一種利用響應(yīng)面法優(yōu)化垂直搖臂式噴頭工作參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種垂直搖臂式噴頭的工作參數(shù)對(duì)其水力性能影響的分析及優(yōu)化方 法，特別是涉及利用響應(yīng)面法優(yōu)化垂直搖臂式噴頭工作參數(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，發(fā)展節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一項(xiàng)重要國(guó)策。噴灌是一種先 進(jìn)的灌水技術(shù)，它是利用專門(mén)的設(shè)備將有壓水噴射到空中并破碎成水滴，類似天然將水滴 撒落到地面進(jìn)行灌溉。噴頭是實(shí)施噴灌的關(guān)鍵設(shè)備，噴頭的水力性能在很大程度上決定了 噴灌系統(tǒng)的灌溉質(zhì)量。在中高壓噴頭類型中，垂直搖臂式噴頭由于搖臂不直接撞擊噴管，受 力情況較好，且正反轉(zhuǎn)速度一致，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的大中型噴灌機(jī)、大型農(nóng)場(chǎng)和球場(chǎng)草皮 灌溉等。
[0003] 垂直搖臂式噴頭的可調(diào)工作參數(shù)包括工作壓力、噴嘴直徑和配重與旋轉(zhuǎn)中心的距 離三個(gè)因素，現(xiàn)有研究主要是針對(duì)單個(gè)因素對(duì)垂直搖臂式噴頭水力性能的影響，針對(duì)垂直 搖臂式噴頭的工作壓力、噴嘴直徑和配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離三者之間的交互作用對(duì)噴頭水 力性能的影響研究較少。噴頭在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中可以根據(jù)所要求的不同性能指標(biāo)對(duì)其工作 參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于缺少相應(yīng)的調(diào)節(jié)優(yōu)化方法，使用戶在使用過(guò)程中難以確定不同最佳性 能指標(biāo)時(shí)的垂直搖臂式噴頭工作參數(shù)，降低了噴頭的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種利用響應(yīng)面法優(yōu)化垂直搖臂式噴頭工作 參數(shù)的方法。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述的一種利用響應(yīng)面法優(yōu)化垂直搖臂式噴頭工作參數(shù) 的方法，包括以下步驟：
[0006] (1)確定垂直搖臂式噴頭的優(yōu)化的指標(biāo)，所述的指標(biāo)包括噴灌變差系數(shù)、平均噴灌 強(qiáng)度、正方形組合噴灌均勻度、正三角形組合噴灌均勻度;所述指標(biāo)的計(jì)算方法分別為:平 均噴灌強(qiáng)度是指控制面積內(nèi)各點(diǎn)噴灌強(qiáng)度的平均值，計(jì)算公式為：
[0007]
[0008] 式中:Pi為點(diǎn)噴灌強(qiáng)度，mnf1 · h;p為平均噴灌強(qiáng)度，mnf1 · h;n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。
[0009] 噴灌變差系數(shù)主要用來(lái)評(píng)價(jià)單噴頭的水量分布均勻性，由于垂直搖臂式噴頭屬于 中高壓噴頭，具有單噴頭控制的面積較大等特點(diǎn)，時(shí)常出現(xiàn)單噴頭運(yùn)行的場(chǎng)合，故噴灌變差 系數(shù)也為重要考核指標(biāo)，其計(jì)算公式為：
[0010]
Coon] cv的值是均方誤差。在噴灌試驗(yàn)中，由于雨量筒擺放的個(gè)數(shù)有限，根據(jù)概率理論， 均方誤差是估計(jì)某一觀測(cè)系列中存在著的個(gè)別較大的偏差。單噴頭噴灌均勻度越好的噴 頭，Cv值越小。
[0012] 噴灌均勻系數(shù)主要反映水量在噴灌面積上分布的均勻程度，其對(duì)作物的生長(zhǎng)有決 定性的影，是衡量噴灌質(zhì)量的重要指標(biāo)。噴灌均勻系數(shù)用克里斯琴森系數(shù)C u表示，它可以較 好地反映整個(gè)噴灑域水量分布與平均值偏差的情況，公式如下：
[0013]
[0014]
[0015]
[0010]式中：hi為某測(cè)點(diǎn)的噴灑水深，mm; Si為某測(cè)點(diǎn)所代表的面積，mm; η為測(cè)點(diǎn)數(shù);h為噴 灌面積上的平均噴灑水深，mm; I Ah|為每一測(cè)點(diǎn)噴灑水深的平均離差。
[0017] 實(shí)際灌溉應(yīng)用中噴頭多為組合布置灌溉，噴頭的布置方式多以正方形布置和正三 角形布置為主，因此，本文所采用的組合噴灌均勻系數(shù)分為正方形組合噴灌均勻系數(shù)和正 三角形組合噴灌均勻系數(shù)，取噴頭組合間距系數(shù)為1進(jìn)行計(jì)算，組合噴灌均勻系數(shù)的具體數(shù) 值采用Matlab編程根據(jù)單噴頭的水量分布計(jì)算得到。
[0018] (2)確定垂直搖臂式噴頭需要優(yōu)化的工作參數(shù)和取值范圍，并對(duì)其進(jìn)行編碼變 換;所述的工作參數(shù)為工作壓力、噴嘴直徑和配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離;所述的編碼變換為： 在響應(yīng)面設(shè)計(jì)中各結(jié)構(gòu)因素的變化范圍有所不同，某些自變量的范圍差別極其懸殊;為統(tǒng) 一處理的方便，將設(shè)計(jì)參數(shù)的取值作編碼變換，建立起結(jié)構(gòu)因素水平值與編碼的一一對(duì)應(yīng) 關(guān)系;編碼是為了解決量綱不同給設(shè)計(jì)與分析帶來(lái)的麻煩。
[0019] (3)采用中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)(central composite design)確定試驗(yàn)方案，根據(jù)中 心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案完成試驗(yàn)。
[0020] (4)建立響應(yīng)面模型，分析試驗(yàn)結(jié)果;所述的響應(yīng)面模型和分析試驗(yàn)結(jié)果是指將試 驗(yàn)測(cè)試結(jié)果輸入響應(yīng)面軟件De Sign-EXpert8.0.5.0，根據(jù)分析結(jié)果提取回歸多項(xiàng)式系數(shù)， 得到各因素與響應(yīng)值之間的多項(xiàng)關(guān)系式;輸出響應(yīng)面三維圖并判斷各因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影 響情況。
[0021] (5)根據(jù)回歸模型，確定不同最優(yōu)指標(biāo)時(shí)的參數(shù)組合。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是:本發(fā)明優(yōu)于傳統(tǒng)的單因素優(yōu)化方法，比如 單因素優(yōu)化方法這樣無(wú)法確定工作壓力、噴嘴直徑和配重與旋轉(zhuǎn)中心之間的交叉影響。
[0023] 本發(fā)明通過(guò)響應(yīng)面法中心復(fù)合設(shè)計(jì)CCD法確定試驗(yàn)方案，并通過(guò)響應(yīng)面軟件 Design-Expert8.0.5.0分析試驗(yàn)結(jié)果，不僅可以確定各因素對(duì)垂直搖臂式噴頭的不同性能 的影響，還可以確定各因素之間的交叉影響，繼而通過(guò)回歸模型確定最優(yōu)的參數(shù)組合，從而 提高噴頭的工作性能。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明所涉及的垂直搖臂式噴頭三維示意圖。
[0025]圖2是配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和工作壓力對(duì)噴灌變差系數(shù)的影響圖。
[0026]圖3是配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和噴嘴直徑對(duì)噴灌變差系數(shù)的影響圖。
[0027]圖4是工作壓力和噴嘴直徑對(duì)噴灌變差系數(shù)的影響圖。
[0028] 圖5是配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和工作壓力對(duì)平均噴灌強(qiáng)度的影響圖。
[0029] 圖6是配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和噴嘴直徑對(duì)平均噴灌強(qiáng)度的影響圖。
[0030] 圖7是工作壓力和噴嘴直徑對(duì)平均噴灌強(qiáng)度的影響圖。
[0031]圖8是配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和工作壓力對(duì)正方形布置均勻系數(shù)的影響圖。
[0032]圖9是配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和噴嘴直徑對(duì)正方形布置均勻系數(shù)的影響圖。
[0033]圖10是工作壓力和噴嘴直徑對(duì)正方形布置均勻系數(shù)的影響圖。
[0034]圖11是配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和工作壓力對(duì)正三角形布置均勻系數(shù)的影響圖。 [0035]圖12是配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和噴嘴直徑對(duì)正三角形布置均勻系數(shù)的影響圖。 [0036]圖13是工作壓力和噴嘴直徑對(duì)正三角形布置均勻系數(shù)的影響圖。
[0037]圖中：1.底座2.限位裝置3.換向桿4.配重5.搖臂6.換向桿旋轉(zhuǎn)軸7.搖臂轉(zhuǎn) 軸8.噴體9.噴嘴10.導(dǎo)流器。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0039] -種利用響應(yīng)面法優(yōu)化垂直搖臂式噴頭工作參數(shù)的方法，其具體步驟為：
[0040] (1)確定垂直搖臂式噴頭的優(yōu)化的指標(biāo)，所述的指標(biāo)包括噴灌變差系數(shù)、平均噴灌 強(qiáng)度、正方形組合噴灌均勻度、正三角形組合噴灌均勻度;所述指標(biāo)的計(jì)算方法分別為:平 均噴灌強(qiáng)度是指控制面積內(nèi)各點(diǎn)噴灌強(qiáng)度的平均值，計(jì)算公式為：
[0041]
[0042] 式中:Pi為點(diǎn)噴灌強(qiáng)度，mm-1 · h; |3為平均噴灌強(qiáng)度，mm/h;n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。
[0043] 噴灌變差系數(shù)主要用來(lái)評(píng)價(jià)單噴頭的水量分布均勻性，由于垂直搖臂式噴頭屬于 中高壓噴頭，具有單噴頭控制的面積較大等特點(diǎn)，時(shí)常出現(xiàn)單噴頭運(yùn)行的場(chǎng)合，故噴灌變差 系數(shù)也為重要考核指標(biāo)，其計(jì)算公式為：
[0044]
[0045] Cv的值是均方誤差。在噴灌試驗(yàn)中，由于雨量筒擺放的個(gè)數(shù)有限，根據(jù)概率理論， 均方誤差是估計(jì)某一觀測(cè)系列中存在著的個(gè)別較大的偏差。單噴頭噴灌均勻度越好的噴 頭，Cv值越小。
[0046]噴灌均勻系數(shù)主要反映水量在噴灌面積上分布的均勻程度，其對(duì)作物的生長(zhǎng)有決 定性的影，是衡量噴灌質(zhì)量的重要指標(biāo)。噴灌均勻系數(shù)用克里斯琴森系數(shù)Cu表示，它可以較 好地反映整個(gè)噴灑域水量分布與平均值偏差的情況，公式如下：
[0047]
[0048]
[0049]
[0050 ]式中：h i為某測(cè)點(diǎn)的噴灑水深，mm; S i為某測(cè)點(diǎn)所代表的面積，mm; η為測(cè)點(diǎn)數(shù)。h為 噴灌面積上的平均噴灑水深，mm; I Ah|為每一測(cè)點(diǎn)噴灑水深的平均離差。
[0051] 實(shí)際灌溉應(yīng)用中噴頭多為組合布置灌溉，噴頭的布置方式多以正方形布置和正三 角形布置為主，因此，本文所采用的組合噴灌均勻系數(shù)分為正方形組合噴灌均勻系數(shù)和正 三角形組合噴灌均勻系數(shù)，取噴頭組合間距系數(shù)為1進(jìn)行計(jì)算，組合噴灌均勻系數(shù)的具體數(shù) 值采用Matlab編程根據(jù)單噴頭的水量分布計(jì)算得到。
[0052] (2)確定垂直搖臂式噴頭需要優(yōu)化的工作參數(shù)和取值范圍，并對(duì)其進(jìn)行編碼變換； 本實(shí)施例提供的垂直搖臂式噴頭如圖1所示，主要包括底座1、限位裝置2、換向桿3、配重4、 搖臂5、換向桿旋轉(zhuǎn)軸6、搖臂轉(zhuǎn)軸7、噴體8、噴嘴9、導(dǎo)流器10;所述的工作參數(shù)為工作壓力、 噴嘴直徑和配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離;所述的編碼變換為:在響應(yīng)面設(shè)計(jì)中各結(jié)構(gòu)因素的變 化范圍有所不同，某些自變量的范圍差別極其懸殊;為統(tǒng)一處理的方便，將設(shè)計(jì)參數(shù)的取值 作編碼變換，建立起結(jié)構(gòu)因素水平值與編碼的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；編碼是為了解決量綱不同給 設(shè)計(jì)與分析帶來(lái)的麻煩。
[0053]各因素的水平設(shè)置及編碼見(jiàn)表1。
[0054]表1試驗(yàn)因素水平編碼表
[0055]
[0056] (3)采用中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)（（central composite design))確定試驗(yàn)方案，根據(jù) 中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案完成試驗(yàn)。
[0057] 表2響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
[0058]
[0059] (4)建立響應(yīng)面模型，分析試驗(yàn)結(jié)果;所述的響應(yīng)面模型和分析試驗(yàn)結(jié)果是指將試 驗(yàn)測(cè)試結(jié)果輸入響應(yīng)面軟件De Sign-EXpert8.0.5.0，根據(jù)分析結(jié)果提取回歸多項(xiàng)式系數(shù)， 得到各因素與響應(yīng)值之間的多項(xiàng)關(guān)系式;輸出響應(yīng)面三維圖并判斷各因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影 響情況。
[0060] 如圖2為配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和工作壓力對(duì)噴灌變差系數(shù)的影響圖，圖3為配重 與旋轉(zhuǎn)中心的距離和噴嘴直徑對(duì)噴灌變差系數(shù)的影響圖，圖4為工作壓力和噴嘴直徑對(duì)噴 灌變差系數(shù)的影響圖。圖5為配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和工作壓力對(duì)平均噴灌強(qiáng)度的影響圖， 圖6為配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和噴嘴直徑對(duì)平均噴灌強(qiáng)度的影響圖，圖7為工作壓力和噴嘴 直徑對(duì)平均噴灌強(qiáng)度的影響圖。
[0061 ]圖8為配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和工作壓力對(duì)正方形布置均勻系數(shù)的影響圖，圖9為 配重與旋轉(zhuǎn)中心的距離和噴嘴直徑對(duì)正方形布置均勻系數(shù)的影響