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。     

面向灌区调水工程的远程自动计量闸门研究

设计了一种基于远程无线通信技术的灌区动态调水系统,由安装于各级渠道上的自动计量闸门集群和运行于调度中心的远程调水控制系统组成。利用明渠测流理论和传感测量技术,实现了闸门的计量功能;对称双轮双向卷拉驱动机构和中空蜂窝闸板结构设计,提高了闸门启闭运动的可靠性和闸门运行能效;开发了基于ARM的闸门终端控制器,实现了闸门终端的智能控制和无线远程通讯,多种闸门工作模式可满足不同的应用需求;设计了太阳能供电与电源管理系统,解决了闸门野外工作的供电问题;开发了远程动态调水控制的应用软件包,实现了对闸门的远程监控与联动调水。实验表明,闸门终端环境适应性强,性能稳定,动态水位误差小于5 mm,闸门定位误差小于1 mm,自由流的测流误差小于4.6%,淹没流测流误差小于8.3%,可满足各类自动调水工程应用。     

渠道运行控制数学模型及系统特性分析

渠道运行控制数学模型是渠道系统自动控制分析和设计的基础。通过对渠道运行动态水流的分析 ,提出平衡条件的计算方法 ,对渠道过渡过程的控制方程进行离散化 ,线性化 ,建立起渠道运行的状态空间方程。并运用线性控制理论对渠道运行控制系统特性进行分析 ,确定渠道运行控制所需要的最少观测变量和观测位置     

电液位置伺服系统的自适应控制

根据已知参数设计一电液位置伺服系统,针对系统中参数或外界干扰的变化引起系统的误差,对其使用了两种模型参考自适应控制:通过构建目标函数,使被控对象趋近于参考模型的以局部参数为最优的自适应控制,通过Matlab仿真表明,加了自适应控制器的系统响应明显变快,对突加负载和外干扰有自适应能力;采用状态观测器的自适应控制,通过构建状态观测器,并利用Matlab函数求解状态观测器的反馈矩阵,然后根据少量的输入输出变量由状态观测器构造系统的全部变量,用来实现控制作用,使系统对于参数变化或外界干扰具有很强的自适应能力和鲁棒性。     

渠道运行控制数学模型及系统特性分析

渠道运行控制数学模型是渠道系统自动控制分析和设计的基础。通过对渠道运行动态水流的分析，提出平衡条件的计算方法，对渠道过渡过程的控制方程进行离散化，绒性化，建立起渠道运行的状态空间方程，并运用线性控制理论对渠道运行控制系统特性进行分析，确定渠道运行控制所需要的最少观测变量和观测位置。     

基于噪声抑制的电液位置伺服系统自抗扰控制方法

测量噪声对扩张状态观测器带宽的限制是影响电液伺服系统自抗扰位置控制器性能的关键问题。为此,提出了一种基于噪声抑制扩张状态观测器的改进自抗扰控制方法。建立电液伺服系统非线性模型,通过坐标变换构造链式积分器结构,明确电液伺服系统“总扰动”。引入低通滤波器抑制高频测量噪声,利用滤波后的位置信号构建改进型扩张状态观测器,补偿滤波器导致的相位滞后,分离状态反馈与扰动估计,增加新的扰动估计调节参数,调和观测器高带宽、高估计性能与噪声放大间的矛盾。采用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。仿真与试验结果表明,在系统受扰状态下,与传统LADRC相比,本文所提出控制方法扰动抑制能力更强,位置跟踪精度更高,为自抗扰控制器的工程应用提供了参考。     

基于滚动时域的无人水稻直播机运动状态估计

针对农业机械自动驾驶中非线性车辆模型具有未知干扰输入,以及测量输出不确定等问题,提出一种基于滚动时域的车辆运动状态估计方法（MHE）。将状态估计问题转化为固定时域的优化问题并充分考虑约束条件,从而实现对带约束非线性模型状态的估计。为提高MHE的计算效率并且考虑传感器采样频率不同,以及可能出现测量值缺失或异常,设计出一种多线程运行架构,使MHE更适合实际应用。使用Matlab建立水稻直播机自动驾驶仿真系统,仿真结果表明,MHE算法能有效补偿系统干扰和消除测量噪声,MHE估计出的横纵位置和航向角相比扩展卡尔曼滤波（EKF）估计出的更接近系统真值。使用MHE状态估计算法对水稻直播机无人作业过程中测得的横向偏差与航向角偏差进行估计。结果表明,时域窗口N取3～5时,MHE算法对消除状态的稳态误差和抑制测量值的不平稳性具有良好的效果,同时也能较好地反映状态值的真实变化,证明了MHE算法在补偿系统干扰和消除测量误差方面的优异性。     

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。     

基于物联网和云架构的渠灌闸门智能控制系统

为了实现农田明渠灌溉的精准化控制,设计了一种基于物联网和云架构的渠灌闸门远程智能控制系统,系统由一体化旋转式闸门、本地控制软件、远程终端访问系统和云端中间件组成。闸门采用旋转式阀芯结构设计,降低闸门启闭时的驱动能耗;基于ARM开发了嵌入式控制系统,实现水闸运行的本地控制和状态数据采集;集成了无线通讯模块和光伏电源系统,解决传统水闸野外安装布线繁琐和供电困难问题;通过在阿里云服务器建立数据中心,部署中间件,实现水闸远程数据传送与控制指令传达;建立了基于水位、流量双反馈的闸门开度云控模型,实现水闸群智能运行;根据旋转式闸门启闭阶段角速度变化规律,提出了水闸运行异常报警方法;开发了B/S版和APP版的远程终端访问系统,实现了灌区数据大屏、闸群远程控制和智能调度,适用于农田灌溉中小型渠道输水、配水的精准化控制。     

油压控制自动闸门

自1976年以来我省开始设计,并陆续建成用油压系统控制的各种规格的自动翻板闸20多座。这种用油压控制的自动闸门,既保持了翻板闸门在设计水位情况下因可靠水力作用面自动开关的特性,又可用油压系统在非设计水位情况下,根据需要使翻板闸门随意开关。油压系统不但可以抑制翻板闸门部分开启时的有害振动,还可用油压系统调单闸门开度,避免闸门在某一水位某一开度情况下可能产生的拍打现象,保证闸门运行安全。     

全渠道控制系统在中卫南山台子扬水灌区的应用

针对中卫南山台子扬水灌区缺乏调水控水和测量水设施,水资源利用率和灌溉保证率低等问题,应用测控一体化闸门和全渠道控制系统(Total Channel Control,TCC)作为其推广现代化灌溉系统的硬件及软件基础.TCC 3次试运行结果表明,系统控制的测控一体化闸门可以在短时间内响应南山台子扬水干渠渠系流量动态变化,自...     

大型灌区渠道闸门一体化测控系统

基于自动化控制、网络通信和测量等技术,设计并研发了能够实现信息采集-处理-决策-信息反馈-监控-共享一体化的灌区闸门测控设备,并在甘肃省景电灌区进行了应用和验证.结果表明:渠道闸门一体化测控系统实现了灌区流量数据自动监测、收集和计算分析,提高了计量精度;能够对数据进行存储、查询与展示,实现了数据的共享,形成了灌区水资源管理数据库;实现了渠道流量远程自动控制与调节,提高了管理水平和管理效率;实现了智能手机远程操作,提高了办公效率.灌区闸门测控一体化测控系统的实施减少了灌区现场维护的次数,降低了设备运行成本,极大地提高了灌区水资源管理效率.研究成果可为中国大型灌区水资源科学管理提供有力的技术支撑,对闸门量水测流技术进步进行了有益的探索.     

基于水量恒定的渠道前馈控制时间分析

为了研究渠道运行控制中渠系建筑物的前馈控制时间,综合考虑上游调控及分水口调控对下游水量的影响,采用水量恒定方法,构建了渠道前馈控制时间计算模型,并将模型应用于山西省夹马口灌区.结果表明:模型所采用的流量拟合方程及参数对流量的拟合精度较高,能够有效表达下游流量在渠道调控下的变化情况,当采用该模型计算的调控时间进行控制时,可以基本保证流向下游的总水量恒定,水量偏差为0.8 m³.利用模型进一步分析了不同流量下的调控时间,发现随着流量的增大,分水口最优调控时间逐渐减小,在此基础上得到了流量-前馈控制时间、水深-前馈控制时间的线性拟合公式,为夹马口灌区渠道运行控制提供了参考.     

泵机测流的浓盐水示踪法研究

现场运行工况通常难以满足常规测流的工作要求，导致常规测流存在失准、调校不便，使测流实验存在较大偏差。利用浓盐水示踪测流的原理，定量分析了水体背景浓度对该方法的经济、可行性的影响，指出该方法能较好地满足泵机测流的需要。结合计算机采集技术，改进了浓盐水示踪监测的方法，实现了示踪剂含量实时、动态监测，确保测流成果的准确和实时性。     

明渠输水运行的步进式自动控制方法及应用

根据渠道输水的实际运行特点,提出了步进式PID渠道输水控制模型。在步进式PID渠道输水控制过程中,目标水位不是一次设定的静态水位,而是动态的,多次使输入指令一步一步的逼近所要求的最终目标水位,步进PID将使渠道输水更稳定,且响应速度可控制,有简单实用、可控性强的特点。仿真结果表明,较常规PID,步进式PID控制渠道输水,水位波动小,超调量小,较适合明渠输水控制的实际运行情况。     

渠道运行离散模型及最优控制

当采用计算机在线控制时,控制器由微处理机软件来实现,必须将渠道连续时间系统模型离散化。在渠道连续时间系统模型的基础上,综合考虑水力学和控制学的要求,采用适当的采样器和保持器,推导出渠道离散时间系统模型。将最优控制理论应用到渠道离散系统运行管理中设计出最优控制器,通过模拟仿真,验证所建立的渠道运行控制理论和设计方法是可行的。     

串联渠系多渠池蓄量平衡控制模式研究

【目的】解决渠道控制中以单个渠段蓄量为控制对象时,存在调蓄容量有限、相邻渠池间的蓄量变化无法相互调节的问题。【方法】提出一种等下游水深的多渠池蓄量平衡运行方式,并建立了基于蓄量变化的闸门目标流量计算方法,采用南水北调东线济平干渠为工程背景进行建模仿真验证。【结果】多渠池蓄量平衡模式下,对蓄量差乘以一定权重系数能有效降低闸门流量超调、缩短稳定时间;在正常运行工况下,该算法较常规下游常水位控制模式对渠首水库造成的调蓄压力更小,各无量纲性能指标整体较优,系统稳定时间最长缩短10 h;考虑流量变化较大的工况时,针对济平干渠渠池长度差异将近10倍的现状,发现增设节制闸减小单渠池长度后,该算法整体稳定时间进一步减小,各无量纲性能指标均不同程度提高。【结论】多渠池蓄量控制优于单个渠池蓄量控制,此算法为多渠池蓄量控制的进一步研究奠定基础。