基于田口分析的三段式关阀策略设计方法技术

本发明专利技术公开的基于田口分析的三段式关阀策略设计方法，作用是对长距离输水过程中涉及到的三段式关阀策略进行参数设计，在保证关阀时间的前提下，降低水锤对于管路的危害。实现过程中仅需依靠水锤压力信号就可以完成各个方案的评价，而压力信号也是监测输水系统常用的测量参数，所需实验设备、实验成本、时间花费都处于较低水平，利于在已有工程设施中推广应用。用。用。

【技术实现步骤摘要】
基于田口分析的三段式关阀策略设计方法


[0001]本专利技术属于长距离输水和水锤防护
，具体涉及一种基于田口分析的三段式关阀策略设计方法。

技术介绍

[0002][0003]在各类水资源调配工程中，长距离有压输水是最为常见的输水方式，在输水过程中时常会遇到开泵、停泵、开关阀门等情况，这些情况虽然较为常见，但是会造成水流流速在短时间内发剧烈的变化，进而引发水锤现象，在此刻产生的瞬时压强可达到管道中正常工作压强几十倍甚至数百倍，将会对管路产生严重冲击作用。水锤会产生严重的噪音，还伴随着管路的剧烈振动，给管路带来巨大持续冲击，不仅会对阀门、水表、法兰盘等管道构件造成破坏，严重时会导致管路破裂损毁，甚至破坏泵站；同时，其产生的负压有可能导致管壁被大气压挤压破裂，也会造成严重后果。在各类长距离输水工程中，水锤计算预防一直是相关管路设计的重点与难点，关系到局部乃至区域输水系统的安全与稳定。
[0004]目前水锤防护主要采用各类装置对管线进行防护，例如通过单向调压塔、注气阀、空气罐等装置进行稳压，或利用水锤消除器、泄压阀等降低冲击等；除了各类装置外，也有学者对关阀策略进行了设计并评估水锤冲击效果，选取水锤影响较小的关阀方案或组合，两类方法相辅相成，在输水系统设计中都应当充分利用。水锤防护装置的安装和布置具有一定的成本，在应用中无疑会受到成本、环境、工况等因素的制约，而对关阀的操作过程进行设计则可以从方法和策略上降低水锤发生概率，可以以较低的管理成本大幅提升输水系统的安全可靠性。
[0005]目前，在长距离重力流输水工程中，常见的阀门调节方式有线性关闭、两段折线关闭、三段折线关闭，其中以线性关阀方案最为常见，但是利用线性关阀方案往往动作不够迅速，难以满足快速进行水流隔断的要求。在一些大流量工况中、在一定的水锤压力控制标准下，利用线性关阀方案不能做到快速隔断水流，有时需要利用多段折线关阀方案达到减少阀门关闭时间；同时，在长距离重力流供水工程实际运行中，为有效降低水锤强度，阀门关闭速度已经较慢，不能盲目地减缓阀门关闭速度，这样将大大增加阀门的制造难度、降低输水系统调节效率、提高整个系统成本。若要充分发挥两段、三段折线关阀的优势，需要结合实际工程情况，对各个阶段的关阀角度和关阀时间等参数进行深入分析，以实现最优关阀参数组合方案。
[0006]两段式关阀涉及参数较少，可以通过对其进行实验获取较为理想的方案，而三段式关阀的参数相对较多，设计难度较大，因此本专利技术提出一种基于田口分析的三段式关阀策略设计方法，旨在解决三段式关阀设计参数较多的问题，在保证关阀效率的前提下实现合理的参数选择，以有效减少或消除水锤冲击对输水工程的威胁，本专利技术具有易于推广、成本较低、操作简单等特点。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于田口分析的三段式关阀策略设计方法，在保证关阀效率的前提下实现合理的参数选择，以有效减少或消除水锤冲击对输水工程的威胁。
[0008]本专利技术所采用的技术方案是：基于田口分析的三段式关阀策略设计方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1、确定关阀对象及关阀过程中的关键需求性指标；
[0010]步骤2、布置压力传感器和信号采集装置以获取阀门前端的压力信号；
[0011]步骤3、设置待设计因素备选方案，待设计因素包括第一段关阀开度、第一段关阀时间、第二段关阀开度和第二段关阀时间共四个目标参数，每个目标参数给予三个备选方案；
[0012]步骤4、设计九组正交实验方案，每组方案包括四个目标参数的各一个备选方案；
[0013]步骤5、进行九组关阀实验并获取对应的压力信号，计算关阀水锤产生的压力信号能量、压力信号峰值、压力信号峰峰值和压力信号符号熵共四个特征；
[0014]步骤6、依据田口分析中的望小特性计算四个特征的信噪比，得到9
×
4 信噪比特征值矩阵，对其通过主成分分析后提取第一主元分量，并将第一主元分量作为四个信噪比融合后的指标，记为组合信噪比；
[0015]步骤7、选取最优信噪比组合，以判断第一段关阀开度、第一段关阀时间、第二段关阀开度和第二段关阀时间的最优组合方案，进而实现三段关阀策略设计。
[0016]本专利技术的特点还在于，
[0017]步骤1中的关键需求性指标包括总关阀时间和最大允许峰值。
[0018]步骤4中采用L9(34)型正交表设计九组正交实验方案。
[0019]步骤5中压力信号符号熵的计算过程为：
[0020]获取信号的极值序列，将原始信号{x
n
}的局部极大值和极小值提取出来组成极值序列{y
n
}，计算原始信号均值并记为P0，将极值序列转化为一个0 和1组成的新序列：
[0021][0022]极值序列{y
n
}经过转换成为二进制符号序列{S
n
}，进而将{S
n
}其划分为短序列若符号序列长度为L，将{S
n
}中3个连续的数值作为一个基本单元，这样的一系列单元组成新的序列如下式所示：
[0023][0024]其中k＝1,2，L L
‑
2，将中每个单元都看作一个3位2进制的数值，将其转化为10进制序列，得到符号化序列，由0
‑
7的整数构成，计算每个数字出现的概率记为P
j
，其中j＝0，1，
……
7，并按照下式计算符号熵H：
[0025][0026]步骤6中通过下式计算四个特征的信噪比：
[0027][0028]其中，y
i
代表用于评价方案的四类特征。
[0029]步骤6中的组合信噪比是4个信噪比的线性组合，组合方式采用基于主成分分析的数据分析方法，并且以主成分分析结束后的第一主元分量作为组合信噪比，记矩阵X是由9行4列信噪比组成的矩阵，先按下式对其进行去中心化：
[0030][0031]其中表示向量X的均值，Z为标准化后的结果，同样是一个9行4列矩阵；接下来求解Z的协方差矩阵C，求解时以每一行作为一个样本，求解得到C是一个4行4列矩阵，反映了各个信噪比相关程度；求解C的特征向量，选取其最大特征根对应的特征向量，X乘以该特征向量即可得到第一主元分量，X是9行4列矩阵，将第一主元分量写成4行1列的形式并右乘 X，得到组合信噪比。
[0032]步骤7中根据组合信噪比选择最优的目标参数，即采取使得组合信噪比最小的方案来确定四个目标参数的最终备选方案，组合形成的方案就是三段式关阀的最优目标参数组合，再结合总关阀时间推断出第三段关阀时间和相应的开度，以开度为纵坐标，以时间为横坐标，绘制设计关阀曲线，作为实际操作的依据。
[0033]步骤7还包括根据组合信噪比计算九组正交实验方案对应的信噪比贡献率，得到四个目标参数的重要程度排序。
[0034]信噪比贡献率如下式所示：
[0035][0036]j依次表示4列数值，表示包含某个设计因素本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于田口分析的三段式关阀策略设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定关阀对象及关阀过程中的关键需求性指标；步骤2、布置压力传感器和信号采集装置以获取阀门前端的压力信号；步骤3、设置待设计因素备选方案，待设计因素包括第一段关阀开度、第一段关阀时间、第二段关阀开度和第二段关阀时间共四个目标参数，每个目标参数给予三个备选方案；步骤4、设计九组正交实验方案，每组方案包括四个目标参数的各一个备选方案；步骤5、进行九组关阀实验并获取对应的压力信号，计算关阀水锤产生的压力信号能量、压力信号峰值、压力信号峰峰值和压力信号符号熵共四个特征；步骤6、依据田口分析中的望小特性计算四个特征的信噪比，得到9
×
4信噪比特征值矩阵，对其通过主成分分析后提取第一主元分量，并将第一主元分量作为四个信噪比融合后的指标，记为组合信噪比；步骤7、选取最优信噪比组合，以判断第一段关阀开度、第一段关阀时间、第二段关阀开度和第二段关阀时间的最优组合方案，进而实现三段关阀策略设计。2.如权利要求1所述的基于田口分析的三段式关阀策略设计方法，其特征在于，所述步骤1中的关键需求性指标包括总关阀时间和最大允许峰值。3.如权利要求1所述的基于田口分析的三段式关阀策略设计方法，其特征在于，所述步骤4中采用L9(34)型正交表设计九组正交实验方案。4.如权利要求1所述的基于田口分析的三段式关阀策略设计方法，其特征在于，所述步骤5中压力信号符号熵的计算过程为：获取信号的极值序列，将原始信号{x
n
}的局部极大值和极小值提取出来组成极值序列{y
n
}，计算原始信号均值并记为P0，将极值序列转化为一个0和1组成的新序列：极值序列{y
n
}经过转换成为二进制符号序列{S
n
}，进而将{S
n
}其划分为短序列若符号序列长度为L，将{S
n
}中3个连续的数值作为一个基本单元，这样的一系列单元组成新的序列如下式所示：其中k＝1,2，L L
‑
2，将中每个单元都看作一个3位2进制的数值，将其转化为10进制序列，得到符号化序列，由0
‑
7的整数...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鹏程，徐卓飞，李小周，苏东，颜建国，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：