基于HHT方法的闸门运行控制方法与流程

本发明属于河道及水电站水闸运行技术领域，具体涉及一种基于HHT方法的闸门运行控制方法。

背景技术：

大坝、拦河闸、厂房等水工建筑物长期在水流脉动压力作用下，有可能发生疲劳破坏，从而导致结构失事，引发灾难性后果。如何快速、准确、直观的反映闸墩等结构在脉动水流荷载作用下的振动特性，及水流荷载的频率特性，从而为运行人员合理控制闸门开度，以减少闸墩等结构震动幅度提供依据，是亟待解决的问题。

减小闸墩等结构在水流荷载作用下的振幅，有效途径是让闸墩等结构的主要振型的频率远离水流脉动压力频率，故必须首先获得结构的各阶工作频率，及水流脉动压力的主频率。利用HHT(Hilbert-Huang Transform)方法分析闸墩等结构在水流脉动压力用下的位移响应，及水流脉动压力的主频，是研究闸墩等结构震动特性的前提。

Hilbert-Huang变换由经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)和希尔伯特变换(Hilbert Transform，HT)两部分组成，其核心是EMD。通过EMD方法分解结构的振动响应信号，得到的各个固有模态函数(Intrinsic Mode Function，IMF)，使原信号中由于信息成分复杂而导致被强信息成分淹没的弱信息成分在IMF分量中较明显地表现出来。

随着计算机及振动理论的发展，HHT(Hilbert-Huang Transform)方法已在航天、汽车工业及水利工程中得到应用，利用该方法能够对结构振动响应进行分解，将环境噪声及传感器自身缺陷所掺入的噪声进行剔除，从而提高信噪比，为后续识别结构各阶振动模态提供真实数据。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，提供一种基于HHT方法的闸门运行控制方法，针对闸墩等轻型水工结构，能够实时监控水流脉动压力频谱特性，实时分析结构各阶模态振动特性，依据结构的振动特性调整闸门开度，使水流脉动压力频率远离结构的主振频率，从而达到减小闸墩等轻型结构的震幅，延长结构使用寿命的目标。

本发明的技术方案是：基于HHT方法的闸门运行控制方法，包括如下步骤：

(1)通过在闸墩设置动位移传感器来采集动位移数据；以及通过在闸墩水流淹没部分设置脉动压力传感器来采集脉动压力数据；

(2)对采集到的动位移数据及脉动压力数据采用HHT方法进行实时降噪处理；

(3)利用经过步骤(2)降噪处理后的动位移数据，采用NExT方法(自然激励技术法)和STD方法(基于时域识别的模态参数识别方法)对闸墩结构各阶振动模态进行实时求解，算出闸墩各阶主要振型的频率；

利用AR现代谱方法(自回归(Auto Regressive)模型现代谱估计)对降噪处理后的脉动压力数据进行频谱分析，根据功率谱图上功率谱密度峰值得出水流脉动压力的主频率；

(4)闸门运行人员通过实时的将闸墩结构的主要振型的频率及水流脉动压力的主频率进行比较，进行实时调控闸门开度，使二者频率相差达到所规定的要求范围(使二者频率相差较大)，从而减小闸墩、闸门等结构的振动，达到优化闸门运行的目标。

将所述动位移传感器以及脉动压力传感器固有的最低监测频率输入到监控计算机，监控计算机据此将所采集到的动位移数据信号及脉动压力数据信号去伪存真，提高信噪比。

上述动位移传感器包括水平动位移传感器和垂直动位移传感器；步骤(1)中，具体是在闸墩顶部分别设置测量水平方向动位移的水平动位移传感器及测量垂直方向动位移的垂直动位移传感器；在闸墩底部水流淹没部分设置脉动压力传感器，所述水平动位移传感器、垂直动位移传感器以及脉动压力传感器分别与监控计算机连接。

本发明的有益效果：本发明能够直观反映闸墩等结构由于长时间运行使得振动特性发生变化的现象，从而指导运行人员调整闸门运行方式。本发明针对闸墩等轻型水工结构，能够实时监控水流脉动压力频谱特性，实时分析结构各阶模态振动特性，依据结构的振动特性调整闸门开度，使水流脉动压力频率远离结构的主振频率，从而达到减小闸墩等轻型结构的震幅，延长结构使用寿命的目标。本发明能够实时监控闸墩结构的震动特性和安全状况，以及水流荷载特性，对优化闸门运行起到重要作用；能明显增强闸墩等轻型建筑物的可靠性、耐久性、抗震性和安全性，具有良好的社会、经济和环境生态效益。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是闸墩动位移传感器及水流脉动压力传感器布置图；

图2是闸门运行控制系统处理流程；

图3是本发明所采用的监控系统的工作原理说明框图。

具体实施方式

实施例1：

如图2所示，本发明提供了一种基于HHT方法的闸门运行控制方法，包括如下步骤：

(1)通过在闸墩设置动位移传感器来采集动位移数据；以及通过在闸墩水流淹没部分设置脉动压力传感器来采集脉动压力数据；

(2)对采集到的动位移数据及脉动压力数据采用HHT方法进行实时降噪处理；

(3)利用经过步骤(2)降噪处理后的动位移数据，采用NExT方法(自然激励技术法)和STD方法(基于时域识别的模态参数识别方法)对闸墩结构各阶振动模态进行实时求解，算出闸墩各阶主要振型的频率；

利用AR现代谱方法(自回归(Auto Regressive)模型现代谱估计)对降噪处理后的脉动压力数据进行频谱分析，根据功率谱图上功率谱密度峰值得出水流脉动压力的主频率；

(4)闸门运行人员通过实时的将闸墩结构的主要振型的频率及水流脉动压力的主频率进行比较，进行实时调控闸门开度，使二者频率相差达到所规定的要求范围(使二者频率相差较大)，从而减小闸墩、闸门等结构的振动，达到优化闸门运行的目标。

实施例2：

在实施例1的基础上，将所述动位移传感器以及脉动压力传感器的固有的最低监测频率输入到监控计算机，监控计算机据此将动位移数据信号及水流脉动压力数据信号去伪存真，提高信噪比；其中可以通过信号采集系统(采集仪)将动位移传感器以及脉动压力传感器所输出的信号放大，转化为监控计算机可识别的信号再输入监控计算机。

所述动位移传感器包括水平动位移传感器和垂直动位移传感器；步骤(1)中，具体是在闸墩顶部分别设置测量水平方向动位移的水平动位移传感器及测量垂直方向动位移的垂直动位移传感器；在闸墩底部水流淹没部分设置脉动压力传感器，所述水平动位移传感器、垂直动位移传感器以及脉动压力传感器分别与信号采集系统(采集仪)及计算机连接。

如图1所示，在闸墩顶部布置水平及垂直位移传感器，闸墩底部水流淹没部分布置脉动压力传感器，传感器信号直接输入计算机。如图2、图3所示，闸墩动位移响应及水流脉动压力首先经HHT方法降噪处理；将降噪处理后的动位移响应做为基础数据，利用NExT(自然激励技术法)和STD方法对其进行分析，算出闸墩各阶主要模态的频率；同时利用AR现代谱方法对降噪处理后的脉动压力数据进行频谱分析，得出水流脉动压力的主频率。

以上所有过程均在计算机平台上进行，做到实时监控，运行人员能够直观的看到结构的主振频率及水流脉动压力的主频率，通过二者的比较，运行人员能够实时调控闸门开度，使水流脉动压力主要频率远离闸墩结构的主振频率，从而达到优化运行的目标。

通过引入该闸门运行监控系统，能够实时监控闸墩结构的震动特性和安全状况，以及水流脉动压力特性，对优化闸门运行起到重要作用；能明显增强闸墩等轻型建筑物的可靠性、耐久性、抗震性和安全性，具有良好的社会、经济和环境生态效益。

综上所述，本发明提供的基于HHT方法的闸门运行控制系统，包含了闸墩动位移监控技术、过闸水流脉动压力监控技术、基于HHT方法的降噪处理技术、利用NExT(自然激励技术法)和STD方法进行结构模态设别的技术及利用AR现代谱方法对脉动压力数据进行频谱分析的技术。本方法包括水流监控系统及结构动位移监控系统，本发明中，闸墩设有动位移传感器，闸墩水流淹没部分设有脉动压力传感器；系统对采集到的动位移及脉动压力数据采用HHT方法实时进行分解降噪处理；系统利用经过降噪处理后的动位移数据，采用NExT(自然激励技术法)和STD方法对结构各阶振动模态进行实时求解；系统利用AR现代谱方法实时分析水流脉动压力的频谱特性。本运行控制方法需将传感器的最低监测频率及周围噪声的频率输入监控系统，系统据此将动位移信号及脉动压力信号去伪存真，提高信噪比。本方法的所有过程均在计算机上进行，运行人员能够实时的看到结构的主振频率及水流脉动压力的主频率，通过二者的比较，运行人员能够实时调控闸门开度，达到优化运行的目标。

本发明的特点是将HHT方法引入闸门运行监控系统中，通过该方法对动位移信号及水流脉动压力信进行降噪处理，利用NExT(自然激励技术法)和STD方法对降噪处理后的动位移数据进行各阶振动模态的求解，利用AR现代谱方法对降噪处理后的脉动压力数据进行频谱分析，从而指导运行人员实时调控闸门开度，使水流脉动压力的主频率远离闸墩结构的主振频率。本发明能够直观反映闸墩等结构由于长时间运行使得振动特性发生变化的现象，从而指导运行人员调整闸门运行方式。本发明针对闸墩等轻型水工结构，能够实时监控水流脉动压力频谱特性，实时分析结构各阶模态振动特性，依据结构的振动特性调整闸门开度，使水流脉动压力主频率远离结构的主振频率，从而达到减小闸墩等轻型结构的震幅，延长结构使用寿命的目标。本发明能够实时监控闸墩结构的震动特性和安全状况，以及水流荷载特性，对优化闸门运行起到重要作用；能明显增强闸墩等轻型建筑物的可靠性、耐久性、抗震性和安全性，具有良好的社会、经济和环境生态效益。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。