水利闸门在日常使用过程中不仅直接影响着防洪防涝的安全,而且与水力发电的发电效益有着极大的关系。在闸门使用过程中,如何获取以及使用水利相关信息,并且妥善解决各种矛盾冲突,合理进行闸门控制指挥决策有着重大意义。在确保没有洪涝灾害的前提下,进行水利枢纽的实时调度,获得最大的水利枢纽运行的综合效益,是目前水利枢纽闸门自动化系统迫切需要得到解决的重要问题之一。与此同时,闸门的安全运行更是保障这些任务能够稳固完成的基础。部分河道闸门存在运行时间过长的问题,且由于建造时间早无法实现自动化控制。而且福州市河道水位较低且水质较差,没有相应的调度策略来解决该问题。因此,进行闸门自动化控制系统的设计及闸门控制策略的研究具有重要意义。本论文的主要研究内容及获得的结论如下:1.闸门的静应力学分析及结构改进。通过建立闸门三维模型,对闸门在三种运行工况下的静应力进行分析。从模拟结果分析中可以得到,通过仿真计算得到的钢闸门的面板、横梁及竖梁的强度满足规范规定要求。同时,由于工况三下闸门竖梁最大应力为143.4 MPa极为接近许用应力144 Mpa,因此对闸门进行结构改进。通过增加加强筋以及增加竖梁厚度两种方式进行闸门结构改进,分析发现通过加强筋进行结构改进时,闸门最大应力减小到125 MPa,虽然有所减小,但是减小幅度较小。通过增加闸门竖梁厚度可以较大幅度的减小闸门最大应力。当闸门竖梁厚度达到16 mm时,闸门最大应力为85.9 MPa,当闸门厚度达到20 mm时,闸门最大应力为71.6 MPa,符合强度需要。因此,最终推荐的闸门改进策略为闸门竖梁厚度增加到16 mm。2.闸门自动化控制系统硬件设计。完成了闸门自动化控制系统整体分析,根据闸门控制系统的需求进行合理的硬件选择并对其连接电路及控制流程进行研究。对于水位传感器、闸门开度传感器以及PLC型号进行选择,其中水位选择了YUNYI-806A1型高频雷达液位计进行测量,闸门开度选择ZKY-3型闸位测控仪进行检测,并且选择西门子公司生厂的S7系列中的S7-200PLC作为控制核心。通过对闸门控制需求的分析,YUNYI-806A1型高频雷达液位计,ZKY-3型闸位测控仪及S7-200PLC可以实现闸门的自动化控制。3.闸门日常调度策略研究。为有效解决福州市内河水位较低及水质污染问题,针对福州市中心城区晋安河-光明港流域河网,通过Info Works ICM建立福州市一维水动力模型,通过对比9种不同的调度策略,选择了最优的调度策略。同时,建立水质模型,进行水环境调度模拟,以生化需氧量等级从Ⅳ类变为Ⅲ类的时长此作为目标函数之一进行调度策略的评价,最终给出了最优的闸门调度策略。4.基于PID的闸门控制方式研究。在确定了闸门的控制策略后,需要制定能够快速准确的实现闸门控制的方式。通过对PID控制原理分析,对于闸门开度控制确定采用增量式PID控制方式。同时通过仿真模拟确定了最终的PID控制参数,其控制参数为KP=0.01,KI=0.05,KD=0.015。最终对闸门启闭过程进行了分析。5.闸门自动化控制系统及控制策略测试。针对基于PID控制的闸门控制策略进行测试,测试结果表明闸门运行效率能有效提升30%～40%。针对上述研究中完成的闸门自动化控制系统进行测试,证明了控制系统的安全性与可靠性。对调度策略进行测试,最终的结果表明调度策略可以保持河道水位保持在一定范围内,能够满足排洪防涝以及保持河道水位的需求。