Устройство для моделирования стока с площади водосбора участка бассейна Советский патент 1983 года по МПК G06G7/57 

Изобретение относится к вычислительной технике и иожет быть испЬльзовано для прогнозирования дождевых паводков. Известно устройство для моделирования движения руслового потока, содержащее последовательно соединенные узел ввода, решающий узел, узел выбора масштаба, узел записи, а также узел отсчета ij. Наиболее близким к изобретению является устройство для моделирования расходов и уровней воды в рус лах рек и каналов, состоящее из последовательно соединенных блока задания гидрографа во входном створе, блока управления, блока моделирования гидравлических характеристик речного русла, блока задания масштаба записи результатов, регистрирующего блока и блока отсчета машинных единиц времени, а также блока задания установившихся расходов воды в замыкающем створе, выходы которого соединены с входами блока задания гидрографа во входном створе и блока модел ррвания гидравлических характеристик речного русла, а вход подключен к одному из выходов блока моделирования гидравлических характеристик речного русла. , ., Из физических соображений ясно,, что участок русла реки, на котором происходит трансформация расходов воды, представляет собой более простую систему, чем водосбор (площадь, на которую выпадают осадки и формируется сток). Суммарное воздействие водосбора . на водоподачу (выпавшие осадки вклю чает такие процессы как формирование потерь, преобразование осадков в сток его регулирование и трансформация эффективных осадков 2. Однако устройства для моделирования движения руслового потока не могут обеспечить моделирование всех этих процессов. Целью изобретения является рас- ширение функциональных возможностей устройства за счет моделирования формирования стока и дождевого паводка с площади водосбора участка бассейна и учета влияния места выпадения осадков на участке площади водостока. Поставленная цель достигается тем, что устройство для моделирования стока с площади водосбора участка бассейна, содержащее последовательно соединенные блок масштабирования и регистратор и группу узлов ввода, дополнительно содержит К каналов моделирования, каждый из которых включает узел моделирования потерь, узел моделирования стока и узел трансформации эффективных дсадков, 1-й измери го тельный канал (2,К) включает сумматор, причём узел моделирования потерь включает сумматор напряжения, три реле, три ключевых транзистора. две группы делителей напряжения, две группы схем сравнения, две группы источников регулируемого напряжения, группу ключей, эмиттерный повторитель, накопительный конденсатор, четыре магазина сопротивлений и выпрями тельный диод, катод которого соединен с объединенными входами магазинов сопротивлений, выход первого магазина сопротивлений подключен к размыкающему контакту первого реле, замыкающий контакт которого соединен с выходом второго магазина сопротивле НИИ, а переключающий контакт первого реле соединен с размыкающим контактом второго реле, замыкающий контакт второго реле соединен с выходом третьего магазина сопротивлений а пер заключающи контакт второго реле соединен с размы кающим контактом третьего реле, замыкающий контакт которого соединен ходом четвертого магазина сопротив. лений, переключающий контакт третьего реле соединен с входом эмиттерного повторителя и одной обкладкой накопительного конденсатора, другая обкладка которого подключена к шине нулевого потенциала, выходы источников ре гулируемого напряжения первой группы соединены соответственно с первыми

входами схем сравнения первой группы, 55 выпрямительных диодов, катоды котовторые входы которых объединены и под- рых подключены соответственно к вхоключены к выходу эмиттерного повторителя у( первому входу сумматора напряпервои группы через соответствующий делитель напряжения первой группы подключены к базе соответствующего ключевого транзистора, эмиттеры которых соединены с шиной нулевого потенциала, а коллекторы подключены к первым выводам обмотки управления соответствующего реле, вторые выводы

ду и выходу цепочки, выход первой цепочки соединен с размыкающим контакжении, второй вход которого является вторым входом узла, а выход подключен к первым входам схем сравнения второй группы, вторые входы которых соединены соответственно с выходами источников регулируемого напряжения второй группы, выходы схем сравнения второй группы через соответствующий делитель напряжения второй группы соединены соответственно с управляющими входами ключей группы, выходы схем сравнения обмоток управления реле объединены и соединены с шиной постоянного потенциала, узел моделирования стока, содержащий делитель напряжения из М последовательно соединенных резисторов. эмиттерный повторитель и М шин стока, каждая из которых содержит резистор и два выпрямительных диода, аноды которых объединены и подключены кпервому выводу резистора шины стока, вто Рые выводы резисторов шин стока объединены, один вывод делителя напряжения подключен к шине нулевого потенциала, а второй вывод соединен с входом эмИттерного повторителя, катод второго выпрямительного диода 1-й-, шины стока (,..., М-1) соединён с выводами 1-го и (1+1)-го оезистооов делителя напояжения катод втооого выпрямительного диода М-й шины стока соединен с входом змиттерного повторителя, и узел трансформации эффективных осадков, содержащий три реле, три ключевых транзистора группу делителей напряжения, группу схем равнения, группу источников регулируемого напряжения, эмиттерный повторитель, накопительный конденсатор, восемь выпрямительных диодов и четыре цепочки, каждая из которых состоит из двух последовательно соединенных магазинов сопротивлений, причем входы цепочек объединены, к точка соединения магазинов сопротивлений в каждой цепочке подключены аноды двух том первого реле, замыкающий кентакт которого соединен с выходом второй цепочки, переключающий контакт первого реле соединен с размыкающим кон тактом второго реле, замыкающий контакт которого соединен с размыкающим контактом третьего реле, замыкающий контакт которого соединен с выходом четвертой цепочки, переключёющий контакт третьего реле соединен с входом эмиттерного повторителя и одной обкладкой накопительного конденсатора, вторая обкладка которого подключена к шине нулевого потенциала, выход эмиттерного повторителя соединен с первыми входами схем сравнения группы, вторые входы которых подключены соответственно к выходам источников регулируемого напряжения группы, выходы схем сравнения группы через соответствующий делитель напряжения группы подключены к базе соответствующего ключевого транзистора, эмиттеры которых соединены с шиной нулевого потенциала, а коллекторы подключены к первым выводам обмотки управления соответствующего реле, вторые выводы обмо-ток управления реле объединены и сое динены с шиной постоянного потенциал i-й канал моделирования (...K) включает сумматор напряжения, причем выход узла ввода г|эуппы первого измерительного канала соединен с анодо выпрямительного диода узла моделирования потерь и вторыми выводами резисторов шин стока узла моделирования стока того же измерительного канала, катоды первых выпрямительных диодов каждой шины стока узла моделирования стока в каждом измерительном канале соединены соответственно с выходами ключей группы узла моделирования потерь того же измерительного канала, выход эмиттерного повторителя -узла моделирования стока в каждом измерительном канале под ключен к объединенным входам цепочек узла трансформации эффективных осадков того же измерительного канала, первый вход сумматора напряжений 1-г измерительного канала соединен с выходом соответствующего узла ввода группы, второй вход сумматора напряжений подключен к выходу эмиттерного повторителя узла трансформации эффективных, осадков (i-l)-ro измерительного канала, а выход сумматора напряжений i-ro измерительного канала подключен к а.ноду выпрямительного диода узла моделирования потерь и вторым выводам резисторов шин стока узла моделирования стока того же измерительного канала, выход эмиттерного повторителя узла трансформации эффективных осадков К-го измерительного канала соединен с входом блока масштабирования. Такое построение модели стока с участка бассейна реки объясняется тем, что одинаковое количество осад-, ков, выпавших на различные масти бассейна может дать различные результаты стока. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства моделирования формирования стока с бассейна, состоящего из двух частных площадей водосбора ,; на фиг. 2 - схема узла моделирования потерь; на фиг. 3 схема узла моделирования стока; на фиг, схема узла моделирования трансформации эффективных осадков. Блок-схема содержит группу каналов моделирования по числу имитируемых частных площадей водосбора, каждый из которых включает узел 1 ввода, узел 2 моделирования потерь, узел 3 моделирования стока и узея k трансформации эффективных осадков.. Все каналы, кроме первого, включают сумматор 5. В состав устройства входят блок 6 масштабирования и регистратор 7. Узел 1 ввода моделирует количество осадков, выпадающих на соответствующей частной площади водосбора за соответствующие интервалы и выполнен в виде шагового вариатора напряжений. Узел 2 моделирования потерь состоит из выпрямительного . дИода 8, подключаемого к входу четырех прецизионных цепочек . Каждая цепочка выполнена в виде последовательно соединенных резисторов. От каждого резистора сделан вывод на наборное поле. Это дает возможность набрать нужное значение сопротивления в любых пределах. Выход каждой цепочки может быть подключен к накопительному конденсатору 13 через контактные группы , 15-5, 16-1, реле 14, 15,и 16. Обмотки этих реле включены соответственно в коллектор ключевых транзисторов 17-19. Диод 8 включен для-того, чтобы конденсатор 13 не мог разрядить ся в случае прекращения подачи осадков. Конденсатор 13 соединен с базой эмиттерного повторителя 20. К его ВЫХОДУ подключены входы схем 21-23 сравнения и сумматор 2 напряжения. К выходу каждой схемы сравнения, подключен один из делителей напряжения 25-27. Порог.срабатывания каждой схе му сравнения задается соответственно источниками 28-30 регулируемого напряжения. Суммато 24 имеет два входа, один из которых соединен с выходом эмиттерного повторителя 20, а второй подключен к входу ввода начальных условий. Выход сумматора под ключен к первым входам схем 31, сравнения, другие входы которых подключены к выходам источников 32. - 32 регулируемого напряжения, выходы которых через делители напряжения , соединены с управляющими входами ключей 34 - ,. Конденсатор 13 соединен с резисто рами 9-12 через контактные группы реле 14-16. Узел 3 моделирования стока содержит М шин стока. Каждая шина стока включает один из резисторов 35.-35д., один из диодов 36 - Збд., один из диодов 37,j - 37.Д. Узел 3, содержит также делитель напряжения из последователь но соединенных резисторов 38. - 38.. и V эмиттерный повторитель 39. Узел 4 трансформации эффективных осадков состоит из-четырех цепочек соединенных с конденсатором 4О через контактные группы 41-1, 42-1, 43-1, реле 41-43, включенных в цепь коллекторов транзисторов 44-46. Каждая цепочка состоит из двух последовательно соединенных магазинов сопротивлений: первая - 47-48, вторая - 49-50, третья - 51-52, четвертая - 53-54. Каждый магазин шунтирован диодами 55-62 таким образом, чтобы в цепь зарядки конденсатора 40 могли включаться резисторы 47,49, 51 и 53, при этом резисторы 48, 50, 52 и 54 оказались бы выключены. При разрядке конденсатора 40 в цепь разрядки его включаются резисторы 48, 50, 52 и 54, при этом резисторы 47, 49, 51 и 53 отключены. К конденсатору 40 подключен эмиттерный повторитель 63. К выходу этого эмиттерного повторителя подключены входы схем 64-66 сравнения. Порог срабатывания схем сравнения fS задается источниками регулируемого напряжения. К выходу схем сравнения подключены делители 70-72 напряжения, соединенные соответствённо с базами транзисторов , 8 исходном состоянии с помощью источников 27-29, напряжения узла 2 моделирования потерь подается напряжение, соответствующее порогу срабатывания схем 3.1д,21-23 сравнения. Аналогичным образом подаются соответствующие напряжения на схемы 64-66 сравнения. При этом на выходах делителей 33л - 33,. напряжения окажется положительное напряжение, поэтому ключи 34.- 34д проводят. Так как выходы ключей 34 соединены через диоды 3Z - 37.: с шинами стока узла 3 мо рЛ. Делирования стока, то вход узла 3 моделирования стока практически закорочен и на входе узла 4 трансфор.мации эффективных осадков нет напряжения , моделирующего сток от осадков. В исходном состоянии на инвертируемый вход схем 21-23 сравнения узла 2 моделирования потерь подается положительное напряжение, поэтому з выходе делителей напряжения 24-26 существует отрицательное напряжение и транзисторы 17-19 заперты. В этом случае к конденсатору 13 подключен выход прецизионной цепочки 9 и отключены от конденсаторапрецизионные цепочки 10-12. В исходном состоянии на инвертируемый вход схем 64-66 сравнения узла 4 трансформации подано напряжение эффективных осадков в соответствии с заданными им порогами срабатывания. При этом на. выходе делителей 70-72 отрицательное напряжение и транзисторы 44-46 заперты. Поэтому к конденсатору 40 через контактные группы реле подключен выход прецизионных цепочек 47, 48. Поскольку потери являются функцией дефицита влажности почвы ( чем больше влажность почвы, тем меньше потери и тем больше сток), то перед «а чалом расчетов навход сумматора 24 каждого узла подается напряжение, соответствующее влажности почвы данной площади водосбора до начала расчетов. Это напряжение пе- . редается на входы схем 31,-31 . сравнения. При этом те схемы-сравнения, порог срабатывания которых находится в диапазоне поданного напряжения, срабатывают, и ключи, стоящие на их выходе, закроются. В этом случае напряжение на выходах соответствующих ключей возрастает до максимальных значений и соответствующие диоды 37i 37 узла 3 моделирования стока связанные с их выходом закрываются, открывая выход соответствующих шин стока к резисторам 38, - 38 , стоящим на их вы гл ходе. Если к началу расчета почва сухая то на вход сумматора напряжение не подается. В этом случае ключи З 3 узла 2 моделирования потерь будут от крыты, и все шины узла моделирования стока окажутся закорочены. Устройство работает следующим образом;При пуске узлов Т ввода количества выпавших осадков шаговый ва риатор напряжений этих узлов срабатывает и в первом канале непосредственно, а в последующих - через сум маторы 5 к узлам моделирования потер и узлам моделир ования стока подается напряжение, моделирующее количество выпавших осадков за принятые расчетные .интервалы времени. При этом конденсатор 13 начинает заряжаться. По мере зарядки конденсатора возрастает напряжение на выходе эмиттерного повторителя, 20, а следовательно, и на входе схем 21-23 сравнения и схем 31. 31iy. узла 2 моделирования потерь. При достижении напряжения, равного порогу срабатывания, схемы 31,j сравнения, она срабатывает. При этом дио 37f узла 3 моделирования стока закрывается и открывается выход первой шины к резистору 38. На резисторе 38, возникает напряжение, моделирую.щее величину стока, определяемую данным дефицитом-влажности. Это напряжение под-ается к входу узла тран сформации эффективных осадков, и к входу сумматора 5 последующего канала .. При этом зарядка конденсатора 13 узла моделирования потерь второй и последующих частных площадей водосбора осуществляется от двух напряжений: напряжения, обусловленного стоком с предыдущей частной площади водосбора, и напряжения, моделируюего количество выпалающих осадков на данную частную площадь водосбора. Как видим, в данном случае время добегания и потери для стока с.предыдущей площади водосбора существенно возрастают. Причем, если на последующей площади водосбора почва будет сухой, то несмотря на то, что на предыдущей частной площади водосбора будут большие осадки,.стока может и не быть. Это объясняется тем, что весь сток с предыдущей площади водосбора окажется впитан сухой почвой последующей площади водосбора. Работа узлов 3 последующих каналов аналогична. Напряжение с выхода узла 3 моделирования стока подается к входу соответствующего узла Ц трансформации эффективных осадков, моделирующему трансформации эффективных осадков на соответствующей частной площади водосбора. С выхода узла k напряжение, моделирующее сток с общей площади подается к блоку 6 масштабирования и на регистратор 7.: . Процесс зарядки конденсаторов 13 продолжается, при этом напряжение на них увеличивается и при достижении на выходе сумматоров 18 соответствующих значений напряжений происходит поочереднЪ срабатывание схем . 31. -31ддсравнения, при этом в узле 3 моделирования стока происходит подключение шин стока к резисторам, стоящим на их выходе. В результате этого увеличивается напряжение, моделирующее величину стока. Очевидно, что если диоды 37. - 37 заперты, то потери отсутствуют. В этом случае подача осадков к узлу трансформации эффективных осадков производится полностью. Так как изменение дефицита влажности процесс нелинейный, то его из- , менение моделируется путем подключения и к конденсатору 13 другого резистора. При срабатывании схемы сравнения 21 транзистор 17 открывается и замыкаются нормально разомкнутые контакты It-l реле 1 и от конденсатора 13 отключается резистор 9 и подключается резистор 10. Аналогичным путем к конденсатору 13 подключаются резисторы 11 и 12. В процессе расчетов интенсивность выпадения осадков изменяется и временами выпадение их прекращается. В результате этого формируются подъемы и спады волны стока. При этом парамет ры, моделирующие подъемы волны стока при ее трансформации по площади водосбора, будут отличаться от параметров, моделирующих волну спада.

Поэтому на подъеме волны стока зарядка конденсатора й узла k моделиррвания трансформации эффективных осад ков производится через цепочку 7, при этом резистор k выключен. Если проходит волна спада стока, то в цепь разрядки конденсатора включается цепочка 48. При этом цепочка 7 выключена. Аналогично действуют и другие цепочки, подключенные к кон денсатору 4П. Кроме этого процесс . трансформации эффективных осадков по площади водосбора является нелинейным. Изменение параметров цепочек, подключаемых к конденсатору 40,осуществляется с помощью схем 64-66 сравнения, соединенных с входом тран зисторов 44-46, в коллекторную цепь которых включены обмотки реле 41При достижении на конденсаторе 40 напряжения заданного схеме.64-66 сравнения, она срабатывает, при этом .от конденсатора 40 отключается выход предыдущей цепочки и подключается вы ход последующей цепочки. При этом условия трансформации стока меняются Устройство для моделирования формирования стока с площади водосбора бассейна позволяет моделировать формирование и движение дождевого павод ка по площади водосбора, что позволит своевременно произвести предупредительные и спасательные меры и свести к минимуму возможный ущерб. Формула изобретения Устройство для моделирования стока с площади водосбора участка бассе на, содержащее последовательно соединенные блок масштабирования и регистратор и группу узлов ввода, о тличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства за счет моделирования формирования стока и дождевого паводка с площади водосбора и учета влияния места выпадения осадко на участке площади водостока, оно дополнительно содержит К каналов моделирования, каждый из которых включает узел моделирования потерь, узел моделирования стока и узел трансформации эффективных осадков, i-й измерительный канал (,K) включает сумматор, причем узел моделирования потерь включает сумматор напряжения, три реле,три ключевых транзистора, две группы делителей напряжения, две группы схем сравнения, две группы источников регулируемого напряжения. группу ключей, эмиттерный повторитель, накопительный конденсатор, четыре магазина сопротивлений и выпрямительный диод, катод которого соединен с объединенными входами магазинов сопротивлений, выход первого магазина сопротивлений подключен к размыкающему контакту первого реле, замыкающий контакт которого соединен с выходом второго магазина сопротивлений, а переключающий контакт первого реле соединен с размыкающим контактом второго реле, замыкающий контакт второго реле соединен с выходом третьего магазина сопротивлений, а переключающий контакт второго реле соединен с размыкающим контактом третьего реле, замыкающий контакт которого соединен с выходом четвертого магазина сопротивлений, пере- ключаю1:1ий контакт третьего реле соединен с входом эмиттерного повторите ля и одной обкладкой накопительного конденсатора, другая обкладка которого подключена к шине нулевого потенциала, выходы источников регулируемого напряжения первой группы соединены соответственно с первыми входами схем сравнения первой группы, вторые входы которых объединены и подключены к выходу эмиттерного повторителя и первому входу сумматора напряжений, второй вход которого является вторым входом узла, а выход подключен к первым входам схем сравнения второй группы, вторые входы которых соответственно соединены с выходами источников регулируемого напряжения второй группы, выходы схем сравнения второй группы через соответствующий делитель напряжения второй группы соединены соответственно с управляющими входами ключей группы, выходы схем сравнения первой группы через соответствующий делитель напряжения первой группы подключены к баз.е соответствующего ключевого транзистора, эмиттеры которых соединены с шиной нулевого потенциала, а коллекторы подключены к первым выводам об-, мотки управления соответствующего реле, вторые выводы обмоток управления ;эеле объединены и соединены с ши ной постоянного потенциала, узел моделирования стока, содержащий делитель напряжения из М последовательно соединенных резисторов, эмиттерный (Повторитель и М шин стока, каждая из которых содержит резистор и два выпрямительных диода, аноды которых об единены и подключены к первому выводу резистора шины стока, вторые выводы резисторов шин стока объединены,, один вывод делителя напряжения подключен к .шине нулевого потенциала а второй вывод.соединен с; входом эмиттерного повторителя, катод второго выпрямительного диода 1-й шины стока (,...,М-1) соединен с вывода.ми 1-го и (1+1)-го резисторов делителя напряжения, катод второго выпрямительного диода М-й шины стока соединен с входом эмиттерного повторителя, узел трансформации эффективных осадков, содержащий три реле, три ключевых транзистора, группу де лителей напряжения, группу схем срав нения, группу источников регулируемо го напряжения, эмиттерный повтори гель, накопительный конденсатор, восемь выпрямительных диодов и четыре цепочки, каждая из которых состоит из двух последовательно соединенных магазинов сопротивлений, причем входы цепочек объединены, к точке соединения магазинов сопротивлений в каждой цепочке подключены аноды двух выпрямительных диодов, катоды которых подключены соответственно к входу и выходу цепочки, выход первой .цепочки соединен с размыкающим контактом .первого реле, замыкающий контакт которого соединен с выходом вто рой цепочки, переключающий контакт первого реле соединен с размыкающим контактом второго реле, замыкак)щий контакт которого соединен с выходом третьей цепочки, переключающий контакт второго,реле соединен с размыкающим контактом третьего реле, замы кающий контакт которого соединен с выходом четвертой цепочки, переклю-чающи.й контакт третьего реле соединен с входом эмиттерногог повторителя и одной обкладкой накопительного ко денсатора, вторая обкладка которого .подключена к шине нулевого потенциала, выход эмиттерного повторителя соединен с первыми входами схем С|5ав нения группы, вторые входы которых подключены соответственно к выходам источников регулируемого напряжения группы, выходы схем сравнения группы через соответствующий делитель напряжения группы подключены к базе соответствующего ключевого транзистора, эниттеры которых соединены с шиной нулевого потенциала, а коллекторы подключены к первым выводам обмотки управления соответствующего реле, вторые выводы обмоток управления реле объединены и соединены с шиной постоянного потенциала, i-и канал моделирования (,..,К) включает сумматор напряжения, причем выход узла ввода группы первого измерительного канала соединен с анодом выпрямительного диода узла моделирования лотерь и вторыми выводами резисторов шин стока узла моделирования стока того же измерительного канала, катоды первых выпрямительных диодов каждой шины стока узла моделирования стока в каждом измерительном каналесоединены соответственно с выходами клю- . чей группы узла моделирования потерь того же измерительного канала, выход эмиттерного повторителя узла моделирования стока в каждом.измерительном канале подключен к объединенным входам цепочек узла трансформации эффективных осадков того же измерительного канала, первый вход сумматора напряжения i-ro измерительного кана-,. ла соединен с выходом соответствующего узла ввода группы, второй вход сумматора напряжений под1 лючен к выходу эмиттерного повторителя узла трансформации эффективных осадков , . (i-T)-ro измерительного канала, а выход сумматора напряжений -го измерительного канала подключен к аноду выпрямительного диода узла моделирования потерь и вторым выводам резисторов шин стока узла моделирования стока того же измерительного канала, выход эмиттерного повторителя узла трансформации эффективных осадков . Кггр измерительного канала соединен с входом блока масштабирования. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе . 1. Авторское свидетельство СССР V 788125, кл. G 06 G 7/57, 1978. 2. Авторское свидетельство СССР N А46079, кл. G 06 G 7/57, 1971 (прототип).

фаг.1 0т ysffW Фаг. 2

от узла 2

фиг.

45

5

« -

НП-н

5

-4

то-

1 ЧП Ljni.

й5дйй

N

Ч

v

«О

ч

4S

N.

; Ч

S

«о

N

2

IhH