本發(fā)明屬于河道及水電站水閘運(yùn)行技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于HHT方法的閘門運(yùn)行控制方法。

背景技術(shù)：

大壩、攔河閘、廠房等水工建筑物長(zhǎng)期在水流脈動(dòng)壓力作用下，有可能發(fā)生疲勞破壞，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失事，引發(fā)災(zāi)難性后果。如何快速、準(zhǔn)確、直觀的反映閘墩等結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)水流荷載作用下的振動(dòng)特性，及水流荷載的頻率特性，從而為運(yùn)行人員合理控制閘門開度，以減少閘墩等結(jié)構(gòu)震動(dòng)幅度提供依據(jù)，是亟待解決的問(wèn)題。

減小閘墩等結(jié)構(gòu)在水流荷載作用下的振幅，有效途徑是讓閘墩等結(jié)構(gòu)的主要振型的頻率遠(yuǎn)離水流脈動(dòng)壓力頻率，故必須首先獲得結(jié)構(gòu)的各階工作頻率，及水流脈動(dòng)壓力的主頻率。利用HHT(Hilbert-Huang Transform)方法分析閘墩等結(jié)構(gòu)在水流脈動(dòng)壓力用下的位移響應(yīng)，及水流脈動(dòng)壓力的主頻，是研究閘墩等結(jié)構(gòu)震動(dòng)特性的前提。

Hilbert-Huang變換由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)和希爾伯特變換(Hilbert Transform，HT)兩部分組成，其核心是EMD。通過(guò)EMD方法分解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，得到的各個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)，使原信號(hào)中由于信息成分復(fù)雜而導(dǎo)致被強(qiáng)信息成分淹沒(méi)的弱信息成分在IMF分量中較明顯地表現(xiàn)出來(lái)。

隨著計(jì)算機(jī)及振動(dòng)理論的發(fā)展，HHT(Hilbert-Huang Transform)方法已在航天、汽車工業(yè)及水利工程中得到應(yīng)用，利用該方法能夠?qū)Y(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分解，將環(huán)境噪聲及傳感器自身缺陷所摻入的噪聲進(jìn)行剔除，從而提高信噪比，為后續(xù)識(shí)別結(jié)構(gòu)各階振動(dòng)模態(tài)提供真實(shí)數(shù)據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種基于HHT方法的閘門運(yùn)行控制方法，針對(duì)閘墩等輕型水工結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控水流脈動(dòng)壓力頻譜特性，實(shí)時(shí)分析結(jié)構(gòu)各階模態(tài)振動(dòng)特性，依據(jù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性調(diào)整閘門開度，使水流脈動(dòng)壓力頻率遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的主振頻率，從而達(dá)到減小閘墩等輕型結(jié)構(gòu)的震幅，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命的目標(biāo)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于HHT方法的閘門運(yùn)行控制方法，包括如下步驟：

(1)通過(guò)在閘墩設(shè)置動(dòng)位移傳感器來(lái)采集動(dòng)位移數(shù)據(jù)；以及通過(guò)在閘墩水流淹沒(méi)部分設(shè)置脈動(dòng)壓力傳感器來(lái)采集脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)；

(2)對(duì)采集到的動(dòng)位移數(shù)據(jù)及脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)采用HHT方法進(jìn)行實(shí)時(shí)降噪處理；

(3)利用經(jīng)過(guò)步驟(2)降噪處理后的動(dòng)位移數(shù)據(jù)，采用NExT方法(自然激勵(lì)技術(shù)法)和STD方法(基于時(shí)域識(shí)別的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法)對(duì)閘墩結(jié)構(gòu)各階振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)求解，算出閘墩各階主要振型的頻率；

利用AR現(xiàn)代譜方法(自回歸(Auto Regressive)模型現(xiàn)代譜估計(jì))對(duì)降噪處理后的脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)功率譜圖上功率譜密度峰值得出水流脈動(dòng)壓力的主頻率；

(4)閘門運(yùn)行人員通過(guò)實(shí)時(shí)的將閘墩結(jié)構(gòu)的主要振型的頻率及水流脈動(dòng)壓力的主頻率進(jìn)行比較，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控閘門開度，使二者頻率相差達(dá)到所規(guī)定的要求范圍(使二者頻率相差較大)，從而減小閘墩、閘門等結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，達(dá)到優(yōu)化閘門運(yùn)行的目標(biāo)。

將所述動(dòng)位移傳感器以及脈動(dòng)壓力傳感器固有的最低監(jiān)測(cè)頻率輸入到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)據(jù)此將所采集到的動(dòng)位移數(shù)據(jù)信號(hào)及脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)信號(hào)去偽存真，提高信噪比。

上述動(dòng)位移傳感器包括水平動(dòng)位移傳感器和垂直動(dòng)位移傳感器；步驟(1)中，具體是在閘墩頂部分別設(shè)置測(cè)量水平方向動(dòng)位移的水平動(dòng)位移傳感器及測(cè)量垂直方向動(dòng)位移的垂直動(dòng)位移傳感器；在閘墩底部水流淹沒(méi)部分設(shè)置脈動(dòng)壓力傳感器，所述水平動(dòng)位移傳感器、垂直動(dòng)位移傳感器以及脈動(dòng)壓力傳感器分別與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明能夠直觀反映閘墩等結(jié)構(gòu)由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行使得振動(dòng)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象，從而指導(dǎo)運(yùn)行人員調(diào)整閘門運(yùn)行方式。本發(fā)明針對(duì)閘墩等輕型水工結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控水流脈動(dòng)壓力頻譜特性，實(shí)時(shí)分析結(jié)構(gòu)各階模態(tài)振動(dòng)特性，依據(jù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性調(diào)整閘門開度，使水流脈動(dòng)壓力頻率遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的主振頻率，從而達(dá)到減小閘墩等輕型結(jié)構(gòu)的震幅，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命的目標(biāo)。本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控閘墩結(jié)構(gòu)的震動(dòng)特性和安全狀況，以及水流荷載特性，對(duì)優(yōu)化閘門運(yùn)行起到重要作用；能明顯增強(qiáng)閘墩等輕型建筑物的可靠性、耐久性、抗震性和安全性，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境生態(tài)效益。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1是閘墩動(dòng)位移傳感器及水流脈動(dòng)壓力傳感器布置圖；

圖2是閘門運(yùn)行控制系統(tǒng)處理流程；

圖3是本發(fā)明所采用的監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理說(shuō)明框圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

如圖2所示，本發(fā)明提供了一種基于HHT方法的閘門運(yùn)行控制方法，包括如下步驟：

(1)通過(guò)在閘墩設(shè)置動(dòng)位移傳感器來(lái)采集動(dòng)位移數(shù)據(jù)；以及通過(guò)在閘墩水流淹沒(méi)部分設(shè)置脈動(dòng)壓力傳感器來(lái)采集脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)；

(2)對(duì)采集到的動(dòng)位移數(shù)據(jù)及脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)采用HHT方法進(jìn)行實(shí)時(shí)降噪處理；

(3)利用經(jīng)過(guò)步驟(2)降噪處理后的動(dòng)位移數(shù)據(jù)，采用NExT方法(自然激勵(lì)技術(shù)法)和STD方法(基于時(shí)域識(shí)別的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法)對(duì)閘墩結(jié)構(gòu)各階振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)求解，算出閘墩各階主要振型的頻率；

利用AR現(xiàn)代譜方法(自回歸(Auto Regressive)模型現(xiàn)代譜估計(jì))對(duì)降噪處理后的脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)功率譜圖上功率譜密度峰值得出水流脈動(dòng)壓力的主頻率；

(4)閘門運(yùn)行人員通過(guò)實(shí)時(shí)的將閘墩結(jié)構(gòu)的主要振型的頻率及水流脈動(dòng)壓力的主頻率進(jìn)行比較，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控閘門開度，使二者頻率相差達(dá)到所規(guī)定的要求范圍(使二者頻率相差較大)，從而減小閘墩、閘門等結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，達(dá)到優(yōu)化閘門運(yùn)行的目標(biāo)。

實(shí)施例2：

在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，將所述動(dòng)位移傳感器以及脈動(dòng)壓力傳感器的固有的最低監(jiān)測(cè)頻率輸入到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)據(jù)此將動(dòng)位移數(shù)據(jù)信號(hào)及水流脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)信號(hào)去偽存真，提高信噪比；其中可以通過(guò)信號(hào)采集系統(tǒng)(采集儀)將動(dòng)位移傳感器以及脈動(dòng)壓力傳感器所輸出的信號(hào)放大，轉(zhuǎn)化為監(jiān)控計(jì)算機(jī)可識(shí)別的信號(hào)再輸入監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

所述動(dòng)位移傳感器包括水平動(dòng)位移傳感器和垂直動(dòng)位移傳感器；步驟(1)中，具體是在閘墩頂部分別設(shè)置測(cè)量水平方向動(dòng)位移的水平動(dòng)位移傳感器及測(cè)量垂直方向動(dòng)位移的垂直動(dòng)位移傳感器；在閘墩底部水流淹沒(méi)部分設(shè)置脈動(dòng)壓力傳感器，所述水平動(dòng)位移傳感器、垂直動(dòng)位移傳感器以及脈動(dòng)壓力傳感器分別與信號(hào)采集系統(tǒng)(采集儀)及計(jì)算機(jī)連接。

如圖1所示，在閘墩頂部布置水平及垂直位移傳感器，閘墩底部水流淹沒(méi)部分布置脈動(dòng)壓力傳感器，傳感器信號(hào)直接輸入計(jì)算機(jī)。如圖2、圖3所示，閘墩動(dòng)位移響應(yīng)及水流脈動(dòng)壓力首先經(jīng)HHT方法降噪處理；將降噪處理后的動(dòng)位移響應(yīng)做為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用NExT(自然激勵(lì)技術(shù)法)和STD方法對(duì)其進(jìn)行分析，算出閘墩各階主要模態(tài)的頻率；同時(shí)利用AR現(xiàn)代譜方法對(duì)降噪處理后的脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得出水流脈動(dòng)壓力的主頻率。

以上所有過(guò)程均在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)行人員能夠直觀的看到結(jié)構(gòu)的主振頻率及水流脈動(dòng)壓力的主頻率，通過(guò)二者的比較，運(yùn)行人員能夠?qū)崟r(shí)調(diào)控閘門開度，使水流脈動(dòng)壓力主要頻率遠(yuǎn)離閘墩結(jié)構(gòu)的主振頻率，從而達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)。

通過(guò)引入該閘門運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控閘墩結(jié)構(gòu)的震動(dòng)特性和安全狀況，以及水流脈動(dòng)壓力特性，對(duì)優(yōu)化閘門運(yùn)行起到重要作用；能明顯增強(qiáng)閘墩等輕型建筑物的可靠性、耐久性、抗震性和安全性，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境生態(tài)效益。

綜上所述，本發(fā)明提供的基于HHT方法的閘門運(yùn)行控制系統(tǒng)，包含了閘墩動(dòng)位移監(jiān)控技術(shù)、過(guò)閘水流脈動(dòng)壓力監(jiān)控技術(shù)、基于HHT方法的降噪處理技術(shù)、利用NExT(自然激勵(lì)技術(shù)法)和STD方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)設(shè)別的技術(shù)及利用AR現(xiàn)代譜方法對(duì)脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析的技術(shù)。本方法包括水流監(jiān)控系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)動(dòng)位移監(jiān)控系統(tǒng)，本發(fā)明中，閘墩設(shè)有動(dòng)位移傳感器，閘墩水流淹沒(méi)部分設(shè)有脈動(dòng)壓力傳感器；系統(tǒng)對(duì)采集到的動(dòng)位移及脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)采用HHT方法實(shí)時(shí)進(jìn)行分解降噪處理；系統(tǒng)利用經(jīng)過(guò)降噪處理后的動(dòng)位移數(shù)據(jù)，采用NExT(自然激勵(lì)技術(shù)法)和STD方法對(duì)結(jié)構(gòu)各階振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)求解；系統(tǒng)利用AR現(xiàn)代譜方法實(shí)時(shí)分析水流脈動(dòng)壓力的頻譜特性。本運(yùn)行控制方法需將傳感器的最低監(jiān)測(cè)頻率及周圍噪聲的頻率輸入監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)據(jù)此將動(dòng)位移信號(hào)及脈動(dòng)壓力信號(hào)去偽存真，提高信噪比。本方法的所有過(guò)程均在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，運(yùn)行人員能夠?qū)崟r(shí)的看到結(jié)構(gòu)的主振頻率及水流脈動(dòng)壓力的主頻率，通過(guò)二者的比較，運(yùn)行人員能夠?qū)崟r(shí)調(diào)控閘門開度，達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)。

本發(fā)明的特點(diǎn)是將HHT方法引入閘門運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)該方法對(duì)動(dòng)位移信號(hào)及水流脈動(dòng)壓力信進(jìn)行降噪處理，利用NExT(自然激勵(lì)技術(shù)法)和STD方法對(duì)降噪處理后的動(dòng)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行各階振動(dòng)模態(tài)的求解，利用AR現(xiàn)代譜方法對(duì)降噪處理后的脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，從而指導(dǎo)運(yùn)行人員實(shí)時(shí)調(diào)控閘門開度，使水流脈動(dòng)壓力的主頻率遠(yuǎn)離閘墩結(jié)構(gòu)的主振頻率。本發(fā)明能夠直觀反映閘墩等結(jié)構(gòu)由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行使得振動(dòng)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象，從而指導(dǎo)運(yùn)行人員調(diào)整閘門運(yùn)行方式。本發(fā)明針對(duì)閘墩等輕型水工結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控水流脈動(dòng)壓力頻譜特性，實(shí)時(shí)分析結(jié)構(gòu)各階模態(tài)振動(dòng)特性，依據(jù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性調(diào)整閘門開度，使水流脈動(dòng)壓力主頻率遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的主振頻率，從而達(dá)到減小閘墩等輕型結(jié)構(gòu)的震幅，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命的目標(biāo)。本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控閘墩結(jié)構(gòu)的震動(dòng)特性和安全狀況，以及水流荷載特性，對(duì)優(yōu)化閘門運(yùn)行起到重要作用；能明顯增強(qiáng)閘墩等輕型建筑物的可靠性、耐久性、抗震性和安全性，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境生態(tài)效益。

本實(shí)施方式中沒(méi)有詳細(xì)敘述的部分屬本行業(yè)的公知的常用手段，這里不一一敘述。以上例舉僅僅是對(duì)本發(fā)明的舉例說(shuō)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計(jì)均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。