本發(fā)明屬于河道及水電站水閘運行技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于HHT方法的閘門運行控制方法。

背景技術(shù)：

大壩、攔河閘、廠房等水工建筑物長期在水流脈動壓力作用下，有可能發(fā)生疲勞破壞，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失事，引發(fā)災(zāi)難性后果。如何快速、準確、直觀的反映閘墩等結(jié)構(gòu)在脈動水流荷載作用下的振動特性，及水流荷載的頻率特性，從而為運行人員合理控制閘門開度，以減少閘墩等結(jié)構(gòu)震動幅度提供依據(jù)，是亟待解決的問題。

減小閘墩等結(jié)構(gòu)在水流荷載作用下的振幅，有效途徑是讓閘墩等結(jié)構(gòu)的主要振型的頻率遠離水流脈動壓力頻率，故必須首先獲得結(jié)構(gòu)的各階工作頻率，及水流脈動壓力的主頻率。利用HHT(Hilbert-Huang Transform)方法分析閘墩等結(jié)構(gòu)在水流脈動壓力用下的位移響應(yīng)，及水流脈動壓力的主頻，是研究閘墩等結(jié)構(gòu)震動特性的前提。

Hilbert-Huang變換由經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)和希爾伯特變換(Hilbert Transform，HT)兩部分組成，其核心是EMD。通過EMD方法分解結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)信號，得到的各個固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)，使原信號中由于信息成分復(fù)雜而導(dǎo)致被強信息成分淹沒的弱信息成分在IMF分量中較明顯地表現(xiàn)出來。

隨著計算機及振動理論的發(fā)展，HHT(Hilbert-Huang Transform)方法已在航天、汽車工業(yè)及水利工程中得到應(yīng)用，利用該方法能夠?qū)Y(jié)構(gòu)振動響應(yīng)進行分解，將環(huán)境噪聲及傳感器自身缺陷所摻入的噪聲進行剔除，從而提高信噪比，為后續(xù)識別結(jié)構(gòu)各階振動模態(tài)提供真實數(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種基于HHT方法的閘門運行控制方法，針對閘墩等輕型水工結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崟r監(jiān)控水流脈動壓力頻譜特性，實時分析結(jié)構(gòu)各階模態(tài)振動特性，依據(jù)結(jié)構(gòu)的振動特性調(diào)整閘門開度，使水流脈動壓力頻率遠離結(jié)構(gòu)的主振頻率，從而達到減小閘墩等輕型結(jié)構(gòu)的震幅，延長結(jié)構(gòu)使用壽命的目標。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于HHT方法的閘門運行控制方法，包括如下步驟：

(1)通過在閘墩設(shè)置動位移傳感器來采集動位移數(shù)據(jù)；以及通過在閘墩水流淹沒部分設(shè)置脈動壓力傳感器來采集脈動壓力數(shù)據(jù)；

(2)對采集到的動位移數(shù)據(jù)及脈動壓力數(shù)據(jù)采用HHT方法進行實時降噪處理；

(3)利用經(jīng)過步驟(2)降噪處理后的動位移數(shù)據(jù)，采用NExT方法(自然激勵技術(shù)法)和STD方法(基于時域識別的模態(tài)參數(shù)識別方法)對閘墩結(jié)構(gòu)各階振動模態(tài)進行實時求解，算出閘墩各階主要振型的頻率；

利用AR現(xiàn)代譜方法(自回歸(Auto Regressive)模型現(xiàn)代譜估計)對降噪處理后的脈動壓力數(shù)據(jù)進行頻譜分析，根據(jù)功率譜圖上功率譜密度峰值得出水流脈動壓力的主頻率；

(4)閘門運行人員通過實時的將閘墩結(jié)構(gòu)的主要振型的頻率及水流脈動壓力的主頻率進行比較，進行實時調(diào)控閘門開度，使二者頻率相差達到所規(guī)定的要求范圍(使二者頻率相差較大)，從而減小閘墩、閘門等結(jié)構(gòu)的振動，達到優(yōu)化閘門運行的目標。

將所述動位移傳感器以及脈動壓力傳感器固有的最低監(jiān)測頻率輸入到監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機據(jù)此將所采集到的動位移數(shù)據(jù)信號及脈動壓力數(shù)據(jù)信號去偽存真，提高信噪比。

上述動位移傳感器包括水平動位移傳感器和垂直動位移傳感器；步驟(1)中，具體是在閘墩頂部分別設(shè)置測量水平方向動位移的水平動位移傳感器及測量垂直方向動位移的垂直動位移傳感器；在閘墩底部水流淹沒部分設(shè)置脈動壓力傳感器，所述水平動位移傳感器、垂直動位移傳感器以及脈動壓力傳感器分別與監(jiān)控計算機連接。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明能夠直觀反映閘墩等結(jié)構(gòu)由于長時間運行使得振動特性發(fā)生變化的現(xiàn)象，從而指導(dǎo)運行人員調(diào)整閘門運行方式。本發(fā)明針對閘墩等輕型水工結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崟r監(jiān)控水流脈動壓力頻譜特性，實時分析結(jié)構(gòu)各階模態(tài)振動特性，依據(jù)結(jié)構(gòu)的振動特性調(diào)整閘門開度，使水流脈動壓力頻率遠離結(jié)構(gòu)的主振頻率，從而達到減小閘墩等輕型結(jié)構(gòu)的震幅，延長結(jié)構(gòu)使用壽命的目標。本發(fā)明能夠?qū)崟r監(jiān)控閘墩結(jié)構(gòu)的震動特性和安全狀況，以及水流荷載特性，對優(yōu)化閘門運行起到重要作用；能明顯增強閘墩等輕型建筑物的可靠性、耐久性、抗震性和安全性，具有良好的社會、經(jīng)濟和環(huán)境生態(tài)效益。

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。

附圖說明

圖1是閘墩動位移傳感器及水流脈動壓力傳感器布置圖；

圖2是閘門運行控制系統(tǒng)處理流程；

圖3是本發(fā)明所采用的監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理說明框圖。

具體實施方式

實施例1：

如圖2所示，本發(fā)明提供了一種基于HHT方法的閘門運行控制方法，包括如下步驟：

(1)通過在閘墩設(shè)置動位移傳感器來采集動位移數(shù)據(jù)；以及通過在閘墩水流淹沒部分設(shè)置脈動壓力傳感器來采集脈動壓力數(shù)據(jù)；

(2)對采集到的動位移數(shù)據(jù)及脈動壓力數(shù)據(jù)采用HHT方法進行實時降噪處理；

(3)利用經(jīng)過步驟(2)降噪處理后的動位移數(shù)據(jù)，采用NExT方法(自然激勵技術(shù)法)和STD方法(基于時域識別的模態(tài)參數(shù)識別方法)對閘墩結(jié)構(gòu)各階振動模態(tài)進行實時求解，算出閘墩各階主要振型的頻率；

利用AR現(xiàn)代譜方法(自回歸(Auto Regressive)模型現(xiàn)代譜估計)對降噪處理后的脈動壓力數(shù)據(jù)進行頻譜分析，根據(jù)功率譜圖上功率譜密度峰值得出水流脈動壓力的主頻率；

(4)閘門運行人員通過實時的將閘墩結(jié)構(gòu)的主要振型的頻率及水流脈動壓力的主頻率進行比較，進行實時調(diào)控閘門開度，使二者頻率相差達到所規(guī)定的要求范圍(使二者頻率相差較大)，從而減小閘墩、閘門等結(jié)構(gòu)的振動，達到優(yōu)化閘門運行的目標。

實施例2：

在實施例1的基礎(chǔ)上，將所述動位移傳感器以及脈動壓力傳感器的固有的最低監(jiān)測頻率輸入到監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機據(jù)此將動位移數(shù)據(jù)信號及水流脈動壓力數(shù)據(jù)信號去偽存真，提高信噪比；其中可以通過信號采集系統(tǒng)(采集儀)將動位移傳感器以及脈動壓力傳感器所輸出的信號放大，轉(zhuǎn)化為監(jiān)控計算機可識別的信號再輸入監(jiān)控計算機。

所述動位移傳感器包括水平動位移傳感器和垂直動位移傳感器；步驟(1)中，具體是在閘墩頂部分別設(shè)置測量水平方向動位移的水平動位移傳感器及測量垂直方向動位移的垂直動位移傳感器；在閘墩底部水流淹沒部分設(shè)置脈動壓力傳感器，所述水平動位移傳感器、垂直動位移傳感器以及脈動壓力傳感器分別與信號采集系統(tǒng)(采集儀)及計算機連接。

如圖1所示，在閘墩頂部布置水平及垂直位移傳感器，閘墩底部水流淹沒部分布置脈動壓力傳感器，傳感器信號直接輸入計算機。如圖2、圖3所示，閘墩動位移響應(yīng)及水流脈動壓力首先經(jīng)HHT方法降噪處理；將降噪處理后的動位移響應(yīng)做為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用NExT(自然激勵技術(shù)法)和STD方法對其進行分析，算出閘墩各階主要模態(tài)的頻率；同時利用AR現(xiàn)代譜方法對降噪處理后的脈動壓力數(shù)據(jù)進行頻譜分析，得出水流脈動壓力的主頻率。

以上所有過程均在計算機平臺上進行，做到實時監(jiān)控，運行人員能夠直觀的看到結(jié)構(gòu)的主振頻率及水流脈動壓力的主頻率，通過二者的比較，運行人員能夠?qū)崟r調(diào)控閘門開度，使水流脈動壓力主要頻率遠離閘墩結(jié)構(gòu)的主振頻率，從而達到優(yōu)化運行的目標。

通過引入該閘門運行監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)控閘墩結(jié)構(gòu)的震動特性和安全狀況，以及水流脈動壓力特性，對優(yōu)化閘門運行起到重要作用；能明顯增強閘墩等輕型建筑物的可靠性、耐久性、抗震性和安全性，具有良好的社會、經(jīng)濟和環(huán)境生態(tài)效益。

綜上所述，本發(fā)明提供的基于HHT方法的閘門運行控制系統(tǒng)，包含了閘墩動位移監(jiān)控技術(shù)、過閘水流脈動壓力監(jiān)控技術(shù)、基于HHT方法的降噪處理技術(shù)、利用NExT(自然激勵技術(shù)法)和STD方法進行結(jié)構(gòu)模態(tài)設(shè)別的技術(shù)及利用AR現(xiàn)代譜方法對脈動壓力數(shù)據(jù)進行頻譜分析的技術(shù)。本方法包括水流監(jiān)控系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)動位移監(jiān)控系統(tǒng)，本發(fā)明中，閘墩設(shè)有動位移傳感器，閘墩水流淹沒部分設(shè)有脈動壓力傳感器；系統(tǒng)對采集到的動位移及脈動壓力數(shù)據(jù)采用HHT方法實時進行分解降噪處理；系統(tǒng)利用經(jīng)過降噪處理后的動位移數(shù)據(jù)，采用NExT(自然激勵技術(shù)法)和STD方法對結(jié)構(gòu)各階振動模態(tài)進行實時求解；系統(tǒng)利用AR現(xiàn)代譜方法實時分析水流脈動壓力的頻譜特性。本運行控制方法需將傳感器的最低監(jiān)測頻率及周圍噪聲的頻率輸入監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)據(jù)此將動位移信號及脈動壓力信號去偽存真，提高信噪比。本方法的所有過程均在計算機上進行，運行人員能夠?qū)崟r的看到結(jié)構(gòu)的主振頻率及水流脈動壓力的主頻率，通過二者的比較，運行人員能夠?qū)崟r調(diào)控閘門開度，達到優(yōu)化運行的目標。

本發(fā)明的特點是將HHT方法引入閘門運行監(jiān)控系統(tǒng)中，通過該方法對動位移信號及水流脈動壓力信進行降噪處理，利用NExT(自然激勵技術(shù)法)和STD方法對降噪處理后的動位移數(shù)據(jù)進行各階振動模態(tài)的求解，利用AR現(xiàn)代譜方法對降噪處理后的脈動壓力數(shù)據(jù)進行頻譜分析，從而指導(dǎo)運行人員實時調(diào)控閘門開度，使水流脈動壓力的主頻率遠離閘墩結(jié)構(gòu)的主振頻率。本發(fā)明能夠直觀反映閘墩等結(jié)構(gòu)由于長時間運行使得振動特性發(fā)生變化的現(xiàn)象，從而指導(dǎo)運行人員調(diào)整閘門運行方式。本發(fā)明針對閘墩等輕型水工結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崟r監(jiān)控水流脈動壓力頻譜特性，實時分析結(jié)構(gòu)各階模態(tài)振動特性，依據(jù)結(jié)構(gòu)的振動特性調(diào)整閘門開度，使水流脈動壓力主頻率遠離結(jié)構(gòu)的主振頻率，從而達到減小閘墩等輕型結(jié)構(gòu)的震幅，延長結(jié)構(gòu)使用壽命的目標。本發(fā)明能夠?qū)崟r監(jiān)控閘墩結(jié)構(gòu)的震動特性和安全狀況，以及水流荷載特性，對優(yōu)化閘門運行起到重要作用；能明顯增強閘墩等輕型建筑物的可靠性、耐久性、抗震性和安全性，具有良好的社會、經(jīng)濟和環(huán)境生態(tài)效益。

本實施方式中沒有詳細敘述的部分屬本行業(yè)的公知的常用手段，這里不一一敘述。以上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。