專利名稱：一種實體模型口門調節裝置及其調節方法
技術領域：
本發明涉及實體模型口門水位調節裝置及其調節方法，用以調節實體模型實驗進口流量或尾門水位，控制模型邊界，模擬跟蹤非恒定水流。
背景技術：
實體模型試驗可預測河流演變規律，優化工程方案，其是進行河流河勢規劃、沿岸防洪規劃、流域國民經濟可持續發展規劃不可或缺的有力工具，廣泛應用于水利工程、港口及航道工程等基礎理論與工程實踐研究中。目前口門控制為采用如圖1所示的控制方式，包含水位儀11、計算機12、直流電機13、減速箱14、鋼絲繩15、翻板門16，其控制方法是直流電機13轉動帶動減速箱14轉動，減速箱14通過鋼絲繩15與翻板門16實現柔性連接，直流電機13的正轉或反轉實現翻板門16的開或閉，從而調節水位，水位儀11獲取翻板門16開閉后的水位，輸入計算機12， 由計算機12判斷與目標值的偏差然后再給直流電機13正轉或反轉的命令，使調節后的水位達到目標值。這種方法將水位儀11獲取的水位作為反饋信息指導翻板門16的開或閉， 從水位儀16獲取數據到計算機12，再到翻板門16開閉，從翻板門16開閉到產生水位變化需要一定時間，因此，利用水位儀11獲取的數據指導翻板門16開或閉存在調節時間長、易震蕩等問題，對于非恒定流實驗，需要融合經驗才能進行水位過程的相位跟蹤，很難實現絕對值跟蹤。為此本發明提供一種實體模型口門調節裝置及其調節方法，通過建立翻板門的開度與水位的直接關系，不再利用水位儀進行反饋控制，只需控制電機的角度就完成水位的控制，減小平衡時間和系統震蕩。
發明內容
為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種實體模型口門水位調節裝置及其調節方法，伺服電機通過絲桿剛性連接翻板門上的導軌，伺服電機的轉動直接帶動翻板門進行相應的開度變化，基于該剛性連接，伺服電機精確轉動可直接傳遞給翻板門開度，通過標定實驗獲取翻板門開度變化量與水位變化間的對應關系，即可計算得到目標水位下電機的轉動角度，從而通過精準控制電機角度的變化，實現相應水位變化，滿足實體模型非恒定流跟蹤要求。本發明避免了常規方法通過自動水位儀獲取水位后再反饋給計算機，由計算機對比目標水位后，再控制電機正轉或反轉讓翻板門開或閉，大幅減小了中間環節，防止了水位變化量的滯后，避免了水位快速變化時所引起的震蕩(翻板門連續開或閉)，有效減少了水位平衡時間，提高了水流模擬準確性。為實現上述目的，本發明將采取以下的技術方案一種實體模型口門水位調節裝置，包括計算機、伺服電機、絲桿、滑動轉接頭、滑動導軌、翻板門，伺服電機與絲桿剛性連接，滑動導軌固定在翻板門上，滑動轉接頭分別與絲桿和滑動導軌連接，基于上述連接，伺服電機與翻板門實現剛性連接，從而伺服電機轉動帶動翻板門進行相應的變化。
—種實體模型口門調節裝置的調節方法，包括以下步驟伺服電機轉動帶動絲桿轉動，絲桿通過滑動轉接頭將轉動力矩傳遞給導軌，從而翻板門實現開或閉；通過標定實驗獲取各個實體模型口門翻板門開度變化量與水位變化量關系，并將翻板門開度轉換成伺服電機旋轉角度，從而實現水位調節。其中，翻板門開度變化量與水位變化量的關系滿足下式Δ θ = f(Qs, Qa, Ah, θ i)Ah = Ii2-Ii1Δ θ為翻板門的開度變化量(翻板門與水平方向夾角變化量)，A為所有進入該口門流量，A為口門處蓄水量，Ah為水位變化量，Q1為當前翻板門與水平方向角度，hi為該口門當前水位，h2為目標水位。通過標定實驗獲取各個實體模型口門翻板門開度變化量與水位變化量關系，實驗時，根據水位變化量獲取翻板門的開度變化量△ θ，并利用下式將翻板門開度轉換成伺服電機旋轉角度，從而實現水位調節。θ 2 = θ j+Δ θ
H Ηa =360*(------—)//
cos O2 cos O1α p為伺服電機旋轉角度，H為翻板門安裝基面至絲桿中心線距離，θ工為當前翻板門與水平方向夾角，θ 2為目標水位下翻板門與水平方向夾角，1為絲桿導程。本發明采用上述技術方案，與現有技術相比具有如下優點1、可以避免采用自動跟蹤水位儀獲取的水位作為反饋信息，減小平衡時間，提高水位響應頻率，有效防止水位的滯后；2、根據目標位，直接計算翻板門開度，利用電機角度和翻板門關系，可直接獲取電機的旋轉角度，實現翻板門開度運行，達到目標水位，防止翻板門的震蕩，大幅提高非恒定流模擬的準確性。
圖1為現有技術中采用自動跟蹤水位儀的柔性連接翻板門水位調節裝置圖；圖2為本發明中采用剛性連接翻板門水位調節裝置圖；圖3為電機轉動角度與翻板門開度關系計算原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。如圖2所示，本發明的一種實體模型口門調節裝置，包括計算機1、伺服電機2、絲桿3、滑動轉接頭4、滑動導軌5、翻板門6，伺服電機2與絲桿3剛性連接，滑動導軌5固定在翻板門6上，滑動轉接頭4分別與絲桿3和滑動導軌5連接，基于上述連接，伺服電機2 與翻板門6實現剛性連接，從而伺服電機2轉動帶動翻板門6進行相應的變化。實體模型口門調節實驗時，如圖2和3所示，伺服電機2通過聯軸器連接絲桿3，在絲桿3上套接滑動轉接頭4，將滑動導軌5固定在翻板門6上，并使滑動導軌5穿過滑動轉接頭4，伺服電機2轉動帶動絲桿3運動，絲桿3通過滑動轉接頭4將轉動力矩傳遞給滑動
4導軌5，從而滑動導軌5帶動翻板門6運動，實現翻板門6開或閉，利用標定實驗得到翻板門6開度變化量Δ θ與進入該口門流量Qs、口門處蓄水量 、當前翻板門6與水平方向角度Q1、水位變化量Ah等參量的關系，其中Ill為該口門當前水位，1!2為目標水位，該關系如下Δ θ = f (Qs, Qa, Ah, θAh = Ii2-Ii1根據上式計算出從當前水位變化到目標水位后翻板門6開度變化量△ θ，得到目標水位下翻板門6與水平方向角度θ2。當該剛性連接翻板門6安裝固定在口門位置后，翻板門6安裝基面至絲桿3中心線的距離H、絲桿3導程1等參變量就確定了，利用下式即可得到伺服電機2的轉換角度Cip
權利要求
1.一種實體模型口門調節裝置，其特征在于包括計算機(1)、伺服電機O)、絲桿(3)、 滑動轉接頭G)、滑動導軌(5)、翻板門(6)，所述伺服電機O)與絲桿(3)剛性連接，所述滑動導軌(5)固定在翻板門(6)上，所述滑動轉接頭(4)分別與絲桿(3)、滑動導軌(5)連接，基于上述連接，伺服電機(2)與翻板門(6)實現剛性連接。
2.基于權利要求1所述的實體模型口門調節裝置的調節方法，其特征在于包括以下步驟伺服電機⑵轉動帶動絲桿⑶轉動，絲桿⑶通過滑動轉接頭⑷將轉動力矩傳遞給滑動導軌(5)，從而使翻板門(6)實現開或閉；通過標定實驗獲取各個實體模型口門翻板門(6)開度變化量與水位變化量關系，并將翻板門(6)開度轉換成伺服電機(2)旋轉角度，從而實現水位調節。
3.根據權利要求2所述的實體模型口門調節裝置的調節方法，其特征在于翻板門(6) 開度變化量與水位變化量的關系滿足下式 其中，Δ θ為翻板門(6)的開度變化量，即翻板門(6)與水平方向夾角變化量為所有進入該口門流量，A為口門處蓄水量，Ah為水位變化量，Q1為當前翻板門(6)與水平方向角度，h為該口門當前水位，h2為目標水位。
4.根據權利要求2或3所述的實體模型口門調節裝置的調節方法，其特征在于利用下式將翻板門(6)開度轉換成伺服電機(2)旋轉角度
全文摘要
本發明公開了一種實體模型口門水位調節裝置及其調節方法，伺服電機通過絲桿剛性連接翻板門上的導軌，電機的轉動直接帶動翻板門進行相應的開度變化，基于該剛性連接，伺服電機精確轉動可直接傳遞給翻板門開度，通過標定實驗獲取翻板門開度變化量與水位變化間的對應關系，即可計算得到目標水位下電機的轉動角度，從而通過精準控制電機角度的變化，實現相應水位變化，滿足實體模型非恒定流跟蹤要求。本發明可避免常規方法通過自動水位儀獲取水位后再反饋給計算機，由計算機對比目標水位后再控制電機正轉或反轉讓翻板門開或閉，大幅減小中間環節，防止水位變化量的滯后，避免水位快速變化時引起震蕩，有效減少水位平衡時間，提高水流模擬準確性。
文檔編號G05D9/12GK102426465SQ20111040296
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者呂升奇, 唐洪武, 徐錫榮, 李開杰, 王得祥, 陳紅, 魯娟娟 申請人:河海大學