（水利水电工程专业论文）直接数字控制器在闸门控制中的应用.pdf

摘要 我国水资源并不充裕的情况下，水资源必将成为我国国民经济 发展及人民生活水平提高的制约因素。因此，进一步发挥水利工程效 益，提高供水设备运行的准确性和可靠性，改善管理人员的劳动条件， 已成为当前的一项迫切任务。将直接数字控制器应用于闸门控制，实 、 现闸门开度的数字化控制是顺应水利自动化的号召提出的。 论文首先研究了现存闸门控制的几种方式，在此基础上引进了 决策支持系统的概念，提出了决策支持系统在闸门控制中的作用，同 时介绍了系统的组成。接着针对闸门控制决策支持系统的数据库与模 型库的元素构成，进一步设计在线求取方案，提出利用直接数字控制 器与可编程控制器相结合，控制闸门开度的新举措。并给予在线分析， 得出直接控制器的控制算法与参数优化模型。最后，引进遗传算法作 为数字控制器参数寻优的辅助工具，在计算机离线设计与在线测试的 配合下，给予全局搜索，确保数据库元素的准确、完整，给日后的数 据处理、控制器的参数优化模型的修正提供参考依据。控制系统采用 开度数据库与模型数据库的有机结合，实现方案的最优控制。 论文整体构思在寻求一个直观、方便、快捷、准确的闸门控制理 念过程中酝酿生成，在决策支持系统的平台上，对闸门进行直接数字 控制是一次新的探索。 关键词：决策支持系统直接数字控制器可编程序控制总体 方案参数优化遗传算法数据库最优控制 a b s t r a c t t h ed e f i c i to fw a t e rr e s o u r c ei nc h i n aw o u l dr e s t r i c tt h e d e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h ei n c r e a s i n go f li v i n go fp e o p l e t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt oe x e r tt h eb e n e f i t o fw a t e r c o n s e r v a n c ye n g i n e e r i n g ，t oi n c r e a s et h ea c c u r a c y a n d s e c u r i t yo ft h er u n n i n go fw a t e rs u p p l ye q u i p m e n ta n dt oi m p r o v e t h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fm a n a g e r s t h es c h e m eo fd d c ( d i r e c t d i g i t a lc o n t r 0 1 ) d e s i g n e di ng a t ec o n t r o l l i n gs oa st or e a l i z e d i g i t a lc o n t r o li sp u tf o r w a r dt ok e e pu pw i t ht h ec a l l i n go f h y d r a u l i ca u t o m a t i o n s e v e r a lm e t h o d so fg a t ec o n t r o l l i n ga r ed e s c r i b e di nt h i s t h e s i s f i r s t l y o n t h eb a s eo fw h i c h ，d s s ( d e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m ) i si n t r o d u c e d ，w h o s ef u n c t i o ni ng a t ec o n t r o l l i n ga n d c o n s t i t u t i o na r es h o w n a c c o r d i n gt ot h ec o m p o s i n go fd s s ，t h e d a t a b a s ea n dm o d e l b a s eo fg a t ec o n t r o l l i n ga r ep r e s e n t e d a n o n l i n ec o n t r o l l i n gs c h e m ei sg i v e nf o l l o w e db yw h i c h ，w h i c h i sd e s i g n e di n c o r p o r a t i n gt h ed d ca n d p l c ( p r o g r a m m a b i el o g i c a l c o n t r o l l e r ) a f t e rt h a t ，a no p t i m a l p a r a m e t e rc o n t r o l l i n g m o d e li s g a i n e d t h r o u g h a no n l i n e a n a l y s i s g a ( g e n e t i c a l g o r i t h m ) i si n t r o d u c e da sa na s s i s t a n td e s i g na p p l i a n c e o n t h e w h o l e ，t h eg l o b a lr e s e a r c h i s p r e s e n t e d w i t ht h e l l c o m b i n a t i o no fo f f l i n ed e s i g na n do n l i n et e s t ：t h er e l i a b i l i t y a n di n t e g r i t yo ft h ed a t a b a s ee l e m e n t sc a nb ee n s u r e d m o r e o v e r i tc a nb eu s e da sar e f e r e n c ei nd a t e p r o c e s s i n ga n dm o d e l m o d i f y i n g i nt h ef u t u r e t h es c h e m ew i l la c h i e v ea n o p t i m a l c o n t r o l l i n ge f f e c to nc o n d i t i o nt h a td a t a b a s eo fg a t ec o n t r o l b eu n i t e dw i t hd d c t h ew h o l ec o n c e i v e c a f i l ei n t o b e i n g i nt h e p r o c e s so f g r o p i n gf o ras t r a i 曲t ，c o n v e n i e n t ，s h o r t c u ta n de x a c tw a yi n g a t ec o n t r o l l i n g i t san e wa t t e m p ti nt h ew a t e rc o n s e r v a n c y d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mi su s e da saf l a tr o o fs oa st or e a li z e d i r e c t d i g i t a lc o n t r o l k e y w o r d s ：d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ；d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ； p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ；g e n e r a ls c h e m e ； p a r a m e t e r o p t i m a l ； g e n e t i c a l g o r i t h m ；o p t i m a l c o n t r o l i n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 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果。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作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 2 0 0 5 年4 月1 0日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子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 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 2 0 0 5 年4 月1 0 日 口海大学硕士学位论文 1 - 1 引言 第一章绪论 为适应当今整个社会经济蓬勃发展的需要，水利事业正不断地得到发展。现 代水利枢纽工程集防洪、抗旱、发电、航运、旅游等功能于一体，产生着巨大的 经济效益和社会效益，它在保障人民的生活、安全和在交通、能源利用方面起着 非常重要的作用。 在早期的水利工程中，通过小坝蓄水并输送到旁边的灌溉渠道中，过量的水 通过坝顶排放随着技术的进一步发展，修建了“可移动的坝”( 即闸门) 。这些可 移动的坝可以从正常的位置移开，为排放过量的水提供了通道，这样在水利工程 的运行中允许有更大的安全性和灵活性。 如今，闸门已成为水工建筑物的重要组成部分，其运行情况关系到整个枢纽 建筑物的安全。 闸门的种类按闸门的构造特征分类主要有平板闸门、弧形闸门、滑动闸门、 链轮闸门、人字闸门、扇形闸门、拱形闸门、屋顶闸门、反钩闸门、翻板闸门、 深卧式闸门、浮箱式闸门等型式。其中现场大量使用的主要闸门有平板闸门、弧 形闸门、人字闸门、扇形闸门。闸门的启闭方式通常有卷扬机启动、液压启闭和 螺杆启闭。 闸门对于泄洪和水位、流量控制设备特别重要，控制设备运行工况复杂，在 汛期操作尤为频繁，且运用时间长，这就对其控制系统运行的安全性、可靠性、 可控性、操作方便性、可维护性要求也十分严格。 现在，水利行业同其它行业一样，步入了发展的快车道，正由传统水利向可 持续发展水利、现代水利转变。在科学技术迅猛发展的今天。借助现代新知识、 运用新技术、新方法开展生产科研，开发出一套控制准确、精度高、操作简单、 安全可靠的闸门控制装置已成为当务之急，是很有实际意义的一项任务。 第一章绪论 1 2 问题提出 在闸门运行中，控制的目标主要有： 定水位控制：由于供水、灌溉或防汛的需要，要保证闸前水位或闸后水位的 恒定值。根据来水和用水情况，通过闸门的控制达到所需水位的稳定值。 定流量控制：在防汛时常常需要控制闸门的过闸流量，根据闸| j 后水位来控 制闸门开度，保证在规定时间里的恒定过闸流量。 闸门控制中需要研究的主要问题有： 闸门的动态定位：要控制目标，利用水位、流量和水工建筑物的条件，选取 恰当的方法确定动态闸门位置，并动态的控制之。 闸门控制的震荡：在闭环控制时要防止闸门的频繁启闭，保证被控对象在允 许的条件下，被控闸门启动次数最少、动作最小。 闸门、闸体的共振：较大的闸门在某些条件下，过闸水流引起的振动频率与 闸体的固有频率成倍数时，会发生共振。这种共振会对水工建筑物造成严重危害， 应避免这种振动状态。 要达到闸门控制的目标，避免和解决闸门控制中的问题，需要分析影响闸门 允许和控制的各种条件，把这些条件通过适当的算法和方法柬实现最优控制的要 求。 论文从以上要求出发，就复杂多变难以预测的上游水文特性与过闸流量准确 控制、闸门的安全操作的矛盾问题而展开探讨，利用控制理论、优化理论、现代 化预测手段及计算机技术、网络通讯技术等作为研究工具，寻求合理的控制方案， 为水资源利用实现信息化解决重要的基础问题。 1 _ 3 论文的主要工作 论文研究从闸门准确定位的角度出发，针对复杂多变的水文特性，在现场级 设计一套合理的闸门控制决策支持系统，对闸门运行的各个数据进行处理并给予 管理：在现场级对闸门定位操作选用直接数字控制，采用实时测量、实时控制的 控制模式，对于易引起弧形闸门振动的开度位置，控制时应给予及时修正。由于 涉及参量多为离散变量，所以选用由离散数据组成的实时数据库作为闸门控制决 2 河海大学硕士学位论文 策支持系统的重要组成部分。在正确信息的输入与闸门动作的准确到位这两者的 结合下实现系统的功能要求。 总体设计构思是：设计管理闸门开度数据与及有关控制器参数的决策支 持系统；研究闸门准确启闭的控制与执行系统；研究合适的算法对参数进 行优化，确保实时、准确控制；三者结合完成如下图卜l 所示的流程操作。 图1 一l 闸门操作步骤简易示意图 论文研究的闸门控制系统力求运行可靠、人机界面直观、操作管理方便，主要工 作包括： ( 1 ) 调研现行水工闸门的控制方式，基于水工闸门开度取舍的难度及准确 控制的复杂性提出闸门控制决策支持系统的概念，并简单介绍其结构。 ( 2 ) 分析数据库元素构成，进行闸门控制系统总体方案的设计，并给出控 制器的控制算法，确定待求控制器参数。 ( 3 ) 采用遗传算法对控制器的参数进行优化设计，力争做到精确控制，同 时确保控制系统数据库的真实、完整、有效。 研究的内容主要包括五个章节： 第一章提出所要研究的问题，并简要说明论文写作的主要工作。 第二章列出现存的几种典型闸门控制模式，并作简要分析，确定论文的研究重 点；在此基础上构建新的设计思路，提出决策支持系统的概念。 第三章围绕闸门控制的功能要求，首先设计数字式控制系统的支撑平台，即闸 门控制决策支持系统。 第四章给出控制闸门准确定位的控制器，即直接数字控制器的控制算法，设计 闸门控制总体方案，确定控制器参数的优化模型。 第五章引进遗传算法作为控制器参数的辅助寻优工具，设计在线搜索方案。 第六章提出总结与展望。 第二章f _ 7 f 3 控制系统的结构和功能 第二章闸门控制系统的结构和功能 2 1 目前国内外研究动态 在所有闸门控制装置中，闸门的操作要么采用机电方式，要么采用可编程控 制器( p l c ) 式的电子控制方式。参考有关资料，先后出现在闸门升降控制领域 的控制技术有：手动控制、继电器一一接触器式控制、p l c 控制、单片机控制、 双闭环p l c 控制、计算机统一监控方式等。 2 1 1 最早的手动控制模式 这种电动闸门控制方式非常简单，有的甚至仅靠一把闸刀加一个转换手柄控 制。在实际操作中，闸门的开启高度也多凭肉眼估计。这样，不但电机本身因未 装任何保护装置容易受到事故伤害，而且闸门开度也会因操作人员的不同而有较 大误差，达不到所期望的过水流量。 2 1 2 机电控制闸门方式 机电控制方式的基本原理相似于手动控制，区别在于用机电设备来代替手动 控制，在准确性上优于手动控制。( 如图2 一l 所示) 图2 一i 机电控制原理示图 d 河海大学硕士学位论文 闸门的开关利用按钮控制，控制按钮的种类有开闸按钮、关闸按钮、停止运 行按钮。闸门的开启高度由行程开关的常闭接点决定，行程开关按一定间隔布置， 从0 到闸门全开高度依此递增布置多个，操作时要求将闸门开( 关) 到多少，便把 相应高度的小闸刀开关投上，然后再按下开( 关) 闸按钮即可，在系统无故障的情 况下，闸门将自行开( 关) 到位。此外还有闸门工作情况指示灯，如停止运行指示 灯、开闸运行指示灯、关闸运行指示灯、闸门位置情况指示灯，上述多个指示灯， 分别指示闸门开度和闸门运行情况，使值班人员一目了然，便于随时掌握情况，随 时处理，干路中设有熔断器，其作用有两点：( 1 ) 保护控制电路本身；( 2 ) 当供电回 路故障、三相电缺相时，使装置停止动作，从而保护电动机免受两相运行的危害， 热继电器与交流接触器配合组成磁力起动器，可远程控制闸门的开( 关) 、停止， 并可作电动机的失压和过载保护。自动空气开关在电机的运行电路中作分、舍电 路并作电机的过载、短路和失压保护，熔断器、热继电器和自动空气开关等元件 的使用使本装置同时具有缺相、失压、短路和过载保护功能。 2 1 3 下游常水位后浮箱水力自动控制闸门 后浮箱水力自控闸门在突尼斯麦一崩水渠已运行2 0 多年，发挥了很好的调 节控制作用。 ( i ) 运行特点 下游常水位水力自动控制闸门的特点是，在闸后为某一设计水位条件下， 当下游需水量改变时，闸门能利用水力作用自动地进行启闭，以满足闸后需水 量要求，无论闸上游水位如何变化，闸门的开度太小随着下游需水量的大小而 改变。这种闸门是专门为输水和灌溉渠道设计的，用作渠道进水闸、节制闸及 分水闸等，可实现渠道水力自动调节和输水。浮箱水力自动化闸门是一种借助 水力和重力作用，可以自动启闭和调节的自动化闸门，具有运行可靠、结构简 单等特点，越来越被广泛地应用于供水、灌溉、防洪、发电、水运等工程。 ( i i ) 闸门的工作原理 下游常水位闸门主要由面板、臂杆、配重箱、轴承以及浮箱、浮箱套等部位 第二章闸门控制系统的结构和功能 组成。面板和浮箱的前后侧板均做成圆弧形，其圆心都和转动轴轴心重合。浮箱 底部的切线方向也通过轴心，门轴高程设置在下游设计水位上。( 如图2 2 所示) 卜商诛t 证 图2 2 下游常水位闸门控制原理示图 从图2 可以看出，要使闸门处于稳定平衡状态，作用在闸门上的开门力矩 ( e ) 应等于关门力矩( c ，) ， 即：c v = c ， ( 1 ) 开门力矩c 。= p d s i n 。 ( 2 ) 式中：p 为包括配重的闸门重量：d 为重心和转轴中心的距离：口为浮箱的底部和 水面所形成的角度。 关门力矩c ，= w 要伍3 一，3 ) s i n 4 ( 3 ) 式中：w 为水的单位重量：e 为浮箱的宽度：r 为浮箱的外径：r 为浮箱的内径。将 ( 2 ) 、( 3 ) 式代入( 1 ) 式， 玑w ；( r 3 _ r 3 ) = p d ( 4 ) 由此可见，闸门的平衡与角值无关，即当闸后水位为设计水位时，只要在进 行闸门设计和安装调整时，适当调整配重，使闸门重量和重心位置满足式( 1 ) 或 式( 4 ) 的要求，则在该下游水位条件下，闸门开启到任何位置，也均能保持平衡。 当下游水位降落时，闸门失去平衡，开度加大，下泄流量增加，下游水位回复到 河海大学硕士学位论文 与转轴中心相同时，闸门才停止转动：当下游水位超过转轴中心时，闸门转动开 度减小，至水位回落到转轴中心相同时，闸门停止转动。这样，能经常保待下游 为常水位。 2 1 4 以单片机集成电路为主控单元的电脑闸门控制 不。 这套装置在硬件和软件设计时采用了积木式结构，结构框图如下图2 3 所 现场 中控室 图2 3 电脑闸门控制结构框图 而所有参数预置和闸门启闭操作均由三个按键通过人机对话来完成。具有较强的 通用性，并能适合一般水平的管理人员使用。 ( i ) 结构与功能 该装置采用m cs 一48 单片机最小系统与带r 删和定时器的( i o 扩展器8 1 1 5 组成的主机板为核心，配上输入板、输出板、显示板、固态继电器板、电源板、 手动开关和操作按钮构成整个系统。由于是积木式插板结构，因此对于用户不同 的功能和技术要求，只要增加或减少插板，再配上特定的面板，编制一些特殊功 能子程序，即可构成一台符合用户要求的装置。此外，采用这种结构还有一个好 第二章闸门控制系统的结构和功能 处，就是检修方便。由于一般的水闸操作人员技术水平不很高，而且水闸所处的 地方较偏僻，因此，只要备上一定的备板，在发生故降时换上备板，先保证设备 正常运行，再通知有关人员维修。 该装置能直接显示每个闸门的实时开度和水位，具有超水位和拦污栅堵塞的 报警信号和讯息显示，使得管理人员在中央控制室就能直接监视到监控现场的实 时状况。在控制上，可实现根据人机对话输入的开度进行自动启闭闸门和根据水 位变化或流量变化来自动调节闸门的开度，以及按特定的控制规律自动对多扇闸 门进行分组启闭的功能。而且还可以手动操作，保证在极端情况下该装置也能对 闸门进行有效的操作。 ( i i ) 电脑闸门控制装置的工作过程 开机自捡正确后，巡回检测各闸门的实时开度和水位，如发现闸门的开度、 水位超限或拦栅前后水位超差则发报警并显示相应的提示符。闸门启闭的控制规 律依客户的要求而定。如要求根据水位高低来决定闸门的开度，则开机自检正确 后即根据程序预定的规律自动控制闸门的启闭，此时显示器显出闸门的实时开度 如要求根据管理人员的指令来启闭闸门，则可利用面板上的三个按键通过人机对 话的方式，先输入每个需要启闭的闸门的最终开度，选择闸门启闭功能，按一下 起动按钮，即可自动完成所有闸门的启闭操作。在闸门启闭过程中，如检测到某 个闸门的启闭速度异常，则显示闸门故障符。同时启动多个闸门，则自动按闸门 顺序错开几百个毫秒的起动时间，避免了多个电机同时起动引起电网电压波动的 问题。 2 1 5p l c 闸门控制方式 改造的继电器逻辑控制方式，机组自动启动并切换到工作状态，以完成闸 门操作。但若把一个或几个类似的部件加进继电器逻辑电路中，则设备将因继电 器数量多而变得复杂，同时控制系统的整体可靠性将有所下降。此外，对闸门按 顺序动作这样的简单控制形式，常常优先考虑机电控制系统，因为它能长期可靠 地运行，而且查找故障用不着高技巧。但机电控制系统一旦安装，相对来说就固 定不变了。 8 河海大学硕士学位论文 有些按顺序动作的闸门在提升或下降过程后紧接着停顿一段时间，或者闸门 的开度由预定的水库水位决定，这就是大家熟知的级联控制。对于这样的控制系 统，应该可以修改启闭时间和间歇周期，预定水位也可通过重新设置或调整水位 传感器而改变。这种情况原有的机电控制无法解决，就可引进p l c 控制来解决这 一问题。 p l c 是一种基于工业电气控制特点而设计的自动化控制产品，以其功能强、 接口方便、编程简单、模块化结构、体积小，特别是其自身的高可靠性和适应工 业恶劣环境的能力，在自动控制领域中得到广泛应用。以p l c 作为其控制主体的 机电一体化设备，已成为机电控制的一个发展趋势。 ( i ) p l c 运行方式 p l c 逻辑控制一般位于现地控制级，可按控制曲线操作，也可将经验控制 曲线编程预先输入p l c ，存入相应的模块中。闸门控制系统就可按照某控制曲 线运行，p l c 控制系统能在运行经验的基础上对程序加以修正，这样设计就可做 到将以往事件的信息存贮起来，并相应地修正未来的运行。 ( i i ) p l c 控制在闸门升降中的功能 p l c 在自动控制系统中应具有的功能是根据闸门运动时对电气控制的要求及 电动机操作要达到的自动化程度来确定的，根据闸门运行方式和电动机的控制程 度。p l c 在自动控制系统中应完成以下任务：采集外部各设备的状态信号及模拟 信号，如油泵、阀门位置、上下游水位等信号：根据优化原理，控制阀门和油泵 的启停；若外界出现故障，p l c 接通报警装置等。 同时，p l c 是现场监控单元的主要部件，现场监控单元经光电隔离输入、模 件采集现场传感信号、现场执行机构的各种状态信号及现场的操作盘闸门控制信 号。控制部件根据上位机传送过来的控制信号及闸门位置检测的信号，经控制逻 辑处理，发出闸门的启闭信号并送到执行机构执行，控制回路具有多级连锁保护。 现场输入信号有上、下限位信号，输出信号有卷扬机启闭信号。上位机采集现场 各种信息，发出闸门启闭指令，传送到现场单元，监控件发出控制信号，达到 闸门控制之目的。为保证系统运行的可靠性，要求有完善的保护措施。如闸门上、 第二章闸门控制系统的结构和功能 下限位的行程开关连锁在控制回路中，以防越限，同时监控程序对闸门的卡滞、 拒动均有判别和保护措施，适合电源波动较大的场合。 国际大坝委员会第4 9 号公报中列出了一些与大坝泻洪观察、测试及操作有 关的实用信息，这些信息主要与大坝的管理有关，类似的与控制系统有关的调查 研究是十分有益的。由于p l c 操作、无人看管的泄水设备现在正普遍地使用，而 且在发达国家的新设备中可能占主导地位，对一系列拦河闸进行中央控制已有一 些实例。另外，水文气象模型虽与p l c 似乎无直接联系，但可用在供水演算中， 多用途综合水资源系统控制曲线也得到了普遍使用。 2 1 6 双闭环p l c 控制方式 英国的l e w i n 设计的p i d + p l c 双闭环水工闸门控制就是为满足复杂且有时 相矛盾的多种要求的场合而设计的。设计的控制框如图2 4 所示。 图2 4p l c 双闭环水工闸门控制框图 闸门位置由编码器指示，对于弧形闸门，编码器由闸门铰轴驱动。信号被 输入到比较器和位置传感器转换成表示闸门开度的输入信号，输出信号输入到 p i d 调节器及闸门开度显示仪，后者的信号再通过遥测装置传送到远处的检测中 心。 1 0 河海大学硕士学位论文 ( i ) 应用背景 对于由许多闸门共同组成的泄水设旌，p l c 控制系统可以作为每扇闸门的 个控制环，也可以只用一个控制器。这样，用来寄存闸门运动信息的编码器的输 出，经过平均处理后再输入比较器。 如果每扇闸门都有一个控制环，那么系统运行时将为任何不能工作的闸门进 行补偿，或对编码器的故障进行补偿。如果所有闸门共用单个控制环，系统的瞬 态表现将有所不同，但水位最终会控制在要求的高程。 如果控制程序设计成能识别哪个闸门已不能使用、哪个编码器或闸门位置传 感器已出故障，并相应地修正工作闸门启闭指令信号，那么也可使单环系统按与 多环系统相似的方式运行。多环控制系统尽管贵些，但更可靠。 ( i i ) 双闭环工作原理 p l c 可按不同的算法进行比例、积分和微分控制。比例控制是量上的调整， 其输出与误差信号成比例。在水位控制中，闸门开度将与误差信号即实际水位和 设定水位的差值成比例，因此，只有在误差也就是偏差保持不变时，新的开度才 能保持。 积分运算能感知尚存在的偏差并使闸门继续向同一方向运动，直到偏差减 小，微分运算能检测偏差的变化率并使系统反应更快。因此，比例加积分控制可 调整量值和误差持续期，而比例加积分加微分控制可调整量值、误差持续期和误 差变率。p i d 调节环的功能如图2 5 所示。 在水位控制中，微分算法应d , n 不致使系统不稳定。用来确定比例和积分函 数的算法取决于水库或河段的特性。 上游水位和闸门位置是必须输入到控制器中的数据。在某些溢洪道和河川泄 水闸中，需要知道并记录流经泄水闸的流量，在这种情况下，必须把闸门位置与 闸门开度联系起来，并把闸门流量方程编程输入p l c 。为避免下游的淹没出流， 下游水位也须记录并输入控制器。在水库管理中，如果设备配有打印机，可通过 控制器编程打印出特殊阶段的全部流量数据。 第二章闸门控制系统的结构和功能 设定点 闸门开启 图2 - - 5p i d 调节的功能示意图 2 2 闸门控制功能简析 以上的几种闸门控制模式下，在原理上都有各自的优点与特点，同时也存 在不足：如继电器一一接触器控制系统，只能完成简单的升降动作，操作过程中 的实时性差，有时不能准确定位，容易导致升降的错误操作；后浮箱水力控制自 动闸门应用范围比较狭窄；拦河闸微机自动控制中，要求备用控制系统牢靠布线， 并用继电器控制，但通常还是采用手动控制方法达到满意的效果。 总的来说，以上各操作模式大多偏重于对闸门简单的升降动作的控制研究， 而在闸门的准确定位上研究较少。 剖析控制性能较好的p l c 控制，闸门开度完全取决于预先编程输入的控制曲 线，这就是p l c 的控制平台。经过改造的双闭环p l c 控制系统能在运行经验的基 础上对原控制程序加以修正，将以往信息存贮起来，并相应地修正未来的运行， 其实质就是相当于修正预先编入的控制曲线。 这种运行方式首先必须识别曲线中参量的对应关系，控制量的给定都是以间 接方式得到。由于人为或计算机识别时有可能产生失误或误差，用户管理起来没 有一种便捷和准确的感觉。 在另一方面，由于水文特性随气候条件变化不定，上、下游水位时刻都在改 个、fl 河海大学硕士学位论文 变，对触摸屏式的p l c 控制来说就意味着预先必须输入各种条件下的水位一开 度变化曲线，其类型包括： 当上游水位高于下游水位而又连续变化时，要想得到确定的下游水位， 闸门开度也是随着上游水位不断调整的，即对于确定的所要输出的下游水位，在 控制平台上，必须预先有相应的( 上游水位一闸门开度一下游水位) 变化曲线。 由于下游水文特性变化不定，因此对于给定的上游水位，为调整过闸流 量不超过某一限定值，闸门开度也必须随时调整，即对于确定的上游水位，在控 制平台上，必须预先有相应的( 上游水位一闸门开度一过闸流量) 曲线。 实际的上、下游水位基本时刻都在改变，要想时刻控制下游水位或过闸 流量固定于某一定值，程序中必须提供任意状况的相关曲线。 以上问题也就意味着在准确控制中，如果仍然沿用p l c 控制技术，意味着必 须在程序中预先输入相当多条水位( 过闸流量) 与闸门开度的关系曲线。这许多 图片式的曲线将会占用存储器的许多空间。 最后，现存的模式多用类似光电编码器等的仪器作为闸位计，度量粗糙，误 差较大。 针对以上问题，所以论文研究力求建立一套操作方便、控制准确、精度高的 闸门开度控制系统。 2 3 数字式闸门控制系统 数字式闸门控制系统引用数字化的操作模式，所有涉及参数均为离散型的数 据。在闸门操作的管理级，制作一套决策支持系统作为现场操作的支撑平台；在 现场操作级，设计由直接数字控制器进行控制的执行系统。系统组成如图2 6 所示。 用户对现场操作的管理直接采用数字式的交互方式。根据闸门的每次动作需 求，只要输入当前的上游水位、下游水位、流量、当前的闸门开度、经过控制必 需达到的下游水位或流量等，决策支持系统就会通过界面直接给出闸门需动作的 开度大小。最后计算机把控制器参数传给控制系统，即现场操作级，闸门就可实 现定位操作。 第二章闸门控制系统的结构和功能 图2 6 数字式闸门控制结构示意 因此，数字式闸门控制系统实现准确控制的前提是拥有一套完善的实时数据 库系统：从更高的层次、完整一些来说，应该是一套决策支持系统。 数字式的闸门控制系统的运行模式是自上而下的顺序，即先有决策支持系 统，后执行d d c 控制。但在决策支持系统开发过程中，应该是自下而上的流程， 即必须首先根据决策支持系统的组成，从d d c 控制线中录入相关的动态数据、知 识和模型；然后赋以管理程序，才能成为实用的系统。 2 4 小结 本章先研究了现存闸门控制的几种模式，在此基础上找到了论文研究的着 眼点。从方便用户操作的角度提出了数字化的控制模式，介绍了系统的结构组成， 提出控制功能实现的软件平台是决策支持系统。 1 4 河海大学硕士学位论文 第三章闸门控制的决策支持系统 人类在日常生活中，对于重大问题的决定都离不开决策支持系统，这个决策 支持系统就是人的大脑。在控制系统领域同样如此，随着计算机技术的飞速发展， 水工闸门的智能控制也需要一个功能完备、类似大脑的决策支持系统，确保更快， 更准的完成控制任务。 3 i 目标分析 闸门的设置主要是用于控制下游的水位，有些河段考虑到对下游河床的冲 刷，也要考虑下游流量。弧形闸门还要考虑闸门振动因素，这就要准确控制闸门 的开度，做到实时控制。 闸门开度决定于控制前上、下游水位及下游的水位及过闸流量，由于水文、 气象特性变化不定，为了满足用户的要求，闸门开度的数值也要随之调整，这给 控制带来了相当大的难度，因此必须要有一个供参考的全面的开度数据库。这个 数据库来源于控制系统在现场调试中所测到的实时数据，其中包括各种情况下的 开度值与水位或过闸流量的相互关系。 多年的水文、气象等资料可用于上游来水量的预测，这些宝贵的数据资料必 须长期保留，有必要建立数据库保存这些数据。 水头的脉冲频率决定于水位、开度、水文特性等诸多因素，在闸门局部开启 时看似平稳的水流其实是时刻在变化的紊流，它对闸门的作用在时间和空间上都 是随机的，所以闸门运行时不可能保持静止的，水力特性和结构特性的不良组合， 势必引起闸门较强烈的振动，导致闸门构件的疲劳，甚至导致闸门动力失稳，在 闸门开度控制中应尽量避开引起闸门强烈振动的开度范围。 闸门控制系统在确定开度大小后，闸门启闭必须准确到位，需要对执行机构 做到准确控制，这就必须优化控制器参数，提高控制精度，所以系统中必须具备 用于存放各个待优化参数的数据库，同时把已优化的各水位点的控制器参数存进 数据库。 监控机构时刻都在监视执行机构的运行，随时都有操作或安全方面的信息提 第三章闸门控制的决荒支持系统 示，系统必须有相关的数据库存储这些数据。 只有在这些数据库所组成的数据库系统的支撑下，闸门才能完成以下操作： ( i ) 闸门的升降定位 闸门的正常静水启门和关闭闸门； 根据上、下游水位及所要确定的下游水位或过闸流量确定闸门开度； 根据开度数值，准确升降闸门： ( i i ) 闸门运行参数及状态信号的采集和处理 水位及流量数据的采集和处理：包括进水口工作闸门闸前水位，尾水闸门 闸前、闸后水位，拦污栅前水位数据的采集和处理。 闸门位移数据的采集和处理：包括闸门位移量，闸门的运动状态是上升还 是下降，闸门是否越限，是否没有到位等。 启门电机运行状态数据的采集和处理：包括对定子电流、电压的测量，对 定子线圈温度的测量。 ( i i i ) 闸门控制系统的计算判断功能 闸门控制系统应对采集来的数据进行计算，并将结果与设定值进行比较， 从而判断闸门是否准确到位或出现故障及事故，做出相应处理。 ( i v ) 闸门控制系统的保护功能 当闸门出现以下情况时，控制系统应发出报警信号，并且做出紧急处理。 卡滞。当提门工作时，发生闸门意外卡滞情况，表现为闸门上升速度变缓或 停止。闸门控制系统应关闭主回路电源，抱闸刹车，停止执行上升命令，并向 监控系统发出卡滞报警信号。 飞车。当落门工作时闸门因意外情况失去控制，自由落体向下落，成为飞车， 表现为闸门口的水位传感器读数不断变化，闸门控制系统应立即断开主回路空 气开关，并向监控系统发出飞车报警信号。 粘连。当提门、落门结束时，接触器的主触点因电弧烧坏粘连，无法断开电 机主回路电源，表现在停止命令发出后，接触器的上升或下降信号仍然存在， 闸门控制系统应立即拉开主回路空气开关，并向监控系统发出粘连报警信号。 下滑。当闸门静止在某一闸位上时，闸门控制系统应不间断监视闸门位置。 如果发现闸门下滑，系统应自动将闸门提升到正常位置并报警。 河海大学硕士学位论文 动力柜失电。当动力柜有电时，会有一开关信号给监控系统。当动力柜失电 时，会自动改变此状态信号，发出动力柜失电报警信号。 启门电机异常信号。当启门电机出现欠压、过流、超载和定子线圈过热时， 向监控系统发送相应的报警信号。 阻塞信号。当拦污栅前、栅后水位差达到设定值，说明拦污栅阻塞。闸门控 制系统将指挥拦污栅清理机械进行清理，同时还会向监控系统发送相应的信号。 ( v ) 人机联系功能 人机联系功能包括信息显示功能、报表打印功能以及信息输入功能。人机界 面包括主控界面、全局状态界面、闸门控制界面、系统结构界面、统计打印界面、 在线帮助界面。操作人员通过这些界面来获取闸门的工作状态信息，并通过这些 界面，采用键盘或鼠标输入的方式实现对各个闸门的控制。报表打印功能可直观 的反映闸门工作状态记录，它能根据时间、闸门号选择各扇闸门状态报表、报警 报表、闸门开度报表。 基于以上的功能要求，闸门控制需要有相应的决策支持系统辅助闸门的正常 操作。 3 2 决策支持系统的组成 对照以上所要完成的功能，闸门控制的决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m ，d s s ) 选用较为常见的由四库组成的决策支持系统，这四库分别为数据 库、模型库、知识库和方法库。这四库与人机交互系统的有机结合使以往的管理 信息系统上升到d s s 的新台阶上，使原来不能用计算机解决的问题逐步变成能用 计算机解决，从而达到更高层次的辅助决策能力。 四库系统的d s s 结构如图3 1 所示。其中用户是指闸控室操作人员，人机 交互系统就是操作界面，数据库存放所有的数据，模型库存放开度值的取值模型 及控制器参数模型。 3 2 1 人机对话子系统 人机对话子系统是用户和计算机的接口，起着在使用者、模型库、数据库和 方法库之间传递命令和数据的作用。用户是通过这一界面来认识和使用该系统 第三章闸门控制的决策支持系统 的，因此在用户眼中，人机对话子系统就是系统。人机界面担负着为决策支持系 统和用户之间提供所有的交互作用的通信的任务。因此，人机界面子系统所提供 的交互对话能力是提高用户对决策支持系统的信心，完成d s s 决策支持功能的必 要保证。它的设计成功与否将决定系统运行效率的高低及系统的使用。 图3 1 “四库系统”的d s s 结构 人机对话子系统的主要功能有： ( 1 ) 画面简洁，操作简单，界面友好。 ( 2 ) 输入数据尽可能少，检验用户输入的正确性与一致性。 ( 3 ) 按照用户输入的命令调用和运行系统，并让用户有干预系统的机会。 ( 4 ) 为用户提供输出结果、方案、说明、评价及建议，支持决策任务的完成 河海大学硕士学位论文 输出信息要求方便全面。 ( 5 ) 通过显示帮助或提示信息，使用户了解系统，为用户提供纠正错误和自我 学习如何使用系统。 ( 6 ) 对偶发的事故能发出警告或进行必要的处理。 闸门控制中的人机对话界面必须首先提供目前的上、下游水位、闸门开度、 过闸流量，其次是显示目前的闸门运行安全情况。用户根据控制要求只要输入需 控制的上、下游水位或过闸流量，界面立即显示所需启闭的闸门开度及相应的控 制器参数，并传给控制器。当操作完毕后，系统反馈开度调整后的下游水位及流 量，同时反映运行情况有无事故发生。 3 2 2 数据库子系统 数据库是d s s 的最基本的部件。其主要功能是对其它各个子系统提供数据信 息支持，这种支持包括数据输入和数据查询。d s s 数据库还从广泛的外部环境和 内部机构中收集数据。数据成分可以包括与管理决策有关的任何环节方面的数 据，如过程控制量、被控量、系统输入输出量、监控信息等数据。 通常数据库子系统包括数据库和数据库管理系统两部分。数据库通常被定义 为计算机存储的数据集合，而数据库管理系统往往被定义成是用于建立、维护、 存取、更新以及保护一个或多个数据库的程序集合。 d s s 对数据库子系统的要求； ( 1 ) 应有从外部数据库存取数据的能力，因为d s s 所面临的是半结构化决策或 非结构化决策，这些决策所需的信息可能来自多种渠道。 ( 2 ) 数据库不仅能够存储一般数据，同时要求能够存储中间结果保存工作空间 以及存储有关操作步骤等信息。 ( 3 ) 具有比一般数据库系统更强的随机存取性能，因为决策者在研究某一些数 据时，可能会临时要求存取事前并不准备存取的数据。 闸门控制系统中涉及的数据量大，数据种类多。系统涉及的数据信息主要包 括：各时段的上、下游水位，各闸门的过闸流量、开度值，闸门振动信息，水库 的总下泄流量，需控制的下泄流量，各闸门需开启的开度值，结合闸门振动情况 之后对闸门开度的优化结果等。系统把数据库设计分为基本数据、中间数据、结 第三章闸门控制的决策支持系统 果数据三部分。基本数据包括有关闸门开度、过闸流量、水位、工程数据等基本 数据。中间数据是指系统各子系统用到的一些参数和中间结果数据等。结果数据 是指应用子系统使用前两类数据进行分析后获得的，可供决策支持使用的最终数 据。 数据库管理任务包括：数据录a - 通过人工输入或数据文件引入，将外部数 据存入数据库；数据维护一对数据库数据进行编辑、修改与删除等常用操作：数 据导出一可将库中的数据导出，并以文本文件等多种形式保存；数据整编一根据 资料整编规范，对工程基础数据、优化结果数据进行时段、日、月、旬、年的整 理。 同时，数据库子系统还对系统内所有信息实行同一管理。数据库子系统除了 直接支持决策过程的数据需求外，还对构成d s s 的其它子系统提供支持。例如， 数据库可用于存储建模部分所需用的参数：可用于存储网络的或规划的模型或知 识；可用于各对话部分的数据共享；可用于存储输出格式等等。 3 2 3 模型库系统 决策支持系统以模型库为基础的。决策模型和数据一样是d s s 中最重要的信 息资源。模型库是d s s 系统中的核心部分，用来存储模型的代码。 模型是人们对系统的属性及其运行状态的主观描述，是系统本质属性用某种 数学或非属性表示的形式，是客观现实的抽象。数学模型是用数学符号和数学公 式来表达系统的属性。构筑、形成、发展模型的过程，称为建模，也就是将一个 实际问题抽象为定量或定性的表达形式，建立概念化模型。 模型子系统又可称为模型管理子系统。它包括模型库和模型库管理系统两部 分。模型库是基本的或常用的决策模型的集合。模型库则包含了专业领域的理论 知识和专家的经验，如：优化计算模型、径流预报模型等。在逻辑上，模型库是 各种模型的集合：在软件实现上，模型库是由许多程序模块组成的。模型在计算 机中的存储和表示有三种方法：子程序，建模语句集和作为数据存贮的模型。通 常模型在计算机中是作为子程序存贮的。 模型库管理系统是对模型库进行管理的软件系统，其主要功能为： ( 1 ) 模型建立：建立或生成模型、存放模型、组装模型。 河海丈学颁十学位论文 ( 3 ) 模型维护：模型增加、删除、更新。 ( 4 ) 操作功能：应有各种模型操作使用方式，以获得所需要的决策支持。 闸门控制系统需要完成的任务有： 1 已知水库的上游水位、下游水位，要求闸门准确启闭，使上游水位、下游水位 保持在给定值。 2 在规定的时间内，要求闸门准确动作，控制各闸门的过闸流量，使水库的总下 泄流量过程按照规定的预泄流量曲线进行。 3 闸门运行过程中，系统动态跟踪。实时决策，尽量避免或消除闸