楊媛媛

(貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 凱里 556000)

0 引言

隨著農(nóng)田灌溉技術(shù)的不斷進(jìn)步,新型化、智能化的機械設(shè)備相應(yīng)投入其中,不間斷地持續(xù)電源供應(yīng)可保證智能灌溉設(shè)備的平穩(wěn)高效進(jìn)行。圖1為某農(nóng)田灌溉系統(tǒng)現(xiàn)場作業(yè)場景圖。由圖1可知：大型的灌溉組件在智能發(fā)電系統(tǒng)的支持下進(jìn)行連續(xù)均勻灌溉,整體的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)通過供水系統(tǒng)的配合,加之土壤變送器等設(shè)施的實施監(jiān)測,控制各灌溉回路的出水量,最終達(dá)到預(yù)先設(shè)定的土壤濕度目標(biāo)值,實現(xiàn)自動灌溉。依據(jù)當(dāng)前智能發(fā)電的技術(shù)原理,對應(yīng)用于灌溉系統(tǒng)的發(fā)電裝置進(jìn)行了分析。

1 智能發(fā)電原理及組成

農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的智能發(fā)電系統(tǒng)原理：整體運行機構(gòu)由機組控制系統(tǒng)向變流器的控制單元、執(zhí)行動作單元及并網(wǎng)控制單元發(fā)出控制信號,經(jīng)電子回路到達(dá)各變壓組件及PMSG組件,進(jìn)行電力電子變流和變壓,當(dāng)條件超過閾值范圍,會從PMSG組件反饋至機組控制系統(tǒng),進(jìn)行調(diào)節(jié)發(fā)電。

農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的智能發(fā)電系統(tǒng)核心組件主要包含PMSG、電機側(cè)轉(zhuǎn)換器、電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器,以及信息采集與隔離電路等,在各組件的合理連接與布置下構(gòu)成具有高效輸送功能的智能發(fā)電裝置,如表1所示。其中,電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器主要實現(xiàn)輸出各功率的耦合控制,電機側(cè)轉(zhuǎn)換器主要實現(xiàn)減小發(fā)電系統(tǒng)原動機的轉(zhuǎn)矩消耗,使得智能發(fā)電系統(tǒng)在最佳的效率下運作。

表1 農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的智能發(fā)電系統(tǒng)核心組件Table 1 Core components of intelligent power generation systems for farmland irrigation systems

2 智能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

以農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的智能發(fā)電結(jié)構(gòu)及原理為基礎(chǔ),根據(jù)圖2所示的發(fā)電系統(tǒng)繞組坐標(biāo)系示意圖,設(shè)q與d、α與β坐標(biāo)下的繞組匝數(shù)相同,經(jīng)數(shù)據(jù)處理,得出定子電壓方程為

(1)

式中usd—d軸電壓分量;

usq—q軸電壓分量;

isd—d軸電流分量;

isq—q軸電流分量;

Rs—定子電阻;

Ld—定子d軸自感;

Lq—定子q軸自感;

ω—轉(zhuǎn)子角速度;

ψ—轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈值。

推導(dǎo)出智能發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩與功率關(guān)系,即

Te=p[ψisq+(Ld-Lq)isdisq]

(2)

(3)

Pe=Teω

(4)

式中p—發(fā)電系統(tǒng)電機的極對數(shù);

Pe—發(fā)電系統(tǒng)電機的電磁功率;

PI—發(fā)電系統(tǒng)電機的輸入功率;

PO—發(fā)電系統(tǒng)電機的輸出功率;

pFe—發(fā)電系統(tǒng)電機的鐵損耗;

pm—發(fā)電系統(tǒng)電機的機械損耗;

pcus—發(fā)電系統(tǒng)電機的銅損耗;

Te—發(fā)電系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩。

同時,該農(nóng)田灌溉的智能發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)平衡方程為

(5)

式中x′—執(zhí)行部件位移;

fe′—發(fā)電系統(tǒng)電磁力;

p′—聲波壓力;

M—次級質(zhì)量;

γ—機械阻尼;

k—彈簧勁度系數(shù);

r—發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)阻;

R—負(fù)載電阻;

X—初級線圈繞組電抗。

圖2 農(nóng)田灌溉發(fā)電系統(tǒng)繞組坐標(biāo)系Fig.2 Winding coordinate system with the irrigation power generation system

2.2 系統(tǒng)硬件優(yōu)化

進(jìn)行農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的智能發(fā)電裝置硬件設(shè)計,如圖3所示。將土壤濕度傳感器、pH傳感器及EC濕度傳感器等多種傳感裝置安裝在智能發(fā)電系統(tǒng)合理的位置,經(jīng)多路信號識別處理后到達(dá)發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路,最終輸送到核心處理控制單元;控制中心與計算機控制接口進(jìn)行高度銜接,完成數(shù)據(jù)共享。另一方面,核心處理單元融合灌溉發(fā)電系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換電路的內(nèi)容,經(jīng)處理后分別傳遞給顯示監(jiān)控單元和關(guān)鍵管路的電磁閥控制裝置,各類硬件設(shè)置形成良好的通信回路和體系。

圖3 農(nóng)田灌溉智能發(fā)電系統(tǒng)硬件設(shè)計圖Fig.3 Schematic diagram of hardware design of intelligent power generation system for the farmland irrigation

針對智能發(fā)電系統(tǒng)的核心裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,其主要結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。設(shè)計性能良好的農(nóng)田灌溉智能發(fā)電系統(tǒng),發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)成尤為重要。當(dāng)直線發(fā)電機工作,推動活塞進(jìn)行往復(fù)運動,此時諧振管、慣性管的內(nèi)部體積發(fā)生變化,從而影響反饋管進(jìn)行反饋,緩沖罐亦做出相應(yīng)的動作反應(yīng)。

1.反饋管 2.緩沖管 3.慣性管 4.諧振管 5.直線發(fā)電機 6.諧振彈簧 7.活塞 8.負(fù)載阻抗圖4 農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的發(fā)電核心裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Schematic diagram of the power generation core device of the farmland irrigation system

2.3 系統(tǒng)軟件控制

針對該智能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行軟件程序設(shè)計,采用模塊化控制,根據(jù)功能需求的不同,劃分為主程序、中斷服務(wù)、子模塊控制及通信程序等。主程序主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)變量和系統(tǒng)初始化的設(shè)置、儲存變量,以及針對通用的等待與中斷進(jìn)行服務(wù)等;子模塊控制是實質(zhì)作業(yè)的裝置,將電網(wǎng)側(cè)的變換器控制與電機側(cè)的變換器控制實現(xiàn)有序配合。當(dāng)農(nóng)田給出土壤濕度及pH等測量指標(biāo)符合要求時,該智能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行定時自主中斷,實現(xiàn)無人智能化灌溉。此處給出控制程序片段：

#define ADDRESS 0×01

…

sbit tr=P1.6;

void sevice-scrial(void) interrupt 6 using 1

{

uchar rs;

RI=0;

ES=0;

tr=0;

rs=SBUF;

if(rs=0×ff)

{

SM2=1;

ES=1;

return;

}

…

tr=1;

SBUF=ADDRESS;

while(TI=0);

TI=0;

tr=0;

…

}

針對灌溉發(fā)電系統(tǒng)的核心程序算法的變量進(jìn)行規(guī)則設(shè)置(見表2),依據(jù)控制算法分割規(guī)則及隸屬函數(shù)的要求,選取0.5為算法語言變量E的劃分單元,定義出對應(yīng)的語音值,分別為正大PL、正小PS、零值ZE、負(fù)小NS和負(fù)大NL,從而在語言程序的控制下,進(jìn)行智能發(fā)電灌溉動作。

表2 灌溉發(fā)電系統(tǒng)核心程序算法變量設(shè)置規(guī)則表Table 2 Algorithm variable setting rule table of the core procedures for the irrigation power generation system

3 灌溉智能發(fā)電試驗

3.1 系統(tǒng)配置

進(jìn)行農(nóng)田灌溉系統(tǒng)智能發(fā)電設(shè)計試驗,首先進(jìn)行智能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)配置,具體參數(shù)值如表3所示。發(fā)電裝置本體的參數(shù)符合相關(guān)要求后,為實現(xiàn)通信的準(zhǔn)確迅速,選定物理層通信協(xié)議屬性,設(shè)置如圖5所示的智能發(fā)電系統(tǒng)通信協(xié)議執(zhí)行流程圖,主要針對接收數(shù)據(jù)的判定、發(fā)送及延時等相關(guān)動作進(jìn)行控制。

圖6為此次智能發(fā)電試驗的裝置布置示意圖。土壤濕度是進(jìn)行農(nóng)田智能灌溉的指示性標(biāo)志,選取1#、2#兩個地塊,首先通過土壤墑情的實時信息采集,經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)控制及GPRS處理控制器進(jìn)行裝置運行情況的準(zhǔn)確把控,智能發(fā)電系統(tǒng)的電路暢通與通訊環(huán)節(jié)保證實現(xiàn)智能發(fā)電灌溉的中心控制。

表3 農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的智能發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)配置Table 3 Parameters configuration of intelligent power generation systems for farmland irrigation systems

圖5 智能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計通訊協(xié)議執(zhí)行圖Fig.5 Designed communication protocol execution diagram of the intelligent power generation system

圖6 農(nóng)田灌溉系統(tǒng)設(shè)計試驗裝置布置Fig.6 Experimental device layout for the design on the farmland irrigation system

3.2 過程分析

通過數(shù)據(jù)處理后,給出圖7 所示的發(fā)電裝置關(guān)鍵部件處的影響表征對比圖。選取工作部件(水輪機)的動力響應(yīng)來反饋發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計效果,對下導(dǎo)軸承和轉(zhuǎn)輪部位進(jìn)行參數(shù)對比,以位移、頻率f、旋轉(zhuǎn)角速度Ω及橫振速度(dX3/ dT、dX5/ dT)之間的關(guān)系為出發(fā)點,得到軸心軌跡、頻譜及龐加萊分布狀態(tài)。其中,X3、X5、Y3、Y5分別表示下導(dǎo)軸承和轉(zhuǎn)輪在X、Y方向上的位移。軸心軌跡圖表明,轉(zhuǎn)輪處呈現(xiàn)出不規(guī)則的狀態(tài),且橫振速度與位移的關(guān)系圖呈現(xiàn)出多點,分叉現(xiàn)象明顯。

(a) 軸心軌跡圖 (b) 頻譜圖 (c) 龐加萊圖圖7 發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電裝置關(guān)鍵部件處的影響表征對比圖Fig.7 Influence characterization comparison diagram of the key components of power generation device in power generation system

4 結(jié)論

1) 通過對農(nóng)田灌溉技術(shù)的研究,在了解農(nóng)田灌溉智能發(fā)電機理的基礎(chǔ)上,建立了智能發(fā)電裝置數(shù)學(xué)模型,對智能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行硬件裝置設(shè)計和軟件控制系統(tǒng)設(shè)計,形成較為完善的農(nóng)田灌溉智能發(fā)電系統(tǒng)。

2) 合理布置智能發(fā)電裝置各組件,進(jìn)行農(nóng)田灌溉智能發(fā)電系統(tǒng)的模擬試驗,通過發(fā)電裝置關(guān)鍵部件處影響特征對比,得到運行中灌溉系統(tǒng)可能會受到?jīng)_擊的部位,有利于智能灌溉發(fā)電系統(tǒng)的元件選取及搭配。

3) 此灌溉系統(tǒng)智能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計可有效促進(jìn)農(nóng)田灌溉系統(tǒng)智能改進(jìn)與開發(fā),對類似發(fā)電裝置有一定的參考價值。