旧金山湾水动力模型的自动化

关键字 过程控制与仪器仪表 数据采集 流量传感/测量 模拟

旧金山湾和萨克拉门托/圣华金三角洲是美国西海岸最大的河口，面积约1600平方公里。英里(4144平方英里)。这条河覆盖了加州超过40%的淡水。

在加州的索萨利托，有一个微缩版的河口，被称为旧金山湾模型。该模型由美国陆军工程兵团于50年代末建造，水平面比例为1000:1，垂直平面比例为100:1，占地13000平方英尺(1208平方米)。它的潮汐条件，水流和河流的模拟允许检查变化的水力条件的海湾。注意水位，淡水和盐水的混合，以及流经河口狭窄的水流。从模型中收集的数据可以确定疏浚新航道和建造新堤坝对环境的影响。

是时候升级了

升级的需求包括扩展I/O系统、实现自动潮汐控制、两秒自动数据收集以及在Internet上提供测试数据。

Cal-Bay系统公司(San Rafael, california)被授予合同，为基于pc的系统提供系统集成和编程，硬件和软件来自美国国家仪器公司(NI, Austin, Tex)。

数据采集系统监测三个水参数:深度、盐度和流量。这些参数决定了环境盐水入侵、与循环模式相关的水质问题、河道疏浚、侵蚀和潜在洪水区域的沉积物处置优化。

盐度可以通过测量电导率和温度来确定。两个热敏电阻平均流入和流出，以补偿通过探头的低水流。导电性电池使用三个直列铂电极，测量中心和两个外部电极之间的电阻，以确定导电性。

便携式水位检测器位于模型周围。测试前和测试后的活动包括在不同高度汇集模型，以校准和验证每个水位检测器。

测速仪使用声波多普勒技术来测定通过颗粒物的速度。因为模型水不够“脏”，所以加入玻璃珠来模拟颗粒物并改善声反射。

开发了一个软件应用程序，以兼容开放数据库的格式每两秒钟收集和存储模拟测试数据。第二个应用程序使用存储的校准系数将原始存储数据转换为规范化数据。流速和盐度计是在实验室用笔记本电脑校准的。传感器校准和系数数据下载到测试数据库中，供仿真算法使用。

Bay模型数据分析需要比较来自不同测试数据库的数据。Microsoft Visual Basic和ActiveX应用程序允许用户使用web浏览器技术进行数据请求和分析。该模型的地图允许互联网用户放大到不同的传感器位置，并从用户指定的传感器和日期中选择数据。

一个75马力(56千瓦)的泵位于离岸17英里的模型中，为模型提供了5立方英尺/秒(1.5立方米/秒)的流量。软件算法控制三个蝶阀来保持潮汐控制。

由高频波纹(波)引起的振荡被潮汐控制算法消除，该算法使用三个液位传感器的平均值作为测量变量。潮汐控制算法使用一个阴历日的重复潮汐数据作为PID回路的设定点。

最大的挑战

在大型液压系统中，控制器振荡倾向于以波从壁上反弹并在整个系统中混响的方式传播。由于从未实现过自动潮汐控制，学习曲线非常陡峭。LabView的分析工具允许对振荡谐波进行频率分析，并对液压系统动力学进行精确理解，最终形成一个调谐良好的PID潮汐控制回路。

使用新的海湾模型控制系统进行的研究包括确定重建1997-98年冬季被厄尔尼诺现象摧毁的萨克拉门托堤防的必要性，以及测试将旧金山机场跑道扩展到海湾的环境影响。

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