基于无量纲性能指标的渠系控制器参数优化

为研究性能指标对渠系控制器参数优化的效果,该文基于无量纲性能指标,利用MATLAB程序"渠系控制仿真系统"整定了PI控制器参数,同时进行了仿真对比分析。在梳理渠系控制指标领域现有研究成果的基础上,文章首先以渠池固有参数对现有渠系性能指标进行无量纲化处理及追加,并进一步衡量各水位、流量、时间指标的相关性和代表性建立了含权重的综合指标。在程序"渠系控制仿真系统"平台上,采用实例验证法结合2个设计流量约为170 m3/s、8 m3/s的不同规模渠系进行了分析验证。结果表明:无量纲性能指标能够比较不同渠系的控制优劣,并可确定其优化目标数量级;以综合指标在E-3数量级为控制器优化目标,可同时满足各单一无量纲性能指标的优化要求,较好地均衡系统逐项动态性能;流量指标和闸门开度指标存在高耦合关系,在2个实例中其相关度分别为0.995、0.993;控制器比例系数—流量指标变化曲线存在敏感与否的分区,时间积分常数对水位指标敏感,作用曲线呈"U"型。研究提出的无量纲性能指标及综合指标可比较不同规模渠系控制系统性能,也适用于渠系的控制器参数优化设计,对中国大量的调水工程渠道运行调度及灌区渠网调控具有一定的参考价值。     

长距离控制渠系结冰期的水力响应分析

为了确保长距离控制输水渠系冬季安全输水,需要对其进行冬季输水模拟及实时运行操作控制研究。该文考虑了控制渠系与天然河道输冰的不同,以平封冰盖形成为前提,初步建立了长距离控制渠系在结冰期的渠系响应模型,包括水位、流量、闸门操作、水温过程和冰盖变化过程的模拟仿真。利用南水北调中线工程京石段资料在较简单工况下,对控制渠系在下游常水位的反馈比例积分（PID）控制器作用下进行模拟并分析模拟效果,指出冰盖糙率、控制器参数和控制策略对渠系水力响应的影响很大。研究表明该模型可用于长距离控制渠系结冰期的运行模拟及分析冬季结冰期运行规律,在此基础上可以研究得到更精确更贴近实际的模型。     

南水北调中线工程总干渠冰期输水调控仿真研究

冰情演变数值模拟是解决南水北调中线工程冰期输水安全与效益问题的重要手段。该文建立了南水北调中线工程总干渠冰期输水调控仿真模型,包含明渠非恒定流、浮冰盖下非恒定流、水温、冰花输移、封冻、冰盖增厚、融冰和闸门调节等仿真功能,且推荐京石段水面热交换系数取值18 W/(m~2·℃),冰面热交换系数取值26 W/(m~2·℃)为参数较优取值,参数率定工况下水温平均绝对误差为0.07℃,冰盖厚度平均绝对误差为0.67 cm,封冻时刻误差小于1 d,表明该模型在水温、封冻时刻、冰盖厚度等方面的模拟具有一定的准确度,可为相关研究提供参数取值参考。同时在京石段工程上应用该模型,进一步证实了模型及参数取值在大尺度冰情模拟上具有一定适用度,模型具备模拟冰情演变全过程及对应水力响应和闸门群调控过程的功能,揭示了渠系冰期输水水力响应变化特性,认为PI控制器可实现冰期水力响应控制和维护运行状态稳定作用。     

基于非恒定水流模拟的灌区明渠水力响应特征分析

为了服务于石头河灌区信息化建设,该文以石头河灌区东干渠渠首约10 km渠道为研究对象,采用渠道非恒定流模拟方法以及闸门自动控制理论模拟分析不同边界条件下灌区渠道断面的水流和闸门开度变化特点,通过模拟分析获得研究渠段在不同水流控制情况下断面上水力响应变化特征规律:相同渠首流量变化条件下,距渠首距离越远断面水力响应持续时间越长;渠首流量变化率越大,相同断面上水力响应持续时间越短;当取水口取相同流量时,渠首稳定流量大小与取水口取水对干渠上游渠道断面水流的影响距离呈线性关系;渠首流量稳定在相同流量时,取水口取水流量大小与对干渠上游渠道断面水流的影响距离呈指数关系;在进行渠道流量控制时,取水初期取水口闸门调节比较频繁。由于渠道水流之间的相互影响,多个取水口同时进行取水,渠道任意取水口闸门开度变化,都可能引起其他闸门开度的调整。同时通过与实测资料进行对比验证,所获得的渠道断面水流响应特征规律与实际基本相符,模拟渠道水深值与实测水深值误差在±10 cm之间。该研究可为石头河灌区渠道信息化建设及水资源的优化配置提供科学依据。     

隧洞明满流边界下滇中引水工程闸门过流特性

传统的水闸流量关系是在上游明流条件下试验得到的，但关于上游明流向有压流过渡的非恒定流状态时，流量关系的规律及计算方法缺乏探索，而这一规律对于中国在建的大量长距离输水隧洞出口闸门的调控十分关键。该研究通过三维数值模拟，建立实际的渠隧系统三维流体力学模型，探究明满流上游边界下闸门过流特性，并尝试探索在非恒定流工况下适配的过闸流量计算数学模型。结果表明：1）事故调度闸门突然关闭时，上游隧洞内出现无压-有压过渡流态，最大压力水头约为33 m，该研究提出一种改进的无量纲公式计算流量，即在闸前总水头中考虑上游隧洞内压力水头；2）无量纲公式相较于传统公式平均率定误差降低4个百分点，提出的无压-有压流态流量计算统一率定模型最大相对误差为4.68%，精度较高。该研究所提出的流量计算方法对长距离渠隧系统调度具有参考价值，也可为实际工程的管理提供可靠技术支撑，对于工程的安全稳定运行及灌区的正常输配水具有重要意义。     

串联输水渠系控制解耦算法优化与仿真

串联输水渠系耦合特性表现为针对单一渠池设计的控制器串联使用后控制性能较差。解耦算法可在一定程度上增强渠池的独立控制性能。该研究针对基于比例-积分-微分（Proportional-Integral-Differential,PID）反馈控制的上游方向解耦算法提出优化方案,首先对控制解耦算法中的解耦系数的选取范围进行验证;其次针对相邻渠池长度差异较大的情况,在算法中引入放大系数以提升解耦效果;最后通过对不同取水流量规模、渠道上下游运行流量减半的算例进行仿真分析,验证优化方案的控制性能。结果表明：1）解耦系数的合理取值范围为0.8～1.0;2）放大系数可选用相邻渠池水面面积之比;3）当串联渠系上下游设计过流能力差异较大时,放大系数的修正能显著提升控制效果。该研究提出的优化解耦算法可应用于不同规模复杂渠道系统的解耦控制器设计,对于灌区及引调水工程输水系统的智能化调度有一定参考价值,工程应用时建议结合具体渠道的特点,根据渠道的特性和用途综合考虑系数的取值。     

内镶式滴灌带绕流流道水力性能研究

该文运用水力学公式、数值模拟和快速原型试验研究了绕流流道滴灌带的水力性能，并建立了设计流量与流道结构参数之间的计算模型。数值模拟得到的流场水力结构显示水流的水头损失主要集中在流道的拐角，分支和交汇处。在数值模拟的基础上，利用快速成形技术制造出16种结构形式的绕流流道，并进行压力与流量特性试验。试验结果表明：绕流流道的流态指数为0.5左右，且受流道的截面积和单元数的影响较小；而流量系数则随截面积的增加而增加，随单元数的增加而减小。144组试验数据的回归结果显示：流量随流道的截面积和工作压力的增加而增大，随单元数的增加而减小；其中，截面积影响最大，单元数次之，最后是工作压力。     

基于悬垂平板偏转角的明渠流量估算模型及验证

针对平板量水设施缺乏适用性广泛的流量计算模型,该文从2个角度提出流量估算模型,首先分析绕轴自由旋转薄平板在水中的受力,根据升力简化为竖直方向静水压力设想,提出压力体计算假设,根据动量定理与力矩平衡公式得到了流量、角度、水深三者的理论关系式,通过U型和矩形渠道进行试验,验证假设合理性;根据闸孔出流流量公式针对矩形渠道建立闸孔出流半径验计算模型,拟合得出半径验流量公式。对于第1种模型,对于U型渠道,2种压力体假设均适用于流量计算,除流量小于10 L/s时,相对误差超过10%,其他均小于10%,流量大于17 L/s时误差均在5%左右;对于矩形渠道,仅假设1适用流量计算,假设2不成立,应用假设1计算压力体时,当流量较小(10 L/s左右)时的个别工况误差会偏大,大部分工况下计算误差均小于10%;对于闸孔出流计算模型,计算流量与实测流量之间最大误差不超过18%,大部分工况下计算误差在10%以下。当悬垂薄平板与明渠横断面等大时,来流量与偏转角度存在单值对应关系,角度随着来流量的增大而增大;同一流量下,板前后水深比、板前与下游水深比分别与偏转角度呈现出单独的函数关系,板前后水深比、板前与下游水深比随着平板偏转角度的增大而减小,但减小幅度变缓。对于不同流量,板前后水深比、板前与下游水深比随着角度增大而增大,但增大幅度变缓。研究可为灌区量水设施设计及应用提供新思路。     

泥石流与主河交汇的试验研究

泥石流入汇主河属于复杂的非牛顿流体与牛顿流体汇流问题,由于其机理的复杂性,一直缺少这方面的研究。本文在试验的基础上,分析了泥石流入汇主河后,汇口附近各水力参数的变化规律。探讨了泥石流入汇后下游水位相对壅高与流量比以及交汇角的关系,得出相对壅水高度随流量比及交汇角的增大而增大的结论。分析了交汇口附近淤积量及淤积率与流量及流量比的关系。30°,60°和120°交汇角情况下,淤积量总体趋势是随支流流量及流量比的增大而增大,淤积率随总流量增大而减小,在主支流量相当时出现最大值;90°交汇时,淤积量随支流流量及流量比的增大而减小,淤积率随总流量增大而增大,在主支流量相当时出现最小值。     

黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程的REE示踪研究

利用室内概化的坡沟系统模型,结合REE示踪技术,采用放水冲刷试验,对黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程进行了深入研究。结果表明,坡沟系统的坡面侵蚀速率大于沟坡的侵蚀速率,即坡面侵蚀较沟坡侵蚀剧烈;在本研究设计的流量范围内存在一个临界流量Q=12 L/min,当冲刷流量小于该值时,起始侵蚀率随流量的增大而增大,当冲刷流量大于该值时,起始侵蚀率随冲刷流量的增大而减小;相同流量下,随着冲刷历时的延长,其侵蚀率呈波动变化趋势,陆续达到最大,然后又逐渐减小,而且随着流量的增大,La元素示踪带和Eu元素示踪带侵蚀率达到最大的时间越来越短。     

冰盖输水衬砌渠道冰冻破坏统一力学模型

随着城市供水与生态需水要求的提高,寒冷地区输水渠道冬季运行成为常态,目前冬季运行渠道抗冰冻破坏尚无评价准则与结构设计方法。针对此,基于冬季不输水渠道衬砌结构冻胀破坏的弹性地基梁模型,考虑冰推力、冰约束及渠基土冻胀力对结构的共同作用,在结构破坏的极限平衡状态下,推导得到冬季输水渠道冰盖运行工况下衬砌结构内力计算、应力计算及抗裂准则的解析表达式。通过静冰荷载影响系数、静水压力影响系数和冰冻荷载耦合系数的变化,可统一冬季有无冰盖输水及停水3种典型工况下衬砌结构内力、应力分布计算,进一步提出寒区衬砌渠道冰-冻破坏统一力学模型。以新疆某梯形渠道为研究原型,通过对衬砌坡板内力、应力及冰拔力计算分析,得到冰-冻破坏截面位置和各截面受力的分布规律。对无冰盖输水、带冰盖输水和无冰盖不输水3种典型梯形渠道力学模型进行内力计算对比分析表明,截面最大拉应力极大值分别为4.186、2.447和2.208 MPa,冬季无冰盖输水渠道冰冻破坏最严重(控制工况),无冰盖不输水冰冻破坏最轻,而冰盖运行介于两者中间,三者冰冻破坏规律差异较大。因此,在冬季输水衬砌渠道抗冰-冻设计中建议综合考虑3种典型工况,并按其破坏规律和力学模型进行安全性评价。     

联合收获机单神经元PID导航控制器设计与试验

针对联合收获机在田间直线跟踪作业中在维持高割幅率条件下易产生漏割的问题,设计了一种基于单神经元PID(Proportion Integration Differentiation)的联合收获机导航控制器。以轮式联合收获机为平台,通过对原有液压转向机构进行电控液压改装,搭载相关传感器构建了导航硬件系统。开展了常规PID控制和单神经元PID控制的仿真以及实地对比试验,仿真结果表明单神经元PID控制具有超调小和进入稳态快等特点;路面试验表明,当收获机速度为0.7 m/s时,单神经元PID控制最大跟踪偏差为6.10 cm,平均绝对偏差为1.21 cm;田间试验表明,收获机速度为0.7 m/s时,单神经元PID控制田间收获最大跟踪偏差为8.14 cm,平均绝对偏差为3.20 cm。试验表明所设计的联合收获机导航控制器能够满足自动导航收获作业要求,为收获作业自动导航提供了技术参考。     

基于遗传算法的土壤水分运动参数识别

土壤水分运动参数的识别是研究土壤水分运动的基础。该文以反映土壤含水率实测值和计算值吻合程度的均方差最小为优化目标,以土壤导水率和扩散率经验参数上下限为约束条件,建立了土壤水分运动参数识别的优化计算模型。采用遗传算法和田间均质土壤一维非饱和运动数值计算相结合的方法,获得土壤导水率和扩散率经验参数最优值。经验证计算,土壤含水率实测值和计算值吻合程度较高,表明这一方法是可行的。     

基于实测水位和流量数据的渠道控制模型参数辨识与验证

针对传统渠道控制模型推导求解复杂，难以在实际工程中应用的问题，该研究以渠道积分延迟模型（Integrator Delay model，ID）和积分延迟零模型（Integrator Delay Zero model，IDZ）为研究对象，利用递推最小二乘法对2种渠道控制模型进行了参数辨识和分析。结果表明：参数辨识方法可以简单、有效地获取渠道系统的控制模型；在模型试验中，辨识误差基本分布在（-1,1）cm之间，在南水北调原型工程中，辨识误差基本分布在（-2,2）cm之间；2种辨识模型的均方误差达到了10-5级别，且针对水流变化复杂的大型渠道工程，IDZ模型的辨识精度和稳定性整体高于ID模型。文章的主要结论对于渠道控制建模理论及控制器设计方法具有一定的参考价值，可应用于灌区或调水工程的输配水渠道系统建模。     

土下作物自动对行挖掘收获试验台研制

为了提高土下作物机械化收获质量和效率,解决土下作物收获机械田间试验成本高、效率低、数据采集不便且受天气因素影响大等问题,该研究设计了一种土下作物机械收获自动对行挖掘试验台。该试验台主要由传动装置、速度调节装置、偏离行中心距调节装置、块根固定及株距调节装置、偏离探测装置、液压纠偏执行机构和挖掘模拟装置以及测控系统和液压系统组成。在分析试验台工作原理的基础上,进行了关键部件的结构设计及参数确定,设计了集成角度传感器、位移传感器、速度传感器的机电液一体化测控系统。以甜菜收获为研究对象,以株距、偏离行中心距离和前进速度为试验因素,以漏挖率为指标进行试验台准确性田间对比正交试验。试验结果表明,在不同前进速度、偏离行中心距离、株距等参数组合下,试验台试验漏挖率为2.33%~2.72%,田间试验漏挖率为2.38%~2.92%。与田间试验相比,漏挖率绝对偏差率范围为2.10%~6.85%,平均偏差率为3.67%,且漏挖率越大,偏差率越大,试验台具有较好的准确性。该研究可为甜菜、萝卜、土豆等土下作物的自动对行挖掘收获系统设计提供参考。     

动水关闭的平面事故闸门体型优化试验研究

在已建水利水电工程中,利用自重、配重与水柱压力动水关闭的平面事故闸门,时常会出现无法完全闭门的现象,严重威胁水电站的正常运行及上下游安全。为探究其产生原因并找到有效的解决措施,该文针对进水口平面事故闸门出现的类似问题,采取水力学模型试验的方法,通过门体水柱压力试验以及不同体型闸门的闭门持住力对比,并结合闸门水动力荷载特性进行分析,明确事故闸门在动水中无法完全关闭是由工程摩擦系数(0.209)过大所致;基于伯努利原理,从增加水柱压力的角度出发,采取在平面闸门迎流面底部增设前缘板块,并对其下表面端部进行加厚处理的优化方案,在模型试验中,达到了增大闸门闭门持住力、促进闸门顺利关闭的效果,表明了该方案对解决已建工程平面事故闸门在动水关闭过程中无法下落问题的有效性。