專(zhuān)利名稱(chēng)：大循環(huán)灌漿監(jiān)控系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及灌漿監(jiān)控系統(tǒng)，具體為大循環(huán)灌漿監(jiān)控系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制方法。
背景技術(shù)：
因灌漿工藝的有效性和經(jīng)濟(jì)性，灌漿技術(shù)在水利大壩基礎(chǔ)加固、防滲、堵漏中必不可少的過(guò)程。灌漿壓力是影響灌漿壓力的關(guān)鍵參數(shù)之一，由于地層變化、灌漿參數(shù)相互影響，使得灌漿過(guò)程呈現(xiàn)很大的不確定性、時(shí)變性及非線(xiàn)性，灌漿施工過(guò)程未能真正灌漿壓力的自動(dòng)控制。現(xiàn)行大循環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)存在嚴(yán)重依賴(lài)工程師操作經(jīng)驗(yàn)及專(zhuān)業(yè)素質(zhì)，易出現(xiàn)類(lèi)似于天生橋二級(jí)水電站灌漿施工的重大事故。為解決上述難點(diǎn)問(wèn)題，需研究灌漿壓力的自適應(yīng)控制方法，使得整個(gè)復(fù)雜灌漿過(guò)程中壓力能高精度跟蹤設(shè)計(jì)值，確保施工安全與工程質(zhì)量。灌漿工程中，按漿液在孔中的流動(dòng)路線(xiàn)，可分為純壓式灌漿、小循環(huán)式灌漿和大循環(huán)灌漿三種。國(guó)外多采用純壓式灌漿系統(tǒng)，因注入漿液不返回地面，只需在灌漿泵后的管路中安裝一臺(tái)流量計(jì)即可檢測(cè)出進(jìn)入灌漿孔的漿液的流量。在我國(guó)大壩水利大壩灌漿中灌漿壓力高，漿液長(zhǎng)期不循環(huán)容易變質(zhì)，且造成施工拔管等工藝的困難，多采用循環(huán)式灌漿。早期的小循環(huán)灌漿系統(tǒng)返回的漿液不返回漿桶，采用一個(gè)流量計(jì)，會(huì)產(chǎn)生返漿漿液流回漿桶后流量計(jì)重復(fù)計(jì)量等問(wèn)題，基本不使用。經(jīng)過(guò)近四十年的研究，大循環(huán)灌漿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工藝設(shè)計(jì)、參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸及灌漿數(shù)據(jù)管理軟件等許多技術(shù)方面取得了很大進(jìn)步，但現(xiàn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)控制，工程師憑借自己的施工經(jīng)驗(yàn)控制調(diào)壓閥開(kāi)度和灌漿液的變換，以求改變灌漿壓力。灌漿壓力(地下灌漿部位的壓力)是灌漿泵通過(guò)傳輸管道將灌漿液壓人裂隙地層的壓力。現(xiàn)有技術(shù)表明它是一把“雙刃劍”，壓力過(guò)大，破壞原有地質(zhì)結(jié)構(gòu)引起地質(zhì)災(zāi)害，并浪費(fèi)灌漿液材料；過(guò)小則影響灌漿液結(jié)合強(qiáng)度，不能起到地基加固、防滲堵漏的作用。因?yàn)閹r石裂隙的不確定變化會(huì)導(dǎo)致灌漿壓力與流量、密度等參數(shù)的關(guān)系復(fù)雜；這種人工控制灌漿壓力的方法控制精度差，在灌漿施工過(guò)程中事故時(shí)有發(fā)生，產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)損失甚至危及周邊人群安全。如何在灌漿過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整灌漿壓力，確保高精度跟蹤設(shè)計(jì)壓力曲線(xiàn)，這是監(jiān)控系統(tǒng)的難點(diǎn)問(wèn)題之一。為了解決高壓人工調(diào)節(jié)不準(zhǔn)引起壓力反復(fù)震蕩，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式自動(dòng)控制閥，利用一組組合彈簧來(lái)自動(dòng)改變閥芯的開(kāi)度，起到了一定壓力調(diào)節(jié)作用。浙江大學(xué)吳國(guó)忠等開(kāi)展一些探索性研究，建立了孔口壓力的模糊PID反饋控制系統(tǒng)，運(yùn)用模糊推理系統(tǒng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)。這些方法中都沒(méi)考慮密度變化、密度對(duì)壓力的耦合干擾問(wèn)題及地層不確定變化時(shí)引起系統(tǒng)模型發(fā)生變化。
人工開(kāi)環(huán)控制方式非常依賴(lài)于灌漿現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，且工程實(shí)踐表明，當(dāng)灌漿壓力高于3MPa時(shí)，極易出現(xiàn)控制不準(zhǔn)確的問(wèn)題。由于灌漿壓力的變化，機(jī)械式自動(dòng)控制閥內(nèi)的彈簧的壓縮長(zhǎng)度會(huì)自動(dòng)變化，從而自動(dòng)改變閥的開(kāi)度，達(dá)到調(diào)節(jié)灌漿壓力的目的。在高壓時(shí)，閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力得到改善，但不能自動(dòng)跟蹤變化灌漿壓力曲線(xiàn)變化，控制靈活性差。基于模糊PID的控制方法需要建立灌漿壓力需要建立系統(tǒng)的機(jī)理模型，而現(xiàn)有灌漿壓力的建模方法是以裂隙概念模型為對(duì)象，建立了灌漿參數(shù)的機(jī)理模型，因地表下灌漿工程的“隱蔽性”，這種機(jī)理模型存在兩個(gè)缺陷，一是模型中關(guān)于裂隙的幾何參數(shù)等在實(shí)際灌漿過(guò)程中難以獲??；二是假設(shè)條件多，誤差通常較大。而關(guān)于復(fù)雜裂隙巖層灌漿的有限元計(jì)算模型的實(shí)時(shí)性差，不能作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的控制模型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供大循環(huán)灌漿監(jiān)控系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制方法，以解決上述背景技術(shù)中的缺點(diǎn)。本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
大循環(huán)灌漿監(jiān)控系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制方法，包括以下步驟
第一步確定系統(tǒng)模型參數(shù)的上、下界收集已有灌漿過(guò)程的案例數(shù)據(jù)并分析灌漿工藝，確定灌漿過(guò)程的壓力、流量及密度參數(shù)的上、下邊界值；
第二步選取模型變量，確定灌漿壓力控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)將整個(gè)被控對(duì)象的物理模型抽象為有流量不確定變化的密閉雙容系統(tǒng)，將灌漿壓力的建模轉(zhuǎn)化成密閉容器底部壓力集中參數(shù)的建模；根據(jù)簡(jiǎn)化物理模型，將灌漿液注入過(guò)程分解為幾個(gè)子過(guò)程，結(jié)合質(zhì)量守恒定律，列出子過(guò)程的微分方程或線(xiàn)性方程，從中初步選取灌漿壓力模型的輔助變量；然后利用ANSYS軟件中CFD (計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模塊對(duì)灌漿液充填的管道輸送進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步挖掘模型的特征變量，選取對(duì)灌漿壓力模型影響較大的輸入變量集合X,從而構(gòu)造出灌漿壓力監(jiān)控系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)，即Ps = /(足其中為系統(tǒng)干擾，
Ui為返漿管道上閥的開(kāi)度，X為可測(cè)輸入變量集Pe為灌漿壓力值；
第三步灌漿壓力模型的支持向量機(jī)建模算法利用第二步獲取的輸入變量集合JT和灌漿壓力匕的工程測(cè)量數(shù)據(jù)值，按照留一法抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)組成灌漿壓力支持向量機(jī)模型的訓(xùn)練集，(XpYi),其中XiC, :以…J，根據(jù)已知樣本尋求一個(gè)最優(yōu)模型
(χ) = (-W-JTf-I-δ) ;使得該模型應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中時(shí)，泛化性好；支持向量機(jī)采用最大隔的思想和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理[9，10]，將建模問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問(wèn)題，即
權(quán)利要求
1.大循環(huán)灌漿監(jiān)控系統(tǒng)的壓カ閉環(huán)控制方法，其特征在于，包括以下步驟 第一歩確定系統(tǒng)模型參數(shù)的上、下界收集已有灌漿過(guò)程的案例數(shù)據(jù)并分析灌漿エ藝，確定灌漿過(guò)程的壓力、流量及密度參數(shù)的上、下邊界值； 第二歩選取模型變量，確定灌漿壓カ控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)將整個(gè)被控對(duì)象的物理模型抽象為有流量不確定變化的密閉雙容系統(tǒng)，將灌漿壓カ的建模轉(zhuǎn)化成密閉容器底部壓カ集中參數(shù)的建摸；根據(jù)簡(jiǎn)化物理模型，將灌漿液注入過(guò)程分解為幾個(gè)子過(guò)程，結(jié)合質(zhì)量守恒定律，列出子過(guò)程的微分方程或線(xiàn)性方程，從中初步選取灌漿壓力模型的輔助變量；然后利用ANSYS軟件中CFD (計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模塊對(duì)灌漿液充填的管道輸送進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)ー步挖掘模型的特征變量，選取對(duì)灌漿壓力模型影響較大的輸入變量集合又，從而構(gòu)造出灌漿壓カ監(jiān)控系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)，即Ps=/(足，め，其中rf為系統(tǒng)干擾，U1為返漿管道上閥的開(kāi)度，JT為可測(cè)輸入變量集，Pe為灌漿壓カ值； 第三步灌漿壓力模型的支持向量機(jī)建模算法利用第二步獲取的輸入變量集合JT和灌漿壓力Pe的工程測(cè)量數(shù)據(jù)值，按照留一法抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)組成灌漿壓力支持向量機(jī)模型的訓(xùn)練集，CXiJQ，其中XiCX4.ろeii , =:以…ム根據(jù)已知樣本尋求一個(gè)最優(yōu)模型B(X) = Qw-X-^b);使得該模型應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中時(shí)，泛化性好；支持向量機(jī)采用最大隔的思想和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理[9，10]，將建模問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問(wèn)題，即
全文摘要
大循環(huán)灌漿監(jiān)控系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制方法，包括以下步驟確定系統(tǒng)模型參數(shù)的上、下界；選取模型變量，確定灌漿壓力控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)；灌漿壓力模型的支持向量機(jī)建模算法；灌漿壓力模型的校正；基于灌漿壓力預(yù)測(cè)模型的直接控制策略；本發(fā)明控制方法精確，操作性好，給實(shí)際施工帶來(lái)了很大的便利。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102629107SQ201210113000
公開(kāi)日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月18日
發(fā)明者劉暉, 易繼軍, 李鳳玲, 李方義 申請(qǐng)人:長(zhǎng)沙理工大學(xué)