楊 楠

（江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

鄱陽(yáng)湖模型試驗(yàn)研究基地湖區(qū)模型主要模擬范圍包括鄱陽(yáng)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(yáng)湖區(qū)）、五河尾閭、湖口及部分長(zhǎng)江段（武穴至彭澤河段，長(zhǎng)約100km），鄱陽(yáng)湖湖區(qū)實(shí)體模型示意圖見(jiàn)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(zhǎng)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(mén)在長(zhǎng)江彭澤段。長(zhǎng)度9m，高度6m。水深變化范圍25cm，由于尾門(mén)水位控制影響因素很多，人工調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢，無(wú)法滿(mǎn)足試驗(yàn)需求，因此本文設(shè)計(jì)模型尾門(mén)控制系統(tǒng)，通過(guò)改變橫拉隔柵尾門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)尾水位變化，使模型河道水位達(dá)到了較理想的調(diào)節(jié)控制效果。

1 方案設(shè)計(jì)及其工作原理

圖1 鄱陽(yáng)湖湖區(qū)實(shí)體模型示意圖

圖2 尾水控制系統(tǒng)原理框圖

鄱陽(yáng)湖物理模型尾門(mén)控制系統(tǒng)是通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)尾門(mén)開(kāi)度的方式來(lái)達(dá)到控制模型水位的目標(biāo)，主要由嵌入式工控機(jī)（下位機(jī)）、跟蹤式水位儀、伺服電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和推拉尾門(mén)等組成。在模型尾門(mén)附近安裝跟蹤式水位儀實(shí)時(shí)采集模型的實(shí)際水位，將采集到的水位數(shù)據(jù)傳輸?shù)较挛粰C(jī)中，再與從上位機(jī)下傳的給定水位值相比較，把得到的偏差值通過(guò)PID控制算法計(jì)算出輸出控制量，將輸出控制量送到步進(jìn)電機(jī)以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)尾門(mén)移動(dòng)，控制量的正負(fù)變化實(shí)現(xiàn)了尾門(mén)的打開(kāi)與閉合，通過(guò)改變尾門(mén)開(kāi)度的大小，從而改變尾門(mén)的泄水能力實(shí)現(xiàn)模型水位高低調(diào)節(jié)，不斷檢測(cè)出水位的偏差值來(lái)修正控制電壓大小和方向，使水位逼近給定值，實(shí)現(xiàn)模型試驗(yàn)水位的自動(dòng)控制[1～5]?？刂葡到y(tǒng)原理如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(mén)及尾門(mén)控制器構(gòu)成。精密數(shù)字跟蹤式水位儀主要完成實(shí)時(shí)水位的采集，尾門(mén)控制器接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的開(kāi)度命令，再轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)步數(shù)，從而帶動(dòng)尾門(mén)連桿前進(jìn)與后退，實(shí)現(xiàn)尾門(mén)的打開(kāi)與閉合。軟件系統(tǒng)主要是上位機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件構(gòu)成，主要完成控制水位與實(shí)際水位的PID算法控制計(jì)算輸出控制量[6～9]。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

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(jī)作為主控芯片控制步進(jìn)電機(jī)，以步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)精密絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使絲桿上的滑塊做上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而測(cè)針作上下運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)每走一步，帶動(dòng)精密絲桿和測(cè)針直線上下運(yùn)行0.05mm。步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，測(cè)針上行，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，測(cè)針下行，以某一定點(diǎn)為基準(zhǔn)，測(cè)針向下尋找水面，測(cè)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(diǎn)減去步進(jìn)電機(jī)測(cè)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(shí)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(shí)物圖

2.1.2 尾門(mén)系統(tǒng)

為保證模型尾水位過(guò)程的相似，需要選擇合適的尾門(mén)形式。常見(jiàn)的自動(dòng)控制尾門(mén)形式有格柵式橫拉門(mén)和臥倒式翻板門(mén)兩種。當(dāng)模型水位變化不大時(shí)，格柵式橫拉門(mén)出流量與開(kāi)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(yáng)湖物理模型尾部口門(mén)的長(zhǎng)度9m，高度0.6m。設(shè)計(jì)采用推拉式尾門(mén)結(jié)構(gòu)，由活動(dòng)門(mén)、固定門(mén)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組合構(gòu)成，兩門(mén)的開(kāi)孔互相錯(cuò)開(kāi)，安裝時(shí)兩門(mén)重疊，圖5為鄱陽(yáng)湖物理模型尾門(mén)制作簡(jiǎn)圖。工作時(shí)控制電機(jī)帶動(dòng)活動(dòng)門(mén)左右運(yùn)動(dòng)，從而改變組合門(mén)開(kāi)孔的大小，使之改變泄水量以達(dá)到調(diào)整水位的目的。由于電機(jī)受給定的水位變化規(guī)律控制，故尾門(mén)的動(dòng)作也按給定的水位曲線變化規(guī)律而改變并達(dá)到模擬天然水位的目的[3]，詳見(jiàn)圖6。

圖5 鄱陽(yáng)湖物理模型尾門(mén)制作簡(jiǎn)圖

圖6 鄱陽(yáng)湖物理模型尾門(mén)工作簡(jiǎn)圖

尾門(mén)泄水孔可設(shè)計(jì)成矩形薄壁堰形式，尾門(mén)開(kāi)孔個(gè)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(shí)，尾門(mén)開(kāi)孔的總寬度可由下式表示：

式中，Qmax為流量，m3/s；其余符號(hào)意義同前。

當(dāng)B確定后，單孔寬b的大小就取決于開(kāi)孔個(gè)數(shù)n，b=B/n。n的大小直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。根據(jù)（1）式，尾門(mén)在工作時(shí)若B在單位時(shí)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(mén)開(kāi)孔寬度變化量，m。

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

式中，△t為單位時(shí)間，s；其余符號(hào)意義同前。

因此，要求尾門(mén)移動(dòng)的最大速度應(yīng)為：

式中，V1為尾門(mén)移動(dòng)最大速度，mm/s；△Bmax為尾門(mén)開(kāi)孔寬度變化最大值，m。

若電機(jī)的轉(zhuǎn)速為N，它拖動(dòng)尾門(mén)的速度為V2，則

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

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

2.2 軟件設(shè)計(jì)

尾門(mén)水位測(cè)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(dòng)化監(jiān)控軟件，適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、可以大大減少軟件人員開(kāi)發(fā)周期。

圖7 尾門(mén)安裝圖

主控軟件作為實(shí)現(xiàn)尾門(mén)水位實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的總控人機(jī)界面，軟件設(shè)計(jì)時(shí)要求操作界面的設(shè)計(jì)人性化，具備簡(jiǎn)潔大方、形象美觀等特點(diǎn)；操作界面應(yīng)該突出重點(diǎn)，能夠顯示出量測(cè)控制系統(tǒng)的主要功能，讓人一目了然，一些無(wú)用繁雜的后臺(tái)界面應(yīng)該省去。尾門(mén)水位測(cè)控軟件操作界面如圖8所示。

3 試驗(yàn)與應(yīng)用效果

圖8 軟件控制界面

試驗(yàn)調(diào)試中，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)試湊法對(duì)比例放大系數(shù)Kp、積分時(shí)間常數(shù)Ti、微分時(shí)間常數(shù)Td三個(gè)參數(shù)的調(diào)整整定，得到系統(tǒng)較為滿(mǎn)意的效果。將設(shè)定水位由原來(lái)的280mm設(shè)定為300mm后，通過(guò)PID運(yùn)算控制，得到的曲線見(jiàn)圖9。由圖9可知，尾門(mén)水位控制系統(tǒng)響應(yīng)迅速，達(dá)到平衡的調(diào)節(jié)時(shí)間較短，查看數(shù)據(jù)庫(kù)記錄，調(diào)節(jié)時(shí)間小于20min。

圖9 尾門(mén)水位控制曲線

4 結(jié)語(yǔ)

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