灌区测控一体化闸门系统设计与试验

【目的】实现灌区明渠输配水的智能化控制。【方法】采用传感测量、电气控制、机械设计制造和无线通信等技术,研发了一种基于PLC和物联网的灌区测控一体化闸门系统,该系统主要包括两大部分:现地闸门终端和物联网远程监控系统。本研究运用矩形渠道平板闸门的过流量检测方法,然后融合信息采集、自动控制等技术,使该闸门系统具备渠道水位、闸门开度、过闸流量等参数的计量功能;采用对称双齿轮齿条作为平板闸门升降的传动机构,提升了闸门启闭运行的稳定性、安全性和效率;研制了基于PLC的现地闸门终端控制装置,具有闸门终端远程通信和自动控制的功能;开发了远程监控平台软件,包含手机端和电脑端,实现了对闸门的远程监控与工情数据管理。【结果】闸门终端工作性能稳定,系统具有计量精度高、稳定性强、操作和维护方便的特点,闸门开度控制的最大误差为1mm,网络丢包率接近于零,自由出流的测流误差小于4.6%,淹没出流的小于8.3%。【结论】因此,该系统适用于灌区中小型渠道输配水过程的精准控制。     

宽顶堰平板压差式量水闸过流规律

灌区水量的测量问题正日益受到关注。对于平原灌区，研究利用以淹没出流为主的工作闸门进行渠道量水具有现实意义。基于孔板式流量计的测流原理，提出一种平板压差式量水闸门。选择不同闸门开度e与闸门上游水深H组合，通过室内试验研究分析了闸孔淹没出流的相关测流规律，得出实用的流量系数经验公式。结果表明，该型闸门结构简单，取压方便，量水精度较高，集水位流量调控与测量为一体，适合应用于平原灌区。     

全渠道一体化测控闸门在昌马南干渠灌区的应用

为了提高农业灌溉水利用率,实现灌区全渠道测控一体化闸门的联动与作物精量灌溉,疏勒河昌马南干渠灌区于2012年陆续引进澳大利亚潞碧垦公司全渠道测控一体化控制系统63套,该系统利用反馈与前馈联合控制技术,集流量测量与上下游水位、闸门为一体精确控制渠道内输水效率,使水位波动降至最低,确保所有农田灌溉供水的稳定。     

明渠非标准断面法测流水位流量关系的率定及影响因素分析

为探究明渠非标准断面法测流的水位流量关系曲线的率定问题,以新疆第三师某团场25处渠道量水断面为研究对象,利用FlowTracker 2手持式声学多普勒流速仪进行了水位流量关系率定工作.根据实测结果,率定了各渠道量水断面的水位流量关系曲线,并对所率定出的曲线进行了符号检验、适线检验和偏离数值检验及误差分析,在此基础上,对流量拟合参数的影响因素进行了分析.结果表明：所率定的25处渠道量水断面中,14处具有稳定的水位流量关系,5处受回水影响、6处受渠道淤积影响为不稳定的水位流量关系;在渠道粗糙系数Ra、边坡系数m及坡降i相同的条件下,流量拟合参数与渠道底宽b总体上呈正相关;在渠道粗糙系数Ra、边坡系数m及底宽b相同的条件下,流量拟合参数与渠道坡降i总体上呈负相关.研究结果可以为灌区自动化量水设备测流准确性的校核提供参考依据.     

黄河下游位山灌区西输沙渠配套改造参数优化研究

研究位山引黄闸改建后位山灌区西输沙渠配套改造参数,有利于提高渠道输配水能力,保障灌区用水。利用HEC-RAS软件对不同改造方案的西输沙渠开展水力要素分析,采用不冲不淤流速和水流挟沙能力经验公式分析西输沙渠配套改造后的冲淤平衡状态,研究对比不同改造方案的水位流量关系和渠道冲淤状态,分析提出位山引黄闸改建后闸后干渠（西输沙渠）配套改造设计参数如下：将原梯形断面按复式断面进行改造设计,渠底下挖1.5 m,浅滩设计宽度3 m,渠道比降按原比降1/6 000改造,工程其他设计参数不变。优化后的改造参数已在位山灌区西输沙渠上得到应用。     

测控一体化闸门在灌区的研究与应用

为了有效管理并控制灌溉用水量,中华人民共和国从第"十三五"开始,制定了一系列政策和措施对灌溉用水从水源地开始直至末级受水单元建立精准量水体系及监管措施。研发一款集水位流量数据采集、闸门远程自动化控制、太阳能驱动、无线通讯等功能齐全的智能测控一体化闸门装置,并在灌区量测水项目中进行了实地应用。结果表明,测控一体化闸门监控系统通过平台进行远程自动灌溉控制和调节,用自学习的PID控制机制实现动态调水,提高了输配水的控制精度和时效,解决了渠道末端控制问题。既能提高工作效率,降低工作强度,又能为节约灌溉用水,优化配水调度提供强有力的信息支撑。     

明渠平板闸门过闸流量特性研究

为研究中小型矩形渠道平板闸门自由出流状态下的流量特性,利用渠道水力学测试平台,对渠道平板闸门过水性能进行试验研究.通过测试闸门开度、上游水位、流量,利用Garbrecht公式、杜屿公式、武汉水利学院公式对过闸流量进行计算,并与实测流量等数据进行对比,结果发现三者偏差均较大.为进一步提高过闸流量计算精度,采用最小二乘法原理对实测流量系数μ0与闸门相对开度e/H0进行二次多项式拟合,获得了新的流量系数计算公式;比较分析该公式的计算结果与Garbrecht公式、杜屿公式、武汉水利学院公式,发现该公式的相对误差最大值、平均相对误差都减少了16.49％、17.23％以上,变差系数也位于一个较小值,且在标准的允许范围内.研究结果表明,对该类型的平板闸门,本文拟合的二次多项式公式精度更高,适用性更好,能够满足灌区量测精度要求.     

水位-流量关系曲线在山区无量水设施渠道水量测量中的运用

贵州省灌区渠道兴建较早,渠系量水设施不配套,导致农业灌溉用水量长期以来不能准确测定。因此,探索简单易操作的农业灌溉用水量测定方法,对制定合理的水量分配制度具有重要意义。通过选取贵州省黔西县民乐灌区总干渠作为试点,采用流速仪测定该干渠不同水位下的流量,绘制水位流量关系曲线,并归纳该渠道水位流量关系经验公式,为落后山区无量水设施灌区的农业灌溉用水量探索一种简单实用的测定方法。     

遗传算法和粒子群算法求解渠系多目标优化模型

目前高原灌区灌溉用水管理相对落后,渠系渗漏损失较大、渠道闸门运行调度不合理等问题十分突出。因此,开展渠系工作制度优化的研究,对缓解灌区用水供需矛盾有着重要意义。考虑不同时刻各配水渠道流量标准差最小和各配水渠道平均日渗漏损失最小两个目标函数,以配水连续性和灌溉可供水量作为约束条件,建立渠系工作制度多目标优化模型。以云南省蜻蛉河灌区为例,采用遗传算法和粒子群算法进行优化求解。结果表明,遗传算法和粒子群算法都可以解决渠系工作制度优化问题,对各渠道闸门开关时间进行优化,能够满足灌区需求,从而减少渠系渗漏损失,达到节约灌溉用水量的目的。两种算法相比,粒子群算法运算速度更快,优化闸门运行调度更合理。     

渠道非恒定流过渡时间影响研究

采用特征线法,模拟了不同渠道长度、闸门调控时间、流量变化率及运行方式下渠道水流过渡过程,并分析了其对水流过渡时间的影响。结果表明,渠道运行方式对水流过渡时间影响较小。渠长、调控时间、流量变化率为影响过渡时间的敏感因素。渠道越长,闸门调控时间越长,流量变化率越小,水流过渡时间就越短,水位流量波动越小,水流过渡越平缓。     

测控一体化闸门及其调控技术研究分析

渠道输配水过程的精准计量与调控是实现灌区用水总量和定额管理的基础.测控一体化闸门是集流量测量和控制功能于一体的装置,与其相配套的调控技术是实现渠道安全输水、合理配水和精准用水的关键.从闸门水力性能、过闸流量估算、闸群联合调控技术等方面对测控一体化闸门及其调控技术的研究现状进行了总结分析,基于已有研究中存在的技术难点,结...     

末级渠道量控水装置水力性能试验

为了适应灌区末级渠道量水需要,设计了一种使用便捷、量水精度较高、农民易接受的量控水新装置。以U型渠道为闸墩,通过调节布置在渠道内的平板闸门来实现量水与控水一体化,并对5种开度下闸前、闸后水位与对应的流量进行了组合试验。试验结果表明:水位和流量的相关系数均大于0.98,相对误差小于5%,适合末级渠道量控水。     

基于水位流量关系的量水计研制与测试

为克服传统量水设施的不足,促进灌区灌溉水情的实时监测,研制和测试了一种基于水位流量关系的量水计。该量水计由水位传感器、模数转换器、单片机、电源、控制盒组成,其测流方法是:水位传感器实时采集水位数据,通过水位流量关系推算渠道流量,再按时段对水量进行累计得到灌溉水量,可实时读出或存储渠道水位、流量及灌溉水量数据。在高邮灌区的实验表明,该量水计与高精度板闸流量计的量水结果相近,相关系数为0.986,平均相对误差为4.48%,满足渠系量水的精度要求。该量水计具有成本低廉、使用方便、量测精度较高的优点,适合在中小型灌溉渠道推广应用。     

渠系配水优化模型和多目标遗传算法研究

目前国内外渠道优化配水都是在下级渠道配水流量相等这一假定的基础上建立单目标优化模型,这与多数渠系的实际配水要求不符。针对这一问题,建立了下级配水渠道流量不等时的双目标优化配水模型,该模型分别以引水流量和引水时间差异最小为目标函数,并应用改进的遗传算法进行求解,确定了灌区最优轮灌组组合。实例计算结果表明该模型能够有效提高灌溉效率,减少配水渠道闸门调控次数,取得较好的配水效果。     

动态规划渠系优化模型研究

提出了输配水系统优化设计的动态规划渠系优化模型,以土方量最小或总费用最小为目标函数,对二级或二级以上的渠系纵横断面进行优化设计,可得到满足渠道不冲不淤、水位衔接及首末水位约束的最优断面参数。     

基于BP神经网络的渠道无干扰量水方法

灌区量水是节约农业用水、灌区实行按方收费的重要手段。BP神经网络具有很强的非线性映射能力,可描述通过水工建筑的流量与上下游水位之间的函数关系。以渠道进水口上下游水位作为输入向量,以渠道流量作为输出向量,构建了3层神经网络模型。以江苏高邮灌区2012年一条斗渠的水位流量观测数据,应用Matlab神经网络工具箱构建模型,采用trainlm算法进行网络训练与检验。结果表明:模型能较好地反映影响因素与渠道流量之间的关系,计算精度较高,提出的基于BP神经网络的渠道无干扰量水方法简便可行,具有较广的应用前景。     

基于FLUENT的摆杆式明渠测流特性数值模拟

为更好地进行灌区输配水管理,提高灌区量水精度,对摆杆式明渠测流装置在D50型U形渠道中测流特性进行数值模拟研究。基于计算流体力学,通过FLUENT软件,采用VOF方法、Realizable k-ε湍流模型以及动网格技术对3种不同材质测流摆杆测流特性进行数值模拟,并利用后处理软件对模拟结果进行分析,发现模拟渠道水位随着流量的增大而增大,水流最大流速位于水面下方,符合明渠水力学基本原理;采用动网格技术对测流摆杆摆动特性进行模拟是可行的;利用测流公式算得流量与实际流量之间平均相对误差小于3%,可以满足明渠测流精度要求。     

灌区测控一体化闸门系统设计及应用

灌区水资源的合理利用一直是我国发展节水型农业的关键。为了缓解疏勒河灌区用水矛盾,基于原有渠道闸门研制出测控一体化闸门系统。系统由安装于渠道上的自动计量闸门和运行于远方中心站的调水控制系统组成,能够根据目标过闸流量或过闸总水量实现闭环控制,做到按需供水。试验表明,该系统实现了渠系闸门的智能控制和田间用水的合理分配,功能完备、可靠性高、操作和维护便捷,能够有效提高灌区水资源的利用率。     

串联输水明渠PID多指标自适应算法及仿真研究

经典PID控制的控制器参数经整定后一般设为定值,当控制对象参数受环境影响而发生改变时,其控制性能会有所降低。针对大型输水明渠这一特殊的控制系统,为适应受控对象的状态变化,保持较好的控制效果,提出一种可在线调节控制器参数的自适应PID控制算法,并针对多种优化目标进行分析、比选。该算法采用绝对值误差积分IAE与衰减率DAM、超调量OVR作为性能指标参数,通过控制器参数与性能指标的函数关系,提出自适应规则,根据该规则在线调节PID控制器的主要参数Kp、Ki值,使系统动态响应及控制性能进入优化区域。通过对某大型调水工程输水渠道系统干渠串联渠系进行建模仿真,结果表明经过自适应调整,渠系在常规PID算法的基础上系统闸门超调量降低9%～21%、闸门调节次数至少减少1～2次,稳定时间提前15小时以上。可见自适应优化算法对于变化的控制对象,能根据选定的性能指标进行控制器参数的自我优化,不依赖精确的数学模型,尤其针对受控对象部分参数存在缓慢时变的特点有针对性的优化,对于我国广大灌区渠系运行调度以及大型输配水工程的运行管理具有一定的参考价值和应用前景。     

基于水动力学模型的渠道流量控制系统研究

针对渠道流量较大、水流条件复杂的流量测量问题，提出一种水动力学模型的渠道流量计算方法，并以此搭建基于水动力学模型的渠道流量控制系统。首先建立水动力学数学模型，采用两点水位量水法计算渠道流量，即在闸门上、下游选择两个断面，利用水位传感器实时测量断面水位数据，通过上位机求解水流控制方程得到两处断面的流量，取均值作为渠道的流量值，其次结合PLC搭建渠道流量控制系统，根据调度要求控制闸门的启闭，实现渠道流量的精准控制。在加大供水流量、水流条件复杂条件下，流量计算结果与多声道超声波流量计所测数据相比，平均偏差率小于5%。通过试验研究表明：控制系统流量控制误差为0.514%，系统响应时间小于200 ms，平均无故障运行时间大于10 000 h。控制系统的研究为后续渠道流量调度工程建设提供理论依据和案例支撑，具有较强的应用价值。