Устройство для регулирования уровня воды на участке канала

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 781674 509 5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГО СПАТЕНТ СССР)ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ К АВТО венное елиораО), Ра(ЯО) корости течеько измеряет ды в канале и енного з зпазяется ниькой 1(56) Авторское свидетельство СССРМ 1095143, к и, 6 05 О 9/12, 1983,Авторское свидетельство СССРМ 1348788, кл, 6 05 О 9/12. 1986,Изобретение относится к технике авто,матического регулирования уровня воды в открытых каналах,Известно устройство для регулирования уровня воды на канале, содержащее затворы, связанные с исполнительными механизмами, датчики уровня в начале и конце участка канала, радиопередающий блок, радиоприемный блок, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и четвертым входами широтно-импульсного модулятора, выход которого связан со входом соответствующего исполнительного механизма, датчик скорости течения воды на участке канала и датчик уровня в начале последующего участка канала, выход которого соединен со вторым входом радиопередающего блока, первый вход которого соединен с выходом датчика уровня в конце участка канала, выход датчика скорости течения воды на участке канала подключен к 1 ретьему входу широтно-импульсного модулятора, второй вход которогс связан с выходом датчика уровня в начале участка, обеспечивающее подачу воды через вышерасположенное пе(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ НА УЧАСТКЕ КАНАЛА (57) Изобретение относится к технике автоматического регулирования уровня воды в открытых каналах. Цельюизобретения является повышение точности регулирования уровня воды на участке канала, ограниченном верхним и нижним затворами. Указанная цель достигается за счет повышения точности оценивания транспортного запаздывания, учитываемого при формировании управляющих воздействий на верхний затвор, 1 з.п,ф-лы, 7 ил. регораживающее сооружение в соответствии с запросами водопотребителей посредством поддержания уровня воды в конце и начале участка канала в заданном значении.Недостатком указанного уст ройства является низкая точность регулирования, связанная с неточной оценкой величины времени запаздывания на участке канала по выходному сигналу датчика скорости течения воды, установленного в начале участка канала, так как в каналевозникают волновые процессы, скорость распространения фронта волны которых указанный датчик не может измерить.Необходимо отметить, что временное запаздывание 0 (т) на участке канала является функцией от скорости распространения фронта волны с(1) и средней скорости течения воды в канале Ч(т), т,е,0(С) = 1(с(1), Ч(т (1)В этом устройстве датчик сния воды на участке канала толсреднюю скорость течения вопоэтому точность оценки времдывания на участке канала явлления, последовательно соединенные третий.задатчик.коэффициента и восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, а выход - со вторым входом четвертого блока деления, четвертый задатчик коэффициента, выход которого соединен со вторыми входами второго, четвертого и седьмогО сумматоров, пятый задатчик коэффициента, выход которого соединен со вторым входом пятого сумматора, шестой задатчик коэффициента, выход которого соединен со вторым входом третьего блока умножения, седьмой задатчик коэффициента, выход которого со. единен со вторым входом четвертого блока умножения, восьмой задатчик коэффициента, связанный своим выходом со вторым входом третьего блока деления, выход первого задатчика коэффициента соединен со вторым входом шестого сумматора и через четвертый нелинейный элемент - со вторым входом первого блока деления, выход которого соединен со вторыми входами второго и седьмого блоков умножения, выход второго задатчика коэффициента подключен ко вторым входам шестого блока умножения и первого блока умножения, выход которого соединен со вторым входом пятого блока умножения, причем первый и второй входы первого сумматора являются соответствующими входами блока оценки времени запаздывания, выходом которого является выход третьего блока деления,Новым в предлагаемом устройстве является наличие новых связей, Новые связи (соединение первого и второго входов блока оценки времени запаздывания соответственно с выходами радиоприемного блока и датчика уровня воды в начале участка, выхода датчика уровня воды в конце участка со входом радиопередающего блока; выхода радиоприемного блока со вторым входом второго элемента сравнения, выхода второго элемента сравнения со вторым входом блока суммирования) позволяют повысить точность управления уровнем воды в кана- ле.На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства.Устройство содержит затвор 1, датчик уровня 2 в начале участка, датчик уровня 3 в конце участка, радиопередающий блок 4, радиоприемный блок 5, гторой элемент сравнения 6, блоаоценки 7 времени запаздывания, преобразователь напряжения 8 в длительность импульсов, блок суммирования 9, широтно-импульсный регулятор 10, первый элемент сравнения 11, задатчик уровня начала участка 12, задатчик уровня конца участка 13 и исполнительный блок 14.55 На фиг. 6 представлена электрическаясхема управляемого генератора 62 пилообразного напряжения.Текущее значение скорости распространения фронта волны на участке каналаопредляется соотношением 101520304050 Радиопередающий блок 4 содеркнч последовательно соединенные частотньий модулятор 15 и передатчик 16 (фиг. 1),Радиоприемный блок 5 содержит последовательно соединенные радиоприемник17, усилитель 18, демодулятор 19, усилитель с емкостными накопителями 20 и выходной блок 21 (фиг. 2).Блок оценки 7 времени запаздываниясодержит последовательно соединенныепервый сумматор 22, первый блок деления 23, первый блок умножения 24, второй сумматор 25, второй блок умножения 26, второй блок деления 27, третий блок умножения 28,первый блок извлечения квадратного корня29, четвертый блок умножения 30, третий сумматор 31, первый нелинейный элемент32 и третий блок деления 33, последовательно соединенные первый задатчик коэффициента 34, пятый блок умножения 35, четвертый сумматор 36, второй нелинейный элемент 37, четвертый блок деления 38, второй блок извлечения квадратного корня 39, второй задатчик коэффициента 40, шестойблок умножения 41, пятый сумматор 42, третий блок извлечения квадратного корня 43, шестой сумматор 44, седьмой блок умножения 45, седьмой сумматор 46, третий нелинейный элемент 47, третий задатчиккоэффициента 48, восьмой блок умножения49, четвертый задатчиккоэффициента 50, пятый задатчик коэффициента 51, шестой задатчик коэффициента 52, седьмой задатчик коэффициента 53, восьмой задатчик коэффициента 54, четвертый нелинейный элемент 55 (фиг. 3),Преобразователь напрякения 8 в длительность импульсов содеркит последовательно соединенные девятый задатчик 56коэффициента, девятый блок умножения 57 и формирователь 58 последовательных прямоугольных импульсов (фиг, 4),Широтно-импульсный регулятор 10 содержит выделитель 59 модуля, компаратор60 и формирователь 61 управляющих импульсов, управляемый генератор 62 пилообразного напряжения и релейный элемент 63 (фиг, 5),.В данном устройстве применяются датчики уровня типа РУ-ЗЗ, отличающиеся от других известных датчиков уровня повышенной точностью измерения ( "- 5 мм) и большой надежностью функционирования,(3) где щ(с) =(Ь+ т)Н(сН(1), (4) В(1) = Ь+ 2 гпН(1) (5) п 1 с 19 р, . (6)Нн 1 +Нк) (7)в(т) - площадь живого сечения;В(1) - ширина живого сечения на высоте половины волны.;а - коэффициент откоса боковых стенок;ср - угол наклона линии откоса к горизонте;. Ь - ширина живого сечения потока по низу;Нн(с), Нк(т) - текущие значения уровней воды в начале и конце участка канала соответственно;Й(т) - осредненная величина уровня воды в канале.Текущее значение средней скорости течения воды на участке канала определяется выражением:Ч(1) = с Й(1) 3,(8) где й(1) =. (9))( (1) = ь+2 Г т 2)Й(1), (10). Я(т) - гидравлический радиус, с - коэффициент Шези, Выражения (4)-(6),. (8), (9) справедливы для случая трепецеидального русла.Устройство работает следующим образом,При равенстве значений уровней и заданий в начале и (или) в конце участка канала выходные сигналы задатчиков 12, 13 и датчиков 2, 3 соответственно равны, выходные сигналы я,(т), е н(С) блоков сравнения 6, 11 равны нулю, выходной управляющий сигнал широтно-импульсного регулятора 10 соответствует данному положению затвора 1, исполнительный блок 14 отключен, следовательно затвор 1 не перемещается.Текущие значения уровня воды в конце участка канала поступают на вход радиопередающего блока 4, при этом модулятор 15 генерирует одну из частот 111. Моделирующая частота, воздействующая на несущую частоту передатчика 16, выбирается в диапазоне нужнык частот (УКВ диапазон),Сигналы, поступающие от радиопередающего блока 4, усиливаются и демодулируются, радиоприемным блоком 5. В результате на выходе выходного блока 21 появляются сигналы, пропорциональные текущим значениям уровня воды в конце участка канала (Н(ф Эти сигналы постугаот на второи вход второго элемента сравнения6 и на первый вход блока оценки 7 временизапаздывания, В результате на выходе второго элемента сравнения 6 формируются5 сигналы рассогласования емежду заданным и текущим значениями уровня водыв конце участка канала. Эти сигналы поступают на первый вход блока суммирования 9.Отклонения уровня воды в начале участ 10 ка канала от заданного значения вызываютпоявлениесигналов рассогласования е н(1).Эти сигналы поступают на второй вход блока суммирования 9, При этом на выходе блока суммирования появляются сигналы О,(с),15 пропорциональные отклонениям уровнейводы в начале и конце участка канала, Формирователь 61 по сигналам компаратора 60и релейного элемента 63 формирует последовательность управляющих импульсов, ам 20 плитуда которых постоянна, а длительностьи знак каждого из которых зависит от модуля и знака сигналов Ом(с) соответственно,Закон формирования длительности выходн ых управляющих импул ьсов широтно 25 импульсного регулятора 10 может быть,например следующимг (1)=КН я н(1)+Кк е к(1) О 1 =сопз 1 (11)где т (т), О 1(т) - длительность и амплитудауправляющих импульсов широтно-импульс 30 ного регулятора соответственно;К, Кк - постоянные коэффициенты соответственно начала и конца участка канала, характеризующие специфическиеособенности участка (глубина, ширина, дли 35 на и т,д.),Выходные управляющие импульсы широтно-импульсного регулятора 10 воздейству)от на исполнительный блок 14, которыйизменяет положение затвора 1 начала уча 40 стка канала. При этом изменяется водоподача на участок канала,Необходимо отметить, что режимы ра боты участка канала в течение поливногосезона меняются в широком диапазоне, При45 этом переход от одного режима работы кдругому приводит к значительному изменению. величины временного запаздывания научастке канала. В связи с этим для повышения точности регулирования необходима50 перестройка величины периода квантования широтно-импульсного регулятора 10 взависимости от изменений величины времени запаздывания на участке канала,В отличие от системы по прототипу пе 55 рестройка величины периода квантованияширотно-импульсного регулятора 10 осуществляется следующим образом,Сигнал датчика уровня 2 р начале участка Нн(1) поступает на второй вход блокаоценки 7 времени запаздывания. нд первыйвход которого поступает сигнал датчикауровня 3 в конце участка канала Нк(т), Приэтом осредненная величина уровня воды вканале определяется на выходе первогоблока деления 23 (см.фиг,3), Блок оценки 7 5времени запаздывания в соответствии сформулами (3)-(7) определяет текущие значения скорости распространения фронтаволны на участке канала, При этом на выходевторого блока умножения 26 определяются 10значения площади живого сечения (в (т, навыходе четвертого сумматора 36 оп ределяют-ся значения ширины живого сечения на высоте половины волны (В(с, и на выходе второгоблока извлечения квадратного корня 39 определяются значения скорости распространения фронта волны на участке канала (С(т,Блок оценки 7 времени запаздывания всоответствии с формулами (8)-(10) определяет также текущие значения средней скорости течения воды на участке канала (Ч(т,При этом на выходе второго блока деления27 определяются значения гидравлическогорадиуса В(т), на. выходе седьмого сумматора46 определяются значения смоченного периметра у (т) и на выходе четвертого блокаумножения 30 определяются значения средней скорости течения воды в канале (Ч(т.Наконец, на выходе третьего блока деления33 определяются значения времени запаздывания О (т),Блок оценки 7 времени запаздыванияможет быть реализован на основе аналоговой или цифровой техники, На фиг, 3 представлен возможный вариант реализации 35блока оценки 7 на основе аналоговой техники.Для того чтобы блоки деления 23, 27, 33,38 не теряли работоспособности в случае,когда сигналы К=2=О, У (с) =О, с(т)+ф)- 40О, В(т) 0, в блок оценки 7 включены нели. нейные элементы 55. 47, 32,37. При умень-шении указанных сигналов нижеустановленногоминимального уровня Лвыходной сигнал этих нелинейных элементов 55, 47, 32, 37 будет иметь постояннуюминимально допустимую величину, При этомликвидируется возможность получения неопределенности блоками деления 23, 27, 33, 38,так как в этом случае в соответствии с формулами(2),(3),(7),(9) величины Н (т), с(1), Й(т), Я(т)будут всегда иметьконечные значения,Преобразователь напряжения 8 в длительность импульсов по выходному сигналублока оценки 7 времени запаздывания на 55канале определяет величину периода квантования Т широтно-импульсного регуляторасогласно его алгоритму функционирования,то есть;Опн = Кпр.О (т) = Т, Кп, = 1, (12) Т ) т (т), (13)Т1 =-,р,(14)где Оп, - выходной сигнал преобразователянапряжения 8 в длительность импульсов",К,р - коэффициент пропорциональности;. у - относительный период квантования,формирователь 58 преобразователя напряжения 8 формирует последовательностьпрямоугольных импульсов С длительностью А,пропорциональной периоду квантования Тширотно-импульсного регулятора 10, то естьА=Т (15)Указанные импульсы поступают на входгенератора пилообразного напряжения 62широтно-импульсного регулятора 10. Приэтом длительность рабочего хода импульсовгенератора пилообразного напряжения оп-/ределяется длительностью выходных прямоугольных импульсов формирователя 58преобразователя напряжения 8, Такимобразом, выходные прямоугольные импульсыпреобразователя напряжения 8 перестраивают период квантования Т широтно-им-пульсного регулятора 10,Генератор пилообразного напряжения62 широтно-импульсного регулятора 10 работает следующим образом,При поступлении управляющего импульса 0 п прямоугольной формы на входгенератора 62, транзистор Т 1 открывается;при этом открь 1 вается транзистор Т 2 и закрывается транзистор Тз, в результате чегоколлекторным током транзйстора Т 2 заряжается емкость С и напряжение на ней растет практически линейно. Послепрохождения управляющего импульса Опнзапирается транзистор Т 1, при этом запирается транзистор Тг и открывается. транзистор Тз, что приводит к быстромуразряжению емкости С через открытыйтранзистор Тз и токоограничивающий резистор Р 2. Скорость нарастания напряжения наемкости С можно изменить, изменяя ток базытранзистора Тг резистором В 1(см.фиг. 6).Преобразователь напряжения 8 в длительность импульсов производит перестройку периода квантованияширотно-импульсного регулятора 10 в зависимости от величины временного запаздывания О (т) на участке канала. Причем чембольше величина временного запаздывания, тем больше период квантования широтно-импульсного регулятора 10 инаоборот, чем меньше величина временного запаздывания, тем меньше период квантования широтно-импульсного регулятора10,входы блока оценки времени запаздывания подключены соответственно к выходам радиоприемного блока и датчика уровня воды в начале участка, выходдатчика уровня воды в конце участка подключен к входу радиопередающего блока, выход радиоприемного блока связан с вторым входом второго эле- мента сравнения, выход которого подключен к второму входу блока суммирования,2, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что блок оценки времени запаздывания содержит последовательно соединенные первый сумматор, первый блок деления, первый блок умножения, второй10 15 20 30 35 45 импульсов, подключенный своим выходом к 50входу настройки периода квантования широт- . 55 На фиг, 7 представлены эпюры функционирования предложенной системы,Таким образом, повышение точности управления уровнем воды в предлагаемом устройстве достигается тем, что период квантования Т широтно-импульсного регулятора 10 настраивается в зависимости от изменений временного запаздывания О (т) на участке канала, определяемых на основе изменений средней скорости течения воды на канале Чт) и скорости распространения фронта волны с(т). Это позволяет точно оценить текущие значения величины временного запаздывания на участке канала, То есть, повышение точности управления уровнем воды на участке канала достигается тем, что перестройка периода квантования широтно-импульсного регулятора 10 оСуществляется на основе точной оценки величины временного запаздывания научастке канала, Необходимо отметить, что в прототипе йерестройка периода квантования широтно-импульсногорегулятора осуществляется взависимости от изменений временного запаздывэния нэ участке канала, определяемцх на основе изменений сигнала рассогласования в конце участка канала. При этом точноСть"оценки величины временного запаздывания является очень низкой. Это приводит к низкой точностиуправления уровнем воды на канале,Применение предлагаемого устройствадля регулирования уровня воды на открытых каналах повышает оперативность водораспределения и уменьшает непроизводительные сбросы оросительной воды, Устройство просто в изготовлении и надежно в эксплуатации формула изобретения 1. Устройство для регулирования уровня 40 воды на участке канала, ограниченном верхним и нижним затворами, содержащее последовательно соединенные датчик уровня воды в начале участка,.первый элемент сравнения, блок суммирования, широтно-импульсный регулятор и исполнительный блок, связанный с верхним затворомпоследовательно соединенные блок оценки времени запаздывания и преобразователь напряжения в длительность но-импульсного регулятора, последовательно соединенные задатчик уровня воды в конце участка и второй элемент сравнения, последовэтельно соединенные радиопередающий и радиоприемный блоки, а также задатчик уровня воды в начале участка подключенный своим выходом ко второму входу первого элемента сравнения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целыб повышения точности, первьй и второй сумматор, второй блок умножения, второйблок деления, третий блок умножения, первый. блок извлечения квадратного корня, четвертый блок умножения, третий сумматор, первый нелинейный элемент и третий блок деления, последовательно соединенные первый задатчик коэффициента, пятый, блок умножения, четвертый сумматор, второй нелинейный элемент, четвертый блок деления, второй блок извлечения квадратного корня, связанный своим выходом с вто-, рым входом третьего сумматора, последовательно соединенные второй задатчик коэффициента, шестой блок умножения, пятый сумматор, третий блок извлечения квадратного корня, шестой сумматор, седьмой блок умножения, седьмой сумматор. третий нелинейный элемент, выход которого соединенс вторым входом второго блока деления, последовательно соединенные третий задэтчик коэффициента и восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, а выход - с вторым входом четвертого блока деления, четвертый задатчик коэффициента, выход которого соединен с вторыми входами второго, четвертого и седьмого сумматоров, пятый задатчик коэффициента, выход которого соединен с вторым входом пятого сумматора, шестой задатчик коэффициента, выход которого соединен с вторым входом третьего блока умножения, седьмой задатчик коэффициента; выход которого соединен с вторым входом четвертого блока умножения, восьмой задатчик коэффициента, связанный своим выходом с вторым входом третьего блока деления, выход первого задатчика коэффициента соединен с вторым входом шестого сумматора и через четвертый нелинейный элемент - с вторым входом первого блока деления, выход которого соединен со вторыми входами второго и седьмого блоков умножения, выход второ 1 го задатчика коэффициента подключен к вторым входам шестого блока умножения и первого блока1781674 г.1 умножения, выход которого соединен с вторым входом пятого блока умножения, причем первый и второй входы первого сумматора являются соответствующими входами блока оценки времени запаздывания, выходом которого является выходтретьего блока деления.1781674 Фиг А фиг.б Угпн 1 и Составитель П,КоваленкоРедактор Техред М.Моргентал Корректор Н,Тупи аказ 4274 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 НТ СССР изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101