河工模型尾门水位控制系统的设计与研究

李俊敏

(南京理工大学 紫金学院， 南京　210023)



河工模型尾门水位控制系统的设计与研究

李俊敏

(南京理工大学 紫金学院， 南京210023)

摘要：为了提高河工模型试验自动控制的水平，确保试验过程的精确性，自主开发了尾门水位控制系统。通过研究尾门结构，采用尾门水位的PID调节算法，结合拉格朗日插值方法，实现了尾门水位的自动控制。恒定流和非恒定流试验结果表明：该控制系统保证了尾门水位控制的快速性和稳定性；提高了试验精度，其尾门水位控制重复精度<1 mm；该系统可使河工模型研究试验的可重复性得到提高，且提高了试验效率，节约了试验成本。

关键词：河工模型；尾门水位控制系统；栅板式尾门； PID调节；目标水位；尾门水位

1河工模型尾门机构的研究现状

一直以来，河工模型用来模拟实际水流变化的规律，也是研究河流、水流和泥沙之间的各种关系的重要手段，为水利水电研究提供了试验资料。而模型试验研究水平的提高在很大程度上依赖于控制系统的创新和突破，其中尾门水位控制成为河工模型控制系统的关键。

目前，在河工模型中，主要有2种尾门：翻板式尾门和推拉式尾门。翻板式尾门固定在模型底部的轴上，由电机带动轴旋转，实现尾门的翻转，从而调节水槽尾部的水位，如图1(a)所示。这种尾门在翻转过程中容易引起水槽尾部水位震荡，且难以消除，影响水位控制精度。

推拉式尾门由固定板和移动板组成，其中固定板和移动板都存在开口处，开口相同且均等，如图1(b)所示。通过伺服电机带动和联轴器相连的带螺纹轴旋转，从而使得专用螺母带动移动板左右移动，通过此方式可调整移动板与固定板之间的相对横向位置，改变固定板和移动板开口处的间隙，调节尾门水位，此尾门加工过程中难以保证精度，易出现漏水现象，小流量调节困难[1]。

图1　河工模型尾门主要类型Fig.1　Main types of tail gate of river model

2尾门水位控制系统的研究

2.1新型栅板式尾门

本文的河工模型采用由笔者所在的科研团队参与研制的栅板旋转式尾门，这种新式尾门不同于前述2种常规的尾门，其尾门由多块栅板组成，如图2所示。通过联轴器将电机和蜗杆连接为一体，由伺服电机带动蜗杆旋转，蜗杆带动蜗轮，蜗轮带动栅板组件旋转。通过控制电机的转向和旋转的圈数，可实现栅板的正反转和旋转角度位置的调节。对于栅板式尾门，通过控制栅板旋转位置的角度和速度，可控制尾门的出水量，从而实现调节尾门水位的目的。

图2　栅板式尾门

2.2总体系统设计与研究

河工模型在试验过程中，根据实际要求，可以模拟正向流、逆向流等。试验时，目标水位值由上位机给定，上位机根据目标水位的特征点和要求的时间间隔进行相应的插值处理。将通过水位仪采集到的水位值和插值的计算值比较，其差值经过PID调节器，控制伺服电机，由电机驱动尾门，调节河工模型的水位，使控制点的水位值接近于给定的水位目标值，上位机将实测值与目标值进行比较，根据差值进行修正，使其达到理想值。

图3　尾门水位控制系统工作原理Fig.3　Working principleof the water level controlsystem of tail gate

本系统仅控制出流流量，即尾门水位值，尾门水位控制系统首先将根据试验要求而设定尾门水位的目标值。若为非恒定流，由于该目标值为多个不同时间内的不同水位值，必须先拟合目标水位曲线；若为恒定流，该目标值将为1个恒定水位值，即1条平直的水位曲线。尾门水位控制系统工作原理如图3所示，上位机将根据目标水位曲线设定尾门开度，并通过RS485传送到控制器，控制器根据接收到的控制指令控制伺服电机，编码器测得电机转速反馈给控制器，形成第一路闭环，同时将实际水位值反馈给上位机，形成第二路闭环。此时，上位机将完成尾门水位控制系统的运算控制、曲线显示、参数修订、算法修正及数据的分析处理等[2]。

2.3尾门水位控制算法研究根据试验要求，尾门水位控制系统需准确、稳定、可靠、迅速，为了达到这样的控制要求，一般采用不同的方法用于不同的控制阶段。首先，从开始调节处到水位达到目标值，这一阶段采用PD控制，可达到快速响应，通过调节电机的转向和转速，使水位达到目标值。其次，水位达到目标值后，将进入振荡衰减的阶段，此时需平稳调节，使水位保持稳定，波动小，此时，采用自适应模糊PID算法，使水位达到稳定的控制值[3]。如图4所示。

图4　尾门水位控制系统算法结构Fig.4　Algorithm structure of the water levelcontrol system

对于尾门水位这种控制对象不明确的情况下，采用PID调节时，灵活多变，参数易于调整。本系统采用PID和PD这2种算法，当水位偏差>1 mm时，采用PD算法，可以改善尾门水位的动态特性；当水位偏差<1 mm时，采用PID算法，可以提高尾门水位的稳态精度[4]。

当水位偏差>1 mm时， PD算法校正控制量：

(1)

离散化后，

(2)

式中：Pn为第n次水位控制量；en为第n次采样的偏差值；e(n-1)为第n-1次采样的偏差值；T为采样周期。

通过推算，将该算法写入程序，为

(3)

式中R(n-1)和A′均为计算程序中的临时变量。

令：

(4)

(5)

(6)

式中：Rn和B′均为计算程序中的临时变量;TD为PID算法中的微分时间。

取初值Rn-1=0，按照该算法，运行程序将计算每一步的en,Pn,Rn，而Rn可用于计算下一步的Pn。

当水位偏差<1 mm时，PID算法控制校正量：

(7)

式中：Kp为PID算法中的比例系数；T1为 PID算法中的积分时间。

离散化后：

(8)

式中ei为第i次偏差值。

同时，

(9)

式中ΔPn为第n次水位控制量与第n-1次水位控制量的差值。

故写入程序中的实际运算方法为

(10)

式中Qn-1和A均为计算程序中的临时变量。

令：

(11)

(12)

(13)

(14)

式中Qn,B和C均为计算程序中的临时变量。

初值取Qn-1=0 , en-1=0,程序中每一步都会计算en,Pn,Qn,而其中Qn用于计算下一步的Pn。

2.4尾门水位控制应用软件的设计

该河工模型的尾门水位控制系统中，为了保证尾门水位的控制精度，每控制周期内进行1次拉格朗日插值计算和控制点的水位采集，并进行相应的PID调节，输出电机转速。尾门水位控制部分流程图如图5所示，PID控制算法的流程图如图6所示。

图5 尾门水位控制流程Fig.5 Flowchartofcontrollingwaterleveloftailgate图6 尾门水位PID控制算法流程Fig.6 FlowchartofPIDcontrollingalgorithm

3系统调试

根据河工模型尾门水位的控制要求，进行软硬件设计，软件采用MCGS组态软件，通过控制器控制伺服电机，采集反馈水位值，采用PID算法，实现尾门水位的精确控制。

该河工模型采用平水塔，上游通过控制电动调节阀的开度调节入水量，通过电磁流量计作为反馈装置，精确调节入水流量。尾部水位通过尾门电机调节栅板的角度，控制尾部出水量，采用水位仪作为反馈装置，稳定准确地调节栅板角度，控制出水量，实现目标水位的控制，总体控制顺序如图7所示。

图7　河工模型总体控制设计Fig.7　Overall design of the control systemof river model

河工模型可完成恒定流和非恒定流试验，由于试验水槽中给出的控制点水位曲线是近似的，需要得到验证，故必须使用重复精度来衡量该尾门水位控制系统的性能。

在恒定流试验中，目标水位值一直不变，仅需在由上位机在“目标水位”处输入目标水位值，控制程序将自动控制尾门角度调节尾门水位，并实时显示在图表中，如图8所示，同时可以将实验数据保存在计算机中，便于后期处理。

图8　尾门水位调节过程Fig.8　Process of adjusting water level of tail gate

对于恒定流试验，通过调节栅板角度调节出水量，使得尾门水位值接近目标水位，试验中，若起始水位与目标水位相差越多，则调节时间ΔT越长，通过试验，联调上游流量和尾门控制水位，ΔT最大为198 s。对于不同的目标水位，不同的上游流量，尾门水位控制重复精度δ<1 mm，如图9所示。

图9 恒定流试验中尾门水位跟踪Fig.9 Waterleveltrackinginsteadyflowsystem

而非恒定流试验中，目标水位将呈现曲线值，则由上位机的系统软件接受试验前提供的目标水位值，通过拉格朗日插值运算，PID算法调节，实现尾门水位的曲线式自动控制。将目标水位值输入该尾门水位控制系统，进行验证试验，如图10所示，尾门水位控制精度<1 mm。

图10 非恒定流试验中尾门水位跟踪Fig.10 Waterleveltrackinginnon-steadyflowsystem

4结论

河工模型尾门水位控制系统是试验中必不可少的设备。该尾门水位控制系统可实现由上位机输入目标水位值或目标水位曲线，通过控制尾门电机和采集尾门水位，采用拉格朗日插值和PID调节法，实现尾门水位的调节，提高了水位控制的精度。

实践表明，使用该尾门水位控制系统，既可保证尾门水位调节的快速响应，也可保证水位控制的精度和稳定性。不但使水利研究的试验精度和可重复性得到提高，也可大大提高试验效率，节省大量的人力和时间。

参考文献：

[1]刘瑞恒. 一种连杆结构河工模型尾门的设计[J]. 中国科技博览,2011, (28)：60-62.

[2]彭刚，李志飞，曾杰. 模型流量、尾门和水位的自动控制采集系统[J]. 水利科技与经济,2012,(9)： 106-109.

[3]贺昌海，雷川华，周小平，等. 模型试验流量与水位自动控制系统研制[J]. 长江科学院院报, 2007, 24(3)：72-74.

[4]徐基丰，王振冬. 微机在潮汐模型试验中的应用[J]. 水利水运工程学报. 1985，(3)：99-106.

[5]朱玉兵, 张小兵.计算机监控系统在太浦河泵站的应用[J].长江科学院院报,2013,30(3):93-98.

(编辑：占学军)

Design and Research of Tail Gate Control Systemfor River Model Experiment

LI Jun-min

(Zijin College, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing210023, China)

Abstract:A tail gate water level control system was developed independently to improve the automatic control of river model testing and ensure the accuracy of experiment. The system was developed by adopting PID regulation algorithm and Lagrange interpolation method. Tests of steady flow and non-steady flow proved that the control system ensured the speed and stability of tail gate level control and improved the accuracy of the experiment. The repetitive precision of tail-water controlling is less than one millimeter. The results suggest that the system could improve the experiment’s repeat accuracy, enhance efficiency, and reduce the cost of experiment.

Key words:river model; tail gate water level control system; grid plate tail gate; PID regulation; target water-level; tail gate water level

中图分类号：TV131.66;TV83

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0135-04

doi:10.11988/ckyyb.201501072016,33(05):135-138

作者简介：李俊敏(1977-)，女，江苏丰县人，讲师，硕士，主要从事机电控制技术的研究，(电话)18751873372(电子信箱)407260319@qq.com。

收稿日期：2015-01-28;修回日期:2015-06-14