CN102426465A - 一种实体模型口门调节装置及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实体模型口门水位调节装置及其调节方法，伺服电机通过丝杆刚性连接翻板门上的导轨，电机的转动直接带动翻板门进行相应的开度变化，基于该刚性连接，伺服电机精确转动可直接传递给翻板门开度，通过标定实验获取翻板门开度变化量与水位变化间的对应关系，即可计算得到目标水位下电机的转动角度，从而通过精准控制电机角度的变化，实现相应水位变化，满足实体模型非恒定流跟踪要求。本发明可避免常规方法通过自动水位仪获取水位后再反馈给计算机，由计算机对比目标水位后再控制电机正转或反转让翻板门开或闭，大幅减小中间环节，防止水位变化量的滞后，避免水位快速变化时引起震荡，有效减少水位平衡时间，提高水流模拟准确性。

Description

一种实体模型口门调节装置及其调节方法

技术领域

本发明涉及实体模型口门水位调节装置及其调节方法，用以调节实体模型实验进口流量或尾门水位，控制模型边界，模拟跟踪非恒定水流。

背景技术

实体模型试验可预测河流演变规律，优化工程方案，其是进行河流河势规划、沿岸防洪规划、流域国民经济可持续发展规划不可或缺的有力工具，广泛应用于水利工程、港口及航道工程等基础理论与工程实践研究中。

目前口门控制为采用如图1所示的控制方式，包含：水位仪11、计算机12、直流电机13、减速箱14、钢丝绳15、翻板门16，其控制方法是：直流电机13转动带动减速箱14转动，减速箱14通过钢丝绳15与翻板门16实现柔性连接，直流电机13的正转或反转实现翻板门16的开或闭，从而调节水位，水位仪11获取翻板门16开闭后的水位，输入计算机12，由计算机12判断与目标值的偏差然后再给直流电机13正转或反转的命令，使调节后的水位达到目标值。这种方法将水位仪11获取的水位作为反馈信息指导翻板门16的开或闭，从水位仪16获取数据到计算机12，再到翻板门16开闭，从翻板门16开闭到产生水位变化需要一定时间，因此，利用水位仪11获取的数据指导翻板门16开或闭存在调节时间长、易震荡等问题，对于非恒定流实验，需要融合经验才能进行水位过程的相位跟踪，很难实现绝对值跟踪。为此本发明提供一种实体模型口门调节装置及其调节方法，通过建立翻板门的开度与水位的直接关系，不再利用水位仪进行反馈控制，只需控制电机的角度就完成水位的控制，减小平衡时间和系统震荡。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种实体模型口门水位调节装置及其调节方法，伺服电机通过丝杆刚性连接翻板门上的导轨，伺服电机的转动直接带动翻板门进行相应的开度变化，基于该刚性连接，伺服电机精确转动可直接传递给翻板门开度，通过标定实验获取翻板门开度变化量与水位变化间的对应关系，即可计算得到目标水位下电机的转动角度，从而通过精准控制电机角度的变化，实现相应水位变化，满足实体模型非恒定流跟踪要求。本发明避免了常规方法通过自动水位仪获取水位后再反馈给计算机，由计算机对比目标水位后，再控制电机正转或反转让翻板门开或闭，大幅减小了中间环节，防止了水位变化量的滞后，避免了水位快速变化时所引起的震荡(翻板门连续开或闭)，有效减少了水位平衡时间，提高了水流模拟准确性。

为实现上述目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种实体模型口门水位调节装置，包括计算机、伺服电机、丝杆、滑动转接头、滑动导轨、翻板门，伺服电机与丝杆刚性连接，滑动导轨固定在翻板门上，滑动转接头分别与丝杆和滑动导轨连接，基于上述连接，伺服电机与翻板门实现刚性连接，从而伺服电机转动带动翻板门进行相应的变化。

一种实体模型口门调节装置的调节方法，包括以下步骤：

伺服电机转动带动丝杆转动，丝杆通过滑动转接头将转动力矩传递给导轨，从而翻板门实现开或闭；

通过标定实验获取各个实体模型口门翻板门开度变化量与水位变化量关系，并将翻板门开度转换成伺服电机旋转角度，从而实现水位调节。

其中，翻板门开度变化量与水位变化量的关系满足下式：

Δθ＝f(Q_s，Q_A，Δh，θ₁)

Δh＝h₂-h₁

Δθ为翻板门的开度变化量(翻板门与水平方向夹角变化量)，Q_s为所有进入该口门流量，Q_A为口门处蓄水量，Δh为水位变化量，θ₁为当前翻板门与水平方向角度，h₁为该口门当前水位，h₂为目标水位。通过标定实验获取各个实体模型口门翻板门开度变化量与水位变化量关系，实验时，根据水位变化量获取翻板门的开度变化量Δθ，并利用下式将翻板门开度转换成伺服电机旋转角度，从而实现水位调节。

θ₂＝θ₁+Δθ

${\mathrm{\α}}_p=360*(\frac{H}{\cos {\mathrm{\θ}}_2}-\frac{H}{\cos {\mathrm{\θ}}_1})/l$

α_p为伺服电机旋转角度，H为翻板门安装基面至丝杆中心线距离，θ₁为当前翻板门与水平方向夹角，θ₂为目标水位下翻板门与水平方向夹角，l为丝杆导程。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

1、可以避免采用自动跟踪水位仪获取的水位作为反馈信息，减小平衡时间，提高水位响应频率，有效防止水位的滞后；

2、根据目标位，直接计算翻板门开度，利用电机角度和翻板门关系，可直接获取电机的旋转角度，实现翻板门开度运行，达到目标水位，防止翻板门的震荡，大幅提高非恒定流模拟的准确性。

附图说明

图1为现有技术中采用自动跟踪水位仪的柔性连接翻板门水位调节装置图；

图2为本发明中采用刚性连接翻板门水位调节装置图；

图3为电机转动角度与翻板门开度关系计算原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图2所示，本发明的一种实体模型口门调节装置，包括计算机1、伺服电机2、丝杆3、滑动转接头4、滑动导轨5、翻板门6，伺服电机2与丝杆3刚性连接，滑动导轨5固定在翻板门6上，滑动转接头4分别与丝杆3和滑动导轨5连接，基于上述连接，伺服电机2与翻板门6实现刚性连接，从而伺服电机2转动带动翻板门6进行相应的变化。

实体模型口门调节实验时，如图2和3所示，伺服电机2通过联轴器连接丝杆3，在丝杆3上套接滑动转接头4，将滑动导轨5固定在翻板门6上，并使滑动导轨5穿过滑动转接头4，伺服电机2转动带动丝杆3运动，丝杆3通过滑动转接头4将转动力矩传递给滑动导轨5，从而滑动导轨5带动翻板门6运动，实现翻板门6开或闭，利用标定实验得到翻板门6开度变化量Δθ与进入该口门流量Q_s、口门处蓄水量Q_A、当前翻板门6与水平方向角度θ₁、水位变化量Δh等参量的关系，其中h₁为该口门当前水位，h₂为目标水位，该关系如下：

Δθ＝f(Q_s，Q_A，Δh，θ₁)

Δh＝h₂-h₁

根据上式计算出从当前水位变化到目标水位后翻板门6开度变化量Δθ，得到目标水位下翻板门6与水平方向角度θ₂。当该刚性连接翻板门6安装固定在口门位置后，翻板门6安装基面至丝杆3中心线的距离H、丝杆3导程l等参变量就确定了，利用下式即可得到伺服电机2的转换角度α_p

θ₂＝θ₁+Δθ

${\mathrm{\α}}_p=360*(\frac{H}{\cos {\mathrm{\θ}}_2}-\frac{H}{\cos {\mathrm{\θ}}_1})/l$

当α_p＜0，表示伺服电机2正转，水位降低；

当α_p＝0，表示伺服电机2不需要旋转，水位无变化；

当α_p＞0，表示伺服电机2反转，水位升高。

本发明可以避免常规方法通过自动水位仪获取水位后再反馈给计算机，由计算机对比目标水位后，再控制伺服电机正转或反转让翻板门开或闭，大幅减小了中间环节，防止水位变化量的滞后，避免水位快速变化时所引起的震荡(翻板门连续开或闭)，有效减少水位平衡时间，提高水流模拟准确性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种实体模型口门调节装置，其特征在于：包括计算机(1)、伺服电机(2)、丝杆(3)、滑动转接头(4)、滑动导轨(5)、翻板门(6)，所述伺服电机(2)与丝杆(3)刚性连接，所述滑动导轨(5)固定在翻板门(6)上，所述滑动转接头(4)分别与丝杆(3)、滑动导轨(5)连接，基于上述连接，伺服电机(2)与翻板门(6)实现刚性连接。

2.基于权利要求1所述的实体模型口门调节装置的调节方法，其特征在于包括以下步骤：

伺服电机(2)转动带动丝杆(3)转动，丝杆(3)通过滑动转接头(4)将转动力矩传递给滑动导轨(5)，从而使翻板门(6)实现开或闭；

通过标定实验获取各个实体模型口门翻板门(6)开度变化量与水位变化量关系，并将翻板门(6)开度转换成伺服电机(2)旋转角度，从而实现水位调节。

3.根据权利要求2所述的实体模型口门调节装置的调节方法，其特征在于：翻板门(6)开度变化量与水位变化量的关系满足下式：

Δθ＝f(Q_s，Q_A，Δh，θ₁)

Δh＝h₂-h₁

其中，Δθ为翻板门(6)的开度变化量，即翻板门(6)与水平方向夹角变化量；Q_s为所有进入该口门流量，Q_A为口门处蓄水量，Ah为水位变化量，θ₁为当前翻板门(6)与水平方向角度，h₁为该口门当前水位，h₂为目标水位。

4.根据权利要求2或3所述的实体模型口门调节装置的调节方法，其特征在于：利用下式将翻板门(6)开度转换成伺服电机(2)旋转角度

θ₂＝θ₁+Δθ

${\mathrm{\α}}_p=360*(\frac{H}{\cos {\mathrm{\θ}}_2}-\frac{H}{\cos {\mathrm{\θ}}_1})/l$

其中，α_p为伺服电机(2)旋转角度，H为翻板门安装基面(6)至丝杆(3)中心线距离，θ₁为当前翻板门(6)与水平方向夹角，θ₂为目标水位下翻板门(6)与水平方向夹角，Δθ为翻板门(6)的开度变化量，即翻板门(6)与水平方向夹角变化量；l为丝杆(3)导程。

Images