（控制理论与控制工程专业论文）大型河工模型远程监控系统的研究与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 河工模型试验是水利学主要研究手段之一，随着科学技术的发展，自动监 控技术在河工物理模型上的应用也越来越广泛，且要求越来越高，基于计算机 控制技术将自动控制中程序设定、控制调节、监测显示、绘制跟踪曲线等功能 集成于一机，来解决计算机在物理模型中自动监控的技术问题。 本文透过广泛调研、系列模型试验和相关的理论分析，研制了一套基本适 合于绝大多数河工模型试验的远程监控系统。其主要研究内容如下： 首先对河工模型自动监控系统作了简要的概述，提出了数字量水堰和电磁 流量计两种入流控制系统的数学模型，并对其控制精度、动态性能、制作成本 等进行了分析比较。在分析比较了多种尾门特性的基础上，给出了斜拉平板式 尾水控制系统数学模型，并对它的特性参数进行了校正分析。 其次针对四川锦屏一级水电站河工模型，采用工业控制计算机、变频器、 p l c 及跟踪式水位仪等先进仪器设备，通过r s 4 8 5 总线通信模式构成工业自动 监控系统，以实现流量、水位的自动监控。该系统可实现全自动控制、半自动 控制和手动控制三种操作模式，具有控制精度高，调节时间短，人机界面友好、 操作维护简便，劳动强度低等优点。 目前，该监控系统正在四川大学水利水电工程学院水力学与山区河流开发 保护国家重点实验室使用，并取得了稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。 关键词：河工模型，自动监控系统，量水堰，p l c ，组态软件 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t r i v e rm o d e lt e s ti so n eo fm o s tr e s e a r c hm e a n si nh y d r a u l i cs u b j e c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a u t o m a t i c s u p e r v i s o r y c o n t r o l l e d t e c h n o l o g yi sa p p l i e d i nr i v e rp h y s i c sm o d e lm o r ea n dm o r ea b r o a d ，t h e r e q u i r e m e n tb e c o m e sm o r ea n dm o r es t r i c t ，p r o g r a ms e x i n g , c o n t r o la d j u s t i n g , m o n i t o rs h o w i n ga n dd r a w i n gt r a c k i n gc u r v ei na u t o m a t i o nw h i c hb a s e so t l c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g yh a di n t e g r a t i o ni no n ec o m p u t e r , t h e s ec a ns o l v et h e t e c h n o l o g yp r o b l e mo ft h ec o m p u t e ri np h y s i c sm o d e la m o n ga u t o m a t i cm o n i t o r t h i sp a p e ri sf r o ma b r o a ds u r v e y , al o to fm o d e lt e s t i n ga n dc o r r e l a t i v et h e o r y a n a l y s i s w ed e v e l o pas e tw h i c hi sb a s i sf i tf o rm a j o r i t yo fr i v e rm o d e lt e s ti n r e m o t em o n i t o rs y s t e m t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta sf o l l o w s ： a tf i r s t ，s i m p l yd i s c u s s e st h er i v e rm o d e la u t o m a t i cm o n i t o rs y s t e m ，b r i n g f o r w a r d sd i g i t a lq u a n t i t yo fd a ma n de l e c t r o m a g n e t i s mf l o w m e t e rt h i st w oe n t e r i n g f l o wc o n t r o ls y s t e mm a t h e m a t i c sm o d e l ，a n da n a l y z e da n dc o m p a r e dt h ec o n t r o l p r e c i s i o n ，d y n a m i cc a p a b i l i t y a n df a c t u r ec o s t o nt h eb a s eo fa n a l y z i n ga n d c o m p a r i n gm a n i f o l dt r a i lg a t e sc h a r a c t e r i s t i c s ，p r o v i d e st h em a t h e m a t i c a lm o d e l a b o u tt h et a i lw a t e rc o n t r o l l i n gs y s t e mo fc a n t i n gp u l la n da p r o nt y p ei sr a i s e da n d c o r r e c t e da n da n a l y z e di t sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e l t h e nt oo n el e v e lw a t e ra n de l e c t r i c i t ys t a t i o nr i v e rm o d e li nj i n p i n gw h i c hi s i ns i c h u a np r o v i n c e ，a d o p t e di n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r , t r a n s d u c e r , p l ca n d t h et r a c k i n gw a t e r g a u g es u c ha d v a n c e de q u i p m e n t sa n di n s t r u m e n t s , t h e yh a d p a s s e d r s 4 8 5b u sc o m m u n i c a t i o nm o d e lw h i c hb e c o m e si n d u s t r i a lm o n i t o r s y s t e m ，t h e yc a na c h i e v ef l u xa n dw a t e rl i n ea u t o m a t i c sm o n i t o r t h es y s t e mc a l l a c h i e v ef u l la u t o m a t i c sc o n t r o l ，h a l fa u t o m a t i c sc o n t r o la n dm a n u a lc o n t r o lt h e s e t h r e eo p e r a t i o nm o d e lw i t ht h eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，s h o r t a d j u s tt i m e ，g o o dp e r s o nt om a c h i n ei n t e r f a c e ，s i m p l eo p e r a t i o nm a i n t e n a n c ea n d l o ww o r ki n t e n s i o n a tp r e s e n t , t h i sm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e ma r eu s e db yt h en a t i o n a lk e y l a b o r a t o r yw h i c hi sa b o u th y d r a u l i c sa n dh i l ls t r e a m sd e v e l o p m e n ta n dc o n s e r v a t i o n i nd e p a r t m e n to fe n g i n e e r i n go fw a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o e l e c t r i cp o w e ri n s i c h u a nu n i v e r s i t y , a tt h es a m et i m es t a b l ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o nr e s u l t sa n d f a v o r a b l ee c o n o m i z eo ne n e r g ye f f e c t sa r ea c q u i r e d 重庆邮电大学硕士论文 摘要 k e y w o r d s ：f i v e rm o d e l ，a u t o m a t i c ，s u p e r v i s o r y - c o n t r o l l e ds y s t e m ，m e a s u r i n gw e i r ， p l c ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆监血太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 靴做储鹳。铲 签字日期：w 汐歹年钿7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废鲣虫太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权重废鲣虫太堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲霹必诱导师躲瞄勇 签字日期：1 卯占年孑月f 日 签字日期：) 印羼6 月2 日 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 本文选题背景 第一章绪论 在河口、港湾、船闸、大坝及航道等工程中，河工模型试验目前仍为解析 自然现象和确定整治工程设施方案的重要手段之一。在河工模型试验中，对流 量和水位的控制精度要求高，测量、分析和计算水位、流量等工作量大，因此 需要一整套相应完善的测量控制仪器设备与先进的量测技术，以提高模型试验 的测量控制精度和工作效率，缩短模型试验周期，确保模型试验质量。 随着科学技术的发展，自动控制技术在河工物理模型上的应用也越来越广 泛，特别在非恒定流模型试验中，靠人工无法实现流量和水位的控制，因而自 动控制的精度将关系到模型试验的质量；并且对模型试验监控技术要求越来越 高，诸如举世瞩目的三峡水利工程两坝( 三峡大坝一葛洲坝) 间通航水利研究、 向家坝水站非恒定流水力学模型试验研究均要求非恒定流量、水位自动控制i ”。 本课题源于横向研究项目，是四川大学水利水电工程学院水力学与山区河 流开发保护国家重点实验室与我实验室共同合作开发的科研项目，该项目针对 原有锦屏一级水电站河工模型试验均由人工手动操作测控系统进行改造，以达 到自动监控的目的。 本文首先对系列模型试验和相关理论进行分析，并对河工模型的出入流方 法和自动监控系统进行研究，开发了一套较为适用的河工模型自动监控系统。 其次以锦屏一级水电站河工模型流量、水位监控系统为例进行阐述。锦屏一级 水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流下游河 段( 卡拉至江口河段) 的控制性水库梯级电站，是雅砻江水能资源最富集的中、 下游河段5 级水电开发中的第一级，枢纽建筑由挡水、泄水及消能、引水发电 等永久建筑物组成，电站以发电为主，兼具蓄能、蓄洪和拦沙作用，是川电外 送的主要电源点之一。该河工模型试验旨在研究锦屏建站后的泥沙淤积程度， 以及对电站下游建筑物的冲刷程度。 1 2 河工模型监控系统的发展状况 大型河工模型，尤其是非恒定流河工模型或动床河工模型，需要量测的断面 多、参数多、工作量大，试验运行时问长，而每次测量采样时间受洪水过程的限 制，时间又不能太长。为保证水流、泥沙运动的相似性，保证模型试验的测试精 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 度及成果质量，加快试验进度，提高模型运转效益，采用一套完善、可靠、精度 高、自动化程度高的监测与控制系统日显重要。随着电子技术和计算机应用技术 的飞跃发展，河工模型监测与控制技术近十年问也得到了较快发展。作为一门新 兴的、边缘学科，河工模型监铡与控制系统还需要进一步发展和完善。 清水河工模型只有水流入流系统，而浑水河工模型则分为水沙混合系统和水 沙分离系统。浑水入流多采用电磁流量计和电动调节阔闭环系统。近年来也有很 多模型采用量水堰进行入流监控，量水堰造价低廉，测量精度高，在清水模型中 广泛使用。如果只对流量进行计量，则可采用固定式量水堰。如果需要对流量进 行控制，则采用活动堰( 可实时调节堰上水头) ，也称电动量水堰。 尾门是控制河工模型下边界的主要设备。常用的尾门有平板尾门、错位叠梁 式尾门、斜拉式孔板尾门、直立叶片式尾门、自动翻板门、和格栅横拉门等多种 形式。尾门的调节方式可分为两种，当已知模型出口边界水位过程线h ( f ) 时， 直接按日( f ) 过程线控制。当日( f ) 未知，可按模型出口断面水位一流量关系曲线 q 日进行控制，由下游量水堰水位仪量测量水堰水位，计算出堰上水头和出口 流量，由出口流量推求出水位，并与尾门上游水位仪实测值进行比较，从而调节 尾门开度【印川。 软件设计是河工模型控制系统研究的重要内容，直接关系到系统运行的可靠 性和效率。九十年代后期，操作系统多数建立在w i n d o w s 之上，编程软件相应发 展为v b 、v c 。系统可以提供图形化界面，实时显示各类图形，使试验过程一 目了然。系统提供的中文菜单与中文提示，使试验人员操作更加方便。 上述监控软件大都是软件开发人员用各种编程语言通过编制大量的指令和 代码来实现的，其工作量大，成本高，周期长，通用性较差。工控组态软件技术 可以解决上述问题。世纪星组态软件是一套基于w i n d o w s 操作系统，可用来快速 构造和生成主机监控系统的组态软件包，它为用户提供了从设备驱动、数据采集 到数据处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和 操作工具目前工控组态软件发展很迅速，河工模型自动监控系统引入组态软件 是很有发展前途的。 1 3 本文研究的目的和意义 本文旨在研究开发一套计算机远程自动监控系统，以满足对四川大学水利 水电工程学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室锦屏一级水电站模型 流量、水位、流速等自动监控。在这套监控系统中应用微机数字控制技术将自 动控制中程序设定、控制调节、监测显示、绘制跟踪曲线等功能集成于一机， 2 重庆邮电丈学硕士论文 第一章绪论 解决了计算机在物理模型中自动控制的技术问题。 该系统的研制和成功应用，不仅提高了模型试验的监控精度，节约能源， 降低试验、维修成本和减少设备维护，而且提高了试验质量，减轻工人劳动强 度。由于河工模型试验自动化技术改造在我国有着广泛的应用前景，本监控系 统具有广阔的应用前景和明显的经济效益。 1 4 本文的研究内容和预期目标 通过对大型河工模型自动监控系统的调研和分析，并结合四川大学水利水 电工程学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室现有河工模型的实际， 本次研究的主要内容和预期目标是研究开发一套基于工业控制计算机和组态软 件的p l c 控制交流变频调速控制监控系统。 该系统采用工业控制计算机、p l c 、变频器及跟踪式水位仪等先进仪器设 备，通过r s 4 8 5 总线通信模式构成工业自动监控系统。以工控机为主机，p l c 为从机，进而控制变频器驱动交流电动机进行无极调速，以实现对入流和出流 流量和水位的自动监控。该系统能够自动消除模型内的扰动，具有较高的稳定 性和可靠性，可实现微机全自动控制、人工半自动控制和手动控制三种操作模 式。具有控制精度高，调节时间短，人机界面友好、操作维护简便，劳动强度 低等优点。 通过调整系统个别控制参数，该系统可适用于矩形堰和三角堰，对于不同 类型的动床非恒定流模型试验，能按不同水面坡降、不同地形及库容，对进水 端和尾门进行自动控制，具有相关试验所要求的量水堰流量控制、模型内水位 检测、电动尾门控制等功能。能实现对模型上各级流量水位的自动控制，实时 显示各执行机构的状态及各变量的数值。实现程序设定、控制调节、检测显示、 绘制实时及历史跟踪曲线，系统能自动对试验数据进行处理并存储，试验后将 试验数据以报表和历史曲线方式输出，并可打印 通过对河工模型进行分析研究，并根据试验的目的和要求，确定了本文的 研究内容如下： 1 。确定系统技术指标； 2 确定监控系统方案； 3 。分析并确定系统控制算法方案； 4 根据实用性和经济性，确定驱动方式和检测装置； 5 编制控制程序( 组态软件) ； 6 处理现场信号干扰和避雷； 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 5 本章小结 本章是本论文的绪论部分，主要论述了河工模型监控系统的发展状况，指 出随着科学技术的发展，对模型试验监控技术要求越来越高，基于计算机的自 动监控技术在河工物理模型上的应用也越来越广泛，并且成为河工物理模型试 验的重要手段。本文还分析了课题研究的目的和意义，阐述了研究的内容。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章河工模型自动监控系统框架 第二章河工模型自动监控系统概述 2 。1河工模型自动监控系统的监控内容 河工模型自动监控系统是集水利、机械、控制、计算机、通信等知识于一 体的监测和控制系统，是高效率、高质量进行河工模型试验的监控系统。 非恒定流、动床河工模型中，需要进行实时监测与控制的主要内容包括入流 流量控制，尾门控制，沿程各断面流速、水位及尾水水位的测量，沿程含沙监测 和主要断面的冲淤变化测量，沿程各河工建筑物( 如水闸) 的开启工况，泄洪口 门开启状态等。本章就系统自动监控的内容，系统的数据通信进行简要的阐述。 河工模型自动监控系统示意图如图2 1 所示。 尾门2 图2 1 河工模型自动监控系统示意图 1 上边界控制 河工模型上边界一般要求控制模型入口( 包括支流入汇) 的来水来沙过程。 包括【5 j ： 1 ) 流量过程： q 一尼( f ) i 为主流和支流入汇序号 2 ) 含沙量过程： 墨- 矗( f ) 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章河工模型自动监控系统框架 大型河工模型一般包括多处入流( 分汉河道) 和多处区间入汇，需按时间 次序进行控制。 2 下边界控制 恒定流河工模型一般按出口控制断面q h ，关系进行尾水控制。非恒定流 河工模型，当河道未进行整治且有原型实测资料时，可按水位j 玮( t ) 进行控制。 当下游也进行整治，影响了该河段q - f ( t ) 口f ( t ) 关系，必须利用重新确定的 h v * ( t ) 进行控制。 3 内边界控制 当模型河段有行、蓄洪区或干支流上有控制枢纽( 如节制闸、分洪闸、抽水 泵站等) ，必须进行内边界控制。干、支流和行蓄洪区内的控制枢纽可按洪水调 度运用方案实时控制。对于采用口门或漫堤行洪的行蓄洪区，口门或生产堤的 冲度运用方案实时控制，i ：1 门或生产堤的冲刷发展过程直接影响河段的行洪能 力，口门控制必须反映冲刷发展的真实过程。 4 沿程水位自动检测 沿程洪水位是非恒定流水力模型最重要的检测参数，它直接反映洪水波的 演进过程1 6 , 7 1 。同时，试验河段重要建筑物的防洪调度原则一般是由洪水位的标 高来确定的。因此，洪水位的确定是防洪规划和防洪调度关键性指标。 5 沿程断面流速检测 沿程断面流速是分析洪峰流量、各汉分流比、河道冲淤变化和护堤、护岸 的重要指标，流速分布随时间变化过程是量测的重要内容。 6 沿程含沙量、冲淤地形检测 对于动床河工模型，沿程含沙量、地形检测是研究泥沙运动、输沙变化和 河床变形的重要参数。 7 故障报警与监测监控系统 在大型，复杂河工模型试验中，检测与控制的对象和内容多，而中央控制 室距入流、尾水控制点以及沿程检测断面距离均较远，有时达数百米，为了在 中央控制室能随时掌握整个试验运行情况，监测系统必不可少。 由于非恒定流试验常要求模型作长时间运转，对重要部位除实时监控外， 还必须设置报警系统，当仪器工作出现异常时，系统能自动报警。以便即时排 除故障或启动备用设备，确保系统工作的连续性与数据采集的可靠性。 2 2 监控系统的数据通信 大型河工模型中，监控仪器仪表数量多，布置分散，可靠、先进的通讯方 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章河工模型自动监控系统框架 式是系统设计成败的关键。随着网络技术的发展，通过i n t e m e t 或局域网，在 办公室通过对中央控制室主控机的访问，可随时了解试验进程。同时。总线型 网络控制系统在现代工业控制中也使用的越来越广泛。下面对几种数据通信方 式作简单分析比较。 1 传统的数据通信方式 传统的数据通信方式大多采用局域网、城域网或广域网。局域网( i a n ) 是目 前应用最为广泛的一种重要网络，其本质特征是分布距离短，范围一般在l o r e 以 上和几公里之内，具有较好的传输质量，误码率通常在7 - 1 0 至1 0 1 2 ，支持多 种传输介质，如同轴电缆、双绞线和光缆等，能够支持简单的点对点或多点通信， 允许低速或高速的外部设备或者不同型号和不同厂家的计算机接入网络中，易于 安装、组建和维护，具有较好的灵活性。广域网 狷n ) 一般跨城市、地区甚至国 家。由于分布距离太远，其速率要比局域网低得多，一般为6 4 k b p s 左右，网络之 问连接用的通信线路大多租用专线。城域网( m a m 是介于局域网和广域网之问的 一种大范围的高速网络。 2 现场总线通信方式 对于工业控制领域，采用现场总线的最大优点是可以大大节约连接导线、维 护和安装费用。同时，现场总线能够传送多个过程变量。传统的4 m a 2 0 m a 控 制回路一般只能携带一个信号，通常为过程变量。而采用现场总线后，在传输变 量的同时，仪表的标识符和简单的诊断信息也可一并发送。数字信号的精确性是 现场总线的又一优点，数字信号比4 m a 2 0 m a 模拟信号的分辨率高，因此，可 以排除过去在模数转换中所产生的误差。远程维护在采用数字通信和现场智能 仪表后也将成为可能。由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智 能仪表进行标定、调整及运行诊断，甚至能够在故障发生前进行预测，一个更为 重要的方面是仪表的兼容性可以使用户大大受益。 3 r s 4 8 5 总线通信方式 数字信号的传输随着距离的增加和信号传送速率的提高，在传输线上的反 射、串扰、衰减和共地噪声等影响将引起信号的畸变，从而限制了通信距离。在 自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能够适合远距离的 数据通信。普通的t r l 电路，由于驱动能力差、输入电阻小、灵敏度不高以及抗 干扰性能差，因而传输信号的距离短。r s 2 3 2 接口电路，其驱动器输出信号摆幅 比r 几电平大得多，使抗干扰能力大大提高，但r s 2 3 2 标准规定，驱动器允许有 2 0 0 p f 的容负载，通信距离将受此电容的限制。例如，采用1 5 0 p f m d 的通信电 缆时，最大通信距离为1 5 m ；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传 输距离短的另一个原因是r s 2 3 2 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章河工模型自动监控系统框架 干扰等问题，所以r s 2 3 2 一般用于2 0 m 以内的通信。 对于要求通信距离为几十米到上千米的情况，目j j i 广泛采用r s 4 8 5 收发器。 r s 4 8 5 标准是e i a 在r s 4 2 2 标准的基础上研究出的一种支持多节点、远距离和接收 高灵敏度的总线标准。出于r s 4 8 5 的远距离、多节点( 3 2 个) 以及传输线成本低的 特性，使得e i a - - r s 4 8 5 成为工业应用中数据传输的首选标准。r s 4 8 5 标准采用平 衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，因此具有抑制共模干扰的能力， 加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达2 0 0 m v 的电压，所以传输信号能在千米 以外得到恢复。 就远程、分散仪器设备而言，需要采用集中管理、分散控制的集散式控制方 式，具体地讲就是根据现场情况分解多个数据采集级或直接控制级，根据控制过 程的复杂性分解成多层递阶结构，即现场控制层、监视和综合管理层，这就构成 了一个集散控制系统。由于串行通信使用的传输线较少，在长距离通信时比较经 济。而在多种串行接口标准中，r s 4 8 5 接口以其结构简单、通信速率高、传输距 离远等诸多优点，已在工业控制系统中得到了广泛应用。r s 4 8 5 总线的数据通信 大多是半双工的，在整个网络中任一时刻只能有一个节点成为主节点处于发送状 态并向总线发送数据，其他所有节点都必须处于接收状态。一般情况下，整个系 统由一个主节点、多个辅节点的方式，或总线控制权分时交由各个节点，从而各 个节点分时成为总线的主节点。 4 数据通信方案确定 通过上述比较论证，由于仪器设备布局比较分散和远距离，传统意义上讲， 采用城域网、使用以太网电缆或光纤等传输介质是比较理想的，且传输速度快， 能够达到实时监测的目的。但是考虑到模型的实际现状，各仪器设备的地理位置 比较分散，因此铺设网络线缆或光缆的施工难度较大，并且光纤以及光纤收发器 本身的成本也是很昂贵的。此外，理论上现场要配置一台计算机作为客户端，方 可实现与办公区控制中心计算机间的数据通信。而r s 4 8 5 标准是一种支持多节 点、远距离和接收高灵敏度的总线标准。在多种串行接口标准中，r s 4 8 5 接口以 其结构简单、通信速率高、传输距离远等优点，广泛应用在工业控制系统中，并 且其传输线的成本相对来说也比较低。 综合考虑信号传输距离实际情况和系统实现成本，通过对各种监测技术的比 较和论证，本着经济实用的目的，最终决定采用r s 4 8 5 总线技术的办法来解决远 程数据通信的问题。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章河工模型自动监控系统框架 2 3 本章小结 本章是模型监控系统概述部分，首先介绍了系统的监控内容，简要阐述了 系统的监控任务，然后就几种数据通信方式进行了比较论证，根据模型监控系 统实际情况确定采用r s 4 8 5 总线技术作为该监控系统的远程数据通信方式。 9 重庆邮电大学硕士论文 第三章河工模型系统的研究 第三章河工模型系统的研究 3 1 入流控制系统 模型上游( 进口) 边界控制多采用各种闭环监控系统，目i 葑研究较多的为 系统组成、构造原理和控制方法，而对系统的动态性能指标、数学描述等涉及 较少，各类误差分析研究工作也不全面。闭环电磁流量计监控系统和闭环数字 量水堰监控系统这两类主要监控系统之间的各类性能指标分析与比较，不够深 入。这些内容对系统设计有十分重要的意义，将是本节研究的重点。 3 1 1数字量水堰入流控制系统数学模型 一闭环数字量水堰监控系统组成 闭环数字量水堰监控系统( c l o s e dl o o pd i g i t a lw e i r sd i s c h a r g em e a s u r i n ga n d c o n t r o ls y s t e m1 简称d w 系统。 薄壁量水堰【1 1 j 作为一种计量准确的量水装置，在河工、水工模型试验中被广 泛应用，并被用来作为水工建筑物的一部分( 平面闸门、灌溉渠系上的底槛等) 。 为了避免射流贴附在堰壁上，在射流下面必须能够进入空气。量水堰的输出流量， 与其水面的高度有较精确的函数关系。若函数条件满足，则只要给出精确的水头 高度就可以得到精确的出流量。如果要得到某一确定的非恒定流量过程q ( t ) ，贝 需要有对应的水头高度过程n ( o 。 堰的形式甚多，如矩形堰，三角形堰，抛物线形堰和宽顶堰等。 1 薄壁矩形堰剖面示意图如图3 1 所示，堰上水头和流量的关系如下； 当下游水深f 尸( p 是堰槛的下游高度，t 是下游水深) ，则堰将被认为是非 淹没的。对于非淹没堰。矩形堰的流量按下式确定： 图3 1 薄壁矩形堰剖面示意图 1 0 重庆邮电大学硕士论文第三章河工模型系统的研究 q - m o b 、2 9 h 2 式中：q 模型流量( 米3 秒) ； 口堰的宽度( 米) ； 月堰上水头( 米) ； 流量系数( 实验求得) ； 在矩形槽中具有垂直堰壁的矩形量水堰的流量系数， # ( o 4 0 5 + 0 0 r 0 2 7 - 0 0 3 等) 【1 + 0 5 5 白2 志1 o 、 h曰“ 、曰( + 口y 式中：a 堰槛的上游高度( 米) 5 b 上游堰宽( 米) ； h 堰顶上的水头高度( 米) ； b 堰宽( 米) 。 ( 3 1 ) 按下式来确定： ( 3 2 ) 无侧面收缩( 即b = b ) 的非淹没堰的流量系数也可以按下式来确定： 0 4 0 3 + 0 0 5 3 + 百0 0 0 0 7 ( 3 3 ) 口仃 矩形堰适合于测量较大流量，如流量较小，要求比较准确时，用三角堰较 好。 2 三角形量水堰 薄壁三角形堰，主要应用于水力学实验室，水工实验室和土壤改良系统的 渠道上，量取较小的流量，精度较高，一般多应用顶角= 9 0 0 的非淹没三角形堰。 堰槽宽度为堰上最大水深的3 4 倍，其他要求基本上与矩形堰要求相同。三角 形量水堰截面示意图如图3 2 所示。它的计算公式为： 图3 z 三角形量水堰截面示意图 q 一西8 留j 0 2 9 h 5 _ r 式中： 1 1 ( 3 4 ) 重庆邮电大学硕士论文 第三章河工模型系统的研究 q 模型流量( 米3 秒) ； 日堰上水头( 米) ： 流量系数( 实验求得) ； 8 堰口夹角。 由上式计算出模型流量，将模型流量过程q ( t ) 换算成其堰上水头过程h ( t ) ， 然后控制日( 0 即可实现流量过程控制。 由模型与原型流量转换公式：q k 型= q x t 2 水平x ，0 3 直，即可将模型流量换算 成原型流量。 t 比例尺。 ( 一) 系统控制装置比较 直立叶片式门缝较多，总泄流长度大于直升门，大流量时( 泄水侧开度最 小) ，泄流水深小于平板直升门，调节精度不及直升平板门1 1 2 1 。故选用直升平 板门，如图3 3 所示。 ( 二) 驱动装置 系统的随动性要求电机有较好的启动性能和制动功能，挡板在负载下对工 作力矩有较高要求，选用变频交流调速系统，且量水堰和尾门分别配以减速比 为1 ：2 0 0 和1 ：1 0 0 0 的减速机。变频器具有软启、增扭和节能的特性；同时， 减速机也有增扭的作用。 电机 图3 3 溢流调节装置示意图 ( 三) 堰上水头控制 系统流量的监控精度取决于堰上水头的监控精度，因此，选用的水位仪测 量精度必须满足要求。 重庆邮电大学硕士论文第三章河工模型系统的研究 二控制原理和算法的实现 ( 一) 控制原理 1 系统控制原理 整个系统可分为量水堰控制系统和尾门控制系统。如图3 4 所示。工业控 制计算机相当于整个控制系统的大脑，它是主机，p l c 控制器是从机。工控机 和p l c 控制器之间通过网络型r s 4 8 5 总线进行通信。p l c 将跟踪式水位仪采 集的数据与所设定的目标值进行比较、运算，将处理后的数据发送到变频器， 驱动交流电动机运行。变频器通过接收的指令调节电机的转速及运转方向。减 速机的作用是降低电机的转速和提升输出的力距，它带动闸板的运动来调节水 位。本系统的量水堰流量是通过控制量水堰的水头高程来实现的。 图3 4 流量、水位控制系统框图 2 流量控制原理 由于量水堰的下泄流量与其堰板上水面的高度有较精确的函数关系。若函 数条件满足，则只要给出精确的水头高度就可以得到精确的下泄流量。如果要 得到某一确定的非恒定流量过程q ( t ) ，需要有对应的水头高度过程量h ( t ) 。 如图3 5 所示，将量水堰上跟踪式水位仪的采样水位值，换算成流量，再 与给定的值进行比较，得到流量差值，经适当的控制运算，得到的控制量发送 给执行机构来调整量水堰的闸门高度，使堰上流量达到设定值。 重庆邮电大学硕士论文第三章河工模型系统的研究 流量设定值量水堰水位 图3 5 数字量水堰的控制原理图 3 水位控制原理 如图3 6 所示，将河工模型采样水位值与设定值进行比较，得到水位差值， 经适当的控制运算，得到的控制信号发送给执行机构控制尾门门板，使尾水位 达到设定值。 模型水位设定值模型水位 图3 6 尾门控制原理图 在整个系统中，需要对模型的流量和水位进行控制，利用微型计算机模拟天 然河流的演变过程。而实际工程中，电磁流量计、电动调节阀价格较贵，电动调 节阀易出现超调现象且不易维护。量水堰具有应用可靠，维护简便的特点，在模 型试验中大量采用，本系统对量水堰进行技术改造使之成为数字量水堰。 如图3 6 所示，模型试验中通过跟踪式水位仪实时采集模型的实际水位， 并与给定的水位值相比较并计算出偏差值，按适当的控制算法计算出控制量， 转换后输出控制信号，驱动电机控制执行机构进行相应的动作，从而调节流量 和模型水位其间不断检测出流量和水位的偏差值来修正控制电机的输入频率 值大小和方向，使流量和水位逼近给定值( 对非恒定流河工模型试验而言，其 流量和水位的给定值为随时问变化的函数值) ，该系统可精确模拟出恒定流或非 恒定流的施放过程。 ( 二) 控制算法 在现代工业控制中，目前比较流行的控制方法有p i d 控制和模糊控制等， 它们都能在实际工程中发挥出它们的各自特点。 1 传统p i d 控制算法 1 4 重庆邮电大学硕士论文第三章河工模型系统的研究 ( 1 ) 控制算法分析 普通p i d 控制算法的离散表达式【1 3 】： u , - k 【q + ；套巳+ 芋( 乞一乞。) 】 c s s ， 式中，e j 第i 次采样时偏差值。 岛一。第i 一1 次采样时偏差值； i 采样序列，i o ，1 , 2 ，3 由上式可以看出，要想计算q ，不仅需要本次与上次的偏差信号乞和q - 1 而且还要在积分项把历次的偏差信号乞进行相加，即善巳这样，不仅使得计 算繁琐，而且为了保留e i 还要占用很大的内存。因此，用式( 3 5 ) 直接进行控制 是很不方便的。 根据推理，可得到( f 一1 ) 次的p i d 输出表达式： - k e s _ l + 考等创 ( 3 6 ) 将( 3 5 ) 式一( 3 6 ) 式可得到 u i q 一【，州- k 。【岛一t h 】+ k 弓+ k j 【q 一2 乞一，+ 乞2 】 ( 3 7 ) 式中，k 。ik k 一巧鲁积分时间系数 。 畅一巧等微分系数 要计算第f 次输出值玑，只需要，q ，乞：即可。比( 3 5 ) 式简单 很多式( 3 7 ) 中的a “- v , 一以。，等于第f 次与第i 一1 次调节器输出的差值， 即在第伽一1 ) 次的基础上增加( 或减少) 的量，所以( 3 7 ) 式叫做p i d 的增量 控制式。增量式p i d 在普通p i d 上的改进不大，但是却带来了不少优点： 由于计算机输出增量，所以，误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的 方法去掉； 手动、自动切换时冲击比较小； 不产生积分失控，所以容易获得较好的调节效果。 通过上面的分析比较，同时考虑到在水位过程控制中，尾门的动作具有 可保持历史位置的特性及增量式算法的诸多优点，故选用增量式p i d 控制算法。 重庆邮电大学硕士论文第三章河工模型系统的研究 u , - k 乞一q 一+ ；弓+ 等( 乞一2 岛一- + 乞一：) 1 ( 3 8 ) 式中：砂第f 时刻控制量的增量：k 比例系数；r 采样周期； r 。采样积分时间：瓦微分时间；乞第i 时刻的偏差；q 一。第i - 1 时刻的偏差；q 一：第f 一2 时刻的偏差。 ( 2 ) p i i ) 参数的整定 在数字控制系统中，参数的整定是十分重要的，其好坏直接影响调节品质。 由于一般的生产过程都具有较大的时间常数，而数字控制系统的采样周期则要 小得多，所以数字p i d 调节器的参数整定，完全可以按照模拟调节器的各种参 数整定方法来进行分析和综合。但除了比例系数k 。，积分时间常数互和微分时 间常数r d 外，合理选择的采样周期r 是数字控制系统的个重要参数【1 4 1 。 1 ) p i d 控制器参数对系统性能的影响 p i d 控制器的参数，即比例系数k 。，积分时间常数z ，微分时间常数l 分 别能对系统性能产生不同的影响。 比例系数芷。对系统性能的影响 a 对动态特性的影响 比例系数足。增大，使系统的动作灵敏，速度加快。k 。偏大，则振荡次数 增多，调节时间增长。当k 。太大时，系统会趋于不稳定。若足。太小，又会使 系统的动作缓慢。 b 对稳态特性的影响 增大比例系数k 。，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差吃。，提高控 制精度。但是，增大足。只是减少气，却不能完全消除稳态误差。 积分时间常数z 对系统性能的影响 a 对动态特性的影响 z 太小时，系统将不稳定，z 偏小，则系统振荡次数较多。z 太大，对系 统性能的影响减少。当z 合适时，过渡过程的特性则比较理想。 b 对稳态误差的影响 积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但是，若z 太 大时，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。 微分时问常数l 对系统性能的影响 微分控制可以改善动态特性，如超调量减小，调节时问缩短，允许增大比 例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。 当l 偏大时，超调量较大，调节时间较长； 当乃偏小时，超调量也较大，调节时间也较长； 重庆邮电大学硕士论文第三章河工模型系统的研究 只有l 合适时，可以得到比较满意的过渡过程。 2 ) 采样周期丁的选择原则 采样周期r 在计算机控制系统中是一个重要参量，必须根据具体情况选择。 必须满足采样定理的要求。从信号的保真度柬看，采样周期必须满足香 农( s h a n n o n ) 采样定理，即采样角频率q 2 n k ，是被采样信号的最高角频 率，因为t o , = 2 t ，所以，根据采样定理可以确定采样周期的上限值 t t 2 - 1 王e 根据特性曲线分析，初步确定善- 1 2 5 ，实测得调整时间z = 4 5s ；依据 亭- 1 2 5 查过阻尼二阶系统调节时间特性图表网得到：f i 五一3 3 ，五- 4 e ， 这样可得出： 五一1 3 6 s ，乏3 a s ，q = 0 1 4 7 将亭一1 2 5 ，鸭= 0 1 4 7 代入( 4 1 8 ) 式求得五= 1 3 6 s ，五一3 4 s 。这样说明 ( 4 1 7 ) 式、( 4 1 8 ) 式的特征方程和参数与实际吻合很好，系统数学模型正确。 ( 二) 动态性能指标分析 由于系统是过阻尼的二阶系统，这样系统就不存在超调量、峰值时间等参 数。根据实验测定的存盘数掘及阶跃响应特性曲线可分析出系统动态性能的主 要指标，从阶跃响应曲线可得： l 、上升时间 f ，- 4 0 s 2 1 延迟时间 t d - 3 5 s 3 1 调整时间 - 8 0 s 4 ) 系统数学模型结构参数：工作阻尼系数亭，无阻尼自然频率鸭。 从上面分析可知：言一1 2 5q = o 1 4 7 3 1 3 两种入流控制系统的比较 一控制精度 重庆邮电大学硕士论文 第三章河工模型系统的研究 控制精度与所选的仪器精度、系统结构、动态性能等众多因素有关? 影响 数字量水堰测量精度因素有水位计精度、量水堰制作精度和系统动态性能等。 影响电磁流量计测量精度的因素有两侧水压差、气泡干扰、仪器精度等，一些 偶然因素也会影响测量结果。锦屏一级水电站河工模型试验己经证明：静态时， 数字量水堰系统最大偏差0 4 3 ；电磁流量计测量系统最大偏差1 1 7 。动态 跟踪时，数字量水堰系统跟踪最大偏差0 4 7 ；电磁流量计测量系统跟踪最大 偏差o 9 7 。由此可见，数字量水堰静态动态精度均高于电磁流量计 二动态性能 从电磁流量系统的上升时间可以看出f ，。4 1 s ，此时还工作在过阻尼状态。 数字量水堰系统工作在最佳阻尼比亭1 0 7 1 时，上升时间f ，1 1 9 s 。e h 此可见电 磁流量计监控系统具有反应快速、滞后小等特点。另一方面，反应快了，平稳 性又会下降。从两系统跟踪效果图和跟踪的偏差可看出，数字量水堰系统调节 更加细腻，电