鄱陽湖物理模型尾門控制系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

楊 楠

（江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

鄱陽湖模型試驗研究基地湖區(qū)模型主要模擬范圍包括鄱陽湖湖區(qū)（指湖口水位站防洪控制水位22.50m（凍結(jié)吳淞高程）所影響的環(huán)鄱陽湖區(qū)）、五河尾閭、湖口及部分長江段（武穴至彭澤河段，長約100km），鄱陽湖湖區(qū)實體模型示意圖見圖1，模型平面比尺 1：500，垂向比尺1：50，變率為10。模型采用露天模型，最大長度346m，最大寬度140m，最小寬度6m，模型占地面60 000m2，其中模型水面面積約 為18 000m2，模型平均水深約17cm。模型尾部口門在長江彭澤段。長度9m，高度6m。水深變化范圍25cm，由于尾門水位控制影響因素很多，人工調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢，無法滿足試驗需求，因此本文設(shè)計模型尾門控制系統(tǒng)，通過改變橫拉隔柵尾門開度來調(diào)節(jié)尾水位變化，使模型河道水位達到了較理想的調(diào)節(jié)控制效果。

1 方案設(shè)計及其工作原理

圖1 鄱陽湖湖區(qū)實體模型示意圖

圖2 尾水控制系統(tǒng)原理框圖

鄱陽湖物理模型尾門控制系統(tǒng)是通過自動調(diào)節(jié)尾門開度的方式來達到控制模型水位的目標(biāo)，主要由嵌入式工控機（下位機）、跟蹤式水位儀、伺服電機及傳動機構(gòu)和推拉尾門等組成。在模型尾門附近安裝跟蹤式水位儀實時采集模型的實際水位，將采集到的水位數(shù)據(jù)傳輸?shù)较挛粰C中，再與從上位機下傳的給定水位值相比較，把得到的偏差值通過PID控制算法計算出輸出控制量，將輸出控制量送到步進電機以控制執(zhí)行機構(gòu)帶動尾門移動，控制量的正負變化實現(xiàn)了尾門的打開與閉合，通過改變尾門開度的大小，從而改變尾門的泄水能力實現(xiàn)模型水位高低調(diào)節(jié)，不斷檢測出水位的偏差值來修正控制電壓大小和方向，使水位逼近給定值，實現(xiàn)模型試驗水位的自動控制[1～5]?？刂葡到y(tǒng)原理如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)主要由精密數(shù)字跟蹤式水位儀、推拉尾門及尾門控制器構(gòu)成。精密數(shù)字跟蹤式水位儀主要完成實時水位的采集，尾門控制器接收上位機發(fā)來的開度命令，再轉(zhuǎn)換成步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)步數(shù)，從而帶動尾門連桿前進與后退，實現(xiàn)尾門的打開與閉合。軟件系統(tǒng)主要是上位機計算機監(jiān)控軟件構(gòu)成，主要完成控制水位與實際水位的PID算法控制計算輸出控制量[6～9]。

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 精密數(shù)字跟蹤式水位儀

精密數(shù)字跟蹤式水位儀由傳感器、主控電路、電源三部分所構(gòu)成，主控電路以AT89C52單片機作為主控芯片控制步進電機，以步進電機旋轉(zhuǎn)帶動精密絲桿轉(zhuǎn)動，使絲桿上的滑塊做上下運動，進而測針作上下運動。步進電機每走一步，帶動精密絲桿和測針直線上下運行0.05mm。步進電機正轉(zhuǎn)，測針上行，步進電機反轉(zhuǎn)，測針下行，以某一定點為基準(zhǔn)，測針向下尋找水面，測針觸水，立刻上行，脫水后又下行，這樣反復(fù)跟蹤水面，以基準(zhǔn)點減去步進電機測針的行程，得到水面高度H，即水位。圖3為JS-C型精密數(shù)字水位儀主控電路硬件框圖，圖4為JS-C型精密數(shù)字水位實物圖。

圖3 JS-C型精密數(shù)字水位儀硬件框圖

圖4 JS-C型精密數(shù)字水位實物圖

2.1.2 尾門系統(tǒng)

為保證模型尾水位過程的相似，需要選擇合適的尾門形式。常見的自動控制尾門形式有格柵式橫拉門和臥倒式翻板門兩種。當(dāng)模型水位變化不大時，格柵式橫拉門出流量與開度幾乎成線性關(guān)系，因此水位調(diào)節(jié)振蕩小、精度高。鄱陽湖物理模型尾部口門的長度9m，高度0.6m。設(shè)計采用推拉式尾門結(jié)構(gòu)，由活動門、固定門及其傳動機構(gòu)組合構(gòu)成，兩門的開孔互相錯開，安裝時兩門重疊，圖5為鄱陽湖物理模型尾門制作簡圖。工作時控制電機帶動活動門左右運動，從而改變組合門開孔的大小，使之改變泄水量以達到調(diào)整水位的目的。由于電機受給定的水位變化規(guī)律控制，故尾門的動作也按給定的水位曲線變化規(guī)律而改變并達到模擬天然水位的目的[3]，詳見圖6。

圖5 鄱陽湖物理模型尾門制作簡圖

圖6 鄱陽湖物理模型尾門工作簡圖

尾門泄水孔可設(shè)計成矩形薄壁堰形式，尾門開孔個數(shù)以n表示。據(jù)伯努里定律導(dǎo)出矩形堰的流量公式為：

式中，Q 為流量，m3/s；C 為流量系數(shù)；B 為堰寬，m；△h為堰頂水頭，m。

模型要求最大泄水量為Qmax，水頭為△h時，尾門開孔的總寬度可由下式表示：

式中，Qmax為流量，m3/s；其余符號意義同前。

當(dāng)B確定后，單孔寬b的大小就取決于開孔個數(shù)n，b=B/n。n的大小直接影響到整個控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。根據(jù)（1）式，尾門在工作時若B在單位時間△t內(nèi)的的變化為△B，則引起的流量變化△Q的值為[2]：

式中，△Q為流量變化量，m3/s；△B為尾門開孔寬度變化量，m。

模型要求單位時間內(nèi)流量變化的最大值△Qmax/△t，求得試驗要求B值變化的最快速度為：

式中，△t為單位時間，s；其余符號意義同前。

因此，要求尾門移動的最大速度應(yīng)為：

式中，V1為尾門移動最大速度，mm/s；△Bmax為尾門開孔寬度變化最大值，m。

若電機的轉(zhuǎn)速為N，它拖動尾門的速度為V2，則

式中，V2為尾門可達到的移動速度，mm/s；β為絲桿螺距，mm；α為變速箱減速比；N為電機轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)模型的實際要求與尾門控制器的參數(shù)選擇計算，尾門選用三段格柵式橫拉門，即有效長度l為2.7m一段的格柵式橫拉門，孔寬b為0.16m，門高A為0.57m。同時，為適應(yīng)露天的環(huán)境，整個尾門采用不銹鋼材質(zhì)加工而成。固定門與活動門之間采用上下滾輪結(jié)構(gòu)，以減小活動門受重力和水壓力作用而產(chǎn)生的摩擦力，安裝效果見圖7。

2.2 軟件設(shè)計

尾門水位測控軟件采用亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王KingView5.31。該軟件作為新型的自動化監(jiān)控軟件，適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、可以大大減少軟件人員開發(fā)周期。

圖7 尾門安裝圖

主控軟件作為實現(xiàn)尾門水位實時調(diào)節(jié)的總控人機界面，軟件設(shè)計時要求操作界面的設(shè)計人性化，具備簡潔大方、形象美觀等特點；操作界面應(yīng)該突出重點，能夠顯示出量測控制系統(tǒng)的主要功能，讓人一目了然，一些無用繁雜的后臺界面應(yīng)該省去。尾門水位測控軟件操作界面如圖8所示。

3 試驗與應(yīng)用效果

圖8 軟件控制界面

試驗調(diào)試中，通過經(jīng)驗試湊法對比例放大系數(shù)Kp、積分時間常數(shù)Ti、微分時間常數(shù)Td三個參數(shù)的調(diào)整整定，得到系統(tǒng)較為滿意的效果。將設(shè)定水位由原來的280mm設(shè)定為300mm后，通過PID運算控制，得到的曲線見圖9。由圖9可知，尾門水位控制系統(tǒng)響應(yīng)迅速，達到平衡的調(diào)節(jié)時間較短，查看數(shù)據(jù)庫記錄，調(diào)節(jié)時間小于20min。

圖9 尾門水位控制曲線

4 結(jié)語

在后期開展的鄱陽湖模型試驗研究課題中，鄱陽湖模型尾門控制系統(tǒng)得到成功應(yīng)用，上述運行成果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，試驗操作方便，大大提高了試驗效率和成果的可靠性，已完全能夠滿足模型基地開展大型水工、河工試驗的需求。