[發(fā)明專利]一種穩(wěn)定長(zhǎng)明渠前端調(diào)節(jié)池水位的自動(dòng)調(diào)控裝置及方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111522124.2
• 申請(qǐng)日: 2021-12-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114415742A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔偉杰;李高會(huì);薛陽(yáng);薛鑫鑫;仇為鑫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司
• 主分類號(hào): G05D9/12
• 分類號(hào): G05D9/12;E02B5/08;E02B9/06
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務(wù)所有限公司 33100
• 代理人: 吉靖;劉曉春

1.一種穩(wěn)定長(zhǎng)明渠前端調(diào)節(jié)池水位的自動(dòng)調(diào)控裝置，其特征在于：所述穩(wěn)定長(zhǎng)明渠前端調(diào)節(jié)池水位的自動(dòng)調(diào)控裝置包括：PI控制器以及分別與PI控制器信號(hào)連接的調(diào)流閥上游壓力傳感器、調(diào)流閥、閥門(mén)開(kāi)度傳感器、調(diào)流閥下游壓力傳感器、第一流量計(jì)、第二流量計(jì)以及閥門(mén)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；

所述調(diào)流閥設(shè)置在上游壓力引水道內(nèi)，所述調(diào)流閥上設(shè)有閥門(mén)開(kāi)度傳感器，所述上游壓力引水道在調(diào)流閥的上游以及下游側(cè)分別設(shè)有調(diào)流閥上游壓力傳感器以及調(diào)流閥下游壓力傳感器；

所述調(diào)流閥上還設(shè)有閥門(mén)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述閥門(mén)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于在PI控制器的控制下調(diào)節(jié)調(diào)流閥開(kāi)度的大小；

所述第一流量計(jì)設(shè)置在上游壓力引水道內(nèi)，所述第二流量計(jì)設(shè)置在長(zhǎng)明渠內(nèi)；

所述長(zhǎng)明渠的上游端具有調(diào)節(jié)池，所述長(zhǎng)明渠的下游端具有壓力前池；

所述PI控制器通過(guò)如下步驟進(jìn)行調(diào)控：

S1、當(dāng)長(zhǎng)明渠下游端實(shí)際供水量發(fā)生變化時(shí)，開(kāi)始調(diào)節(jié)調(diào)流閥開(kāi)度；

S2、利用調(diào)流閥上游壓力傳感器、閥門(mén)開(kāi)度傳感器、調(diào)流閥下游壓力傳感器、第一流量計(jì)以及第二流量計(jì)按照時(shí)間步長(zhǎng)Δt分別對(duì)調(diào)流閥上游壓力H_ui、調(diào)流閥開(kāi)度τ_i、調(diào)流閥下游壓力H_di和明渠流量Q_ci進(jìn)行測(cè)量；

S3、計(jì)算調(diào)節(jié)池的凈入流量，凈入流量為通過(guò)調(diào)流閥的流量Q_i與長(zhǎng)明渠流出流量的差值；

S4、計(jì)算當(dāng)前調(diào)節(jié)池水位與調(diào)節(jié)池控制水位的水位偏差；

S5、PI控制器將水位偏差轉(zhuǎn)換為調(diào)流閥開(kāi)度信號(hào)；

S6、依據(jù)步驟S5的調(diào)流閥開(kāi)度信號(hào)，閥門(mén)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)地將調(diào)流閥調(diào)整到與之所對(duì)應(yīng)的開(kāi)度；

S7、調(diào)流閥到達(dá)指定開(kāi)度后，控制第一流量計(jì)和第二流量計(jì)測(cè)量本次時(shí)間步長(zhǎng)Δt末的通過(guò)調(diào)流閥的流量Q_i+1，將其反饋到PI控制器中，作為下一次調(diào)節(jié)池水位計(jì)算的邊界條件；

S8、返回步驟S2，直至將調(diào)節(jié)池的水位維持在控制水位附近，調(diào)節(jié)池水位維持在控制水位附近的判斷原則為調(diào)節(jié)池水位在控制水位上下波動(dòng)的允許范圍內(nèi)，其允許范圍根據(jù)工程實(shí)際要求指定；

過(guò)閥流量Q_i通過(guò)如下方式得到：

式中：Q_i為過(guò)閥流量；τ_i為調(diào)流閥開(kāi)度；Q₀為上一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)Δt末的過(guò)閥流量，由第一流量計(jì)測(cè)得，初始時(shí)刻的Q₀為調(diào)節(jié)前的恒定流狀態(tài)下過(guò)閥流量；H₀為上一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)Δt末的閥門(mén)前后壓力，由調(diào)流閥上游壓力傳感器以及調(diào)流閥下游壓力傳感器測(cè)得，初始時(shí)刻的H₀為調(diào)節(jié)前的恒定流狀態(tài)下閥門(mén)前后壓差；

當(dāng)前時(shí)刻的調(diào)節(jié)池水位通過(guò)如下方式得到：

式中：L(t)為調(diào)節(jié)池水位時(shí)間函數(shù)；L₀為調(diào)節(jié)池的初始水位；A_s為調(diào)節(jié)池的斷面面積；q(t)為調(diào)節(jié)池的凈入流量時(shí)間函數(shù)，方向以流入調(diào)節(jié)池為正；Q_i為過(guò)閥流量；Q_ci為明渠流量，方向以流入調(diào)節(jié)池為正；

調(diào)節(jié)池水位偏差的可通過(guò)公式ΔL_i＝H_控-L_i進(jìn)行計(jì)算，式中：H_控為調(diào)節(jié)池的控制水位；L_i為當(dāng)前時(shí)刻的調(diào)節(jié)池水位；

PI控制器的控制方程是由對(duì)調(diào)流閥閥門(mén)開(kāi)度τ_i和調(diào)節(jié)池水位偏差ΔL_i的微積分方程式進(jìn)行拉普拉斯變換，以調(diào)節(jié)池水位偏差ΔL_i為系統(tǒng)輸入量，調(diào)流閥閥門(mén)開(kāi)度τ_i+1為系統(tǒng)輸出量，得到下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)Δt內(nèi)的閥門(mén)開(kāi)度τ_i+1，其中PI控制器的代數(shù)方程如下：

y＝G(s)x

式中：s為拉普拉斯算子；x為調(diào)節(jié)池水位差的拉氏函數(shù)；y為調(diào)流閥開(kāi)度的拉氏函數(shù)；G(s)為輸入x與輸出y之間的傳遞函數(shù)；

PI控制器中PI調(diào)節(jié)部分分為比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)對(duì)水位偏差進(jìn)行不斷地積分累加，自動(dòng)地對(duì)調(diào)流閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至水位偏差調(diào)整至零，比例調(diào)節(jié)改善積分環(huán)節(jié)對(duì)于水位調(diào)節(jié)的滯后性，增加PI控制器的速動(dòng)性和穩(wěn)定性，PI調(diào)節(jié)部分與閥門(mén)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成閥門(mén)調(diào)節(jié)器，控制調(diào)流閥開(kāi)度的變化。