氣動盾形閘門協同糾偏控制系統研究

楊 鋒，馮磊華，2

（1.湖南江河機電自動化工程有限公司，湖南長沙410013；2.長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南長沙410114）

氣動盾形閘門協同糾偏控制系統研究

楊 鋒1，馮磊華1，2

（1.湖南江河機電自動化工程有限公司，湖南長沙410013；2.長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南長沙410114）

氣動盾形閘門是目前水利工程主要的發展趨勢之一，在國外已得到較廣泛應用，但在我國的使用才剛剛起步。針對該閘門在使用過程中存在閘門開度之間偏差較大、水位控制精度不高的問題，本文設計了一種協同糾偏控制系統。該系統將每組閘門的開度偏差經模糊跟蹤控制器校正之后，施加到每組閘門的執行機構中，達到消除偏差的目的。通過仿真及實際應用結果對比分析，協同糾偏控制減小了閘門開度之間的偏差，并對水位調整過程中的超調量和調整時間均有較大改善，提高了水位控制精度，為該閘門在我國的進一步推廣打下了堅實的基礎。

氣動盾形閘門；協同糾偏控制；水位控制；水利工程

引言

氣動盾形閘門是綜合了傳統鋼閘門及橡膠壩優點的一種新型閘門，由美國O H I公司研發，可廣泛運用到河道治理及城市景觀、大壩加高、引水、農田灌溉、防旱排澇、水力發電、海堤建設防海水倒灌等工程。目前，該閘門已經成功應用在美國及加拿大等地渠道與河道上。

我國對氣動盾形閘門的使用尚處于起步階段，且在使用過程中出現了一些較難解決的問題，主要包括：閘門開關過程中水位調整時間較長、閘門運行過程中各閘門之間開度存在偏差。為解決這些問題，必須改變現有的控制系統。

協同控制（Synergetic control）就是自組織過程，主要是指在一定邊界條件下由系統中所出現的某個（或某些）序參量運用正反饋作用對系統中各子系統產生支配和控制作用，從而使系統趨于協同的過程。對于協同控制的應用，主要有：航天器系統的協同運動，多U A V之間協同任務規劃問題，物流系統分散式協同處理等；而對于協同糾偏控制，目前僅查到文獻研究了連續平壓板厚自動糾偏協同控制。對于氣動盾形閘門采用協同糾偏控制的研究尚無先例。

針對氣動盾形閘門使用過程中出現的問題，結合協同控制的特點，我公司研發了一套氣動盾形閘門協同糾偏控制系統。通過仿真驗證和現場實際使用，該系統較好解決了閘門之間開度存在偏差的問題，并提高了水位控制精度。

1 控制系統設計

1.1 協同校正原理

自校正協同，是由控制中介通過在同一控制系統的終端之間建立交叉耦合結構，對每個執行器的輸出實施協同校正，進而實現輸出相同物理量的同步控制。交叉耦合控制是一種將同步誤差進行反饋從而達到抑制效果的方法，符合最基本的控制規律。在多執行器控制系統中，交叉耦合的實現是將其中某一執行器的輸出變換作為其他執行器的參考輸入。如果各執行器的輸出互為參考輸入的一部分，其控制方式即為等狀態方式，各執行器之間協調關系由同步系數決定。這種結構注重系統的整體性能，不存在滯后問題，具有較強的干擾抑制能力。

1.2 協同糾偏控制系統整體結構

假設系統有n組閘門，基于自校正協同控制的氣動盾形閘門糾偏控制系統結構如圖1所示。其中，Φ0為根據給定水位換算成的給定閘門傾斜角度；Φ1、Φ2、…、Φn為每組閘門實際傾斜角度；e1、e2、…、en為每組閘門實際開度與系統給定值之間的偏差。

在各執行器位置控制器的輸出上，附加了同步誤差作為補償，各執行器的跟蹤誤差和控制相互制約，同步控制器輸出的附加控制量通過某種算法u0=f（ex，ey）來獲得，再經特定的分配算法附加到每組閘門位置控制器的輸出上。

附加控制量可按一定比例分配給各組閘門控制執行器，使各執行器的附加作用所產生的補償效果與同步誤差的作用相反。補償作用的強弱體現在耦合控制算法參數的大小上。將各執行器的誤差校正因子a1、a2、…、an，分別引入到各組閘門的控制器中進行誤差補償。誤差校正因子取值的大小由現場實際水流大小、水位深淺等因素決定，但由人為取值，很難達到最佳。因此，本文通過在跟蹤回路中引入模糊跟蹤控制器來補償協同校正對閘門控制的影響。

圖1 氣動盾形閘門協同糾偏控制系統整體結構圖

1.3 模糊跟蹤控制器設計

模糊控制器主要包括：輸入模糊化接口、輸出反模糊化接口、模糊推理機及知識庫。

1.3.1 輸入/輸出值的模糊化

為了增強控制系統的性能，將模糊控制器的輸入為氣動盾形閘門協同控制系統中執行器輸出的誤差e和誤差變化率e c，e和e c的論域范圍為［-3，3］；輸出為對原控制量進行作用的增益kp，其論域為［-10，10］。輸入量、輸出量的模糊集均為﹛N B，N M，N S，Z O，P S，P M，P B﹜。

1.3.2 模糊控制算法的設計

設計理念：將所有角度儀測得的值進行計算得出平均值，每組閘門與平均值對比，當差值大于平均值時控制系統將輸出負值進行調節，即閘門下降；當差值小于平均值時控制系統將輸出一個正值進行調節，即閘門上升。其模糊控制規則如表1。

表1 模糊控制規則

表1中的模糊控制規則可用如下語句描述：

1.3.3 輸出模糊決策

根據模糊量求得精確量。確定表達模糊控制規則的模糊關系，及給定某時刻e和e c，推理求得kp。之后再對輸出值進行反模糊化，得到精確值，即可對各組閘門誤差校正因子做出決策。

2 系統仿真與應用

將本文設計的協同糾偏控制系統應用在德江玉龍湖下游氣動盾形閘門系統中。德江玉龍湖氣動盾形閘門系統主要用于城區湖河治理，同時兼顧景觀效果；玉龍湖下游河道景觀壩跨度45米；氣動閘有6組，每三片為一組、共用一個氣袋支撐，每片閘門尺寸為5.0m*2.5m；最高擋水高度H為5.0米，水位傳感器0～5.5m；對應工作壓力0.12MP a，氣泵壓力1MP a，安全泄壓閥0.18MP a，測量壓力傳感器0～1MP a、0～0.3MP a；每組閘門對應一個角度傳感器，傾角傳感器θ：0～80°。

假設水位高度h要求控制在4.0米，對應的閘門傾角應控制在：

為了驗證本文設計的協同糾偏控制系統的性能，特將該系統與采用P I D控制的原系統進行仿真驗證，仿真結果見圖2、圖3。圖2為在穩態情況下，1～6組閘門的開度，其中“*”表示采用P I D控制系統的開度，“o”表示采用協同糾偏控制系統的開度；圖3為水位調節過程，其中藍線表示P I D控制的調節過程，紅線表示采用協同糾偏控制系統的調節過程。

圖2 閘門角度仿真對比

圖3 水位控制仿真對比

由圖2、圖3的仿真結果可知，采用協同糾偏控制系統時，每組閘門之間的開度偏差減小，水位調整的幅度和調節時間均有所減小，能夠滿足現場控制需要。因此，進一步將本系統應用在德江玉龍湖下游氣動盾形閘門的實際系統中，實際使用效果見圖4、圖5。其中，圖4為穩態情況下，實際閘門開度對比，圖5為實際水位調節過程對比。

圖4 實際應用角度偏差對比

圖5 實際水位控制對比

閘門開度偏差統計分析結果見表2，水位控制誤差統計分析結果見表3。

表2 閘門開度偏差的統計分析結果

表3 水位誤差的統計分析結果

由圖4、圖5和表2、表3的分析，可得出如下結論：

（1）每組閘門之間的開度偏差由原來的最大偏差6.5降到了2.8，其平均相對偏差由原來的0.0627降到了0.0233。說明協同糾偏控制系統較好了解決了原系統閘門開度偏差的問題。

（2）采用P I D控制的系統超調量和調節時間分別為10.8%、70s，而采用本文設計的協同糾偏控制系統的超調量和調節時間分別為5.0%、45s，均比原P I D控制的參數有較大幅度的減小。

（3）采用P I D控制的最大絕對誤差為0.42，平均相對誤差為0.2136，均方誤差為0.1435；而采用協同糾偏控制的最大絕對誤差為0.20，平均相對誤差為0.0647，均方誤差為0.0536，均比P I D控制有較大降低，系統收斂性更好。說明氣動盾形閘門的協同糾偏控制系統提高了水位控制精度。

3 結論

本文針對氣動盾形閘門在使用過程中的閘門開度存在偏差、水位控制精度不高的問題，設計了一種協同糾偏控制系統，并將該系統應用到德江玉龍湖下游氣動盾形閘門中。通過仿真及現場實際使用效果對比分析，協同糾偏控制系統較好的解決了閘門開度偏差、水位控制精度不高的問題，為氣動盾形閘門在我國的進一步推廣打下了堅實的基礎。

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A

1672-2469（2015）05-0047-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.016

楊 鋒（1979年—），男，工程師。

科技型中小企業技術創新基金“氣動盾形閘門智能協同控制系統”（12C 26214304732項目編號）。