基于ARM的明渠區域動態調水控制系統開發

張從鵬，吳玉宣(北方工業大學機械與材料工程學院，北京 100144)

近年來，我國明渠流域部分灌區從國外引進了一系列的農業灌溉調水設備，但價格昂貴、安裝條件苛刻，而且從部分地區運行狀況來看，存在很多問題。部分灌區的灌溉調水系統基本上依靠配水員的手動操作，管理水平一般、效率低，與灌區信息化自動化建設要求具有很大差距。本文面向我國當前大力發展水利工程自動化建設的需求，研究明渠區域信息化、自動化、計量精確化的灌溉調水技術，開發由單點控制到集群控制的協同聯動灌溉調水設備；同時研究灌區輸水系統中多信息融合技術、動態調水解耦控制算法，建立科學輸水智能決策與控制系統，為我國水利工程建設提供有力支持。

1 動態調水解耦控制算法

明渠區域動態調水控制系統是由很多的渠道串聯而成，每個渠道是由多個機械閘門分割而成，閘門開度變化時，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，也會影響上、下游各級渠道，該效應稱為耦合效應，渠道間的耦合效應是影響渠道控制效果的重要因素之一。

結合明渠區域動態調水的實際需求，確定反饋控制環節和前饋控制環節后，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生改變，導致渠池下游閘前水位偏離目標值，水位偏差作為控制終端水位控制的輸入，通過水位控制器，計算出流量增量ΔQ，通過終端解耦控制器計算出解耦流量，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，設計解耦控制算法如下：

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個閘門的流量值，m3/s；ei(k)為第i個渠道下游端的第k次采樣時刻的閘前水位偏差值，m；Kpi為第i渠道的比例系數；KIi為第i渠道的積分系數；KD為渠道的解耦系數。

根據國內外學者近些年深入研究，并對閘門開度輸出和流量輸出進行了仿真比較，結合調水系統的實際情況，證明解耦流量的動態調水解耦控制算法能夠大大降低耦合效應對各級渠道控制的影響。

2 系統硬件設計

全自動明渠區域動態調水控制系統硬件組成如圖2所示，包括無線通信模塊、提水控制終端、蓄水調解終端、明渠區域動態調水控制終端、互補供電切換控制終端等。

圖2 控制系統硬件組成

2.1 無線通信模塊

全自動明渠區域動態調水控制系統的各個終端于明渠區域內離散分布安裝，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：運用循環交織糾檢錯編碼技術，大大提高了抗干擾性；其工作頻率范圍處于413～453 MHz,40個頻道可選，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、發射功率、無線速率等參數；在開闊地傳輸距離可達1 200 m。完全滿足灌溉調水控制系統無線通信的需要。

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據。傳感器24 V供電，輸出4～20 mA電流信號。采用精密電流環接收器芯片RCV420將4～20 mA輸入信號轉換為0～5 V輸出信號，濾波后輸入控制器ADC通道。控制終端依據液位信息，根據需要通過控制繼電器通斷進而操作水泵進行提水和停水。

2.3 蓄水調解控制終端

蓄水調解控制終端主要由蓄水池和機械閘門組成。終端控制電機驅動機械閘門啟閉，進行蓄水放水。

2.4 明渠區域動態調水控制終端

明渠區域動態調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)、數據采集接口、電機驅動接口、限位開關接口、數據存儲模塊、LCD顯示模塊等。

圖3 動態調水控制終端硬件組成

根據明渠區域灌溉調水實際需求以及動態解耦控制算法，控制終端采集閘前、閘后水位數據，進行解耦計算流量增量，得出解耦流量，通過編碼器輸出開度增量，控制閘門啟閉，進行分水調水灌溉。

2.5 互補供電切換控制終端

為提高系統可靠性，各明渠區域動態調水控制終端系統采用太陽能與市電互補供電模式，其工作原理是：控制終端以STM32F103單片機為控制單元，應用AD電壓監測電路實時檢測太陽能蓄電池的電量。當檢測到蓄電池電壓低于正常工作電壓時，自動切換到市電供電；當檢測到蓄電池電壓達到正常工作電壓時，再切換回太陽能蓄電池供電。充分利用太陽能，減小市電電網的壓力。互補供電切換控制終端主要由太陽能蓄電池組、電壓監測電路、ARM Cortex-M3處理器STM32F103、繼電器等部分組成。電壓監測電路原理圖如圖4所示。

圖4 電壓監測電路

3 系統軟件設計

3.1 上位調度管理管理軟件

上位調度管理軟件基于Microsoft.Net平臺，采用SQL Server數據庫管理系統，運用C#編程語言研發包括傳感器數據處理與信息融合方法、遠程通信等多功能的上位機管理軟件。系統框圖如圖5所示。

圖5 系統框圖

3.2 動態調水控制軟件

動態調水控制軟件在Keil uVision4環境開發完成，包括閘門自動控制，數據采集存儲，無線通信，分水計量人機交互等功能。并通過“動態調水解耦控制算法”、變量間合理匹配、整定控制終端系數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 應用試驗

4.1 現場應用試驗

開發的明渠流域動態調水控制系統在山西省太原市的汾河流域敦化灌區進行了推廣應用。從現場使用情況來看，各個單點灌溉調水終端協同聯動運行平穩、測量精確、通信順暢，滿足機電設備集群控制的信息化、自動化要求。

4.2 計量數據分析

2015年7月，山西省太原市敦化灌區采集系統正常使用數據如表1所示。表1中，H為解耦后閘門的控制開度，h為實際測量開度。控制誤差均小于5 mm,可確保渠道內水位的動態平穩，滿足計量精度要求。

表1 計量開度數據

注：括號內數值為控制開度，單位mm。

5 結 語

全自動明渠區域動態調水控制系統具有運行穩定、計量精度高、響應快速、操作簡單、成本低等優點，不僅能夠實現多點灌溉調水機電設備的集群聯調協同控制，減輕調水人員工作強度，而且對提高我國農業水資源利用率，實現灌區灌溉信息化、自動化、計量精確化，滿足我國當前大力發展水利工程自動化建設的需求具有重要作用。

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