气动盾形闸门协同纠偏控制系统研究.pdf

科 研 管理 水利规划与设计 2 0 1 5 年第 5 期 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 2 4 6 9 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 1 6 气动盾形闸门协同纠偏控制系统研究 杨 锋 ，冯磊华 1 ．湖南江河机 电 自动化工程有限公司 ，湖南 长沙 4 1 0 0 1 3 ； 2 ．长沙理工大学能 源与动力 工程 学院 ，湖南 长 沙 4 1 0 1 1 4 摘要 气动盾 形闸 门是 目前水利工程主要 的发展趋 势之 一 ，在 国外 已得到较广泛应用 ，但在我 国的使 用才刚 刚起 步。针对 该闸 门在 使用过程 中存在 闸门开度之 间偏 差较 大、水位控制精度不 高的 问题 ，本 文设计 了一种协 同纠偏 控制 系统。该 系统将每组 闸门的开度偏差 经模糊跟踪控 制器校正之后 ，施加到每组 闸门的执行机构 中，达到 消除 偏 差的 目的。通过仿真及 实际应 用结果对 比分析 ，协同纠偏控制减小 了闸门开度之 间的偏 差。并对水位调整过 程 中的超调 量和调整 时间均有较 大改善 ，提 高 了水位 控制精度 ，为该 闸门在我 国的进一 步推 广打下 了坚 实的基础。 关键词 气动盾形 闸门；协 同纠偏控制 ；水位控制 ；水利工程 中图分类号 T V 6 6 文献标识码 A 文章编号 l 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 5 0 5 0 0 4 7 0 3 引 言 莩 塞 间 开 度 存 在 偏 差 的 问 气动盾形 闸门是综合了传统钢 闸门及橡胶坝优 点的一种 新型 闸门，由美 国 O H I公司研 发，可广 泛运 用 到河 道 治 理 及 城 市 景 观 、大 坝加 高 、引 水 、 农 田灌溉 、防旱排 涝 、水 力发 电 、海 堤建 设 防海 水 倒灌等工程。 目前 ，该 闸门已经成功应用在美国及 加拿大等地渠道与河道上。 我 国对气动盾形 闸门的使用 尚处于起步 阶段 ， 且在使用过程中出现了一些较难解决 的问题 ，主要 包 括 闸 门开关 过程 中水 位 调整 时 间较 长 、 闸 门运 行过程 中各闸门之间开度存在偏差。为解决这些问 题 ，必须改变现有的控制系统。 协 同控 制 S y n e r g e t i c c o n t r o 1 就 是 自组 织 过 程 ， 主要是 指在 一定 边界 条 件下 由系 统 中所 出现 的某个 或 某 些 序 参 量 运 用 正 反 馈 作 用 对 系 统 中各 子 系 统产生支配和控制作用 ，从而使系统趋于协 同的过 程 。对 于协 同控 制 的应 用 ，主要 有 航 天器 系统 的 协 同运动 ，多 U A V之 间协 同任务规划 问题 ，物流 系统分散式协同处理等 ；而对于协同纠偏控制 ，目 前 仅查 到 文献研 究 了连 续平 压板 厚 自动 纠偏 协 同控 制 。对于气动盾形闸门采用协同纠偏控制的研究 尚 无 先 例 。 针对气动盾形闸门使用过程 中出现的问题 ，结 合协同控制 的特点 ，我公司研发了一套气动盾形闸 门协同纠偏控制系统。通过仿真验证和现场实际使 1 控制 系统设计 1 ． 1协 同校正 原 理 自校正协同 ，是由控制 中介通过在 同一控制系 统的终端之间建立交叉耦合结构，对每个执行器 的 输出实施协同校正，进而实现输 出相同物理量 的同 步控制。交叉耦合控制是一种将同步误差进行反馈 从而达到抑制 效果 的方法 ，符合最 基本 的控制规 律。在多执行器控制系统 中，交叉耦合的实现是将 其中某一执行器的输 出变换作为其他执行器的参考 输入。如果 各执行器 的输 出互为参 考输入 的一部 分 ，其控制方式即为等状态方式 ，各执行器之间协 调 关系 由同步 系数决 定 。这种 结构 注 重 系统 的 整体 性能，不 存 在 滞 后 问 题 ，具 有 较 强 的干 扰 抑 制 能 力 。 1 ． 2 协 同纠偏控制系统整体结构 假 设 系统有 I 1 组 闸门 ，基 于 自校 正 协 同控 制 的 气动盾形 闸门纠偏 控制 系统结构 如图 1所示。其 中， 。为根据 给定水 位换算成 的给定 闸门倾斜 角 度 ； 、⋯、 为每组 闸门实际倾斜 角度 ； 作者简介 杨锋 1 9 7 9年一 ，男 ，工程师。 基金项 目科技型 中小企业技术创新基金 “ 气 动盾形 闸门智能协 同 控制系统” 1 2 C 2 6 2 1 4 3 0 4 7 3 2项 目编号 。 47 2 0 1 5年第5期 水利规划与设计 科 研管 理 e 、e 、⋯、e 为每组 闸门实际开度与系统 给定值 进行调节 ，即闸门上升。其模糊控制规则如表 1 。 之 间 的偏差 。 表 1 模糊控制规则 在 各执 行器 位置 控制 器 的输 出上 ，附加 了同 步 误差作为补偿 ，各执行器的跟踪误差和控制相互制 约 ，同步控制器输出的附加控制量通过某种算法 u ， e ，e 来获得 ，再经特定 的分配算法附加到每 组 闸 门位置 控制 器 的输 出上 。 附加控 制量 可 按一定 比例分 配 给各 组 闸 门控 制 执 行器 ，使 各执 行 器 的附加 作用 所产 生 的补偿 效 果 与同步误差 的作用相反。补偿作用的强弱体现在耦 合控制算法参数 的大小上。将各执行器 的误差校正 因子 口 、o 、⋯ 、a ，分 别 引入 到各 组 闸 门的控 制 器 中进 行 误差 补偿 。误 差校 正 因子 取值 的大小 由现 场实 际水 流大 小 、水位 深浅 等 因素 决 定 ，但 由人 为 取值 ，很难达到最佳。因此 ，本文通过在跟踪回路 中引入模 糊跟 踪控 制器 来补 偿 协 同校 正对 闸 门控 制 的影 响 。 图 1 气 动盾 形闸门协 同纠偏控制 系统整体 结构 图 1 ． 3模糊 跟踪 控 制器 设计 模糊 控制 器 主要 包括 输 入模 糊 化 接 口、输 出 反模糊化接 口、模糊推理机及知识库。 1 ． 3 ． 1输入／ 输 出值 的模 糊化 为了增强控制系统的性能 ，将模糊控制器的输 入 为气 动盾 形 闸 门协 同控 制 系统 中执 行 器输 出 的误 差 e和误差变化率 e c ，e和 e c的论域范 围为 [一3 ， 3 ] ；输 出为对 原控制 量 进行 作用 的增 益 k 。 ，其论 域 为[一1 0 ，1 0] 。输 入 量 、输 出量 的模 糊 集 均 为 { N B，N M ，N S ，Z O，P S，P M，P 日} 。 1 ． 3 ． 2 模 糊 控制 算 法 的设 计 设计理念 将所有角度仪测得 的值进行计算得 出平均值 ，每组闸门与平均值对 比，当差值大于平 均值时控制 系统将输 出负值进行 调节 ，即 闸门下 降 ；当差值小于平均值时控制系统将输出一个正值 4 8 k p NB NM NS ZO P S P M PB NB NB NB P S NM NS NS Z 0 NM NB NB NM NM NS Z 0 Z 0 NM NM NM NM NS ZO P S P M Z0 NM NS NS Z 0 P S P M P M P S NS NS Z O P S P S P M P M PM Z 0 Z 0 P S P M PM P M PB P B Z 0 PS P S P M PM P B PB 表 1中的模糊控制规则可用如下语句描述 r u l e l if e N B a n d e c N B t h e n k N B r u l e 2if eNB a n d e cN M t h e n k PNB r u l e 4 9if eP B a n d e ePM t h e n k PP B 1 ． 3 ． 3输 出模 糊决策 根据模糊量求得精确量。确定表达模糊控制规 则 的模 糊 关 系 ，及 给 定 某 时 刻 e和 e c ，推 理 求 得 k 。之 后再 对输 出 值 进 行 反 模 糊 化 ，得 到 精 确 值 ， 即可对各组闸门误差校正因子做 出决策。 2 系统仿真与应用 将 本文 设计 的协 同纠偏 控制 系 统应 用 在 德 江玉 龙 湖 下游气 动 盾形 闸 门系统 中。德 江 玉龙 湖 气 动盾 形闸门系统主要用于城 区湖河治理，同时兼顾景观 效果 ；玉龙湖下游河道景观坝跨度 4 5米 ；气 动闸 有 6组 ，每三 片 为一组 、共 用 一 个气 袋 支撑 ，每 片 闸 门尺 寸为 5 ． 0 m 2 ． 5 m；最 高 挡 水 高 度 为 5 ． 0 米 ，水 位 传 感 器0 ～5 ． 5 m； 对 应 工 作 压 力 0 ． 1 2 MP a ，气泵 压 力 1 MP a ，安 全 泄 压 阀 0 ． 1 8 MP a ， 测量压力传感器 0～1 MP a 、0～ 0 ． 3 MP a ；每组 闸门 对应一个角度传感器 ，倾角传感器 0～8 O 。 。 假设水位高度 h要求控制在 4 ． 0米 ，对应的闸 门倾 角应 控制 在 E G R E E S s i n - l n D E G R E E S s i n 6 0 。 ．U 为 了验 证 本 文 设 计 的 协 同 纠 偏 控 制 系 统 的 性 能 ，特将该系统与采用 P I D控制的原系统进行仿真 验证 ，仿真结果 见图 2 、图 3 。图 2为在稳态情况 下 ，1 ～6组闸 门的开度 ，其 中“ ” 表示采 用 P I D 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 5 年第5 期 控 制 系统 的开度 ，“ O ” 表示 采 用 协 同纠 偏 控 制 系统 的开度 ；图 3为水位调节过程 ，其 中蓝线表示 P I D 控制的调节过程 ，红线表示采用协同纠偏 控制系统 的调节 过程 。 8 0 7 0 6 O 5 0 4 0 3 0 ★ 一 ， 、 ， 5l Ie } 下 ’ “ P I D 控制； ． “ O ”协同纠偏控制 2 3 4 5 6 闸门 组 图 2 闸门角度仿真对 比 图 3水 位 控 制 仿 真 对 比 由图 2 、图 3的仿真结果 可知，采用协同纠偏 控制 系统 时 ，每 组 闸门 之间 的开 度偏 差 减小 ，水位 调整 的幅度 和调 节 时间均 有所 减 小 ，能 够满 足 现 场 控制需要 。因此 ，进一步将本系统应用在德江玉龙 湖下游气动盾形闸门的实际系统中 ，实际使用效果 见图 4 、图 5 。其 中，图 4为稳态情况下 ，实际闸 门开度 对 比 ，图 5为实 际水位 调 节过程 对 比 。 8 0 7 0 6 O 嫠5 0 4 0 3 0 - ● _ ● ● ● ● ； ． 2 “ 一 P I D控制； “ O ”协 同纠偏控制 ． 1 2 3 4 5 6 闸门 组 图 4实际应用角度偏差对 比 图 5实 际水 位 控 制对 比 闸门开度偏差统计分析结果见表 2，水位控制 误差统计分析结果见表 3 。 表 2 闸门开度偏差的统计分析结果 控 制方 法 最 大绝对偏差 平均相对偏 差 P I D控制 6 ． 5 0 0 ． 0 6 7 2 协同纠偏 控制 2 ． 8 O 0 ． 0 2 3 3 表 3水位误差的统计分析结果 控制方 法 最大绝对误差 平均相对误差 均方误差 P I D控制 0 ． 4 2 O ． 2 1 3 6 0 ． 1 4 3 5 协同纠偏 控制 0 ． 2 0 0 ． 0 6 4 7 0 ． 0 5 3 6 由图 4 、图 5和表 2 、表 3的分 析 ，可 得 出如 下结 论 1 每组闸门之间的开度偏差 由原来 的最大偏 差 6 ． 5降 到 了 2 ． 8 ，其 平 均 相 对 偏 差 由原 来 的 0 ． 0 6 2 7降到 了 0 ． 0 2 3 3 。说明协 同纠偏控 制系统较 好 了解 决 了原系 统 闸 门开 度偏 差 的问题 。 2 采用 P I D控制的系统超调量和调节 时间分 别为 1 0 ． 8 ％ 、7 0 s ，而采用本文设计 的协 同纠偏控 制 系统 的超 调量 和调 节时 间分 别为 5 ． 0 ％ 、4 5 s ，均 比原 P I D控制 的参 数有较 大 幅度 的减 小 。 3 采用 P I D控 制 的最 大绝 对 误 差 为 0 ． 4 2 ，平 均 相对 误 差 为 0 ． 2 1 3 6 ，均 方 误 差 为 0 ． 1 4 3 5 ；而 采 用协 同纠偏控制 的最大 绝对误差为 0 ． 2 0 ，平均相 对误 差 为 0 ． 0 6 4 7 ，均 方 误 差 为 0 ． 0 5 3 6 ，均 比 P I D 控制有较大降低 ，系统收敛性更好 。说明气动盾形 闸门的协同纠偏控制系统提高了水位控制精度。 3 结论 本文针对气动盾形 闸门在使用 下转第 1 0 7页 4 9 设计 施 工 水利规划与设计 2 0 1 5年第 5期 高程时进行施工 ，回填土必须达到设计要求的压实 度要 求 。 格 宾 网片运 抵工 地后 要 妥为保 存 ，尽量 避 免 日 光直射 ，防止网片间黏结 ，将其储存在使用现场附 近的棚户 内，以尽量减少装卸和倒运次数 。 格宾网铺设前 ，先完成基面的清理工作 ，按施 工 图纸要求铺填支持层。铺设 面上清除一切树 根、 杂草 和尖 石 ，保 证 铺设 砂砾 石垫 层 面平 整 ，不 允 许 出现 凸 出及 凹陷 的部位 ，并 碾压 密 实 ，铺 设 工作 面 范围内不允许有积水。格宾石笼的铺设要根据设计 总高度和材料 的受力方向、运行条件以及尽量减少 接缝 的数量等因素确定 ，格宾石笼 的铺设应与周边 填筑 同步 施 工 。格 宾 网与基 础 及支 持 层之 间压平 贴 紧 ，避 免架 空 ，以保 证运 行安 全 。 按设计要求选用合适尺寸的格宾 网片铺设于指 定位置 ，用连接绳将格宾 网片横肋及立肋连接于底 格 宾 网上 。连接 时 采用错 格 绑扎 方法 ，且 每个 节 点 均要绑 成 死扣 。在 格 宾 网片 搭 接 时 留 l O c m 重 叠 搭 接 ，并用连接绳进行 “ 之” 型错格绑 扎。在 向网箱 内填石料时，为减小填石空隙率 ，在靠近笼边 的一 侧 先用 人 工将 填料 有序 紧密 垒至 顶 部 ，最 后填 入 中 间所 缺石 料 。在格 宾石 笼 间连接 时 ，沿 着 两 片格 宾 连接 处水 平 缠 绕 3 0 0 mm 距 离 ，再 在 垂 直 的 肋 条 处 进行捆绑 ，并按照此方法延续至末端连接处 。 2 ． 3 ． 3格 宾 石笼 的质 量检查 和 验 收 1 原 材 料质 量 检验 主 要 对格 宾 网 片及 拼 接 材料的物理性 能、力学性 能和耐久 性能进行 抽样 检验 。 2 覆盖前的外观检查 在每层 土工格宾被覆 盖前 ， 目测 有无漏 接 ，铺设 是 否平 整 。 3 拼接 缝 强 度 的 测 试 检 验 每 1 0 0 0 m 取 一 试样做拉伸强度试验 ，要求接缝处强度不低于母材 的 8 0 ％ ，且试 件断裂不得 在接缝处 ，否则接缝不 合 格 。 3 结 语 本 工程 采 用 两 期 导 流 方 式 ，利 用 汛 前 的 3～5 月施 工 ，在 主汛期 来 I临前按 计划 完 成穿 河 施工 ，减 少了施工风险。工程经过一个汛期的运行 ，没发现 格宾石笼有被冲出、位移等现象 ，管道运行安全。 管线 穿河 采用 直 埋 P C C P管 、上部 用 格 宾 石 笼 防护的方案 ，与传统的采用钢管、外包混凝土的施 工 方案 相 比，投 资 节 省 3 0 ％ 以上 ，工 期 缩 短 4 0 ％ 以上 ，成功地解决了三管 同槽输水管线穿越河流快 速 施工 的难 题 。 参考 文献 [ 1 ]赵正 阳，等．提 高质量管理水平是设计企业追求的永恒 [ J ] ．水 利技术监督 ， 2 0 1 3 O 1 ． [ 2 ]秦继杨 ．水利工程防渗 处理施 工技术 的应 用 [ J ] ．水 利技术 监 督 ， 2 0 1 4 0 4 ． [ 3 ]王鑫 ，等．环湖大堤长兴段堤前加 固方案 比选 [ J ] ．水利 规划与 设计 ，2 0 1 2 O 3 ． [ 4]孟晋忠 ，等．P C C P输水工程设 计应用 常见 问题研 究 [ J ] ．水 利 水 电技术 ， 2 0 1 2 0 3 ． [ 5 ]谷祥先 ．浅谈格宾 网石笼综合施工 [ J ] ．治淮 ， 2 0 1 1 0 7 ． [ 6 ]缪 晓 涓 ，等．P C C P管 施 工技 术 [ J ] ．水 利 建 设 与管 理 ，2 0 1 1 0 3 ． 上接第 4 9页 过程 中的闸 门开度存在偏差 、水位 控制 精度 不 高 的问题 ，设 计 了一种 协 同 纠偏 控 制 系 统 ，并将 该 系统 应用 到德 江玉 龙湖 下 游 气动 盾 形 闸 门中。通过仿真及现场实际使用效果对 比分析 ，协 同纠偏控制系统较好 的解决了闸门开度偏差、水位 控 制精 度不 高 的 问题 ，为气 动盾 形 闸 门在 我 国 的进 一 步 推广 打下 了坚 实 的基础 。 参 考文献 [ 1 ]冀 振亚 ，高 国柱 ，孙 云峰．气 动盾形 闸门 系统力学 模型的建 立与分析[ J ] ．水利规划与设计 ， 2 0 1 3 1 1 ． [ 2 ]F A N G H o n g w e i ，L I U B i n ， HU A N G B i n b i n ．D i a g o n a l c a r t e s i a n m e t h 一 0 d f o r t h e n u me r i c a l s i mu l i o n o f f l o w a n d s u s p e n d e d s e d i me n t t r a n s - 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