Особливості експериментальних досліджень засобів гідравлічної автоматизації на осушувально-зволожувальних системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особливості експериментальних досліджень засобів гідравлічної автоматизації на осушувально-зволожувальних системах

Головна мета водорегулювання ґрунтується на забезпеченні рекомендованих норм осушення для різних культур і ґрунтів. Практика експлуатації осушувальних систем показала, що дотримання цих норм забезпечується використанням різних технологій водорегулювання за реальними умовами об'єкта, а саме осушення, попереджувального шлюзування, неперервного і періодичного (циклічного) зволожувального шлюзування. Але ручний режим водорегулювання при цих технологіях не достатньо ефективний через широкий діапазон варіювання регульованих рівнів ґрунтових вод (РҐВ) протягом вегетаційного періоду, що підтверджено дослідженнями О.В. Скрипника, М.О. Лазарчука, А.М. Рокочинського, А.В. Черенкова та ін [1, 2, 3, 4].

Тому для підвищення ефективності водорегулювання на осушувально-зволожувальних системах (ОЗС) традиційно застосовують засоби гідравлічної автоматизації. Це дає змогу зменшити варіювання регульованих рівнів та збільшити тривалість підтримання рекомендованих норм осушення. Але для використання нових засобів гідравлічної автоматизації на реальних меліоративних об'єктах необхідно провести ґрунтовні експериментальні дослідження з метою перевірки їх роботи у реальних умовах.

Розробкою існуючих пристроїв автоматизації ОЗС займалися проектні та науково-дослідні установи України та Білорусії, в тому числі вітчизняні вчені Ю.А. Балан, С.Ю. Бочаров, П.І.Коваленко, Ю.Г. Ковальчук, В.Й. Пастушенко, А.Ф. Рубан, О.І.Тишенко, М.М. Хлапук, Б.І.Чалий, А.В. Яцик та інші.

У більшості випадків експериментальні дослідження проводяться у лабораторних та виробничо-польових умовах. Методика лабораторних та виробничо-польових досліджень передбачає виконання таких етапів:

1) Підготовка і проведення експериментів. На цьому етапі відбувається вивчення об'єкта, підготовка обладнання, визначення параметрів досліджуваних впливів. В якості вхідної величини приймається положення регулюючих органів, а в якості вихідної параметри, які будуть регулюватися. При цьому потрібно ліквідувати джерела сторонніх впливів. Вибір виду вхідного впливу залежить від об'єкта та його здатності до самовирівнювання. Кількість повторів досліджень проводиться не менше 4 разів для однакових умов, а при наявності завад не менше 8 разів в режимі максимальної і мінімальної дії навантаження.

2) Проведення експериментів. Визначають статичні характеристики об'єктів при зміні вхідного впливу від 0 до максимального значення і реєструють вихідну величину при усталених значеннях. Інтервал зміни вхідного впливу вибирається таким, щоб визначити покази не менше ніж 8…12 точок. Зняття перехідних характеристик відбувається шляхом подачі вхідного сигналу на вхід досліджуваного об'єкта при реєстрації зміни вихідного сигналу у часі.

3) Обробка результатів досліджень. Отримані графічні характеристики використовуються для подальшого аналізу, зокрема для визначення параметрів (коефіцієнтів) досліджуваних гідрорегуляторів, а також параметрів регулювання [5].

Методика проведення лабораторних досліджень ґрунтується на загальноприйнятих підходах, що застосовуються при дослідженні гідравлічних пристроїв. При цьому, на початку визначають статичні характеристики при зміні вхідного сигналу від 0 до максимального значення із реєстрацією вихідної величини в усталеному режимі, а потім переходять до визначення динамічних характеристик шляхом подачі на вхід одиничного стрибкоподібного впливу і фіксації зміни вихідного сигналу в часі. Під час обробки результатів досліджень необхідно провести згладжування експериментальних кривих, а також визначення необхідних коефіцієнтів.

Методика проведення виробничо-польових досліджень передбачає використання пасивного експерименту. Такий підхід дає змогу дотримуватися технології водорегулювання і вирощування сільськогосподарських культур у ручному та автоматизованому режимах. При цьому, регулювання РҐВ у ручному режимі відбувається шляхом встановлення рекомендованих рівнів на шлюзах-регуляторах каналів - вручну, а водорегулювання у автоматизованому режимі за допомогою розроблених гідрорегуляторів по всьому технологічному ланцюгу (канал-колектор-дрена) [5, 6].

Гідрорегулятори монтуються у регулюючі колодязі у відповідності до вибраної схеми регулювання, а встановлення регульованих рівнів здійснюється шляхом переміщення поплавків на задані значення за нівелірними рейками з прив'язкою до відміток місцевості. Спостереження за зміною РҐВ відбувається за допомогою стаціонарних оглядових свердловин, що рівномірно розташовані на всій території меліоративної системи, глибину РҐВ визначають вимірювальною хлопавкою. Це дає змогу оцінити дієздатність роботи гідрорегуляторів у взаємодії із регулювальними колодязями та мережею.

При виробничо-польових дослідженнях з використанням різних технологій водорегулювання на ОЗС необхідно встановлювати напори над регулювальними дренами, які впливають на РҐВ у міждренному просторі з врахуванням його підживлення і випаровування, а також фаз розвитку сільськогосподарських культур. Крім того, визначають величину перепадів рівнів, на яку потрібно знижувати напір в дренах для забезпечення своєчасного зниження РҐВ при випаданні інтенсивних опадів, а також величини збільшення напору при інтенсивній висушуючій дії придренного шару повітря у випадку застосування циклічного зволожувального шлюзування [7].

Лабораторні дослідження розроблених гідравлічних регуляторів, доцільно проводити у лабораторіях на дзеркальних лотках або інших установках з використанням відповідних вимірювальних пристроїв та методик. Дослідження плануються таким чином, щоб перевірити принципи, на основі яких створювалися гідрорегулятори та визначити їх дієздатність при відпрацюванні відповідних способів і режимів водорегулювання, а також визначати максимальну та мінімальну пропускну здатність гідрорегуляторів.

Проведення лабораторних досліджень здійснюється з використанням активного експерименту, який використовується для об'єктів, що не знаходяться в безпосередній експлуатації і можуть сприймати суттєві збурення. Такий підхід, дає змогу провести найбільш повне дослідження, при цьому на вхід досліджуваного об'єкта (резервуар із колодязем та встановленим досліджуваним гідрорегулятором), подається один із типових вхідних сигналів [5, 6].

Дослідні зразки гідрорегуляторів виготовляються за конструктивними параметрами для умов реальної осушувально-зволожувальної мережі, тому при обробці результатів лабораторних досліджень немає потреби застосовувати критерії подібності. Такий підхід, дає можливість детально дослідити роботу гідрорегуляторів із необхідною повторюваністю дослідів та варіативністю досліджуваних характеристик з високою точність і якістю регулювання.

Дослідження гідрорегуляторів у статичному режимі є одним з важливих етапів, ці дослідження здійснюють за допомогою статичних характеристик, які являють собою залежність керованого параметра (рівень води) Н від керуючого впливу (витрата) Q в усталеному режимі, це дає змогу визначити діапазон зміни регульованих рівнів і оцінити точність регулювання за допомогою абсолютної та відносної похибок. Для прикладу представлено результат дослідження гідрорегуляторів водоподачі, дренажного стоку та двосторонньої дії, які розроблені на кафедрі електротехніки і автоматики (НУВГП) у вигляді усереднених статичних характеристик рис. 1 [8].

Дослідження вищевказаних гідрорегуляторів у динамічному режимі здійснюється за допомогою перехідних характеристик, це дає змогу дослідити якісні показники системи регулювання (гідрорегулятор - колодязь). В процесі досліджень у колодязі з гідрорегулятором встановлюється рівень, що відповідає Н_зад і належить до діапазону регулювання Н_min?Н_зад?Н_max, який визначається з статичних характеристик. Після цього створюється ступінчастий вхідний вплив у вигляді швидкої зміни положення чутливого елемента, на величину більшу від випадкових неконтрольованих збурень, тобто не більше максимального регульованого рівня Н_max. Експеримент проводиться у два етапи, на першому значення ступінчастого впливу змінюється від 0 до Н_зад, а на другому від Н_1зад до Н_2зад, результати вимірювань представлені рис. 2.

Рис. 1. Дослідження гідрорегуляторів у статичному режимі: Hв- регулятор водоподачі; Hд- регулятор дренажного стоку; Hд.д(д)- регулятор двосторонньої дії

(режим дренажного стоку); Hд.д(в)- регулятор двосторонньої дії (режим водоподачі)

По виду перехідних характеристик (рис. 2) можна встановити, що процес регулювання носить нелінійний характер оскільки вони не відповідають умовам лінійності, суть яких полягає в тому, що при зміні зовнішньої збурюючої дії на систему в п разів характер перехідного процесу не повинен змінюватися, а змінюватиметься лише масштаб вихідної величини в п разів. Незважаючи на це, при невеликих діапазонах зміни рівня характеристики даних гідрорегуляторів можуть вважатися лінійними, або ж несуттєво нелінійним.

Якість регулювання даної системи, суттєво впливає на її керованість, вона оцінюється за такими показниками: характер (вид) процесу, перерегулювання та тривалість [5, 8]. Для вищевказаних гідрорегуляторів вид перехідного процесу має коливальний характер, лише у регулятора дренажного стоку (рис. 2) перехідний процес є монотонний.

Тривалість (швидкодія) перехідного процесу t_п визначається часом за, який відхилення Дh від заданого значення стане меншим за величину е=3ч5%, яка визначає ширину зони допустимих відхилень, через те що теоретично тривалість перехідного процесу прямує до безмежності (t_п=?).

Перерегулювання Дh_max, являє собою максимальне відхилення регульованої величини від усталеного значення воно виражається за допомогою відносного перерегулювання у, яке не повинно перевищувати 30% і визначається за формулою

.

Для гідрорегулятора дренажного стоку максимальне значення: у=5,11 %; водоподачі у=11,11 %; двосторонньої дії (режим водоподачі) у=9,68 %; двосторонньої дії (режим дренування) у=28,6 %, що відповідає встановленим межам.

Рис. 2. Дослідження гідрорегуляторів у динамічному режимі: hв- регулятор водоподачі; hд- регулятор дренажного стоку; hд.д(д)- регулятор двосторонньої дії (режим дренажного стоку); hд.д(в)- регулятор двосторонньої дії (режим водоподачі)

Виробничо-польові дослідження проводяться у відповідності до загальноприйнятих методик на реальних осушувально-зволожувальних системах при автоматизованому та ручному режимах водорегулювання. Дослідні ділянки мають розташовуватися на полях типових для даного району сівозмін. Гідрорегулятори монтуються у регулюючі колодязі у відповідності до вибраної схеми регулювання, а встановлення регульованих рівнів здійснюється шляхом переміщення поплавків на задані значення по нівелірних рейках із прив'язкою до місцевості. Спостереження за зміною РҐВ відбувається за допомогою стаціонарних або спеціально влаштованих оглядових свердловин, що рівномірно розташовані на дослідній території. При цьому досліджується робота гідрорегуляторів при максимальних та мінімальних значеннях регульованих рівнів [6].

Виробничо-польові дослідження гідравлічних регуляторів водоподачі дренажного стоку та двосторонньої дії [7] проводилися на Кишинській ОЗС Олевського району Житомирської області при автоматизованому та ручному режимах водорегулювання.

При цьому досліджувалась робота гідрорегуляторів для різних технологій водорегулювання (осушення, попереджувальне і зволожувальне шлюзування). Це дало змогу встановити, що автоматизоване регулювання, на відміну від ручного, забезпечує необхідний рівневий режим з меншим відхиленням (10…20%) від заданого діапазону варіювання упродовж 70…90% тривалості вегетаційного періоду.

Внаслідок виробничо-польових досліджень розроблених засобів гідравлічної автоматизації підвищилась ефективність відповідних технологій і знизився негативний вплив посушливих періодів на розвиток та врожай вирощуваних сільськогосподарських культур.

Таким чином, лабораторні дослідження гідравлічних регуляторів дають змогу перевірити принципи, на основі яких створювалися гідрорегулятори та визначити їх дієздатність при відпрацюванні відповідних способів та режимів водорегулювання.

У свою чергу, виробничо-польові дослідження при автоматизованому та ручному режимах водорегулювання, протягом вегетаційного періоду дозволяють дослідити гідравлічні засоби при різних технологіях водорегулювання та вирощування сільськогосподарських культур і перевірити результати лабораторних досліджень.

Література

2. Мелиорация заболоченных засоленных пойм Среднего Приднепровья / Потоцкий Г.С., Лазарчук Н.А., Рокочинский А.Н.; Под ред. Г.С. Потоцкого - Львов: Вища школа Изд-во при Львов. Ун-те, 1987. - 120 с.

3. Черенков А. В. Обоснование элементов технологии подпочвенного увлажнения с учетом влияния конструкции и параметров закрытого дренажа и проводящей сети каналов в дерновых и дерново-подзолистых песчаных почвах западного Полесья УССР: Дис. …канд. техн. наук: 06.01.02. - К., 1983. - 179 с.

4. Скрипник О.В., Сорока И.С., Кубышкин В.П. Технология регулирования водного режима осушаемых земель. - К.: Урожай, 1992. - 168 с.

5. Мартыненко И.И., Лысенко В.Ф. Проектирование систем автоматики. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1990. - 243 с.

6. Вознюк С.Т., Гончаров С.М., Ковалев С.В. Основы научных исследований. Гидромелиорация. - К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985. - 191 с.

7. Поляков В.Л. Расчет параметров дренажа, обеспечивающих стабилизацию уровня грунтовых вод // Гидравлика и гидротехника. - 1989. - Вып. 48. - С. 62-66.

8. Пастушенко В.Й., Наумчук О.М. Серія гідравлічних регуляторів для регулюючої мережі осушувально-зволожувальних систем. // Вісник Української державної академії водного господарства. Рівне 1998. Випуск 1 частина 2.- с. 66-69.

9. Попович М.Г., Ковальчук О.В. Теорія автоматичного керування. - К.: Либідь, 1997. - 544 с.

Размещено на Allbest.ru