CN103116367A - 一种河工模型中尾门水位自动控制方法及系统 - Google Patents

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曹文洪
刘春晶
张晓明
朱毕生
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Abstract

一种河工模型中尾门水位自动控制方法及系统，属于水位控制技术领域。本发明首先，采集当前水位值和当前阀门输出的电流值；然后，根据所述当前水位值和目标水位值通过比例-积分-微分PID控制确定电流增量，并将所述当前阀门输出的电流值与所述电流增量相加获得阀门电流输入值；最后，将所述阀门电流输入值转成成模拟信号输入给阀门，以调节阀门的开度。本发明实施例使河工模型试验尾门水位能快速且稳定的达到设定的目标水位值，可实现持续调整，克服了因水位变化缓慢人为难以观测而造成的水位偏差，提高了河工模型试验的可靠度。

Description

一种河工模型中尾门水位自动控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种河工模型中尾门水位自动控制方法及系统，属于水位控制技术领域。
背景技术
河工模型是将河流按相似原理缩成模型，在模型内研究各有关因素（水流、地形等）在不同情况下变化的一种方法。在河工模型试验中，尾门水位的调节是试验工程中一个重要环节，其调节的精度将直接影响试验结果的准确性。
现有技术中对尾门水位的调节一般采用人工控制，当河工模型的尾门水位控制断面安装的水位测针的针尖调至目标水位所需水面位置时，人工调节闸板或调节阀，使河工模型的水面刚好与水位测针的针尖接触，则河工模型对应的水位即为所需目标水位。实际操作过程：当河工模型的当前水位比目标水位高时，说明当前闸孔和调节阀的过流能力较小，这时需加大闸孔和调节阀的开度，以增加过流能力，使模型水位下降，若加大闸孔和调节阀的开度后水流基本稳定时的水位比目标水位还高，则说明闸孔和调节阀的开度不够，需继续增大闸孔和调节阀的开度；若加大闸孔和调节阀的开度后水流基本稳定时的水位比目标水位低，则需减小开度使模型水位上升。由此可知，只有当人工调节的闸孔和调节阀的开度与理想开度特别接近时，河工模型中的水位才能稳定在目标水位，否则会出现忽高忽低的震荡，使得调整效率低下。故在实际河工模型试验中，尾门水位调节往往需经验丰富的操作者实时进行看守，才能防止水位发生较大变化，以避免河工模型与原型河道发生较大的偏离。
发明内容
本发明提供了一种河工模型中尾门水位自动控制方法及系统，以解决现有技术中人工调节尾门水位出现忽高忽低的震荡，使得调整效率低下的问题，为此本发明采用如下的技术方案：
一种河工模型中尾门水位自动控制方法，包括:
采集当前水位值和当前阀门输出的电流值；
根据所述当前水位值和目标水位值通过比例-积分-微分PID控制确定电流增量，并将所述当前阀门输出的电流值与所述电流增量相加获得阀门电流输入值；
将所述阀门电流输入值转成成模拟信号输入给阀门，以调节阀门的开度。
一种河工模型中尾门水位自动控制系统，其特征在于，包括:
水位测量仪器采用可自动采集的水位仪；
尾水出流控制阀门采用电动调节阀门，该阀门可实时反馈当前开度，能接收控制信号，并按控制信号达到预定的开度；
采集模块，用于采集当前水位值和当前阀门输出的电流值；
阀门电流输入值确定模块，用于根据所述采集模块采集的当前水位值和目标水位值通过比例-积分-微分PID控制确定电流增量，并将所述采集模块采集的当前阀门输出的电流值与所述电流增量相加获得阀门电流输入值；
阀门调节模块，用于将所述阀门电流输入值确定模块确定的阀门电流输入值转成成模拟信号输入给阀门，以调节阀门的开度。
本发明实施方式提供的河工模型中尾门水位自动控制方法及系统，使河工模型试验尾门水位能快速且稳定的达到设定的目标值，可实现持续调整，克服了因水位变化缓慢人为难以观测而造成的水位偏差，提高了河工模型试验的可靠度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述的一种河工模型中尾门水位自动控制方法的流程示意图；
图2是本发明所述的一种河工模型中尾门水位自动控制系统的结构示意图；
图3是本发明所述的一种河工模型中尾门水位自动控制系统应用于河工模型的示意图；
图4-1为图3的A-A’项的剖面示意图，图4-2为图3的B-B’项的剖面示意图,图4-3为图3的C-C’项的剖面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施方式提供的一种河工模型中尾门水位自动控制系统和方法，如图1所示，包括:
将传统水位测量仪器水位测针更换为采用可自动采集的水位仪，如超声波水位计或振动式水位计；
将传统尾水出流控制的人工控制阀门更换为可实现自动控制的电动调节阀门，该阀门可实时反馈当前开度，能接收控制信号，并按控制信号达到预定的开度；
还包括以下内容：
11、采集当前水位值和当前阀门输出的电流值。
具体地，经过一定的时间间隔通过超声波水位计或振动式水位计采集当前水位值，经过一定的时间间隔通过ADAM4117采集当前阀门输出的电流值，其中时间间隔可以为200ms-800ms。下面以超声波水位计采集当前水位值为例进行说明，首先向该超声波水位计发送其传感器的地址“MSComm1.Output=“1””，即可接收到水位数据“Buffer=MSComm1.Input”，具体若该超声波水位计的输出格式为“#1.00T0.8151C20.32”，则“#1.00”表示水位计的地址；“T0.8151”表示测量的当前水位值，即水位计的传感器与水面之间的距离；“C20.32”表示当前温度值。
12、根据所述当前水位值和目标水位值通过比例-积分-微分PID控制确定电流增量，并将所述当前阀门输出的电流值与所述电流增量相加获得阀门电流输入值。
具体地，根据所述当前水位值和目标水位值通过比例-积分-微分PID控制确定电流增量包括：dI＝KP(H0-Ht)+KI(Ht-Ht-1)+KD(Ht-2Ht-1+Ht-2)
其中，dI表示电流增量，H0表示目标水位值，Ht表示t时刻的水位值，Ht-1为t时刻前一刻，即t-1时刻的水位值，Ht-2为t-1的前一时刻的水位值，KP表示比例系数，KI表示积分系数，KD表示微分系数，具体KP、KI和KD可以根据实际情况确定，具体本实施例可以取KP＝0.015，KI＝1，KD＝0.3。
进一步上述公式是
Figure BDA00002789579000031
当t取1时，离散获得的，其中e＝H0-Ht。
13、将所述阀门电流输入值转成成模拟信号输入给阀门，以调节阀门的开度。
具体地，阀门采用电动调节阀，所述电动调节阀的口径根据模型流量及尾部过水能力确定。举例说明如何根据阀门电流控制阀门的开度：若所述阀门电流输入值为4mA-20mA，则当所述阀门电流输入值为4mA时，所述阀门为全关，开度为0%;当所述阀门电流输入值为20mA时，所述阀门为全开，开度为100%，所述阀门在0%-100%之间的开度与所述输入值为4mA-20mA之间的电流值按固定的关系相对应，具体关系可由自动阀门说明书提供。
进一步，阀门电流输入值可以通过ADAM4024经过数模转换后输入给阀门，阀门的输出端可以输入给ADAM4117经过模数转换后传入计算机，即可获得阀门输出的电流值，其中阀门的输入端和输出端均为模拟信号。
本发明实施方式提供的一种河工模型中尾门水位自动控制系统，如图2所示，包括:
采集模块21，用于采集当前水位值和当前阀门输出的电流值。
具体地，用于采集水位值的器件可以选用超声波水位计或振动式水位计等能自动获取水位的仪器设备，经过一定的时间间隔通过超声波水位计或振动式水位计采集当前水位值，经过一定的时间间隔通过ADAM4117采集当前阀门输出的电流值，其中时间间隔可以为200ms-800ms。下面以超声波水位计采集当前水位值为例进行说明，首先向该超声波水位计发送其传感器的地址“MSComm1.Output=“1””，即可接收到水位数据“Buffer=MSComm1.Input”，具体若该超声波水位计的输出格式为“#1.00T0.8151C20.32”，则“#1.00”表示水位计的地址；“T0.8151”表示测量的当前水位值，即水位计的传感器与水面之间的距离；“C20.32”表示当前温度值。
具体地，用于控制尾水出流的阀门选用可实现自动控制的电动调节阀门，阀门电流输入值确定模块22，用于根据所述采集模块21采集的当前水位值和目标水位值通过PID控制确定电流增量，并将所述采集模块21采集的当前阀门输出的电流值与所述电流增量相加获得阀门电流输入值。
具体地，根据所述当前水位值和目标水位值通过比例-积分-微分PID控制确定电流增量包括：dI＝KP(H0-Ht)+KI(Ht-Ht-1)+KD(Ht-2Ht-1+Ht-2)
其中，dI表示电流增量，H0表示目标水位值，Ht表示t时刻的水位值，Ht-1为t时刻前一时刻，即t-1时刻的水位值，Ht-2为t-1的前一时刻的水位值，KP表示比例系数，KI表示积分系数，KD表示微分系数，具体KP、KI和KD可以根据实际情况确定，具体本实施例可以取KP＝0.015，KI＝1，KD＝0.3。
进一步上述公式是
Figure BDA00002789579000051
当t取1时，离散获得的，其中e＝H0-Ht。
阀门调节模块23，用于将所述阀门电流输入值确定模块22确定的阀门电流输入值转成成模拟信号输入给阀门，以调节阀门的开度。
具体地，阀门采用电动调节阀，具体可以采用电动控制截止阀或电动蝶阀等，所述电动调节阀的口径根据模型流量及尾部过水能力确定。举例说明如何根据阀门电流控制阀门的开度：若所述阀门电流输入值为4mA-20mA，则当所述阀门电流输入值为4mA时，所述阀门为全关，开度为0%;当所述阀门电流输入值为20mA时，所述阀门为全开，开度为100%，所述阀门在0%-100%之间的开度与所述输入值为4mA-20mA之间的电流值按固定的关系相对应，具体关系可由自动阀门说明书提供。
进一步，阀门电流输入值可以通过ADAM4024经过数模转换后输入给阀门，阀门的输出端可以经过模数转换后输入给ADAM4117，即可获得阀门输出的电流值，其中阀门的输入端和输出端均为模拟信号。
具体将本发明实施例所述的河工模型中尾门水位自动控制系统应用于河工模型的示意图如图3所示，图4-1为图3的A-A’项的剖面示意图，图4-2为图3的B-B’项的剖面示意图,图4-3为图3的C-C’项的剖面示意图。
本发明实施方式提供的河工模型中尾门水位自动控制方法及系统，使河工模型试验尾门水位能快速且稳定的达到设定的目标值，可实现持续调整，克服了因水位变化缓慢人为难以观测而造成的水位偏差，提高了河工模型试验的可靠度。该河工模型中尾门水位自动控制系统所选用的超声波水位计、振动式水位计以及电动截止阀、电动蝶阀等设备目前均已实现工业化的批量生产，易于购买且价格低廉，虽本发明比全手工操作相比成本略高，但实现了模型水位的全自动控制，不需要丰富的操作经验，且调节效率大大提高节约了人力成本和时间成本，值得在今后的河工模型试验中加以推广。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种河工模型中尾门水位自动控制方法，其特征在于，包括:
采集当前水位值和当前阀门输出的电流值；
根据所述当前水位值和目标水位值通过比例-积分-微分PID控制确定电流增量，并将所述当前阀门输出的电流值与所述电流增量相加获得阀门电流输入值；
将所述阀门电流输入值转成成模拟信号输入给阀门，以调节阀门的开度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述当前水位值和目标水位值通过比例-积分-微分PID控制确定电流增量，具体包括：
dI＝KP(H0-Ht)+KI(Ht-Ht-1)+KD(Ht-2Ht-1+Ht-2)
其中，dI表示电流增量，H0表示目标水位值，Ht表示当前水位值，Ht-1为t-1时刻的水位值，Ht-2为t-1的上一时刻的水位值，KP表示比例系数，KI表示积分系数，KD表示微分系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述阀门电流输入值为4mA-20mA，则当所述阀门电流输入值为4mA时，所述阀门为全关，开度为0%;当所述阀门电流输入值为20mA时，所述阀门为全开，开度为100%，所述阀门在0%-100%之间的开度与所述输入值为4mA-20mA之间的电流值按固定的关系相对应。
4.一种河工模型中尾门水位自动控制系统，其特征在于，包括:
采集模块，用于采集当前水位值和当前阀门输出的电流值；
阀门电流输入值确定模块，用于根据所述采集模块采集的当前水位值和目标水位值通过比例-积分-微分PID控制确定电流增量，并将所述采集模块采集的当前阀门输出的电流值与所述电流增量相加获得阀门电流输入值；
阀门调节模块，用于将所述阀门电流输入值确定模块确定的阀门电流输入值转成成模拟信号输入给阀门，以调节阀门的开度。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述阀门电流输入值确定模块，用于根据所述当前水位值和目标水位值通过PID控制确定电流增量，具体包括：
dI＝KP(H0-Ht)+KI(Ht-Ht-1)+KD(Ht-2Ht-1+Ht-2)
其中，dI表示电流增量，H0表示目标水位值，Ht表示当前水位值，Ht-1为t-1时刻的水位值，Ht-2为t-1的上一时刻的水位值，KP表示比例系数，KI表示积分系数，KD表示微分系数。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，若所述阀门调节模块中所述阀门电流输入值为4mA-20mA，则当所述阀门电流输入值为4mA时，所述阀门为全关，开度为0%；当所述阀门电流输入值为20mA时，所述阀门为全开，开度为100%，所述阀门在0%-100%之间的开度与所述输入值为4mA-20mA之间的电流值按固定的关系相对应。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述采集模块为超声波水位计或振动式水位计。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述阀门采用电动调节阀，所述电动调节阀的口径根据模型流量及尾部过水能力确定。
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