專利名稱：一種防止河工模型尾門快速擾動的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于河工模型試驗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種防止河工模型尾門快速擾動造成水流沖擊模型地形的控制方法。
背景技術(shù)：
在河工模型試驗中，尾門水位的平穩(wěn)、精確控制，是保證模型試驗準(zhǔn)確模擬天然水流過程的重要前提之一。在河工模型試驗尾門水位控制過程中，如因控制方法不當(dāng)造成尾門快速擾動，將會形成較大的水流沖擊，導(dǎo)致模型動床地形嚴(yán)重破壞。河工模型試驗中容易發(fā)生這種沖擊的情況有兩種，一是在模型試驗開始階段，模型初始蓄水位比較高，或者前一天實驗結(jié)束后為模型保水，關(guān)閉了尾門，使得第二天試驗開始時模型水位處于高位，而試驗開始的目標(biāo)水位又比較低，造成啟動階段尾門實際水位比目標(biāo)水位高很多，如果簡單按正常模式由控制器自動進行調(diào)節(jié)，勢必使尾門快速開啟，造成對模型地形的沖擊。另一種是在模型概化過程中，目標(biāo)水位也可能出現(xiàn)較上一階段大幅下降的情況，如汛期過后，水位快速下落。此時，不采取適當(dāng)措施，任由尾門按正常自動PID調(diào)節(jié)模式進行調(diào)節(jié)控制，由于誤差輸入較大，必然會產(chǎn)生較大的調(diào)節(jié)量輸出，造成尾門的快速擾動，從而導(dǎo)致對模型動床地形的嚴(yán)重沖擊。所以，尾門控制器除了在正常情況下對目標(biāo)水位變化過程進行快速跟蹤調(diào)節(jié)外，在尾門初始啟動階段和目標(biāo)水位大幅下降階段保持尾門平緩控制，盡可能防止對于模型動床地形的沖擊是尾門水位控制非常重要的方面。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種防止河工模型尾門快速擾動的控制方法，可避免尾門快速擾動對模型動床地形的破壞。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:一種防止河工模型尾門快速擾動的控制方法，用于尾門啟動階段，包括步驟:SI，在尾門啟動階段，尾門控制器獲取河工模型的當(dāng)前實際水位；S2，判斷當(dāng)前實際水位和第一階段的目標(biāo)水位的大小，若當(dāng)前實際水位高于目標(biāo)水位，則采用階梯式逐級開啟模式開啟尾門，所述的階梯式階梯式逐級開啟模式開啟尾門指每隔AT時間將尾門開度增加ΛΚ%，時間間隔AT和開度步長ΛΚ%是根據(jù)實際河工模型大小和槽蓄能力設(shè)定的經(jīng)驗值；若當(dāng)前時間水位低于目標(biāo)水位，執(zhí)行步驟S4 ；S3，在整個尾門啟動階段，尾門控制器實時檢測河工模型的當(dāng)前實際水位，一旦檢測到當(dāng)前實際水位低于目標(biāo)水位，則停止階梯式逐級開啟模式，然后執(zhí)行步驟S4 ；S4，采用自動調(diào)節(jié)模式對尾門進行調(diào)節(jié)控制。用戶可通過設(shè)定時間間隔ΛΤ和開度步長八1(%控制尾門的開啟速度。時間間隔AT和開度步長ΛΚ%的設(shè)定要考慮實際河工模型大小、槽蓄能力等多種因素，針對實際對象整定合適的時間間隔AT值和開度步長八1(%值，這樣才能在尾門啟動階段確保水位平穩(wěn)過渡并不破壞模型動床地形，并盡可能縮短過渡過程。時間間隔AT和開度步長Λ K%可采用如下方法進行整定:(I)設(shè)定初始值:時間間隔AT=IOs,開度步長ΛΚ%=2%，將河工模型的當(dāng)前實際時間水位維持為最高水位，第一階段的目標(biāo)水位設(shè)為最低工作水位；(2)根據(jù)設(shè)定的時間間隔AT和開度步長ΛΚ%逐級增加尾門開度，并觀察尾門水位變化過程，根據(jù)經(jīng)驗做如下判斷:如果水流速度過快，對河工模型地形造成沖刷，則執(zhí)行步驟(3);如果水流速度過慢，水位下降時間過長，則執(zhí)行步驟(4);如果水流速度適當(dāng)，水流平穩(wěn)，沒有對河工模型地形造成明顯沖刷，此時設(shè)定的時間間隔AT和開度步長ΛΚ%即為優(yōu)選的時間間隔和開度步長值；(3)增加時間間隔AT或/和減少開度步長ΛΚ%，例如，可調(diào)整時間間隔AT=15s，Λ K%不變，然后，重復(fù)步驟(2)；(4)減小時間間隔AT或 /和增加開度步長八1(%后，重復(fù)步驟(2)。通常，開度步長Λ Κ%取值范圍為2 5%，時間間隔Λ T取值范圍為10 30s。當(dāng)尾門為翻板式尾門時，在采用階梯式逐級開啟模式開啟尾門前，根據(jù)河工模型的當(dāng)前實際水位，直接將翻板式尾門開度置為初始開度K0，S卩，直接將尾門開啟到其出口與河工模型當(dāng)前實際水位平齊，然后再采用階梯式逐級開啟模式開啟尾門，可減少尾門開啟的空行程時間。所述的初始開度KO = (arCCOS(h/H)/90)*100，其中，h為河工模型的當(dāng)前實際水位；H為尾門高度，90為尾門的角行程；K0為相對開度，用滿行程百分比表示。另一種防止河工模型尾門快速擾動的控制方法，用于河工模型試驗過程中目標(biāo)水位降幅較大時預(yù)防尾門快速擾動的控制。在河工模型試驗中，可能出現(xiàn)目標(biāo)水位降幅較大的情況，如果此時仍按自動PID調(diào)節(jié)模式，將會造成尾門的快速擾動，針對上述情況，可采用如下方法對尾門快速擾動進行控制:SI，當(dāng)河工模型的目標(biāo)水位發(fā)生變化時，判斷前后階段的目標(biāo)水位降幅ΛΗ和設(shè)定的分級水位最大允許降幅AHmax的大小，所述的分級水位最大允許降幅即分級水位降幅Λ Hmax，其為根據(jù)實際河工模型大小和槽蓄能力設(shè)定的經(jīng)驗值；S2，若目標(biāo)水位降幅ΛΗ不大于分級水位降幅AHmax，則將當(dāng)前階段的目標(biāo)水位H1設(shè)置為控制目標(biāo)水位Hrau,即，Hobj=H1 ；S3，若目標(biāo)水位降幅ΛΗ大于分級水位降幅AHmax，則對當(dāng)前階段的目標(biāo)水位分級，并根據(jù)分級水位降幅△ Hmax設(shè)置各級控制目標(biāo)水位Η_，尾門控制器根據(jù)各級控制目標(biāo)水位逐級調(diào)節(jié)水位降幅。上述各級控制目標(biāo)水位如下:
IHobk =Η0- *ΔΗ.—$*ΔΗ眼 <ΔΗ時Ihobji =H1當(dāng)ΔΗ 時其中，Htwi為第i級控制目標(biāo)水位；Hq為上一階段目標(biāo)水位，H1為當(dāng)前階段的目標(biāo)水位；Δ Hniax為分級水位降幅；i為分級編號，i=l,2，…，η, η為所有分級的數(shù)量，η= [ Δ H/Δ HmaJ , [.]表示上取整；針對各級控制目標(biāo)水位，尾門控制器按如下方法逐級調(diào)節(jié)水位降幅:
對于前η-1級的控制目標(biāo)水位，每隔ATtl時間水位的降幅為AHmax;對于第η級的控制目標(biāo)水位直接設(shè)為H1，即該級水位降幅為ΛΗ-(η-1)ΛΗ_，所述的時間間隔Λ Ttl是根據(jù)實際河工模型大小和槽蓄能力設(shè)定的經(jīng)驗值。用戶可根據(jù)實際河工模型大小、槽蓄能力等多種因素設(shè)定時間間隔ATc^P分級水位降幅Λ Hmax。時間間隔ATc^P分級水位降幅Λ Hmax可采用如下方法進行整定:(I)設(shè)定初始值:時間間隔ATQ=5s，分級水位降幅AHmax=5mm，設(shè)定前后階段目標(biāo)水位降幅AH=30mm;(2)根據(jù)設(shè)定的時間間隔ATc^P分級水位降幅AHmax逐級調(diào)節(jié)水位降幅，并觀察尾門水位變化，根據(jù)經(jīng)驗做如下判斷:如果水流速度過快，對河工模型的地形造成沖擊，則執(zhí)行步驟(3);如果水流速度·過慢，則執(zhí)行步驟(4);如果水流速度適當(dāng)，則此時設(shè)定的時間間隔ATc^P分級水位降幅AHmax即為優(yōu)選的時間間隔ATc^P分級水位降幅AHmax;(3)增加時間間隔Λ Ttl或/和減少分級水位降幅AHmax后，重復(fù)步驟(2)；(4)減小時間間隔Λ Ttl或/和增加分級水位降幅AHmax后，重復(fù)步驟(2)。通常，時間間隔ATtl取值范圍為5 25s，分級水位降幅AHmax取值范圍為5 20mmo本發(fā)明中，時間間隔、開度步長和分級水位降幅均是根據(jù)實際情況設(shè)定的經(jīng)驗值，其值可以在實驗過程中根據(jù)具體的模型大小、槽蓄能力等因素被不斷優(yōu)化。本發(fā)明在尾門啟動階段，當(dāng)模型的初始水位高于第一階段的目標(biāo)水位時，引入階梯式逐級開啟模式，直到河工模型的實際水位低于第一階段的目標(biāo)水位為止，對因初始水位較高、第一階段目標(biāo)水位較低所引起尾門快速開啟進行了控制，避免了水流過快沖壞河工模型動床地形的情況發(fā)生，從而保證尾門啟動階段模型水位的平穩(wěn)過渡。本發(fā)明在模型試驗過程中目標(biāo)水位發(fā)生變化時，當(dāng)目標(biāo)水位降幅超過規(guī)定值時，將目標(biāo)水位變化的過程分解成階梯式逐級下降的過程，直至水位降至當(dāng)前階段目標(biāo)水位為止，可避免河工模型試驗過程中因目標(biāo)水位降幅過大造成的水流對模型動床地形的沖擊。


圖1為啟動階段的尾門階梯式逐級開啟控制過程示意圖；圖2為模型實驗過程中當(dāng)目標(biāo)水位降幅過大時的水位下降幅度控制過程示意圖；圖3為翻板式尾門初始開度與當(dāng)前實際水位的關(guān)系。
具體實施例方式本發(fā)明涉及如下術(shù)語:尾門開度:尾門打開程度，通常用全行程的百分?jǐn)?shù)表示，如尾門全開，則開度為100% ;尾門全關(guān)，則開度為0%。尾門閉合度:尾門關(guān)閉程度，與尾門開度含義相反，通常用全行程的百分?jǐn)?shù)表示，如尾門全關(guān)，閉合度為100%，尾門全開，閉合度為0%。尾門初始開度:調(diào)節(jié)控制開始時，將尾門直接打開的開度。下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)說明。
圖1為啟動階段的尾門階梯式逐級開啟控制過程示意圖，下面將結(jié)合圖1對用于尾門啟動階段的尾門快速擾動控制方法進行詳細(xì)說明。在尾門啟動階段，尾門控制器自動進入尾門啟動階段控制模式，首先將尾門設(shè)置為階梯式逐級開啟模式，同時禁止尾門的自動PID調(diào)節(jié)功能。對于翻板式尾門，為滿足不同實驗的要求，通常尾門做得較高，比河工模型最高水位高出一部分，為防止在泄水之前的初始開啟階段翻板式尾門空操作時間太長，可根據(jù)河工模型的當(dāng)前實際水位，直接將翻板式尾門開度置為初始開度K0，S卩，使翻板式尾門的出流口與河工模型的當(dāng)前實際水位基本平齊；然后再進入尾門的階梯式逐級開啟模式，這樣可減小翻板式尾門的開啟時間。初始開度由河工模型的當(dāng)前實際水位和尾門高度確定。尾門的階梯式逐級開啟模式可參見圖1，具體過程如下:尾門控制器獲取河工模型的當(dāng)前實際水位，即圖1中的初始水位，若當(dāng)前實際水位高于第一階段的目標(biāo)水位，第一階段的目標(biāo)水位見圖1中的目標(biāo)水位，則按設(shè)定的時間間隔和開度步長逐級緩慢打開尾門，即，每隔AT時間將尾門開度增加△!(%，總開度行程為100%。尾門按上述階梯方式逐漸打開，使水位緩慢降低。與此同時，尾門控制器實時檢測河工模型的當(dāng)前實際水位，一旦當(dāng)前實際水位低于第一階段的目標(biāo)水位，即停止尾門的階梯式逐級開啟模式，尾門置為自動PID調(diào)節(jié)模式，從而完成尾門啟動階段的平穩(wěn)過渡。尾門的自動調(diào)節(jié)模式即由尾門控制器自主對尾門開度進行調(diào)節(jié)控制，穩(wěn)定和調(diào)解河工模型水位。尾門的自動調(diào)節(jié)模式通常采用PID控制模式。尾門的階梯式逐級開啟模式中的時間間隔AT和開度步長八1(%均可根據(jù)實際情況進行設(shè)定，用戶可通過設(shè)定ΛΤ和八1(%值控制尾門開啟速度。在實際中，八1(%和AT值的設(shè)定要考慮實際河工模型大小、槽蓄能力等多種因素，一般需根據(jù)實際對象整定合適的Δ K%和△ T值，才能在尾門開啟階段確保水位平穩(wěn)過渡和不破壞模型動床地形的同時，盡可能縮短過渡過程。通常Λ Κ%取值范圍為2% 5%，Λ T取值范圍為10 30s。
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具體可采用如下方法來整定合適的Λ T和Λ Κ%值:(I)設(shè)定初始值:Δ Κ%=2%, Λ T=IOs，河工模型水位維持在最高水位，目標(biāo)水位設(shè)定為最低工作水位；(2)按設(shè)定的時間間隔AT和開度步長ΛΚ%逐級增加尾門開度，在尾門開啟過程中，觀察尾門水位的變化過程，如果水流速度過快，對河工模型地形造成沖刷，則執(zhí)行步驟
(3);如果水流速度過慢，水位下降時間過長，則執(zhí)行步驟(4);如果水流平穩(wěn)，水位平穩(wěn)下降，沒有對地形造成明顯沖刷，則此時設(shè)定的時間間隔AT和開度步長ΛΚ%即為優(yōu)選的時間間隔和開度步長值；(3)增加時間間隔AT或/和減少開度步長ΛΚ%，例如，可調(diào)整時間間隔AT=15s，Λ K%不變，重復(fù)步驟(2)；(4)減小時間間隔AT或/和增加開度步長ΛΚ%，重復(fù)步驟(2)。圖2為模型試驗過程中間階段的水位下降幅度控制過程示意圖，其中虛線為當(dāng)前階段的目標(biāo)水位分級控制過程線。下面將結(jié)合圖2對用于模型試驗過程中間階段的尾門快速開啟控制方法進行詳細(xì)說明。當(dāng)河工模型的目標(biāo)水位發(fā)生變化，進入下一階段時，首先，判斷前后階段的目標(biāo)水位降幅Λ H和設(shè)定的分級水位降幅Λ Hmax的大小，前后階段目標(biāo)水位的降幅Λ H=Htl-H1 ,Htl為上一階段目標(biāo)水位，H1為當(dāng)前階段目標(biāo)水位；分級水位降幅AHmax也為允許目標(biāo)水位的分級最大降幅。若ΛΗ≤AHmax，則將當(dāng)前階段的目標(biāo)水位氏置為控制目標(biāo)水位!1_，尾門控制器直接將水位降至H1。若ΛΗ > AHfflax,即前后階段目標(biāo)水位的降幅超過規(guī)定值A(chǔ)Hmax，尾門控制器根據(jù)分級水位降幅AHmax對當(dāng)前階段的目標(biāo)水位分級，分級數(shù)量η = [ΔΗ/ΔΗ Χ], [.]表示上
取整，各級控制目標(biāo)水位如下:
權(quán)利要求
1.一種防止河工模型尾門快速擾動的控制方法，用于尾門啟動階段，其特征在于，包括步驟: SI，在尾門啟動階段，尾門控制器獲取河工模型的當(dāng)前實際水位； S2，判斷當(dāng)前實際水位和第一階段的目標(biāo)水位的大小，若當(dāng)前實際水位高于目標(biāo)水位，則采用階梯式逐級開啟模式開啟尾門，所述的階梯式階梯式逐級開啟模式開啟尾門指每隔Λ T時間將尾門開度增加ΛΚ%，時間間隔Λ T和開度步長Λ Κ%是根據(jù)實際河工模型大小和槽蓄能力設(shè)定的經(jīng)驗值；若當(dāng)前時間水位低于目標(biāo)水位，執(zhí)行步驟S4 ； S3，在整個尾門啟動階段，尾門控制器實時檢測河工模型的當(dāng)前實際水位，一旦檢測到當(dāng)前實際水位低于目標(biāo)水位，則停止階梯式逐級開啟模式，然后執(zhí)行步驟S4 ； S4，采用自動調(diào)節(jié)模式對尾門進行調(diào)節(jié)控制。
2.如權(quán)利要求1所述的防止河工模型尾門快速擾動的控制方法，其特征在于: 所述的時間間隔AT的取值范圍為10 30s，且，所述的開度步長ΛΚ%的取值范圍為2 5%。
3.如權(quán)利要求1或2所述的防止河工模型尾門快速擾動的控制方法，其特征在于: 所述的時間間隔AT和開度步長八1(%按如下方法整定: (1)設(shè)定時間間隔AT和開度步長Λ1(%的初始值，將河工模型的當(dāng)前實際水位維持在最高水位，第一階段的目標(biāo)水位設(shè)為最低工作水位； (2)根據(jù)設(shè)定的時間間隔AT和開度步長ΛΚ%逐級增加尾門開度，并觀察尾門水位變化過程，根據(jù)經(jīng)驗做如下判斷:如果水流速度過快，對河工模型的地形造成沖擊，則執(zhí)行步驟(3);如果水流速度過慢，則執(zhí)行步驟(4);如果水流速度適當(dāng)，此時設(shè)定的時間間隔AT和開度步長△!(%即為優(yōu)選的時間間隔和開度步長值； (3)增加時間間隔AT或/和減少開度步長八1(%后，重復(fù)步驟(2); (4)減小時間間隔AT或/和增加開度步長八1(%后，重復(fù)步驟(2)。
4.如權(quán)利要求1所述的防止河工模型尾門快速擾動的控制方法，其特征在于: 對翻板式尾門，在啟用階梯式逐級開啟模式開啟尾門前，根據(jù)河工模型的當(dāng)前實際水位，直接將翻板式尾門開度置為初始開度Κ0，所述的初始開度KO = (arccos(h/H)/90) *100，其中，h為河工模型的當(dāng)前實際水位；H為尾門高度，90為尾門的角行程；K0為相對開度，用滿行程百分比表示。
5.一種防止河工模型尾門快速擾動的控制方法，用于河工模型試驗過程中階段目標(biāo)水位變化時，其特征在于，包括步驟: SI，當(dāng)河工模型的目標(biāo)水位發(fā)生變化時，判斷前后階段的目標(biāo)水位降幅ΛΗ和設(shè)定的分級水位降幅AHmax的大小，所述的分級水位降幅AHmax是根據(jù)實際河工模型大小和槽蓄能力設(shè)定的經(jīng)驗值； S2，若目標(biāo)水位降幅ΛΗ不大于分級水位降幅AHmax，則將當(dāng)前階段的目標(biāo)水位設(shè)置為控制目標(biāo)水位，尾門控制器根據(jù)控制目標(biāo)水位調(diào)節(jié)水位降幅； S3，若目標(biāo)水位降幅ΛΗ大于分級水位降幅AHmax，則對當(dāng)前階段的目標(biāo)水位分級，并根據(jù)分級水位降幅AHmax設(shè)置各級控制目標(biāo)水位Htwi,尾門控制器根據(jù)各級控制目標(biāo)水位逐級調(diào)節(jié)水位降幅。
6.如權(quán)利要求5所述的防止河工模型尾門快速擾動的控制方法，其特征在于:所述的各級控制目標(biāo)水位如下:
7.如權(quán)利要求6所述的防止河工模型尾門快速擾動的控制方法，其特征在于: 所述的時間間隔ATtl的取值范圍為5 25s，且，所述的分級水位降幅AHmax的取值范圍為5 20mm。
8.如權(quán)利要求6所述的防止河工模型尾門快速擾動的控制方法，其特征在于: 所述的時間間隔ATc^P分級水位降幅AHmax按如下方法整定: (1)設(shè)定時間間隔△'和分級水位降幅AHmax的初始值，設(shè)定前后階段目標(biāo)水位降幅； (2)根據(jù)設(shè)定的時間間隔ATc^P分級水位降幅AHmax逐級調(diào)節(jié)水位降幅，并觀察尾門水位變化，根據(jù)經(jīng)驗做如下判斷:如果水流速度過快，對河工模型的地形造成沖擊，則執(zhí)行步驟(3);如果水流速度過慢，則執(zhí)行步驟(4);如果水流速度適當(dāng)，則此時設(shè)定的時間間隔Λ Tc^P分級水位降幅AHmax即為時間間隔Λ Ttl和分級水位降幅AHmax; (3)增加時間間隔AT或/和減少分級水位降幅AHmax后，重復(fù)步驟(2); (4)減小時間間隔AT或/和增加分級水位降幅AHmax后，重復(fù)步驟(2)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種防止河工模型尾門快速擾動的控制方法，該方法可用于控制尾門啟動階段和目標(biāo)水位降幅較大階段的尾門快速擾動，本發(fā)明在尾門初始啟動階段引入階梯式逐級開啟模式控制尾門的開啟，對因初始水位較高、第一階段目標(biāo)水位較低所引起尾門快速擾動進行了控制，避免了水流過快沖壞河工模型動床地形的情況發(fā)生，從而保證尾門啟動階段模型水位的平穩(wěn)過渡。本發(fā)明在目標(biāo)水位降幅較大階段，將目標(biāo)水位變化過程分解成階梯式逐級下降的過程，避免了河工模型試驗過程中因目標(biāo)水位降幅過大造成的水流對模型動床地形的沖擊。
文檔編號G05D9/12GK103197696SQ20131011942
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月8日
發(fā)明者馬志敏, 胡文斌, 胡向陽, 許明 申請人:武漢大學(xué)