

24、将射程最大值r1代入公式(2)中，得到射程最大值r1对应的工作压力p1；将射程最小值r2代入公式(2)中，得到射程最小值r2对应的工作压力p2，p2＞0.2mpa；

25、若得到的工作压力p2＜0.2mpa时，调整尾枪所在内跨的跨长为l-δl，其中δl初取值为1m，以1m为步进间隔，则此时射程最小值r2’＝b2-l+δl，直至射程最小值r2’对应的工作压力p2’大于0.2mpa，从而得到调整后的尾枪所在内跨的跨长，代入公式(3)和公式(4)中，即可得到尾枪的射程最大值和最小值。

26、步骤3的具体过程为：

27、对于交流异步电机，供电频率和电机转速的关系如下：

28、

29、式(5)中，n为电机转速，f为供电频率，p为电机的极对数，s为交流异步电机的转差率，其中p和s均为定值且已知；

30、通过实测的方式确定交流异步电机供电频率和尾枪的工作压力之间的关系，即：

31、f＝y(p)(6)

32、式(6)中，f为供电频率，p为尾枪的工作压力；

33、结合公式(2)，得到交流异步电机供电频率和尾枪的射程关系式，即：

34、f＝j(r)(7)

35、将步骤2得到的尾枪射程的最大值和最小值分别代入到公式(7)中，得到尾枪射程的最大值对应的供电频率f1、尾枪射程的最大值对应的供电频率f2，则交流异步电机供电频率f的变化区间为(f1，f2)；

36、默认随平移式喷灌机在田间的行进，交流异步电机供电频率f呈线性变化规律，当平移式喷灌机由喷洒地块的长边向短边行进，交流异步电机供电频率f随时间的变化规律为：

37、

38、式(8)中，v为平移式喷灌机行进速度，d为平移式喷灌机在行进方向移动的总距离，t为平移式喷灌机的行进时间；

39、当平移式喷灌机由喷洒地块的短边向长边行进，交流异步电机供电频率f随时间的变化规律为：

40、

41、步骤4的具体过程为：

42、根据移动喷洒过程中电机供电频率随时间的变化规律以及公式(6)，得到尾枪的工作压力随时间的变化规律，再结合公式(1)，得到尾枪的流量随时间的变化规律，即：

43、q＝w(t)(10)

44、则尾枪的喷洒总水量为：

45、

46、尾枪的喷洒域内的平均喷灌强度为：

47、

48、式(12)中，s尾为尾枪(3)应喷洒面积；

49、内跨低压折射式喷头的喷洒总水量为：

50、

51、式(13)中，i为低压折射式喷头的编号，n为低压折射式喷头的总个数，qi为第i个低压折射式喷头的流量；

52、内跨低压折射式喷头喷洒域的平均喷灌强度为：

53、

54、式(14)中，s内跨为内跨低压折射式喷头应喷洒面积；

55、比较与评判选用的尾枪流量与内跨低压折射式喷头流量的匹配度，计算匹配偏差系数δ，则：

56、

57、当-10％<δ<10％时，说明尾枪的流量与内跨低压折射式喷头流量匹配度高，进入步骤5；

58、当δ<-10％时，说明所选尾枪的流量偏小，则需选择直径较目前直径大的喷嘴替换当前喷嘴，重复进行步骤1-4，直至-10％<δ<10％后进入步骤5；

59、当δ>10％时，说明所选尾枪的流量偏大，则需选择直径较目前直径小的喷嘴替换当前喷嘴，重复进行步骤1-4，直至-10％<δ<10％后进入步骤5。

60、步骤5的具体过程为：

61、以平移式喷灌机行进方向上每30m为间距，将尾枪所需喷洒域分为m个单元，每个单元均划分为梯形，对于第j个单元，平移式喷灌机通过该单元前后对应的时间为tj和tj+1，该单元对应梯形的上下底边长分别为rj和rj+1，则平移式喷灌机通过该单元时尾枪的喷水量vj为：

62、

63、该单元的喷洒总面积aj为：

64、

65、式(17)中，d为沿平移式喷灌机组行进方向的间距距离；

66、则尾枪在第j个单元内的平均喷灌强度为：

67、

68、为使尾枪喷洒域内的水量分布均匀，应使不同单元内的平均喷灌强度与全喷洒域平均喷灌强度一致，计算每一个单元内的流量补偿系数εj：

69、

70、对每个单元内的流量补偿通过调节供水支管上的电动阀门的开度来完成，通过实测获取尾枪不同工作压力与供水支管的过流量之间的关系以及电动阀门的不同开度与供水支管的过流量之间的关系，根据工作压力与过流量的关系、不同开度与过流量的关系，建立流量补偿系数和电动阀门的开度之间的关系，即：

71、ε＝s(ψ)(20)

72、式(20)中，ε为流量补偿系数，ψ为电动阀门的开度；

73、当流量补偿系数ε小于0时减小电动阀门的开度，当流量补偿系数ε大于0时增大电动阀门的开度。

74、本发明的有益效果是：

75、(1)本发明适于非方形田块的平移式喷灌机尾枪变量喷洒方法，基于变频控制实现动态水压喷洒，从而调节尾枪有效喷洒域，使之与地块的轮廓线相匹配，实现梯形等非标准田块的喷洒全覆盖，是对现有平移式喷灌机只能喷洒控制标准方形田块的有效补充；

76、(2)本发明适于非方形田块的平移式喷灌机尾枪变量喷洒方法，尾枪的变量喷洒设计考虑了与内跨低压折射式喷头喷灌强度的匹配性，避免了单一方面喷灌强度过高引起的地表积水或径流，便于平移式喷灌机行进速度的统一调控；

77、(3)本发明平移式喷灌机适于非方形田块的平移式喷灌机尾枪变量喷洒装置，既可以通过本地端控制面板执行相关操作，也可通过云平台和远程控制端(手机、电脑等)实现远程操控，操作方便。