基于ARM的明渠區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)水控制系統(tǒng)開發(fā)

張從鵬，吳玉宣(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

近年來，我國明渠流域部分灌區(qū)從國外引進(jìn)了一系列的農(nóng)業(yè)灌溉調(diào)水設(shè)備，但價(jià)格昂貴、安裝條件苛刻，而且從部分地區(qū)運(yùn)行狀況來看，存在很多問題。部分灌區(qū)的灌溉調(diào)水系統(tǒng)基本上依靠配水員的手動(dòng)操作，管理水平一般、效率低，與灌區(qū)信息化自動(dòng)化建設(shè)要求具有很大差距。本文面向我國當(dāng)前大力發(fā)展水利工程自動(dòng)化建設(shè)的需求，研究明渠區(qū)域信息化、自動(dòng)化、計(jì)量精確化的灌溉調(diào)水技術(shù)，開發(fā)由單點(diǎn)控制到集群控制的協(xié)同聯(lián)動(dòng)灌溉調(diào)水設(shè)備；同時(shí)研究灌區(qū)輸水系統(tǒng)中多信息融合技術(shù)、動(dòng)態(tài)調(diào)水解耦控制算法，建立科學(xué)輸水智能決策與控制系統(tǒng)，為我國水利工程建設(shè)提供有力支持。

1 動(dòng)態(tài)調(diào)水解耦控制算法

明渠區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)水控制系統(tǒng)是由很多的渠道串聯(lián)而成，每個(gè)渠道是由多個(gè)機(jī)械閘門分割而成，閘門開度變化時(shí)，將引起閘門前后水位和過閘流量的變化。閘門的變化不僅影響相鄰渠道，也會(huì)影響上、下游各級(jí)渠道，該效應(yīng)稱為耦合效應(yīng)，渠道間的耦合效應(yīng)是影響渠道控制效果的重要因素之一。

結(jié)合明渠區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)水的實(shí)際需求，確定反饋控制環(huán)節(jié)和前饋控制環(huán)節(jié)后，采用流量輸出解耦控制算法更加適合。解耦示意圖如圖1所示，其控制過程為：下游渠池分水口流量發(fā)生改變，導(dǎo)致渠池下游閘前水位偏離目標(biāo)值，水位偏差作為控制終端水位控制的輸入，通過水位控制器，計(jì)算出流量增量ΔQ，通過終端解耦控制器計(jì)算出解耦流量，此解耦流量與前饋、反饋流量一起輸入控制終端流量控制器，通過流量控制器輸出閘門開度增量ΔG，并控制閘門執(zhí)行，依次往上游解耦。

圖1 流量輸出解耦控制

確定了解耦控制方法與解耦控制，設(shè)計(jì)解耦控制算法如下：

ΔQi(k)=ΔQqi(k)+KpiΔei(k)+……KIiei(k-1)+

KDΔQi+1(k)

(1)

Δei(k)=ei(k)-ei(k-1)

式中：ΔQqi(k)為第k次前饋流量增量；Qi為第i個(gè)閘門的流量值，m3/s；ei(k)為第i個(gè)渠道下游端的第k次采樣時(shí)刻的閘前水位偏差值，m；Kpi為第i渠道的比例系數(shù)；KIi為第i渠道的積分系數(shù)；KD為渠道的解耦系數(shù)。

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者近些年深入研究，并對閘門開度輸出和流量輸出進(jìn)行了仿真比較，結(jié)合調(diào)水系統(tǒng)的實(shí)際情況，證明解耦流量的動(dòng)態(tài)調(diào)水解耦控制算法能夠大大降低耦合效應(yīng)對各級(jí)渠道控制的影響。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

全自動(dòng)明渠區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)水控制系統(tǒng)硬件組成如圖2所示，包括無線通信模塊、提水控制終端、蓄水調(diào)解終端、明渠區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)水控制終端、互補(bǔ)供電切換控制終端等。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成

2.1 無線通信模塊

全自動(dòng)明渠區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)水控制系統(tǒng)的各個(gè)終端于明渠區(qū)域內(nèi)離散分布安裝，因此選擇無線通信方案。選用C10X無線通信模塊，此模塊采用美國Siliconlabs公司新一代射頻芯片：運(yùn)用循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼技術(shù)，大大提高了抗干擾性；其工作頻率范圍處于413～453 MHz,40個(gè)頻道可選，工作電壓3.3～5.5 V；可通過PC軟件在線修改串口速率、信道、發(fā)射功率、無線速率等參數(shù)；在開闊地傳輸距離可達(dá)1 200 m。完全滿足灌溉調(diào)水控制系統(tǒng)無線通信的需要。

2.2 提水控制終端

提水控制終端主要由液位傳感器和提水控制器組成，采用BPY-800型液位傳感器測量并采集液位數(shù)據(jù)。傳感器24 V供電，輸出4～20 mA電流信號(hào)。采用精密電流環(huán)接收器芯片RCV420將4～20 mA輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V輸出信號(hào)，濾波后輸入控制器ADC通道。控制終端依據(jù)液位信息，根據(jù)需要通過控制繼電器通斷進(jìn)而操作水泵進(jìn)行提水和停水。

2.3 蓄水調(diào)解控制終端

蓄水調(diào)解控制終端主要由蓄水池和機(jī)械閘門組成。終端控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械閘門啟閉，進(jìn)行蓄水放水。

2.4 明渠區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)水控制終端

明渠區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)水控制終端硬件組成如圖3所示。其中主要包括無線通信接口(RS232)、編碼器接口(RS485)、數(shù)據(jù)采集接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口、限位開關(guān)接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、LCD顯示模塊等。

圖3 動(dòng)態(tài)調(diào)水控制終端硬件組成

根據(jù)明渠區(qū)域灌溉調(diào)水實(shí)際需求以及動(dòng)態(tài)解耦控制算法，控制終端采集閘前、閘后水位數(shù)據(jù)，進(jìn)行解耦計(jì)算流量增量，得出解耦流量，通過編碼器輸出開度增量，控制閘門啟閉，進(jìn)行分水調(diào)水灌溉。

2.5 互補(bǔ)供電切換控制終端

為提高系統(tǒng)可靠性，各明渠區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)水控制終端系統(tǒng)采用太陽能與市電互補(bǔ)供電模式，其工作原理是：控制終端以STM32F103單片機(jī)為控制單元，應(yīng)用AD電壓監(jiān)測電路實(shí)時(shí)檢測太陽能蓄電池的電量。當(dāng)檢測到蓄電池電壓低于正常工作電壓時(shí)，自動(dòng)切換到市電供電；當(dāng)檢測到蓄電池電壓達(dá)到正常工作電壓時(shí)，再切換回太陽能蓄電池供電。充分利用太陽能，減小市電電網(wǎng)的壓力。互補(bǔ)供電切換控制終端主要由太陽能蓄電池組、電壓監(jiān)測電路、ARM Cortex-M3處理器STM32F103、繼電器等部分組成。電壓監(jiān)測電路原理圖如圖4所示。

圖4 電壓監(jiān)測電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位調(diào)度管理管理軟件

上位調(diào)度管理軟件基于Microsoft.Net平臺(tái)，采用SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，運(yùn)用C#編程語言研發(fā)包括傳感器數(shù)據(jù)處理與信息融合方法、遠(yuǎn)程通信等多功能的上位機(jī)管理軟件。系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)框圖

3.2 動(dòng)態(tài)調(diào)水控制軟件

動(dòng)態(tài)調(diào)水控制軟件在Keil uVision4環(huán)境開發(fā)完成，包括閘門自動(dòng)控制，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)，無線通信，分水計(jì)量人機(jī)交互等功能。并通過“動(dòng)態(tài)調(diào)水解耦控制算法”、變量間合理匹配、整定控制終端系數(shù)等算法解除渠道間耦合作用，有效降低渠道間的相互影響，提高調(diào)水灌溉效率。控制算法程序框圖如圖6所示。

圖6 控制算法程序框圖

4 應(yīng)用試驗(yàn)

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)

開發(fā)的明渠流域動(dòng)態(tài)調(diào)水控制系統(tǒng)在山西省太原市的汾河流域敦化灌區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。從現(xiàn)場使用情況來看，各個(gè)單點(diǎn)灌溉調(diào)水終端協(xié)同聯(lián)動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)、測量精確、通信順暢，滿足機(jī)電設(shè)備集群控制的信息化、自動(dòng)化要求。

4.2 計(jì)量數(shù)據(jù)分析

2015年7月，山西省太原市敦化灌區(qū)采集系統(tǒng)正常使用數(shù)據(jù)如表1所示。表1中，H為解耦后閘門的控制開度，h為實(shí)際測量開度。控制誤差均小于5 mm,可確保渠道內(nèi)水位的動(dòng)態(tài)平穩(wěn)，滿足計(jì)量精度要求。

表1 計(jì)量開度數(shù)據(jù)

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為控制開度，單位mm。

5 結(jié) 語

全自動(dòng)明渠區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)水控制系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、計(jì)量精度高、響應(yīng)快速、操作簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)灌溉調(diào)水機(jī)電設(shè)備的集群聯(lián)調(diào)協(xié)同控制，減輕調(diào)水人員工作強(qiáng)度，而且對提高我國農(nóng)業(yè)水資源利用率，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)灌溉信息化、自動(dòng)化、計(jì)量精確化，滿足我國當(dāng)前大力發(fā)展水利工程自動(dòng)化建設(shè)的需求具有重要作用。

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