河工模型試驗?zāi)繕?biāo)水位突降時尾門水位的控制

杜劍鋒，馬志敏，范北林

(1.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院, 武漢　430072; 2. 長江科學(xué)院 河流研究所, 武漢　430010)

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河工模型試驗?zāi)繕?biāo)水位突降時尾門水位的控制

杜劍鋒1，馬志敏1，范北林2

(1.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院, 武漢430072; 2. 長江科學(xué)院 河流研究所, 武漢430010)

摘要：針對河工模型試驗過程中目標(biāo)水位下降幅度過大時可能造成尾門開啟過度、流速急劇增加，從而導(dǎo)致動床地形沖毀的現(xiàn)象，提出了一種尾門平穩(wěn)過渡控制的方法。即在試驗開始階段，停止尾門調(diào)節(jié)器PID(proportion-integration-differentiation)控制模式，采用逐步開啟尾門，直至模型水位接近目標(biāo)水位后再自動轉(zhuǎn)入PID調(diào)節(jié)模式。在試驗過程中，目標(biāo)水位降幅超過設(shè)定的正常幅度后，調(diào)節(jié)器自動將目標(biāo)水位變化分解為按階梯逐步下降的過程，階梯的幅度和持續(xù)時間可以根據(jù)實際模型事先整定。將新方法應(yīng)用到長江防洪模型供水系統(tǒng),并嵌入到尾門PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。試驗表明:采用這些方法后，能有效抑制目標(biāo)水位降幅過大時造成尾門的超調(diào)，保證了尾門水位的平穩(wěn)過渡，并且有效提高了尾門控制的平穩(wěn)性和試驗系統(tǒng)的可靠性；新方法使得水位調(diào)節(jié)平衡的時間有所增加，應(yīng)根據(jù)模型的特性，選擇適當(dāng)?shù)目刂茀?shù)。

關(guān)鍵詞：尾門水位調(diào)節(jié)；PID算法；流速；地形；河工模型試驗

在河工模型試驗中，如果遇到目標(biāo)水位突然大幅下降的情況，試驗人員一般會啟用手動尾門，通過人工干預(yù)的方法，以保證模型水位的平穩(wěn)過渡。這樣做的主要目的，是為了防止自動調(diào)節(jié)過程中，由于尾門突然打開而導(dǎo)致流速急劇增加，沖毀動床地形這種情況的出現(xiàn)。但這既增加了試驗人員的負(fù)擔(dān)，也破壞了尾門水位自動控制系統(tǒng)的完整性。針對這個問題，本文給出了一套模型水位突變時尾門安全控制的方案，在保證水位調(diào)節(jié)精確快速的同時，也有效防止了流速突變的可能。

1目標(biāo)水位快速下降時尾門水位調(diào)節(jié)中存在的問題

在河工模型試驗過程中，尾水位的調(diào)節(jié)一般采用數(shù)字PID算法[1]。在實際控制過程中，會對PID算法做一些改進(jìn)。如增加了非線性環(huán)節(jié)的PID調(diào)節(jié)算法有增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，有效抑制震蕩的優(yōu)點[2]。模糊PID調(diào)節(jié)算法有響應(yīng)速度快、水位控制穩(wěn)定性好的優(yōu)點[3]。但是，PID算法只以模型水位為控制對象，追求水位調(diào)節(jié)的快速和精確。在某些時候，以單一目標(biāo)為控制對象的PID算法，并不能很好地適應(yīng)模型試驗的要求[4]。這主要是指，當(dāng)模型試驗中目標(biāo)水位降幅較大時，為了保證水位快速調(diào)節(jié)，PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)會控制尾門迅速打開，造成尾門過度開啟，導(dǎo)致模型中水流速度急劇增加進(jìn)而破壞動床地形。

在實際的模型試驗中，目標(biāo)水位突然大幅下降或顯著低于當(dāng)前實際水位的情況主要有2種。第1種出現(xiàn)在模型試驗的啟動階段，模型可能處于保水狀態(tài)，模型中的水位維持較高水平。啟動試驗后，目標(biāo)水位可能顯著低于當(dāng)前模型水位。第2種出現(xiàn)在洪峰后期，概化水位過程線降幅較大[5]，目標(biāo)水位迅速下降。在這2種情況下，如果還采用相同的PID調(diào)節(jié)模式，極可能導(dǎo)致尾門的過度開啟，從而造成流速急劇增加和動床地形的損毀。針對這2種情形，本文給出了不同的控制方案。

2尾門的安全控制方案

對于第1種情形，即在模型試驗的啟動階段，尾門調(diào)節(jié)尚未開始，當(dāng)檢測到實際水位較高而目標(biāo)水位很低時，采用逐級開啟模式逐級開啟尾門。

圖1　試驗啟動階段尾門 逐級開啟模式的控制流程

試驗開始階段，尾門逐級開啟模式的流程圖如圖1所示。

圖1中，hs為當(dāng)前時刻的目標(biāo)水位值；hp為當(dāng)前時刻的實際水位值；ΔT為時間間隔；ΔK為開度步長(%)，根據(jù)實際河工模型大小和槽蓄能力事先整定。

控制過程如下：①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；②比較當(dāng)前實際水位和第1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，則每隔ΔT時間將尾門開度增加ΔK(%)；③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)前實際水位達(dá)到或低于目標(biāo)水位，則停止逐級開啟模式，系統(tǒng)進(jìn)入自動PID調(diào)節(jié)模式對尾門進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

圖2　增加了過渡區(qū)的 目標(biāo)水位過程線

對于第2種情形，即試驗過程中目標(biāo)水位降幅較大時，為了不破壞PID調(diào)節(jié)的連續(xù)性，選擇采用目標(biāo)水位階梯式逐級調(diào)節(jié)模式。如圖2所示，即在概化后的過程線中增加過渡區(qū)，保證目標(biāo)水位值不發(fā)生突變。

目標(biāo)水位階梯式逐級調(diào)節(jié)模式的流程圖如圖3所示。

圖3　目標(biāo)水位階梯式逐級調(diào)節(jié)模式過程流程

圖3中，Δh為是否開啟階梯調(diào)節(jié)模式的閾值；ΔH為目標(biāo)水位遞減的步長，它們的大小根據(jù)實際河工模型大小和槽蓄能力整定。

3試驗與控制效果

為了驗證上述控制方案的可行性，筆者在長江防洪模型上進(jìn)行了試驗，并在試驗中增加了旋槳流速儀用于實時監(jiān)測模型水流速度。

3.1逐級開啟模式

對于逐級開啟模式，按表1所示參數(shù)進(jìn)行了試驗。組號1為參考組，是指直接采用PID自動調(diào)節(jié)，不進(jìn)行尾門逐步開啟的情形。組號2和組號3為試驗組，其尾門開度的步長分別為5%和2%，時間間隔ΔT為30 s，模型流量為150 L/s。在試驗中記錄了尾門開度、水流速度和模型水位隨時間的變化情況。同時使用激光地形儀測量了采用逐級開啟模式前后，模型尾門附近的地形變化情況。

表1　逐級開啟模式時試驗參數(shù)Table 1　Test parameters when tail gate opens by step

圖4　逐級開啟模式時尾門水位及流速隨時間變化關(guān)系

圖4給出了各個試驗條件下，水位與時間變化關(guān)系和流速與時間變化關(guān)系，從圖中可以看出：①當(dāng)采用了逐級開啟模式后，流速峰值由34 cm/s下降為26 cm/s，有效地抑制了模型中水流速度的急劇變化；②采用逐級開啟模式時，水位的控制效果和開度步長有密切的關(guān)系，選用不合理的開度步長(ΔK=5%)會使得控制效果不明顯。

圖5給出了采用逐級開啟模式前后，尾門附近的動床地形變化情況。其中試驗組地形是在ΔK=2%時測量的。從圖5中可以看出，當(dāng)不采用逐級開啟模式時，河床被沖刷，高度最大下降13.4%，產(chǎn)生了明顯的變化，而采用逐級開啟模式后，河床地形變化較小，有效防止了河床被沖毀情況的出現(xiàn)。

圖5　逐級開啟模式時尾門附近動床地形對比

3.2目標(biāo)水位階梯式逐級調(diào)節(jié)模式

對于階梯式逐級調(diào)節(jié)模式，按表2所示參數(shù)進(jìn)行了試驗。其中組號1為對參考組，組號2，3和4為試驗組。試驗流量為100 L/s，時間間隔ΔT為30 s。在試驗中記錄了尾門開度、水流速度和模型水位隨時間的變化關(guān)系。同時使用激光地形儀測量了采用階梯控制模式前后模型尾門附近的地形變化情況。

表2　階梯式逐級調(diào)節(jié)模式時試驗參數(shù)Table 2　The experimental parameters in the stepped control model

圖6給出了試驗中尾門開度及流速隨時間的變化情況。

圖6　階梯式逐級調(diào)節(jié)模式下尾門開度及 流速隨時間變化關(guān)系

從圖6中可知：當(dāng)采用階梯控制策略后，能有效地防止尾門的過度開啟，水流流速變化平穩(wěn)，流速峰值由32.0 cm/s降為24.9 cm/s，降幅達(dá)21.8%。從圖7可以知道：①采用階梯控制模式后，水位調(diào)節(jié)平衡時間變長，由380 s增加為410 s，增幅為7.8%；②當(dāng)不采用階梯控制模式時，水位調(diào)節(jié)將出現(xiàn)超調(diào)(超調(diào)量達(dá)5.7%)，而采用階梯控制模式能克服超調(diào)現(xiàn)象。

圖7　階梯式逐級調(diào)節(jié)模式下尾門水位-時間變化

圖8　階梯式逐級調(diào)節(jié)模式下尾門附近動床地形對比

圖8給出了采用逐級調(diào)節(jié)模式前后尾門附近的動床地形變化情況。其中試驗組地形是在ΔH=30 mm的情況下測量的。從圖8中可以看出采用階梯控制模式后，可以有效防止地形被沖毀。

通過上面的試驗，可知采用階梯模式后，模型流速變化平緩，能夠防止沖壞動床模型這種情況的出現(xiàn)。當(dāng)然，所付出的代價是水位調(diào)節(jié)時間有所增加。針對不同的試驗?zāi)Ｐ?，在試驗之前?yīng)該選用合理的開度步長和水位變化步長。

4結(jié)語

試驗證明，采用逐級開啟模式和目標(biāo)水位階梯式逐級調(diào)節(jié)模式后，能有效地防止尾門的過度開啟，確保流速變化平穩(wěn)，不出現(xiàn)流速過快而沖毀動床的現(xiàn)象。

本套控制方案在長江防洪模型供水系統(tǒng)中得到了合理運用，有效提高了尾門控制的平穩(wěn)性和試驗系統(tǒng)的可靠性。顯然，在選用此控制方案后，水位調(diào)節(jié)平衡的時間會有所增加，因此，需要根據(jù)具體模型，選擇合理的控制參數(shù)，在保證盡量不破壞動床地形的前提下實現(xiàn)模型水位過程的快速跟蹤調(diào)節(jié)和準(zhǔn)確模擬。

參考文獻(xiàn)：

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(編輯：占學(xué)軍)

收稿日期：2015-03-27；修回日期:2015-05-06

作者簡介：杜劍鋒(1991-)，男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事檢測裝置及自動化研究，(電話)15527178343(電子信箱)whu_du@sina.com。 通訊作者：馬志敏(1956-)，男，湖北武漢人，教授，主要從事河工模型量測儀器設(shè)計、超聲檢測與成像等研究,(電話)13986010725(電子信箱)whumazm@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150226

中圖分類號：TV83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)04-0131-04

A Method of Controlling Water Level at Tail Gate When Target WaterLevel Drops Sharply in River Model Experiment

DU Jian-feng1, MA Zhi-min1, FAN Bei-lin2

(1. School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan430072, China;2.River Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

Abstract:When target water level falls sharply in river model experiment, tail gate may open excessively and flow velocity increases in a short time, destroying the riverbed terrain. In view of this, a steady control method for tail gate is put forward: stopping the tail gate PID (proportion-integration-differentiation) control mode in the early stage of experiment until the modeling water level approximates the target water level. In the scenario, if the target water level drops more than forecast, the target would decline in a regular interval until the actual water level is close to the final target .The magnitude and duration of the target decline are different according to different external experiment. This scheme is applied to the water supply system of Yangtze River Flood Control Model, and is embedded into the PID control system of tail gate. Experiments verified that the excessive adjustment of tail gate when target water level drops sharply is effectively controlled, hence ensuring the steady water level and improving the reliability of experiment system. As the duration of water level control is increased, we should select proper control parameters according to the model features.

Key words:water level control at tail gate; PID; flow velocity; terrain; river model experiment

2016,33(04):131-134