CN102191758B - 一种明渠倒虹吸水位自动控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种明渠渠段倒虹吸水位自动控制方法及系统，包括：一段输水明渠渠段，下游串接一倒虹吸，倒虹吸的出口设置工作闸，明渠渠段上游设置节制闸，节制闸设有节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器，节制闸的节制闸启闭机构与节制闸PLC连接，节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器和节制闸PLC与控制与数据处理器连接。由于在明渠渠段上设置节制闸，节制闸设置了节制闸闸前水位传感器和节制闸闸后水位传感器，配合倒虹吸出口水位传感器和倒虹吸出口流量传感器，根据获取的数据进行分析和计算得到控制的最佳控制数据，并根据这些数据精确地控制水位，达到确保安全高效运行的目的。

Description

一种明渠倒虹吸水位自动控制方法和系统

技术领域

本发明涉及一种明渠倒虹吸水位自动控制方法及系统，是一种自动控制的系统和方法，是一种使用控制理论控制水道中水流的系统和方法，是一种专门控制倒虹吸水道的系统和方法。

背景技术

随着经济社会的发展，水资源供需矛盾日益突出，许多地区修建了长距离大型明渠工程，将水从水源地输送到沿途的分水口及下游。为了维持分水口处水位的稳定，调节输水流量，沿途会设置多级节制闸，将渠道分隔为相串联的多个明渠渠段。当渠道遇到平面交叉的道路或河沟时，常常修建倒虹吸工程，使水从路面或河沟下穿过。为节约成本，便于管理，通常将位于倒虹吸出口的工作闸兼用作渠道的节制闸。与修建相同功能的渡槽相比，倒虹吸具有造价低、施工方便等优点，但同时具有水头损失大，工作闸运用管理复杂等缺点。

水流通过倒虹吸工程，会损失一部分水头。根据水力学理论，水头损失同流量的平方成正比，因而对于一些流量变幅较大的倒虹吸，在小流量下其入口会出现水位过低的状况，易导致倒虹吸内出现有压与无压交替的明满流过渡现象，引起管身的震动和结构破坏，恶化管道的正常工作条件。因此，必须对这些倒虹吸的入口水位加以调控，保证足够的淹没水深。

倒虹吸水位的调控会不可避免地引发渠道流量变化，关系到渠道的输水安全。虽然为预防水流漫溢，渠道堤防设置了超高，但为了经济，其高度随着沿程输水规模的减小而降低。这种情况下，上游供水量与下游需水量的不匹配很容易导致下游出现漫堤或是缺水，威胁输水安全。为避免上述问题的发生，需要调节各明渠渠段的入口闸门，将供需的不匹配向上游方向传递，实施按需定供，减少对下游输水的影响。

倒虹吸水位的调控过程是一个水力过渡过程，而该过程进行的快慢，影响着其上游渠道水力过渡过程进行的快慢，从而影响着整个渠道运行管理的效率与成本。因此，水位调控时，倒虹吸所在明渠渠段能够快速完成水力过渡过程十分重要。

传统的明渠渠段倒虹吸水位调控方式是：预先计算出不同流量下倒虹吸的水头损失，编制出不同流量、不同闸前水深下工作闸门的控制规程，由管理人员采用人工或半自动控制方式执行。由于调控采用的是倒虹吸出口的工作闸门，调控过程中通常会改变倒虹吸的下泄流量，从而影响下游明渠渠段的流量，易引起下游流量的大幅波动，导致供水不足或弃水。另一问题是闸门控制规程的编制过程中，未考虑所在明渠渠段水力过渡过程时间的长短，因而所制定规程对应的输水效率和效益往往不佳。最后，人工调控方式下，调控效率和精度均难以保证，亟需引入自动化的控制方法和系统。

综上，传统倒虹吸渠道的运行管理面临以下紧迫需求：一是渠道安全运行需求，即流量大幅变化时，在动态调节倒虹吸入口水位，保障足够的淹没水深的同时，不影响下游明渠渠段的流量，避免发生水量不足或弃水；二是高效运行需求，即在明渠渠段流量调整时，能在尽量短的时间内平稳地完成水力过渡过程；三是高水平管理需求，即实现控制过程的自动化监控，保障足够的控制精度，降低运行管理成本。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种明渠倒虹吸水位自动控制方法及系统。所述的方法和系统，首先保证倒虹吸入口具有安全的淹没水深，从而保障倒虹吸及渠道的运行安全；其次避免渠道下游缺水或弃水的发生，提高输水效率，降低运行成本。最后，所述方法和系统能在尽量短的时间内平稳地完成水力过渡过程，提高输水效率，并且实现控制过程的自动化监控，提高控制精度，降低运行管理成本。

本发明的目的是这样实现的：一种明渠倒虹吸水位自动控制系统，包括：一段明渠渠段，所述明渠渠段下游串接一倒虹吸，所述倒虹吸的下游设置工作闸，所述的工作闸设有倒虹吸出口水位传感器、倒虹吸出口流量传感器；所述的工作闸的工作闸启闭机构与工作闸PLC连接，所述的倒虹吸出口水位传感器、倒虹吸出口流量传感器和工作闸PLC与带有明渠渠段蓄量计算程序的控制与数据处理器连接，所述的明渠渠段上游设置节制闸，所述的节制闸设有节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器，所述的节制闸的节制闸启闭机构与节制闸PLC连接，所述的节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器和节制闸PLC与控制与数据处理器连接。

一种使用上述系统的明渠倒虹吸水位自动控制方法，所述方法的步骤如下：

输入控制系统参数的步骤：用于通过参数输入单元，设置输水明渠渠段、倒虹吸、节制闸、工作闸的物理参数以及控制系统的初始化参数；

监测流量、水位和闸门开度的步骤：用于通过节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、倒虹吸出口水位传感器和倒虹吸出口流量传感器，监测倒虹吸的水位和流量，通过节制闸开度传感器，监测节制闸的开度；

判断倒虹吸出口流量的变化是否超标的步骤：用于将倒虹吸出口流量的变化与流量变化死区值进行比较，判断是否超出，如果“否”则回到“监测流量、水位和闸门开度的步骤”，如果“是”则进入下一步骤；

计算明渠渠段控制目标蓄量的步骤：用于根据公式：

V=Vmin+(Vmax-Vmin)(Q-Qmin)/(Qmax-Qmin)

式中：Vmax是倒虹吸出口控制水位为Hdmax且流量为Qmax时明渠渠段的蓄量，Vmin是倒虹吸出口控制水位为Hdmin且流量为Qmin时明渠渠段的蓄量；

计算倒虹吸出口控制目标水位的步骤：用于根据倒虹吸出口水位与其所在明渠渠段水体蓄量的关系，利用二分法反解得到倒虹吸出口控制目标水位；

判断倒虹吸出口水位的变化是否超标的步骤：用于倒虹吸出口水位的变化与水位变化死区值进行比较，判断是否超出，如果“否”则回到“监测流量、水位和闸门开度的步骤”，如果“是”则进入下一步骤；

计算节制闸的流量调整目标值的步骤：使用反馈控制算法计算得到节制闸的流量调整目标值；

节制闸启闭机构执行开度调整的步骤：用于节制闸启闭机构执行开度调整动作，并回到“判断倒虹吸出口水位的变化是否超标的步骤”。

本发明产生的有益效果是：由于在明渠渠段上设置了节制闸，并在节制闸设置了节制闸闸前水位传感器和节制闸闸后水位传感器，并配合倒虹吸出口水位传感器和倒虹吸出口流量传感器，根据获取的数据进行分析和计算得到倒虹吸和明渠渠段的最佳控制数据，并根据这些数据精确地控制渠道倒虹吸水位，达到确保安全运行，提高输水效率并降低成本的目的。本发明所述方法控制的变量是水体体积，基于水体体积与水位的对应关系，通过控制水位间接实现对水体体积的控制。所述方法的控制目标可以满足倒虹吸及其下游的用水计划，确保整个控制过程安全、高效。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一所述系统的示意图；

图2是本发明实施例二所述控制与数据处理器结构原理图；

图3是本发明实施例三所述所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种明渠倒虹吸水位自动控制系统，如图1所述。本实施例包括：一段明渠渠段7，所述明渠渠段下游串接一倒虹吸6，所述倒虹吸的下游设置工作闸4，所述的工作闸设有倒虹吸出口水位传感器3、倒虹吸出口流量传感器5；所述的工作闸的工作闸启闭机构与工作闸PLC连接，所述的倒虹吸出口水位传感器、倒虹吸出口流量传感器和工作闸PLC与带有明渠渠段蓄量计算程序的控制与数据处理器2连接，所述的明渠渠段上游设置节制闸9，所述的节制闸设有节制闸闸前水位传感器10、节制闸闸后水位传感器8、节制闸开度传感器1，所述的节制闸的节制闸启闭机构与节制闸PLC连接，所述的节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器和节制闸PLC与控制与数据处理器连接。

本实施例所述的自动控制系统所控制的对象是一段明渠渠段和明渠渠段下游的倒虹吸，因此，需要将明渠渠段和倒虹吸作为一个系统来考虑。所谓明渠渠段是一种输水渠道，通常是对大气敞开的，即便是在隧道中，如果是容量足够并对大气敞开的也可以认为是明渠渠段。倒虹吸可以认为是利用虹吸原理的一段低于原输水流动水平高度，然后再回到原水平高的管道，管道内有一定的压力。

工作闸设置在倒虹吸的出口处，在工作闸与倒虹吸的出口处之间设置倒虹吸出口水位传感器和倒虹吸出口流量传感器。所述的工作闸的机械启闭装置的电器控制由工业程序控制器PLC控制，PLC可以十分方便的与其他数字系统连接，并且具备直接与网络连接的功能，是一种理想的工业控制设备。本实施例将PLC专门用于机械控制的装置，并将PLC与作为中央处理系统的控制与数据处理器连接，直接进行数字控制，控制过程可靠有效。

本实施例所述的控制与数据处理器是一种可以进行复杂逻辑运算并具有一定存贮能力的数字处理系统，以执行控制算法的逻辑计算和数据分析计算。例如：通用PC机、通用工业控制计算机。也可以是一些专门为本实施例所述功能而设计的专用系统。例如：以单片机、MCU为核心的专用数据处理和控制系统等。控制与数据处理器用于提供控制系统的软硬件运行环境，建立人机接口，处理输入信息，进行数据分析和逻辑运算，向PLC输出控制指令。除进行逻辑运算和数据分析外，控制与数据处理器还应当具备连接网络功能，能够与上位机进行联络接收外部指令和对外输出信息的作用。

本实施例所述控制与数据处理器应当包括三个最基本的单元：中央处理单元、参数输入单元、监控显示单元。所述的中央处理单元应带有一定存储功能的数字处理芯片，在没有任何外部存储装置配合的情况下也能够进行有效的逻辑运算。参数输入单元用于输入渠道、节制闸参数及控制系统的一些初始化数据。参数输入单元、监控显示单元形成人机界面，用于一些初始化数据的输入、修改以及对控制过程进行监控。人机界面可以是触摸屏及其相应的硬软件系统，也可以是专门用于数字输入的键盘，或者标准的键盘和鼠标。显示器可以是专门的数码显示，也可以是液晶点阵显示器，也可以是通用的液晶显示器。除上述三个基本单元外，控制与数据处理器还可以具备更多的设备，实现更多的功能。例如：带有功能强大的存储器，长期积累控制数据，以便进行分析。数据积累的最终结果是建立数据库和专家系统，使控制过程更加符合个案，控制更加精确。

本实施例的关键点在于调节位于倒虹吸上游的明渠渠段节制闸来控制倒虹吸入口的水位，使倒虹吸的流量控制偏差向上游方向传递，从而减小了对下游的影响。本实施例在节制闸的前后的设置了水位传感器，目的是对节制闸前后的水位有一个精确的测量，以便对倒虹吸的输水能力和来水量进行精确的评估，以获取精确的节制闸开启量。所述的节制闸的也是由PLC控制，并且由开度传感器进行闭环控制，可以达到非常精确的水平。

本实施例所述的水位传感器可以使用压力式或浮球式水位传感计，流量传感器可以使用超声波或电磁流量传感器，位移传感器可以使用拉绳式或磁致伸缩式位移传感器。

节制闸PLC用于接收控制与数据处理器发出的指令，将节制闸控制目标值与此时节制闸的开度进行比较,确定节制闸门的升、降、停运动状态，向节制闸启闭机构发送操作指令。节制闸启闭机构用于执行节制闸PLC发出的指令，操作节制闸至目标开度。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于控制与数据处理器的细化，如图2所示。本实施例所述的控制与数据处理器包括：中央处理单元、参数输入单元、监控显示单元。

本实施例所述的控制与数据处理器是工业控制计算机，是以ARM芯片为中心的专用工业控制设备。可以进行复杂的逻辑运算，并具有相当容量的外部存贮系统，可以进行复杂的逻辑运算和控制运算。

实施例三：

本实施例是一种使用上述实施例所述系统的明渠倒虹吸水位自动控制方法，所述方法的流程图如图3所示。本实施例所述方法控制的变量是水体体积，即“明渠渠段控制目标蓄量”，对该变量的控制采用的是间接方式，即基于水体体积与水位的对应关系，通过控制水位间接实现对水体体积的控制。在控制过程中，闸前目标水位不是固定的，而是随着流量的变化而动态改变的。本实施例所述方法的步骤如下：

步骤1：输入控制系统参数的步骤：用于通过参数输入单元，设置输水明渠渠段、倒虹吸、节制闸、工作闸的物理参数以及控制系统的初始化参数。

本步骤所输入的参数包括：明渠渠段的参数，即渠道的底宽、边坡、糙率、明渠渠段长度；时序参数：计算空间步长，控制时间步长等。还包括：明渠渠段的设计最大输水流量Qmax及相应的倒虹吸出口最高控制水位Hdmax、明渠渠段的设计最小输水流量Qmin及相应的倒虹吸出口最低控制水位Hdmin，反馈控制算法比例系数K₁、积分系数K₂，当前计划输水流量QT，闸门结构参数和水力学参数，如闸门尺寸、闸门孔数、闸底高程、流量系数等。

步骤:2：监测流量、水位和闸门开度的步骤：用于通过节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、倒虹吸出口水位传感器和倒虹吸出口流量传感器，监测倒虹吸的水位和流量，通过节制闸开度传感器，监测节制闸的开度。

本步骤由倒虹吸出口流量传感器监测得到当前时刻的倒虹吸出口流量Q、倒虹吸出口水位传感器监测得到当前时刻的倒虹吸出口水位Hd、节制闸闸前水位传感器监测得到当前时刻的节制闸闸前水位Yu、节制闸闸后水位传感器监测得到当前时刻的节制闸闸后水位Yd、节制闸开度传感器监测得到当前时刻的节制闸开度e，并传输至控制与数据处理器。

步骤3：判断倒虹吸出口流量的变化是否超标的步骤：用于将倒虹吸出口流量的变化与流量变化死区值进行比较，判断是否超出，如果“否”则回到“监测流量、水位和闸门开度的步骤”，如果“是”则进入下一步骤。

本步骤是进行逻辑判断，如果倒虹吸出口流量的变化|Q-QT|超过设定值DB_Q，则执行下面的步骤，如果没有超过设定值则回到“监测流量、水位和闸门开度的步骤”。其中DB_Q为设定值或称为“流量变化死区值”。该值为一确定值，该值范围的确定应考虑降低控制系统的敏感度，避免闸门操作过于频繁，根据经验，DB_Q取值为倒虹吸最大设计流量的1%～5%。

步骤4：计算明渠渠段控制目标蓄量的步骤：用于根据公式：

V=Vmin+(Vmax-Vmin)(Q-Qmin)/(Qmax-Qmin)

计算明渠渠段控制目标蓄量V，式中：Vmax是倒虹吸出口控制水位为Hdmax且流量为Qmax时明渠渠段的蓄量，Vmin是倒虹吸出口控制水位为Hdmin且流量为Qmin时明渠渠段的蓄量。

为了使倒虹吸水位调控过程在尽量短的时间内完成，需确定相对应的控制目标蓄量V。估算渠道水力过渡时间可采用公式(1)：

                                                                   

                      (1)

式中：ΔT为水流达到新的稳定状态的时间；ΔV、ΔQ分别为两个稳定状态间蓄量和流量的变化。

显然，当ΔV与ΔQ呈一次线性关系,即ΔV～ΔQ关系曲线的斜率最大时，

最小。因此Q流量时明渠渠段内控制目标蓄量V为：

V=Vmin+(Vmax-Vmin)(Q-Qmin)/(Qmax-Qmin)       (2)

式中：Vmax为倒虹吸出口控制水位为Hdmax且流量为Qmax时明渠渠段的蓄量，Vmin为倒虹吸出口控制水位为Hdmin且流量为Qmin时明渠渠段的蓄量。

Vmax、Vmin的值可根据事先确定所述明渠渠段流量蓄量关系得到，也可以调用内置于控制与数据处理器的明渠渠段蓄量计算程序，在线计算得到。

步骤5：计算倒虹吸出口控制目标水位的步骤：用于根据倒虹吸出口水位与明渠渠段水体蓄量的关系，利用二分法反解得到倒虹吸出口控制目标水位。

本步骤根据控制目标蓄量V，计算倒虹吸出口目标水位HdT。调用内置于控制与数据处理器的明渠渠段蓄量计算程序，即公式（3-a或3-b ），使用二分法反求出倒虹吸出口流量Q时，对应的水位目标值HdT。

V=f（Q，HdT）                        （3-a）

HdT=f ^-1（Q，V）                       （3-b）

步骤6：判断倒虹吸出口水位的变化是否超标的步骤：用于倒虹吸出口水位的变化与水位变化死区值进行比较，判断是否超出，如果“否”则回到“监测流量、水位和闸门开度的步骤”，如果“是”则进入下一步骤。

本步骤是进行逻辑判断，如果倒虹吸出口水位的变化|Hd-HdT|超过设定值DB_Hd，则继续执行下面的步骤，否则回到“监测流量、水位和闸门开度的步骤”。DB_Hd为水位变化死区，该死区的确定应考虑降低控制系统的敏感度，避免闸门操作过于频繁，根据经验，DB_Hd取值为5cm～20cm。

步骤7：计算节制闸的流量调整目标值的步骤：如果倒虹吸出口控制目标水位的变化超过设定范围，则使用反馈控制算法计算得到节制闸的流量调整目标值。

节制闸的流量调整目标值ΔQG的计算：

按PI（比例积分）反馈控制算法，计算节制闸的过闸流量反馈调整值ΔQG：

ΔQG = K₁×EC+K₂×E                   (4)

其中K₁为比例系数，K₂为积分系数，采用经典控制论中的继电器法等方法整定, E为当前时刻倒虹吸出口水位偏差，E= Hd - HdT，EC为当前时刻倒虹吸出口水位偏差减去上一时刻倒虹吸出口水位偏差的值。

计算出节制闸应调整至的过闸流量的值QGT。

首先根据当前时刻的节制闸闸前水位Yu、节制闸闸后水位Yd和节制闸开度e，按闸门过流水力学公式计算节制闸当前时刻的过闸流量QG0，即：

闸孔自由出流时：         （5-a）

闸孔淹没出流时：

             （5-b）

式中C_d为节制闸流量系数，e为节制闸开度，b为节制闸孔的每孔净宽，n为节制闸孔数，YT为节制闸的底板高程。

然后QG0和△QGT相加，得出节制闸应调整至的过闸流量，即：

QGT=QG0+△QGT。

步骤8：计算节制闸应调整至开度的步骤：用于根据流量调整目标值计算节制闸的实际操作开度。

按闸门过流水力学公式（5），由牛顿迭代法，计算出节制闸应调整至的开度GAT。

步骤9：节制闸启闭机构执行开度调整的步骤：用于节制闸启闭机构执行开度调整动作，并回到“判断倒虹吸出口水位的变化是否超标的步骤”。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如各个闸门所配置的传感器多少或类型、各个步骤的前后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 

Claims (3)

1.一种明渠渠段倒虹吸水位自动控制系统，包括：一段明渠渠段，所述明渠渠段下游串接一倒虹吸，所述倒虹吸的下游设置工作闸，所述的工作闸设有倒虹吸出口水位传感器、倒虹吸出口流量传感器；所述的工作闸的工作闸启闭机构与工作闸PLC连接，所述的倒虹吸出口水位传感器、倒虹吸出口流量传感器和工作闸PLC与带有明渠渠段蓄量计算程序的控制与数据处理器连接，其特征在于，所述的明渠渠段上游设置节制闸，所述的节制闸设有节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器，所述的节制闸的节制闸启闭机构与节制闸PLC连接，所述的节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器和节制闸PLC与控制与数据处理器连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的控制与数据处理器包括：中央处理单元、参数输入单元、监控显示单元。

3.一种使用权利要求2所述系统的明渠渠段倒虹吸水位自动控制方法，其特征在于所述方法的步骤如下：

输入控制系统参数的步骤：用于通过参数输入单元，设置输水明渠渠段、倒虹吸、节制闸、工作闸的物理参数以及控制系统的初始化参数；

监测流量、水位和闸门开度的步骤：用于通过节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、倒虹吸出口水位传感器和倒虹吸出口流量传感器，监测倒虹吸的水位和流量，通过节制闸开度传感器，监测节制闸的开度；

判断倒虹吸出口流量的变化是否超标的步骤：用于将倒虹吸出口流量的变化与流量变化死区值进行比较，判断是否超出，如果“否”则回到“监测流量、水位和闸门开度的步骤”，如果“是”则进入下一步骤；

计算明渠渠段控制目标蓄量的步骤：用于根据公式：

V=Vmin+(Vmax-Vmin)(Q-Qmin)/(Qmax-Qmin)

计算明渠渠段控制目标蓄量V，式中：Q为倒虹吸出口流量，Vmax为倒虹吸出口控制水位为Hdmax且流量为Qmax时明渠渠段的蓄量，Vmin是倒虹吸出口控制水位为Hdmin且流量为Qmin时明渠渠段的蓄量，Qmax为明渠渠段的设计最大输水流量， Hdmax为倒虹吸出口最高控制水位，Qmin为明渠渠段的设计最小输水流量，Hdmin倒虹吸出口最低控制水位；

计算倒虹吸出口控制目标水位的步骤：用于根据倒虹吸出口水位与明渠渠段水体蓄量的关系，利用二分法反解得到倒虹吸出口控制目标水位；

判断倒虹吸出口水位的变化是否超标的步骤：用于倒虹吸出口水位的变化与水位变化死区值进行比较，判断是否超出，如果“否”则回到“监测流量、水位和闸门开度的步骤”，如果“是”则进入下一步骤；

计算节制闸的流量调整目标值的步骤：使用反馈控制算法计算得到节制闸的流量调整目标值；

节制闸启闭机构执行开度调整的步骤：用于节制闸启闭机构执行开度调整动作，并回到“判断倒虹吸出口水位的变化是否超标的步骤”。

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