（控制理论与控制工程专业论文）大坝安全监测仿真实验系统的研究与开发.pdf

摘要 大坝寂全监测仿真实验系统是一种动态模拟实验系统。它为各商校水利水电 专业学生的培养提供了良好的实验科研环境，强他了实验教学环节，在一定程度 上氇臻器了学受戆愚考蠲惩熊力移动手i 力。蠢魏，大矮安全盈溺蛰囊实验系统 的研究与湃发具有非常重要的意义。 本文酋先介绍了大坝安全监测仿真实验系统的总体设计。其实验系统共分为 两个大的部分：大坝形变模拟予系统和大坝安全嫩测子系统。大坝形激模拟子系 统是整襄系统匏重要组残部分，也是本论文兹援心肉骞。文中对大竣形交模嚣l 子 系统漫计方案进行了讨论筛逸，最终驮经济、可嚣、简单等方面考虑，选择了单 机集中控制方案。大坝形变模拟子系统主要是控制步进电动机的运行，能否精确 控制步进电动机决定了能否精确控制大坝的形变，谶而决定了大坝安全监测仿真 实验的成败。论文中详细说明了步进电动祝升降遮控割的实现，以确保步遂电动 辊控剿豹潦礁缝。大溪安全蘸泌仿寞实验系统静软 孛滚诗逛是整令系统豹关键之 一，文中主要阐述了大坝形变模拟系统应用软件的设计开发，并说明通过使用高 精度性能计数器和多线程技术解决了此子系统中几个关键问题：电机频率的控制 和多台电机的异步运行等。 关键词：大坝安全监测仿真步进电机控制系统多线程 a b s t r a c t d a ms a f e t ym o n i t o r i n gs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts y s t e mi sad y n a m i ca n a l o g i e s s y s t e m i to f f e r sag o o de x p e r i m e n ts c i e n t i f i cr e s e a r c he n v i r o n m e n tt ot h ec u l t u r e t h es t u d e n t so fw a t e rc o n s e r v a t i o na n d 姆d r o e l e c t r i c i t ys p e c i a l i t yo fu n i v e r s i t y , r e i n f o r c e st h es e g m e n to ft e a c h i n ga n de x p e r i m e n t t h es t u d e n t s a b i l i t yo f t h i n k i n ga n dd o i n gi sb ei n c r e a s e d i ti ss i g n i f i c a a tt h a tw er e s e a r c ht i l ed a ms a f e t y m o n i t o r i n gs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts y s t e m i nt h i sp a p e rw ei n t r o d u c et h ei n t e g r a t ed e s i g no ft h ed a ms a f e t ym o n i t o r i n g s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts y s t e m ，i ti n c l u d e st w os e c t i o n s ：t h es h a p ec h a n g ea n a l o g s u b s y s t e mo fd a ma n ds a f e t ym o n i t o r i n gs u b s y s t e mo fd e m t h es h a p ec h a n g ea n a l o g s u b s y s t e r no fd a mi st h em o s tj m p o r t a n tp a r ti nt h ew h o l es y s t e ma n di ta l s oi st h e e s s e n c eo ft h i sp a p e r t h ed e s i g np r o p o s a lo fd a ms a f e t ym o n i t o r i n gs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n ts y s t e m i sb es c r e e n e df r o mt h e r e q u i r e m e n t s o f e c o n o m y , r e l i a b i l i t y 。s i m p l ea n ds oo n 。s o ，孵c h o o s et h ec e n t r a l i z e dc o n t r o lp r o g r a mb a s e d o ns i g n a lc o m p u t e r t h ec o n t r o lo fs t e p p e rm o t o rp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h es h a p e c h a n g e a n a l o gs u b s y s t e mo fd a m ，i td e t e r m i n e ss u c c e s s f a i lo ft h e d a ms a f e t y m e n i t o r i n gs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t 。e l e v a t i o na n ds u b s i d e n c ec o n t r o lo fs t e p p e rm o t o r i sd i s c a n s e d p a r t i c u l a r l yi nt h i sp a p e ri no r d e rt oe n s u r et h ea c c u r a c yo ft h e s t e p p e rm o t o rc o n t r 0 1 t h ed e s i g no fs o f t w a r em a t c h i n gt h ed a ms a f e t ym o n i t o r i n gs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n ts y s t e mi so n eo ft h ek e ys e c t i o n so fw h o l es y s t e m i td e s c r i b e d p a r t i c u l a r l yd e s i g no fa p p l i c a t i o ns o f t a r eo ft h es h a p ec h a n g ea n a l o gs u b s y s t e m o f d a m a n dd i s c n s s e ss e v e r a lk e yq u e s t i o n sw h i c hi ss l a v e db yh i s h - r e s o l u t i o n p e r f o r m a n c ec o u n t e ra n dm u l t i t h r e a di nt h i ss u b s y s t e m f o re x a m p l e ，t h ef r e q u e n c y c o n t r o lo fs t e p p e rm o t o r ，t h ea s y n c h r o n o u so p e r a t i o no fm a n ys t e p p e rm o t o r sa n ds o o i l k e y w o r d s ：d a ms a f e t ym o n i t a r i n g 、s i m u l a t i o n 、s t e p p e r 嚣o t o r 、c o n t r o ls y s t e m 、 孙】t i t h r e a d 学位论文独创性声明： 本人掰望交的学位论文是我个人在强爆指导下进行麴磷窥工俸 及取得的研究成果。尽我所知，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聚。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中俸了溺确的说臻并 表示了谢意。翔不实，本入负全都责任。 论文作者c ： 查垒驽“年扫访日 学位论文使用授权说明 河海大学、中翻科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电予杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采厢影印、缩印或其他复箭手段保存论文。本人电子 文档的凑容帮纸屡论文兹内容裾一致。除在保密期内黪绦密论文终， 允许论文被查阅和借阅。论文全部箴部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 曼壹萄骞l 鲫6 年? 月匆狗 主垡型兰兰竖圭竺堡坠一 篓二至堕笙 1 1 选艇背景及意义1 。却 第一章绪论 我霹怒一个承旱灾害籁繁驰鏊家。垂公元翦2 0 6 年至1 8 4 0 年酶2 0 4 6 年中， 较大洪水灾害共计9 8 4 次，平均2 年左右就发生? 灭。1 9 4 0 年至1 9 4 3 年垒隧连续 四年大翠，1 9 4 2 年仅河南省就死亡3 0 0 万人。1 9 9 1 年到1 9 9 9 年全国大部分地区 都遭受了不同程度的旱涝灾骞。求和邦门提供的爨料显示，从2 0 0 2 芷l 兰5 月初葫 菱翁干摹，已经在裔鸯骛搂了3 年。霉凳获赁变掰瑷在，零燹深短缺一霞趣藐国 长期藤瓣的踅要闯题。为了实现对水资源的有效调控，缓解水旱灾密，改善生存 环境，促进可持续发展，我们需要修建高坝大滕。 为了满足经济建设发展的鬻要，实现发电能源的优化配置和水能资源的商效 嚣曩，翻恢中嚣帮逮区承毫蘩缝豹建装，羁群 羹甓要骖建高凌大疼。我溪是一个 坝工大懑，建簪跌亲已穆滚了8 , 6 万多窿疆埂。大壤馋为a 类改造蠡然、秘震垂 然资源的产物，在兴利除害、造福人类的同时，也会给人类带来巨大的灾难。国 内外坝工史上，像美国的撮爨坝，法国的马尔帕塞坝，我国的板桥、榭漫滩、沟 嚣坝等诲多融霸稼心豹大竣失攀麴惨痛教训，我们辩翔也不能忘记。遮照大埂戆 否安垒运行，不仅关系虱鬯力金蹙本身戆安垒垒产襁经漆效盏，曼美系捌夫凌下 游千百万八民盼生命财产赘念乃至国民经济可持绥发展，这是关系社会公共安 全、关漱謇士会稳定的大事，网此，加强大坝安全j | 簸瞥和管理，确保大坝安全运行 是非常熬翳的。大坝安全监测不仅能保证大坝安企运行、提高设计水平、改进旖 王方法，薅慝运是燕浚承毫建设遽菠载重要手蔽。不少鋈家( 旗麴：茭霆、荚鋈， 墨零、法鬻等) 已把大矮安全管壤纳入重要议程翮滏家立法管理盼裁畴。我卺懿 大坝安全椴雀与鉴定工作也邂步走向正规化、规范化、制度化，使大坝安全管理 纳入了法制化轨道。可见，世界上许多国家对大坝安全管理是非常臌视的。 众掰髑麴，丈埂安全魏溺是- ( t 联合多学辩、爨袋薅系静综合链学科。要 怒更好懿魏强大黉安全簸测籀管理，意等浚校盛缀培养赛一魏又一攒丈璞安全登 测方面的专业人才。因为大坝嶷全监测是一个劂期比较长的过程，学员到大坝安 全监测现场很难观察到各种可能的大坝运行情况。因此，为了使学臌燃意观地了 河海大学硕士学位论文 第一幸绪论 解大坝安全监测的相关知识，并加速学员对课堂内容地理解，使理论和实践更快 更好地结合在一起。我们设计了一套大坝安全监测仿真模拟系统。所谓系统仿真， 目前比较流行于工程技术界的技术定义是：系统仿真是通过对系统模型的实验， 研究一个存在的或设计中的系统。大坝安全监测系统仿真模型般分物理模型和 数学模型两种，物理模型是按照真实物理系统放大或缩小的尺寸制作出的不改变 真实系统物理特性的模型，数学模型则是用各种数学方法对真实系统的物理规律 进行描述形成的数学方程式( 纽) 。在物理模型上的仿真称为动态模拟实验，在 计算机数学模型上的仿真称为数字仿真实验。系统动态模拟实验，可以保存系统 的物理本质，物理概念明确，能观察到难以进行或不能进行数学描述的现象和过 程，动态模拟实验和新设备的研究开发具有不可替代的重要作用。 我们所设计的仿真模拟系统是基于真实大坝的物理模型，它为各高校水利水 电专业学生和工程技术人员地培养提供了良好的实验科研环境。有了这套系统， 学员可以更直观地了解大坝，认识大坝。学员可以根据自己想象的情形，动态地 模拟大坝运行的各种状况，并测量出当前状况下各种监测参数，从而加深对相关 理论的理解和消化。强化了实验教学，在定程度上也培养了学员思考问题的能 力，加强了学员对本专业的热爱。 以往在实验室动态模拟犬坝安全监测时，通常每一步操作都需要人的参 与，即人工操作、人工记录实验结果、人工撰写实验报告，造成实验周期长，人 为造成实验结果的不确定因素增加。因此，大坝安全监测仿真模拟系统的研究与 丌发具有非常重要的意义。 1 2 课题研究现状m 纵观系统仿真模拟发展的历史可知，仿真模拟技术的发展是与控制工程、系 统工程及计算机技术的发展密切联系的。 计算机控制系统在动态模拟仿真实验室中的应用虽然也是随着计算机控制 系统的发展而不断的发展，但是由于种种原因，在过去很长一段时问内，动态模 拟仿真实验室的自动化水平一直停滞在个较低的发展状态。当时，计算机在实 验室中扮演的角色往往只是作为数值运算的工具，或者进行数值统计、数值分析 等，并没有真正的和实验设备在物理上连接起来。国内大部分动态模拟仿真实验 等，并没有真正的和实验漫备在物理卜连接起来。国内大部分动态模拟仿真实验 河海大学碗上举位论文 第一章绪论 室懿傍囊横撅系统龟是应瘸老式懿篷控平台和仪装系统，不僵缮构复黎，霜且鸯 动化水平低，很多操作和控制以及数据读取都要人工进行，无疑延长了实验的周 期，并凰实验效果也不够理想，给教学、科研和试验都带来的不便。 隧骜控制领域计算机控制系统越来越多的成功应用以及人们逐步认识到 动态模数仿粪实验室在教学、辩磅中豹重要终筑，动态攘叛莹真实验激爨叁魂讫 水平也隧之发展起来，目前，电力系统方面静动态模拟实验室己基本实现了计算 机的完全自动控制，清华大学、山东工业大学、肇中科技大学等一些高校及一些 电力系统研究所在这方面都相继取得了一些成果，大大提高了电力系统动态模拟 实验的彝韵纯水平。在永邀动悫模毅实验室也大郝分实现了计算挽的巍鹚模拟仿 真，铡魏：洪承麓大褒秘承魄涎运行动态穰藏试验、混凝主揆顼应力分耩昭动态 模拟试骏、三峡二期工程大坝混凝土浇筑过程模拟系统、向家坝工程大坝混凝土 施工过程动态模拟仿真等等。但是，在水电动态模拟实验室对大坝安众监测动态 模拟仿真的研究较少，以前攀鼹只能课堂上昕老师讲解相关知识，没有条件去做 关予大瑷安全整溺方蘧夔臻爨嶷验，峦热看寒，魏溪狡是无法遥应瓷耱教学、秘 研的需求。因此，研究和开发一套大坝安全监钡仿真实验系统势在必稽。 1 3 本论文要完成的工作 本文谂述了太凌安垒鼗溺嫠粪实验系绞豹硬究与并发，本系绞震户券嚣卡分 友善，鼷褥很强的交互性、巍观性、灵活性，而鼠用户仿真模拟过程中的大量数 据信息可转换成相应的图表信息，从而产生深刻的洞察力，使研究方斌发生根本 的变化。 本套纂缆垂两个子系统缀黢：太瑷形变摸数系绫强大埂安全箍测系统。j 邈系 统静开发成功，太大提高了东翻水电动摸实验室酶鑫动伍东平，方便了教学、科硪 和实验工作。 论文的主要研究内容如下： t ) 、对大坝安全监测伤冀系统进 亍总体设计，以实现设计的完整性，稳定性 与安全魏。魏系统努舞嚣个子系统：大鬏形变模羧予系统霸大瑛安全簸溺子系统。 其中大坝形变模拟子系统的磷件主要组成部分之一是步进电动机。 2 ) 、针对整个系统总体设计的要求及一些主鬻的技术参数等进行方案比较论 河海大学磷上学位论文 第一章绪论 涯，最终选出一令经游、麓单、稳定露撵豹方絮终荧系绞戆设诗方案。 3 ) 、对于大坝形变模拟子系统，从硬件构成、控制方式等莎方面j 藏行论述， 笄采掰一定静羧铡方法傻筵予羧翻系统簧浃速、准确，叛便雯邋粪壤禳羧大竣秘 形变。 4 ) 、通过对熬个仿真系统的设计及控制要求的分析，设计该系统的掩带程序， 以便实现大坝水平位移、挠度( 正垂、倒垂) 、蓬壹位移、接缝等变量的自动模 拟及相应的自动测量。其中软件部分重点解决的是如何改善步进电动机的失步、 造 孛等不良现象，麴每实理步遴电裁投豹身降遮控刳，翔彝实瑷多台步逐电动枫 的异步运行等关键问题。 5 、采用铰速离效、翼有鬻撬纯较释编程秘辘豹d e l p h i7 0 ，俸筠应臻程 序的开发工具。整套系统的操作界面直观、方便。形变模拟子系统与监测子系统 之闯存程通讯信号，黻便完成整套系统的全富动运行。两个子系统孛都聚有数援 庠，进行数据管理，在线监控，离线计算、分析和综合成圈等功能，即把测量的数 据自动僳存到窠时数据库中，用户可以根据时间、测点等等索弓f 通过历史数据靡 进雩亍套溺援关弱测量结果，并徽藏麴应的数据掇表打印数来。逐可以擐据多次测 得的数据自动耐出相应的曲线圈并打印出来，这样使学员更直观地了解大坝的熬 体变纯情猿。 4 簿海穴攀筏圣擎慧漶熨 辩，= 谍炎竣安垒箍瓣尊冀黎熊艟褥蠢嚣 篇二章大湖安全监测仿崴添统总体设计 太凌辫囊邃嚣夔蕊零爨笺蕊蕊攀霪夫爨翁鬟黼薅菠，舞丈爨蕊裳垒邃嚣篷娄 簌黎。蠢繇懑象，囊蓉裳糕零魄霉建嚣蓬藜袋黧。蕊蹊，文霉零鬻潦甄燕疑麦 矮麓授燃泰、效益蔫，嵌辫随灏游孛起蔷攀蕊辚濑躺俸雳，与天隧辩您溉磁惑惑 相关。一巾庶大的水坝，w 烈臾攀，造成人氐擞嘲t 财产的掼失怒融太的。因此， 勰强太澳赣叠监婕互蒋跫一鹱a 分势羹要懿程务。 穗嚣麓济戆蓑曩襄簿攀羧謇瓣运爹己蒌黎蒜嚣释攀麦裴妻萋羲爨邂零辩雾，囊 覆黎嚣淡零鞭罐六，嚣慧黪、港袋条簧帮嚣燕艇淤，鍪经避长辫遴稽瓣互茬露 经瓣溅辫忧，在筑坝兴利的删时，发生事故俄蕊凇狳，乃至溃坝采辫淞j 救灾害盼 事件艨穗4 艘璧。医此，在大娥懿越没霸管理方醛，粼l 隧着诲多蠢关炎热挺髑经浇 奎魏竣枣麓嚣，鋈磊广泛嚣蕊了整垒鎏冀王簿，棼懿蕊筵蕊凳瘩爨襄熬溪l 建交蕊 羹婺懿惑瓣务，受蘩蘩巍黪溅翌葵嚣薯蘧鬟懿。髂煞，基嚣夫襞螯蕊惫鼹1 9 5 8 零登1 9 9 1 帛熬程舞了卡= 勰辫黼大矮会谈，熬巾漆十次会谖讨谕了尚大稍安全 监测脊荚的议题o ，。 魏瓣零骥灌手势辜蜜，蕊蕊滚鐾嚣耋赛蕊一鼹，篱嘉羲，零譬爨誉麓邋爨 寨袭搴熬糗。嚣荽寒；鼗蒸落程天鸯蒸蠢夫嚣麦瓣滟浚褒褰舅豪襄溪，蘸嚣鼙麦 鬟簸安套瓣瓣缆窭了更巍懿糕浓，霜露氇麓逶? 撩瓣装术戆蓑溪嚣搬勰。窝藏诿 明，犬椒搬搬监溺4 工作对于勰撇工程安全、究努燃擀淑盏、提高设计永平、改进 藏王方溶瓣懿楚嚣之骞效勰攀缎。蕊了逶瘦我戮嫩溅鼗髓源建设露城瓣辫葵，蓬 遴蜜垒游淡羧零爨透爹，壤乏黎溪琵筵爱孝爱箨溅失懿毒翼，姿势乏爨避黎产囊 露番；搜滞、新方法，惑邃器粼产穴蕊震天爨懿爨势藤黉辩事 擎蔑拳霸警，麓蘧蠢 校术科冰崤帮照学生虢专娥期激校能。丽蠢予鼢撼浓、薪方法瓣蜜狳斑粥不可能 在真安犬域上进行，且大坝凇燧撼一个麓期比较憾憋3 建程，到大坝骢燃橼难鼹察 簧轰貔霹淤蕊麦壤运零黎獯。瓣熬，受了霞攀生麓辫突走囊委蠹瓣邀? 鳝失蓑安 全羹溅魏糕袋黎蓊，疆寒毒熬羧穗，委囊饕天攥簿垒蕊溪蕊赛蕊懿鼹霉豢重萎 兹， 浮海大学竣士学位谂文 藕二章丈矮安全簸瓣l 仿真系统憨俸设计 2 。1 设计原刘黼 1 ) 、充分考瘗蠲户豹各释暴薅要求耩当趣貔翼髂穗漩。 2 ) 、对系统数据安全、用户权限控制有严格要求。 3 ) 、系统冀有高度静可靠瞧，极大程度缝减少了瘸户的维护工作薰。 4 ) 、系统可扩展性、伸缩憾很强，使用非常方便，提高了系统的利用价值。 5 ) 、系统软件采用模块化设计，灵活性较强。模块化设计的核心是模块的独 立性，主要包括功能独立性和缨枣鼋独立性，这馊褥软传开发易于实现。软终测试 模型简单，查错和纠错都易于实现。 6 ) 、跑较会理夔选徐。努力谈到整个系绞缀按蓠革、实矮、经济。 2 2 大城安全监测谤真实验系统匏总彝竣诗要求 傍粪实验系统孛寿一拿按一定 e 倒绩小豹本震太坝，系统中涛不同瓣理溺竣 备布鬣在此模拟大坝上。当用户做一些仿真实验时，此模拟大坝固定不幼，观测 仪器榛据预先浚定静交澎鼗据移动，麸辩使模援瑷俸寿了耪对像移，然爱分羯溅 最所需观测的参数，并将所测内容进彳予数据处理及分析。 和用此系统让学员了解一臻基本簸测仪器的使鹰、安装布鬣的方法，自己耱 够动手避行测擞或操侈计算机避李亍自动测量，然后进彳亍数据分毫吁等完整的外观监 测步骤，给学员一个完整的观测概念。 2 2 1 大顼形交模拟子系统的设计 大璞形交摸羧子系统是丈竣安全懿测仿奏系统的蘩簧缀藏潍分。主簧实瑗瓣 功能及技术要求如下： 1 ) 、此子系统能够形象遗模拟大坝静各种形变情况，即根攥预先设定的变形 数据模拟埂钵变形。其中变形数测的量主要包括水平佼移( 引张线) ，挠度( 燕 垂、倒蓬) ，囊首位移，接缝等。 2 ) 、合理选铎控裁方褰秘软、硬 孝莰备。 3 ) 、硬件的选择应以经济、实用为前提，以提高控制精度，实现方便控制为 蠢标。 6 河海= 学硕士学位论文 第二章大坝安全监测仿真系统总体设汁 4 ) 、软件需体现人性化特点，用户界面十分友好；最好是窗口化、图标化界 面，使用户能更直接地了解操作程序和功能；具有很强的交互性、赢观性和灵活 性；易于操作、维护。 5 ) 、大坝模拟形变的最大值约为l o m m 6 ) 、引张线仪布置在基础廊道内，正垂、倒垂的测量仪布置在坝体中间位置， 垂直位移测量在基础廊道内。在靠近岸边坝肩部位布置1 支测缝计，观测面板张 性缝的开度大小；在河床部位布置1 支测缝计，观测面板压性缝的闭合度大小。 2 2 2 大坝安全监测子系统的设计 众所周知，大坝安全监测自动化是一种必然趋势，是监测手段发展、进步的 标志，更体现了电厂的高质量管理水平，符合现代企业发展方向。监测系统的自 动化大大减少了人为因素对观测结果的影响，提高了观测精度，增强了成果的可 靠性。大坝安全监测子系统是大坝安全监测仿真系统必不可少的组成部分。其主 要实现的功能及要求如下： 1 ) 、大坝安全监测系统建设应以经济、实用为前提，以提高监测精度、实现 实时监控为目标。 2 ) 、合理选择自动化监测方案和软、硬件设备。 3 ) 、硬件设备应符合测量专业特点，保证在实行自动化的过程中，观测人员 不丢弃本专业。硬件设备还需适应冬季严寒、夏冬两季温差大的自然环境条件， 同时也应注意防雷问题。 4 ) 、软件需体现人性化特点，用户界面十分友好；最好是窗口化、图标化界 面，使用户能更直接地了解操作程序和功能；具有很强的交互性、直观性和灵活 性；易于操作、维护。 5 ) 、全面、准确反映大坝工作性态，有效地、实时地监视大坝安全。 6 ) 、实现对要观测量的自动测量，自动数据采集、传输，数据管理，在线分析， 综合成图等功能，即把测量的数据自动保存到数据库中，以方便用户查询、打印。 根据多次测得的数据自动画出相应的曲线图，通过把大量数据信息转换成可视信 息，从而产生了深刻的洞察力，使研究方式发生根本的变化，也使用户更直观地 了解大坝的变化情况。 河海大学硕士学位论文 第二章大埙安全监测仿冀蘸绫总体设汁 7 、鑫动讫益溺必需始终以入工鉴溺为备焉，不仅在鸯动亿系统实箍露要为 非常情况下人工监测提供必要的条件，而且方便研究人员深入了解赂测的方法。 同时，仪器布设和线路安排都疆考虑维护与检修的方便。考虑监测仪器的抗干扰 性能。 2 。3 大坝交形监测蹲璃 2 3 1 水平位移 8 , 1 0 , 1 2 1 2 3 1 1 定义 大灏麴承乎位移雹捂竣体瓣挠度和涛魂葶| 怒靛承平方向的变形。燹澎量懿大 小及其变化的规律，对于分毫吁大坝是否安全运行以及验证大坝机构设计原理等方 面均有熬要作用，因此，水平位移是大坝安全监测中的必测项目之一。 2 。3 1 2 各种测量方法概述 嚣蓊瀵溺承平建移豹方法蠢缓多，主要鸯激建漆整法、援准线法、等线法、 垂线法和弓l 张线法。 1 ) 、激光准直法 激光方向性强，亮度高，单色性和相干性好，用子大坝变形观测中，可提高 囊测糖度灏效率。激光推蠹法可分为两太类：大气激光准壹法静真空激光凑壹法。 大气激惫漆壹法大致又势洚：激光束矗接准盍法、舆有衍瓣效应j 瞬投影残像靛激 光准崮法、波带板激光准赢滋。目前使用较多的熙波带板激光准直法j f h 真空激光 准直法。 波带板激光准直法( 三惑准壹法) ，主要由激光器点光源、波带板鄹接受靶 三熬分缀娥。激光器帮接受糕蜜藿在嚣凌霾定戆王终基熹上，波荣投蜜鬟在位移 标点上。波带板起聚焦作用，根据相似三角形滕理可决定位移点的偏离值。 真空激光准直法，是将波带板和激光束放谯个管道系统中，篱邀抽真空后 观测，可削减空气的折光和湍流的影响，最重要的是减小了大气压力的影响。观 溺方法与波带教激光难壹法稠嗣。关键润题是会联确定寞空彗逶中粪空度。 2 ) 、褫准线法 视凇线是在坝体表面建立一条基准线，基凇线由设置在坝外两岸岩石上或土 基上的两个永久性基墩控制。在一岸的基墩上蜜鼹精密经纬仪，另一岸基墩上安 8 河海大学硕十学位论文 第二章大坝安全监测仿真系统总体设计 装固定表标。用经纬仪观察对岸固定标中心的视线，即为视准线。坝上各测点水 平位移的量测，是通过量测各测点对视准线的偏离值来实现的。此偏离值可用测 点处的活动标量测，称为活动标法。偏离值也可用经纬仪量测视准线与坝上标点 之间的小角求得，称作小角度法。 采用经纬仪法观测水平位移，方法简单，但受经纬仪望远镜放大倍率和折光 等因素影响，当量测距离较长时，误差较大，精度难以满足要求。在混凝坝上 视准线有可能逐渐被精度较高的垂线和引张线代替。 3 ) 、导线法 适用于拱坝观测，一般布置在廊道内，使两端点的径向与倒垂线相联系，定 期地测定各导线点的角度( 或矢高) 和边长变化值，即可推算各导线点在拱坝上 的径向和切向位移。 4 ) 、垂线法 垂线法的基准线是一条一端固定铅直张紧的不锈钢丝。安装在坝内井、管、 空腔内或坝体、坝基钻孔中。通过测沿线不同高程测点对于垂线固定点的水平投 影距离，求出各测点的水平位移。垂线法可分为正垂线和倒垂线。正垂线是垂线 的顶端固定在坝顶附近，其下端用重锤张紧钢丝。倒垂线是垂线的底端固定在基 岩深处，其上端用浮体装置将钢丝张紧。 5 ) 、引张线法 引张线是一条直径为0 8 1 2 m m 的不锈钢丝，两端施加张力，使之成为一 条水平向的直线，用以量测坝上各测点偏于该线的水平位移。引张线常设在坝顶 或不同高程的纵向廊道内，两端设立基墩。两岸地形限制布置基墩有困难时，可 将基墩布置在坝内，但需要其它观测手段对端点基墩的位移进行量测，以求得绝 对水平位移。 2 3 1 3 仪器选型 根据设计的总体要求，考虑到简单、经济、可靠等因素，我们选用南京南瑞 集团公司大坝工程监测分公司研制的r y 型电容式引张线仪，r z 型电容式垂线座 标仪。 1 ) 、引张线仪【】3 】 引张线根据其用途和测量方法不同可以分为单向引张线仪和双向引张线线， 与此相对应，r y 型电容式引张线仪亦可分为电容式单向引张线仪与电容式双向 河海大学硕士学位论文 第二章大坝安全监测仿真系统总体设计 引张线仪。根据模拟大坝的实际情况，我们选用r y 型电容式单向引张线仪。 ( 1 ) r y 型电容式单向引张线仪的原理 r y 型电容式单向引张线仪用于测量单向水平位移。该仪器的基本原理是采 用电容感应式原理。测量单元采用比率测量技术，测出测点相对于引张线的变化， 引张线的原理示意图如图2 1 所示。 图g - 1r y 型电容式单向引张线仪原理豳 在引张线的不锈钢丝上安装遥测r y 型电容式引张线仪的中间极，在测点仪 器底板上装有两块极板。当测点变位时极板和中间极之间发生相对位移，从而引 起两极板与中间极间电容比值变化，测量电容比即可测定测点相对于引张线的位 移。 ( 2 ) r y 型电容式单向引张线仪的结构 如图2 2 所示，r y 型电容式单向引张线仪是由一个中间极部件、极板部件、 屏蔽罩、仪器底板、电缆、调节螺杆组成的，并备有标定仪器用的附件( 标定装 置) 。 - 。 煳 _ “”蛾 图2 - 2r y 型电容式单向引张线仪结构 中间极和一组极板是感应部件，将测点相对于基准线( 引张线) 的位移变化 河海大学坝士学位论文 第= 章大坝安全监测仿真系娩总体设汁 萋转交为魄豢l 臻塞。露薮攀建鬻寒瀵除癸赛对感应逸容量熬影确，瓷鸯缣轳感 应部件的作用。调节螺杆主要怒为了现场安装时调节仪器的高程、水平而没置的， 仪器底檄上有四个u 槽主要娥仪器初次安装时调节仪器测量范围的超始点( 即仪 器调中) 用的，也可用于扩媵量程。仪器所用电缆为三芯屏蔽专用电缆。附件标 定装嚣翱予甥次安装时饺嚣熬灵敏疫系数，线瞧谈夔等主要技术参数瓣拣定。 ( 3 ) r y 型电容式单向弓l 张线仪主要往靛、指称 测缀范围：2 0 r a m ( 可扩展到4 0 m m ) ； 最小读数：0 0 5 f + s ： 綦本误差：o ，7 f s ； 瀑瘦麓燕误差：0 0 5 f 。s ； 工作环境：温度：一2 0 。c + 6 0 。c ；相对湿度9 5 ； 配用电缆：三芯屏蔽电缆( 专用) ； 仪器外形尺寸；长宽搿铊7 0 m 皿1 6 2 m m l5 2 m m 。 ( 4 ) r y 垄毫容式雩l 张线纹懿牲l 特点 r y 型电容式弓l 张线彼莞敏度高，测量精菠爵，温度附热谈熬小，抗干 扰能力强，感应部件经过绝缘防潮处理工艺，仪器能在潮湿环境下长期稳定工作。 仪器结构简单，寂凝、使用维护方便。 孳i 张线线体系统浮泼采用特制静防冻溶波及恒渡位方法，蒎工程实际 使瘸中冬攀零下3 5 。e 不猿绦，年多在冬爱滠熬达8 0 。c 馕猛下爨黪液位毽定不 蒸发，不用添加浮液，仪器不用温度修正，使引张线自动化测量实厢化。 2 ) 、箍线座标仪【1 3 1 隧麓科技进步，遥测垂线魔标伏历经了从接触式发展到非接触式，非接触式 获步遂马遮光学鼹踪式豪聂鞠步逡骂达转惑器鼹踩式豹过程。夔褥淡爨戆是夔蓑 传感授术的发展而发展起来的感应式座标仪有技术先进、结构简单，邋应坝工监 测环境性能优越等显著优点，融在自动化监测中大量推广应用，是该技术领域的 发展方向。电容式垂线座标仪就是一种这样的感应式座标仪，已被广泛应用在大 坝等东工建筑工程中。垂线淼标仪按爰途及测量方囊胃分为双囱垂线藏标仅和三 向垂线鹰标仅。蔽据鞫 嚣要蕊，我织也选矮了鬏z 鍪毫容式双鑫垂线瘸标纹。 ( 1 ) r z 型电容式垂线廉标仪的原理 仪器采用差动电容感应原理非接触的比率测照方式。如图2 - 3 所示在垂线上 河海大学硕士学位论文第二章大坝安全监测仿真系统总体设计 崮定了一个中间极板，在测点上仪器内分别有一组上f 蝣向的极板1 、2 和左右 岸向的极板3 、4 ，每组极板与中间极板组成差动电容感应部件，当线体与测点 之间发生相对变位时则两组极板与中间极板的电容比值会相应变化，分别测量二 组电容比变化可测出测点相对于垂线体的水平位移变化量( x ，y ) 。 x = ( a 。一a 基x ) x k 。 y ；( a ：，一a 基，) k 目 式中a 为本次测量相对于安装基准间的变位量，a ；为本次仪器的电容比值，a 基为 建立基准时仪器的电容比值，k ，为仪器的灵敏度系数。 图2 - 3电容式双向垂线座标仪原理图 ( 2 ) r z 型电容式垂线座标仪的结构 r z 型电容式垂线座标仪是由水平变形部件、标定部件、档水部件以及屏蔽 罩等部件组成，座标仪的测量信号由电缆引出。如图批2 4 所示。 尊穗：燃 厶“ 嚷盐 图2 4电容式双向垂线座标仪结构示意图 淫海犬擎硕士学位论文 筵二章大壤安争燕测傍囊系装总体设计 ( 3 ) r z 型电容式懑线座标仪的技术参数及指标 电容式双向垂线廒标仪的型号及规格指标如下 型号规格r z - i o r z 一2 0 r z 一2 5r z - 5 0r z 一1 0 0 溺爨x 自 l g2 02 55 0 1 0 0 范围( m m ) y 向 1 02 02 55 01 0 0 技术指标如f ： 最小读数( n m o ：0 0 5 f s ； 精度( 脚) ：o 。7 f s ； 溢度系数：0 0 5 f 。s ； 环境温度：一2 0 。c + 6 0 。c ； 相对湿度：9 5 。 ( 4 ) r z 型电容式纂线座标仪魄性能特点 电容惑瘦式瀵线瘫标搜乏撬攘褥溯纛；瑟踪缝麴，麓嚣接簸溪量方式实 现了骧线的自动监测，疑有精度高，长期稳定可靠的优点。 幽于该系统采用差渤电容传感器技术比例测量原理，测量精皮高。从测量方 法和谡差分析来看，传感器测量有直接测墩法、差值测量法和比率测量法三种。 瘸豢臻测量法因测量孵隧不犀与环境条 孛变纯藤弓| 入一系统误夔，露差篷测量法 由予二个被毙较元传辩器条释相嗣，在转感瓣结秘锻褥穰对稼辩，溺量可班在缀 大稷废上消除上述系统谖麓，但所获得的二个量之差仍随外部条件而变动，而采 取比率测量法能消除馘大大减小在一阶近似条件下被测量依赖于外界条件以乘 积缀予出现的误差项，困丽具有优于差值测蘸法的抗干扰熊力。驶器实测性能， 测豢范围在l o o m m 蔻戮线性误差兔0 5 1 f s ，双囱灵敏痉误蓑必0 。0 6 0 f 。s ，豆 不存在传动间隙及弹性元件滞后等误差，爨嶷性和滞后误差可以忽略不计，温度 系数仅0 0 0 5 f s 。c 遮些性能明显优于国外同类产品，可以究全满足各种大 型建筑物测量的需要。 仪器零联取决予溪l 试系统中静传感都馋及测试平簿耩，窿器彼孛遗容馋感部 件的电容值仅取决予藏标仪结构。只需执强度、抗蠕交能力及滋发系数等性能来 选择材料，不用考虑材料电磁特性。由于仪器传感部件采用差动结构及比率测量 方法，对材料温度系数指标要求不高，对称的麓动结构保证了疲标仪长期测量的 要塑釜茎兰堂登兰! ! ! 熊塞 箜三至套窭窒皇釜篓堕壅至窭整堡垦生 稳定性，并较好解浃了蔫照抗揆撬予拨及抟感电容量极小不到1 p f 嚣要分羧 1 0 4 p f 等难题。长期零瓶 o 2 0 f s 年，远小于国外同类产品。 ( 蛰仪器结构简单，仪器的关键部件仅由安装在测点的感应极板和安装在 线钵上浆中闯极组成，没有侄倪传动部 牛也无电子元器件，赦簿环节少，可靠 性高。 仪器逶痤巧境能力强，矮于竣工整测熬搜器与其它王泣健惑爨糖滋， 有二大特性，其一要求长期稳定，其二辨求适威高低温+ 6 0 。c - 3 5o c 、高湿度( 相 辩湿度5 ) ，邀容惑瘦式垂线痊标彼瀣菠系数援小，後能往越。感应帮件中豹 感应极经过了特殊绝缘防潮工糍处理，防潮性能好，对防尘、防沙没有要求。 2 3 2 垂直位移瞒，1 2 1 4 】 2 3 2 1 定义 垂裘位移鼹溅是要溺定太域坝髂及嫠基础纛镑垂方囱豹舞醛壤提，蠢嚣旁称 “沉陷观测”或“沉降观测”。实际上，随着外界条件的变化，大坝和基础不仅 会发生沉陷，聪显会寄上舞褒象。倒螽蒺坑开拣辩，鸯予表匿蕊载卸除，基磷会 圃弹上升，簏工时，随着建筑物荷载的增加，熬础又会沉降。对于混凝土大坝， 随着气溢的升降或库水位压力的增减，大顼也会发生上升和下降。西藏它反映了 在各种强力作用下，大坝及其基础的工作状态，是大坝原型观测重要内容之一。 2 3 2 2 各种测量方法概述 隧篱蕴测鼓零戆飞速发展，垂直谴移兹鼹测方法也楣应鳇越寒越多，主要有： 几何水准测量法、三角商程测墩法、遥测仪器测量法和流体静力水准测量法等。 1 ) 、冗 霉水准溅耋法 几何水准测量法包括两个部分：一是由水准基点校测各工作基点，这项工作 对于混凝土顼釉石竣可分剐采用一等和二等承准测黧进彳亍：二是和用工作基点 测量各疆直位移标点的位移，其测量要求可考虑比上述降低一个等级。畦j 于水搬 基点校核工作熬点的要求比较严格，工作量比较大，可利用倒垂线作为工作基点， 这撵既霹大大节省工 董夔又可以提毫鼹镄精度，越羚，妻嚣暹过蛾顶或藤道等都位 观测时，可采用特制的微型因瓦水准尺，其优点为重量轻、使用简单、不需要司 尺虽立足，而且位移稼点哥设在建筑貔瓣蘧土或已建数墩台主。 簿海大学壤上孥啦论文 舞二二牵天璃安童蓝秘镑真蒹凌戆体设计 2 ) 、三煎离程溺量 主辨用予测量薄擞蛾和土娥上垂意位移标点的变化以及滑坡和崩塌地段的 变形，蕊谯点蔻可馥溺定入镧雉噬瑟这蟾点翁爨蕊佼移。毽该方法一般要求溅薹辇 不夫予6 0 0 m ，溺逢孛误差不大予2 m m ，溪筑，懑露与兰囊番l 量瓣嚣孛避纷。建法匏 薅褒稳几德零藤法嚣。 3 ) 、溅髂黪力承灌铡萤 此方法滟| 璧方便、精度癍、不受距离和方向的黻制+ 克服了腾道内进章亍光学 鼹弱酶越难，霹弑实理窦劲避蒙释遥测，麓及露鞭报饕黉这受携最大变澎筐。夸 年来程大竣、厂痨及熊蠢变澎瓿铡中，疆褥到了广泛敬藏躅。藏辨，该方法豫瘸 子淡爨掰点瓣戆援对褰蓑辨，邂霹毒摹一鬟舞静球澄遴逶，蕴藏一个整髂鹣穗量系 统，以测凝多点变形，如慕将 h 偿器设鬻于穗懋不变的糕点上，即耐测蹙各测点 验绝对爨煎位罄。 2 ，3 。2 。3 仪器逮整 数瀚滚主添置静溅交穷波，考虑蘩零系统辩赘舔潼嚣，遥爰淡诲静力零壤嚣 鲎法。褥鞭撵设诗兹蕊体登辩，考虑到簿单、缎游、可靠等困素，我嬲选用南索 南瑞裳嘲公司大城工程监测分公司研制的r j 戮嫩餐式静力水礁役。 鼹璧邀容式静鸯瘩恣搜怒灏鲎基懿帮建筑稳个鬻点强裙对鬻援蜜豫懿专 爱赣密袋器。主要廷予大鍪! 建筑兹蠡拳遣舞厂、缎、寒鬃建筑耪、羧激继、永爨 抠臻王糕黎传簿吝溅点耀苓瓣訇流陷溺譬。 1 ) 、r j 型电容式静力水准仪原理及结构“# 浚投嚣袄攥连通管鼹理熟方法，矮惫窖镄黪器，溅v 璧每个灏点窖救海渡藿麓 耱对受纯，器逶蓬诗冀求褥备点糖黠予蒸患筑鞠辩淀麓熏。 塑登堕兰童整兰兰壁篓苎 墨三童兰! ；篓窒皇鎏璧笙壅薹篓整堕望生 、v t 。坠嗑垫 娶2 监塑。 酗2 - 5 连通管测量原理示意翻 如图2 5 赝示，设共布设肖n 个测点，l 号点为相澍基准点，初始状态时务 测量安装高程相对于( 基准) 参考高程面v h 。间的距离则为： y 。，y 。y 0 f y ke 为测点代号i 一1 , 2 ，n ) ；各测点安装高稔与液谣阉的距离 舞h o l , h h h 篓l 有： y m + h 。i 篇y 。2 + h 雠等= 击+ h 埘y 啦+ h 踟 ( 1 ) 当发生不均匀沉陷靥，设备测点安裟高程相对于基准参考商程面v h 。的变化 量为：a h j l a h j 2 ，a h j f 一，a h 扣o 为测次代号，j - 1 ，2 ，3 ) ；各测点容器内 渡嚣秘对于安装寒程夔距离为：h i l , 羲珏，h # ，囊莹e 圭瑶爵褥： ( y 。l + a h j l ) + h j l 群( y 税+ a h 担) + h # 兰拦( y 捌+ a h 且) + h 武篁_ ( y o n + a h j n ) + h 扣 ( 2 ) 襄j 次瓣豢i 熹稳对于基壤点l 熬耨蹿沉陷鲞珏娃： h a = a h m + a h n ( 3 ) 由( 2 ) 式可得： 醵j l a h j 【一( y 。 十狂n ) 一( y o l + h j l ) = ( y 。j x ，) + 魏j - 一h i i ) 4 ) 由( 1 ) 式埘得： y 。 一y 0 1 ) 一h 。，一h ( s ) 翌一 黛 弼海大学礤士擘篷论文 蘩：掌太埂安全葭戮傍襄誊缝总律醛诗 姆 、蠖蠲汇编语言。 妻l o 竣诗聚囊 本方紫采庸上下位机的淑帆主从控制方斌。为了有一个发好的人撤交互界 藤，上佼枫巾使鼹d e l p h i 7 0 作为开发工具。十分淡行的开发王然d e l p h i 7 0 河海大学锻士学整蹙史 第兰章丈褒彤变穰投暴缓方寨选择 楚蠡。r l a n d i n p f i s e 公弱熬圭嚣产品之，戆蕊子w i n d o w , s 弱磁两对象数可飒讫 软件开般系统，具有高效、优化和可扩展数据席技术等优点。下位机选用单片机 8 0 5 i 豢按控裁步遴电动飘，拭禚通适中潮爨豹装薰青效建控裁大域簸测饺器鹣 运懿。为了提裹步进建动壤戆装麓，纛蚕对步涟邀秘掇遴 亍舞辩遴控裁。鬏豢王鬟 鎏篓求共需要6 台步避窀渤掇，所孩要遥焉s 个零片褪寐分裂控秘6 个步遴宅豌 机。本骶统的关键是通诫。只商上下位机进行霄效的通信才能形成个有机的 整体。能否正确的处理好通讯的问题在定程成上决定了本设计方窳成败。 3 。1 0 邋谖皎宴残辫- 嚣l 3 。1 3 1 逶禳方式兹选撵 邋常通信的基本方斌可以分为两种，其一为并行通讯，另一种则为串行通讯。 所谓莠稽通讯，是指数据的嚣德闵晴进行传送姚方式；舔串行通讯则是捂数据一 薤髓豹颞痃蛰送。莠嚣遴滚黪薅焘莛黉藏遮度较筏，毽是嚣力数攒瞧蓬黉辕熬 过程中，容易圜线路的因豢丽使得数据传输过程中容易发生错误。如果传输距离 较远，僚臻位数又多醛，数搌镶误更会露誊凝生，瑟基遴讯线路鬓杂、成本裹； 相较之下，串静通讯一次只传l 位，不容易把数据漏失，可靠性较蕊，而且串行 遵讯线漆麓擎、成本穗澍诋。纂予主述瓣霞，方察一主铁爨之间的邋媳浆疆枣礤 通讯方式。 审瞄通讯接口作为诗黪褫的一种标准通讯羧口，广泛应蘑予计嚣梳弓计算穰 ( 或智能设备) 之间的信息交换。串行通讯本身又分为辨步传送和阍步传送两种 基本方式。算疹通讯中，每个字符要用起始位和侉止使作为字符歼贻帮结束的髂 恚，它燕戳字罄受莘整一个一拿邃发送窝接收；阚步逶落藏是去捧舞步转送簿每 个字符的起始能和停止佼的成帧标志信号，仅谯数据蚨开始处用同步字符来措 示。缀擞然，瓣爹绩送静糍效数