CN103744443A - 一种基于蓄量动态调节的大型明渠水位自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于蓄量动态调节的大型明渠水位自动控制方法，包括：确定前馈流量调整值；确定是否需要对前馈控制流量进行反馈修正；计算前馈控制流量的反馈修正值；计算流量调整值；计算流量调整目标值；计算闸门实际开度；调整闸门开度。本发明所述方法采用前馈流量控制方式，充分考虑分水口流量和水位死区的影响，对整个渠段的水面线进行控制，因而能够坦化、过滤掉局部点的水位波动，降低对闸门运动死区的敏感度，从而减少闸门的频繁操作。便于实现稳定输水所需的蓄量补偿条件，从而有效减少水位过冲现象，更快地达到稳定。控制原理简单明了易实现掌握，能够有效应对各类扰动因素影响，降低明渠运行管理成本，保障输水安全，提高输水效率。

Description

一种基于蓄量动态调节的大型明渠水位自动控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于蓄量动态调节的大型明渠水位自动控制方法，一种用于水工设施的自动控制方法，是一种适用于长距离大型明渠输水工程的水流自动控制方法。

背景技术

明渠是农业灌溉和调水工程的主要输水方式。长距离输水明渠通常由多级节制闸分隔成相串连的多个渠段，各渠段利用节制闸调节水位和输水流量，以适时适量地向沿线分水口供水，满足农业灌溉或城市用水需求。闸前常水位是渠道普遍采用的运行方式，为利于取水流量的稳定，分水口通常布置在节制闸前，渠道运行控制的基本目标是维持闸前水位的相对稳定，与此同时，要求节制闸的操作次数应尽量少，以降低运行成本，提高输水效率和效益。

多种因素影响节制闸的控制效果，干扰渠道的稳定输水。

1）节制闸率定偏差问题。节制闸的“开度~流量”曲线呈非线性关系，导致存在较大的率定偏差，通常为±5%左右，在淹没流态下更大。

2）闸门操作偏差问题。受机械加工、传动性能限制，闸门运动存在最小行程（也称作“闸门运动死区”，通常为±1cm左右），螺杆式、卷扬式平板闸的操作偏差远大于液压弧形闸门。

3）闸门启闭限制条件。为减少闸门操作次数，普遍设定启闭限制条件，即当水位偏差小于某一范围（也称作“水位死区”，常设为±20cm左右）时不让闸门做出响应。

4）运行环境改变问题。渠道控制参数是在特定环境下率定的，而随着时间推移，渠道结构变形、设备老化、泥沙淤积，原控制参数的效能将会降低甚至失效。

目前存在多种闸前常水位控制方法，这些传统方法具有一定的缺陷。这些方法多为人工控制或机械辅助控制方法，存在费时费力，效率低、效果差等缺点。有些方法采用PLC+上位机的控制方式，但节制闸的开度、闸门群操作顺序等均由人工预置，依赖管理人员的个人经验，因而还不属于真正的自动控制。部分渠道工程采用了单闸门或闸门群的自动控制方法，如PI、PID控制算法，但控制过程存在显著的水位过冲现象，流量变幅大，水位稳定慢。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于蓄量动态调节的大型明渠水位自动控制方法。所述的方法是一种调节渠段蓄量，维持闸前水位恒定的自动控制方法。该方法立足的水力学原理是：明渠稳定流状态时，流量、渠段蓄量、水面线三者存在唯一对应关系，因而可通过蓄量控制实现水位控制。

本发明的目的是这样实现的：一种基于蓄量动态调节的大型明渠水位自动控制方法，所述的方法使用的系统包括：一条被多个闸门分隔为串联的多个渠段的长距离自流型输水明渠，所述的各个分隔闸门上游附近设有分水口，所述的各个闸门的闸门启闭机构与各个闸门的控制单元连接，所述的各个闸门的控制单元通过明渠数据传输网络连接，所述的各个控制单元与各自的闸前水位传感器、闸后水位传感器、闸门开度传感器，分水口流量传感器连接，所述方法的步骤如下：

确定前馈控制流量调整值的步骤：用于根据渠段i的分水口供水计划q _0i 、闸门G _i+1 的闸前目标水位YT _i 、渠段i的水位蓄量关系V _i = f（YT _i ），计算出闸门G _i 的前馈控制流量调整值△QG _{i_ff} ；

确定是否需要对前馈控制流量进行反馈修正的步骤：用于由水位传感器实时监测的闸前水位Y _ui 相对于目标值YT _i 的偏离值是否大于水位死区DB _i ，如果“是”则进入下一步骤，如果“否”则认定△QG _i =△QG _{i_ff} ，并进入“计算闸门实际开度的步骤”；

计算前馈控制流量的反馈修正值的步骤：用于通过公式计算前馈控制流量的反馈修正值△QG _{i_fb} ；计算公式如下：

△QG _{i_fb}  =△V _{i_fb} /△τ _{i_fb}   ；

△τ _{i_fb} —第i渠段蓄量补偿过程时间，△V _{i_fb} —第i渠段蓄量补偿过程的蓄量变化量；

计算流量调整值的步骤：用于根据对前馈控制流量△QG _{i_ff} 进行实时反馈修正，计算出闸门G _i 的流量调整值△QG _i ，计算公式如下：

△QG _i =△QG _{i_ff}  +△QG _{i_fb} ；

计算流量调整目标值的步骤：计算闸门G _i 的流量调整目标值QG _i ；

首先根据实时监测的数据：闸前水位Y _u,i－1 、闸后水位Y _d,i－1 和闸门开度GA _0i 计算闸门G _i 的当前过闸流量QG _0i  ；

然后将QG _0i 和△QG _i 相加，得出闸门G _i 应调整至的过闸流量，即：

QG _i =QG _0i +△QG _i  ；

计算闸门实际开度的步骤：用于根据闸前水位Y _u,i－1 、闸后水位Y _d,i－1 和闸门流量目标值QG _i 计算出闸门G _i 的实际开度GA _i  ；

调整闸门开度的步骤：用于根据计算得出的闸门实际开度GA _i 由闸门G _i 的启闭机执行开度调整动作，并回到“确定前馈流量调整值的步骤”。

进一步的，所述的“计算流量调整值的步骤”中计算当前过闸流量QG _0i 为闸孔自由出流：

；

式中C _d 为闸门流量系数，GA _0i 为闸门G _i 开度，b为每孔净宽，n为闸门孔数，WT _i 为闸门G _i 的底板高程。

进一步的，所述的计算出闸门G _i 的实际开度GA _i ：

GA _i =f  ^-1（Y _u,i-1 ，QG _i ，C _d ，GA _0i ） 。

进一步的，所述的“计算流量调整值的步骤”中计算当前过闸流量QG _0i 为闸孔淹没出流：

，

式中C _d 为闸门流量系数，GA _0i 为闸门G _i 当前开度，b为每孔净宽，n为闸门孔数，WT _i 为闸门G _i 的底板高程。

进一步的，所述的计算出闸门G _i 的实际开度GA _i ：

GA _i =f  ^-1（Y _u,i-1 ，Y _d,i-1 ，QG _i ，C _d ，GA _0i ） 。

本发明产生的有益效果是：本发明所述方法采用前馈流量控制方式，充分考虑分水口流量和水位死区的影响。与现有技术相比，前馈流量控制方式不仅针对渠段中某一点的水位变化，而且对整个渠段的水面线进行控制，因而能够坦化、过滤掉局部点的水位波动，降低对闸门运动死区的敏感度，从而减少闸门的频繁操作。采用前馈流量控制方式，便于实现稳定输水所需的蓄量补偿条件，从而有效减少水位过冲现象，更快地达到稳定。前馈流量控制方式的控制原理十分简单明了，相对PI、PID等传统通用自动控制算法，更易实现和掌握。前馈流量控制方式能够有效应对各类扰动因素影响，克服传统水位控制的缺陷，降低明渠运行管理成本，保障输水安全，提高输水效率和效益。

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是本发明的实施例一所述方法所使用的系统示意图；

图2是本发明的实施例一所述方法的流程图；

图3是本发明的实施例一所述主动蓄量补偿法的原理示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种基于蓄量动态调节的大型明渠水位自动控制方法，所述的方法使用的系统如图1所示，包括：一条被多个分隔闸门7分隔为串联的多个渠段的长距离自流型输水明渠8，图1中仅画出了三段渠段：i-1、i、i+1，四个闸门：G _i-1 、G _i 、G _i+1 、G _i+2  。图1中的Y _u,i-2 是G _i-1 的闸前水位、Y _d,i-2 是G _i-1 的闸后水位，Y _u,i-1 是G _i 的闸前水位、Y _d,i-1 是G _i 的闸后水位，Y _u,i 是G _i+1 的闸前水位、Y _d,i 是G _i+1 的闸后水位，Y _u,i+1 是G _i+2 的闸前水位、Y _d,i+1 是G _i+2 的闸后水位。

所述的各个分隔闸门上游附近设有分水口9，图1中的q _i-1 是G _i 闸前的分水口流量、q _i 是G _i+1 闸前的分水口流量、q _i+1 是G _i+2 闸前的分水口流量。

各个闸门的闸门启闭机构与各个闸门的控制单元3连接，各个闸门的控制单元通过明渠数据传输网络2连接，各个控制单元与各自的闸前水位传感器1、闸后水位传感器5、闸门开度传感器4，分水口流量传感器连接6。图1中的GA _i-1 是G _i-1 的闸门开度、GA _i 是G _i 的闸门开度、GA _i+1 是G _i+1 的闸门开度、GA _i+2 是G _i+2 的闸门开度。本实施例以i渠段为研究对象，其他渠段类推。

本实施例所述的方法利用一种前馈流量控制方式，该方式通过动态调节渠段蓄量，维持闸前水位恒定，实现闸前水位的自动控制。所述方法立足的水力学原理是：明渠稳定流状态时，流量、渠段蓄量、水面线三者存在唯一对应关系，因而可通过蓄量控制实现水位控制。

本实施例所述方法的步骤如下，流程图见图2：

确定前馈控制流量调整值的步骤：用于根据渠段i的分水口供水计划q _0i 、闸门G _i+1 的闸前目标水位YT _i 、渠段i的水位蓄量关系V _i = f（YT _i ），计算出闸门G _i 的前馈控制流量调整值△QG _{i_ff} ；

本实施例采用的前馈控制方法为主动蓄量补偿法。其原理参见图3，设渠段i的分水口流量将在t _d 时刻变化△q _0i ，相应的渠段蓄量变化为△V _0i ，则渠段的入流QG _i （即前馈控制流量）需要提早在t时刻就调整△QG _{i_ff}  。其中△τ _i 为渠段i水力过渡时间，t =t _d  -△τ _i 。为保证渠段入流出流平衡，渠段入流需在t _d 时刻回调△Q ₂ 。对于单个渠段，上述规则可表述为式（1）和式（2），其中前馈控制时间△τ _i 的计算式如（3）所示。

△QG _{i_ff} (t)= △V _0i  /△τ _i ；t =t _d  -△τ _i          （1）

△Q ₂(t _d )= △q _0i  -△QG _{i_ff} ；               （2）

△τ _i  =△V _0i  /△q _0i                         （3）

对于N个相串联的渠段，通过类推，上述规则可表述为式:

       

上式中N为渠道串联的渠段个数，J、L、M均为计数的变量符号，t为表示时间的变量符号，△QG _{N+1_ff} 表示渠道末尾闸门的前馈控制流量变化值。

确定是否需要对前馈控制流量进行反馈修正的步骤：用于由水位传感器实时监测的闸前水位Y _ui 相对于目标值YT _i 的偏离值是否大于水位死区DB _i ，如果“是”则进入下一步骤，如果“否”则认定△QG _i =△QG _{i_ff} ，并进入“计算闸门实际开度的步骤”。

计算前馈控制流量的反馈修正值的步骤：用于通过公式计算前馈控制流量的反馈修正值△QG _{i_fb} ；计算公式如下：

△QG _{i_fb}  =△V _{i_fb} /△τ _{i_fb}               

△τ _{i_fb} —第i渠段蓄量补偿过程时间，△V _{i_fb} —第i渠段蓄量补偿过程的蓄量变化量。

△τ _{i_fb} 表示设定的第i渠段蓄量补偿过程时间，可初设为1小时，再视实际控制效果调整。△V _{i_fb} 为第i渠段蓄量补偿过程的蓄量变化量，根据渠段i的水位蓄量关系V _i  = f(YT _i )确定。水位蓄量关系通常在渠段试通水时根据实测水位与水量数据率定，也可根据渠段尺寸通过恒定均匀流水面线计算间接得到。水位蓄量关系中采用的分水口流量为实测的q _i 。

计算流量调整值的步骤：用于根据对前馈控制流量△QG _{i_ff} 进行实时反馈修正，计算出闸门G _i 的流量调整值△QG _i ，计算公式如下：

△QG _i =△QG _{i_ff}  +△QG _{i_fb} 。

计算流量调整目标值的步骤：计算闸门G _i 的流量调整目标值QG _i  。首先根据实时监测的数据：闸前水位Y _u,i－1 、闸后水位Y _d,i－1 和闸门开度GA _0i 计算闸门G _i 的当前过闸流量QG _0i  。对于不同的闸孔出流状态，计算当前过闸流量所使用的公式不同。

当闸孔自由出流时当前过闸流量QG _0i 的计算公式为：

，

当闸孔淹没出流时当前过闸流量QG _0i 的计算公式为：

。

式中C _d 为闸门流量系数，GA _0i 为闸门G _i 当前开度，b为每孔净宽，n为闸门孔数，WT _i 为闸门G _i 的底板高程。

然后将QG _0i 和△QG _i 相加，得出闸门G _i 的流量调整目标值应调整至的过闸流量（流量调整目标值），即：

QG _i =QG _0i +△QG _i  。

计算闸门实际开度的步骤：用于根据闸前水位Y _u,i－1 、闸后水位Y _d,i－1 和闸门流量目标值QG _i 计算出闸门G _i 的实际开度GA _i  。对于不同的闸孔出流状态，计算闸门实际开度所使用的公式不同。

当闸孔自由出流时闸门G _i 的实际开度GA _i 的计算公式为：

GA _i =f  ^-1（Y _u,i-1 ，QG _i ，C _d ，GA _0i ） 。

当闸孔淹没出流时闸门G _i 的实际开度GA  _i 的计算公式为：

GA _i =f  ^-1（Y _u,i-1 ，Y _d,i-1 ，QG _i ，C _d ，GA _0i ） 。

调整闸门开度的步骤：用于根据计算得出的闸门实际开度GA _i 由闸门G _i 的启闭机执行开度调整动作，并回到“确定前馈流量调整值的步骤”。回到“确定前馈流量调整值的步骤”是进入下一个检测的过程。因此，上述过程是一个对明渠不断循环检测的过程，使明渠保持高效、稳定的输水功效。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于“计算流量调整值的步骤”的细化，本实施例所述的“计算流量调整值的步骤”中计算当前过闸流量QG _0i 为闸孔自由出流：

，

式中C _d 为闸门流量系数，GA _0i 为闸门G _i 开度，b为每孔净宽，n为闸门孔数，WT _i 为闸门G _i 的底板高程。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于“计算闸门实际开度的步骤”的细化，本实施例所述的“计算闸门实际开度的步骤”中计算闸门G _i 的实际开度GA _i ：

GA _i =f  ^-1（Y _u,i-1 ，QG _i ，C _d ，GA _0i ） 。

实施例四：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于“计算流量调整值的步骤”的细化，本实施例所述的“计算流量调整值的步骤”中计算当前过闸流量QG _0i 为闸孔淹没出流：

，

式中C _d 为闸门流量系数，GA _0i 为闸门G _i 开度，b为每孔净宽，n为闸门孔数，WT _i 为闸门G _i 的底板高程。

实施例五：

本实施例是实施例四的改进，是实施例四关于“计算闸门实际开度的步骤”的细化，本实施例所述的“计算闸门实际开度的步骤”中计算闸门G _i 的实际开度GA _i ：

GA _i =f  ^-1（Y _u,i-1 ，Y _d,i-1 ，QG _i ，C _d ，GA _0i ） 。

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（比如研究渠段的选取、步骤的先后顺序等）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 (5)

1.一种基于蓄量动态调节的大型明渠水位自动控制方法，所述的方法使用的系统包括：一条被多个分隔闸门分隔为串联的多个渠段的长距离自流型输水明渠，所述的各个分隔闸门上游附近设有分水口，所述的各个闸门的闸门启闭机构与各个闸门的控制单元连接，所述的各个闸门的控制单元通过明渠数据传输网络连接，所述的各个控制单元与各自的闸前水位传感器、闸后水位传感器、闸门开度传感器，分水口流量传感器连接，其特征在于，所述方法的步骤如下：

确定前馈控制流量调整值的步骤：用于根据渠段i的分水口供水计划q _0i 、闸门G _i+1 的闸前目标水位YT _i 、渠段i的水位蓄量关系V _i = f（YT _i ），计算出闸门G _i 的前馈控制流量调整值△QG _{i_ff} ；

确定是否需要对前馈控制流量进行反馈修正的步骤：用于由水位传感器实时监测的闸前水位Y _ui 相对于目标值YT _i 的偏离值是否大于水位死区DB _i ，如果“是”则进入下一步骤，如果“否”则认定△QG _i =△QG _{i_ff} ，并进入“计算闸门实际开度的步骤”；

计算前馈控制流量的反馈修正值的步骤：用于通过公式计算前馈控制流量的反馈修正值△QG _{i_fb} ；计算公式如下：

△QG _{i_fb}  =△V _{i_fb} /△τ _{i_fb}   ；

△τ _{i_fb} —第i渠段蓄量补偿过程时间，△V _{i_fb} —第i渠段蓄量补偿过程的蓄量变化量；

计算流量调整值的步骤：用于根据对前馈控制流量△QG _{i_ff} 进行实时反馈修正，计算出闸门G _i 的流量调整值△QG _i ，计算公式如下：

△QG _i =△QG _{i_ff} +△QG _{i_fb} ；

计算流量调整目标值的步骤：计算闸门G _i 的流量调整目标值QG _i ；

首先根据实时监测的数据：闸前水位Y _u,i－1 、闸后水位Y _d,i－1 和闸门开度GA _0i 计算闸门G _i 的当前过闸流量QG _0i  ；

然后将QG _0i 和△QG _i 相加，得出闸门G _i 应调整至的过闸流量，即：

QG _i =QG _0i +△QG _i  ；

计算闸门实际开度的步骤：用于根据闸前水位Y _u,i－1 、闸后水位Y _d,i－1 和闸门流量目标值QG _i 计算出闸门G _i 的实际开度GA _i ；

调整闸门开度的步骤：用于根据计算得出的闸门实际开度GA _i 由闸门G _i 的启闭机执行开度调整动作，并回到“确定前馈流量调整值的步骤”。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的“计算流量调整值的步骤”中计算当前过闸流量QG _0i 为闸孔自由出流：

 ，

式中C _d 为闸门流量系数，GA _0i 为闸门G _i 开度，b为每孔净宽，n为闸门孔数，WT _i 为闸门G _i 的底板高程。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的计算出闸门G _i 的实际开度GA _i ：

GA _i =f  ^-1（Y _u,i-1 ，QG _i ，C _d ，GA _0i ） 。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的“计算流量调整值的步骤”中计算当前过闸流量QG _0i 为闸孔淹没出流：

，

式中C _d 为闸门流量系数，GA _0i 为闸门G _i 开度，b为每孔净宽，n为闸门孔数，WT _i 为闸门G _i 的底板高程。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的计算出闸门G _i 的实际开度GA _i ：

GA _i =f  ^-1（Y _u,i-1 ，Y _d,i-1 ，QG _i ，C _d ，GA _0i ） 。

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