鄱陽湖物理模型尾門控制系統的研制及應用

楊 楠

（江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

鄱陽湖模型試驗研究基地湖區模型主要模擬范圍包括鄱陽湖湖區（指湖口水位站防洪控制水位22.50m（凍結吳淞高程）所影響的環鄱陽湖區）、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，人工調節響應速度慢，無法滿足試驗需求，因此本文設計模型尾門控制系統，通過改變橫拉隔柵尾門開度來調節尾水位變化，使模型河道水位達到了較理想的調節控制效果。

1 方案設計及其工作原理

圖1 鄱陽湖湖區實體模型示意圖

圖2 尾水控制系統原理框圖

鄱陽湖物理模型尾門控制系統是通過自動調節尾門開度的方式來達到控制模型水位的目標，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，將采集到的水位數據傳輸到下位機中，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行機構帶動尾門移動，控制量的正負變化實現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模型水位高低調節，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，實現模型試驗水位的自動控制[1～5]?？刂葡到y原理如圖2所示。

2 系統設計

系統包括硬件系統和軟件系統，硬件系統主要由精密數字跟蹤式水位儀、推拉尾門及尾門控制器構成。精密數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來的開度命令，再轉換成步進電機正轉、反轉步數，從而帶動尾門連桿前進與后退，實現尾門的打開與閉合。軟件系統主要是上位機計算機監控軟件構成，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 硬件設計

2.1.1 精密數字跟蹤式水位儀

精密數字跟蹤式水位儀由傳感器、主控電路、電源三部分所構成，主控電路以AT89C52單片機作為主控芯片控制步進電機，以步進電機旋轉帶動精密絲桿轉動，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，測針上行，步進電機反轉，測針下行，以某一定點為基準，測針向下尋找水面，測針觸水，立刻上行，脫水后又下行，這樣反復跟蹤水面，以基準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型精密數字水位儀主控電路硬件框圖，圖4為JS-C型精密數字水位實物圖。

圖3 JS-C型精密數字水位儀硬件框圖

圖4 JS-C型精密數字水位實物圖

2.1.2 尾門系統

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系，因此水位調節振蕩小、精度高。鄱陽湖物理模型尾部口門的長度9m，高度0.6m。設計采用推拉式尾門結構，由活動門、固定門及其傳動機構組合構成，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整水位的目的。由于電機受給定的水位變化規律控制，故尾門的動作也按給定的水位曲線變化規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

尾門泄水孔可設計成矩形薄壁堰形式，尾門開孔個數以n表示。據伯努里定律導出矩形堰的流量公式為：

式中，Q 為流量，m3/s；C 為流量系數；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B確定后，單孔寬b的大小就取決于開孔個數n，b=B/n。n的大小直接影響到整個控制系統的工作狀態。根據（1）式，尾門在工作時若B在單位時間△t內的的變化為△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為電機轉速，r/min。

根據模型的實際要求與尾門控制器的參數選擇計算，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，為適應露天的環境，整個尾門采用不銹鋼材質加工而成。固定門與活動門之間采用上下滾輪結構，以減小活動門受重力和水壓力作用而產生的摩擦力，安裝效果見圖7。

2.2 軟件設計

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

圖7 尾門安裝圖

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

3 試驗與應用效果

圖8 軟件控制界面

試驗調試中，通過經驗試湊法對比例放大系數Kp、積分時間常數Ti、微分時間常數Td三個參數的調整整定，得到系統較為滿意的效果。將設定水位由原來的280mm設定為300mm后，通過PID運算控制，得到的曲線見圖9。由圖9可知，尾門水位控制系統響應迅速，達到平衡的調節時間較短，查看數據庫記錄，調節時間小于20min。

圖9 尾門水位控制曲線

4 結語

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得到成功應用，上述運行成果表明系統運行穩定、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。