CN114415742B - 一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置及方法 - Google Patents
一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114415742B CN114415742B CN202111522124.2A CN202111522124A CN114415742B CN 114415742 B CN114415742 B CN 114415742B CN 202111522124 A CN202111522124 A CN 202111522124A CN 114415742 B CN114415742 B CN 114415742B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- flow
- valve
- water level
- regulating valve
- flow regulating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 title claims abstract description 389
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 279
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 title claims abstract description 23
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 title claims description 52
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims abstract description 69
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 22
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 15
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 11
- 230000002411 adverse Effects 0.000 abstract description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000002085 persistent effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D9/00—Level control, e.g. controlling quantity of material stored in vessel
- G05D9/12—Level control, e.g. controlling quantity of material stored in vessel characterised by the use of electric means
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
- E02B5/00—Artificial water canals, e.g. irrigation canals
- E02B5/08—Details, e.g. gates, screens
- E02B5/082—Closures
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
- E02B9/00—Water-power plants; Layout, construction or equipment, methods of, or apparatus for, making same
- E02B9/02—Water-ways
- E02B9/06—Pressure galleries or pressure conduits; Galleries specially adapted to house pressure conduits; Means specially adapted for use therewith, e.g. housings, valves, gates
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/20—Hydro energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Flow Control (AREA)
Abstract
本发明提供一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置及方法，所述自动调控装置包括：PI控制器以及分别与PI控制器信号连接的调流阀上游压力传感器、调流阀、阀门开度传感器、调流阀下游压力传感器、第一流量计、第二流量计以及阀门机械驱动机构；所述调流阀设置在上游压力引水道内，所述调流阀上设有阀门开度传感器，所述上游压力引水道在调流阀的上游以及下游侧分别设有调流阀上游压力传感器以及调流阀下游压力传感器。本发明克服了上游压力引水道和长明渠混连的输水系统中明渠水位长时间波动对下游端供水造成不利影响的问题，避免长明渠和下游进水口处出现拉空进气现象，为引输水工程流量的快速调配提供安全保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置及方法，适用于水利水电工程，尤其是适用于上游压力引水道、调节池和长明渠混连的输水系统。
背景技术
目前国内外的一些长距离输水工程，受地形条件或工程投资的限制，经常采用压力引水道和长明渠相结合的输水形式，在上游压力引水道和长明渠的衔接处，往往设置调节池以起到稳定水位、调节流量的作用。
明渠供水系统在下游流量变化时水位会产生较大波动，可能对运行安全产生不利影响，具体表现为，当下游实际供水量减小时，明渠末端的水位首先升高，并逐渐传至上游调节池，使得整个明渠水深增加，导致水位上升，甚至可能超过结构高程，造成溢流或者明渠边坡失稳的结构破坏；当下游实际供水量增加时，明渠末端压力前池水位首先降低，并传播至上游调节池，由于调节池一般容积较小，水位也随之降低，导致调节池无法反射足够的增压波使明渠水位抬升，导致明渠水位进一步下降，直至水位被拉空。并且由于明渠的滞后效应，当供水量发生变化时，水位波动往往持续很久，造成系统的不稳定，降低运行可靠度。目前对于这种问题，采用的是人工操作，完全凭借运行人员经验，没有合适的控制方法，无法解决水位持久波动的问题。
因此，有必要制定一种长明渠水位的自动调控措施，确保在下游供水端流量发生变化时，能够将明渠的水位波动控制在较小的幅度范围内，减弱甚至消除明渠水位波动对下游供水端带来的不利影响。
发明内容
本发明第一个目的在于，针对上游压力引水道和长明渠混连的输水系统中明渠水位长时间波动对下游端供水带来的不利影响，提供一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置，确保在水力过渡过程中，明渠水位波动保持在较小的幅度范围内，供水流量平稳过渡，实现含长明渠的引输水系统与靠近水库的引输水系统一样能够安全快速地进行流量调配。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置，所述稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置包括：PI控制器以及分别与PI控制器信号连接的调流阀上游压力传感器、调流阀、阀门开度传感器、调流阀下游压力传感器、第一流量计、第二流量计以及阀门机械驱动机构；
所述调流阀设置在上游压力引水道内，所述调流阀上设有阀门开度传感器，所述上游压力引水道在调流阀的上游以及下游侧分别设有调流阀上游压力传感器以及调流阀下游压力传感器；
所述调流阀上还设有阀门机械驱动机构，所述阀门机械驱动机构用于在PI控制器的控制下调节调流阀开度的大小；
所述第一流量计设置在上游压力引水道内，所述第二流量计设置在长明渠内；
所述长明渠的上游端具有调节池，所述长明渠的下游端具有压力前池；
所述PI控制器通过如下步骤进行调控：
S1、当长明渠下游端实际供水量发生变化时，开始调节调流阀开度；
S2、利用调流阀上游压力传感器、阀门开度传感器、调流阀下游压力传感器、第一流量计以及第二流量计按照时间步长Δt分别对调流阀上游压力Hui、调流阀开度τi、调流阀下游压力Hdi和明渠流量Qci进行测量；
S3、计算调节池的净入流量，净入流量为通过调流阀的流量Qi与长明渠流出流量的差值；
S4、计算当前调节池水位与调节池控制水位的水位偏差；
S5、PI控制器将水位偏差转换为调流阀开度信号；
S6、依据步骤S5的调流阀开度信号，阀门机械驱动机构自动地将调流阀调整到与之所对应的开度；
S7、调流阀到达指定开度后，控制第一流量计和第二流量计测量本次时间步长Δt末的通过调流阀的流量Qi+1，将其反馈到PI控制器中，作为下一次调节池水位计算的边界条件；
S8、返回步骤S2，直至将调节池的水位维持在控制水位附近，调节池水位维持在控制水位附近的判断原则为调节池水位在控制水位上下波动的允许范围内，其允许范围根据工程实际要求指定。
过阀流量Qi通过如下方式得到：
式中：Qi为过阀流量；τi为调流阀开度；Q0为上一个时间步长Δt末的过阀流量，由第一流量计测得，初始时刻的Q0为调节前的恒定流状态下过阀流量；H0为上一个时间步长Δt末的阀门前后压力，由调流阀上游压力传感器以及调流阀下游压力传感器测得，初始时刻的H0为调节前的恒定流状态下阀门前后压差。
当前时刻的调节池水位通过如下方式得到：
式中：L(t)为调节池水位时间函数；L0为调节池的初始水位；As为调节池的断面面积；q(t)为调节池的净入流量时间函数，方向以流入调节池为正；Qi为过阀流量；Qci为明渠流量，方向以流入调节池为正。
调节池水位偏差的可通过公式ΔLi＝H控-Li进行计算，式中：H控为调节池的控制水位；Li为当前时刻的调节池水位。
PI控制器的控制方程是由对调流阀阀门开度τi和调节池水位偏差ΔLi的微积分方程式进行拉普拉斯变换，以调节池水位偏差ΔLi为系统输入量，调流阀阀门开度τi+1为系统输出量，得到下一个时间步长Δt内的阀门开度τi+1，其中PI控制器的代数方程如下：
y＝G(s)x
式中：s为拉普拉斯算子；x为调节池水位差的拉氏函数；y为调流阀开度的拉氏函数；G(s)为输入x与输出y之间的传递函数；
PI控制器中PI调节部分分为比例调节和积分调节，积分调节对水位偏差进行不断地积分累加，自动地对调流阀开度进行调节，直至水位偏差调整至零，比例调节改善积分环节对于水位调节的滞后性，增加PI控制器的速动性和稳定性，PI调节部分与阀门机械驱动机构构成阀门调节器，控制调流阀开度的变化。
作为本发明的优选技术方案：所述调流阀的最大开度对应流量与下游的设计流量一致，阀门开度调整均为一段直线变化规律，其调整时间均为一个时间步长Δt，调流阀数目与下游进水端口数目一致，即调流阀与下游进水口实行一对一调控，当下游某一处进水端口流量发生变化时，PI控制器只改变其对应的调流阀开度，不但可以降低调流阀操作的次数，降低其使用频率，延长其使用寿命，而且可以大大的增加系统调节的灵活性。
本发明还有一个目的在于，针对上游压力引水道和长明渠混连的输水系统中明渠水位长时间波动对下游端供水带来的不利影响，提供一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控方法，确保在水力过渡过程中，明渠水位波动保持在较小的幅度范围内，供水流量平稳过渡，实现含长明渠的引输水系统与靠近水库的引输水系统一样能够安全快速地进行流量调配。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控方法，所述稳定长明渠前端调节池水位的自动调控方法基于稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置，并包括如下步骤：
S1、当长明渠下游端实际供水量发生变化时，开始调节调流阀开度；
S2、利用调流阀上游压力传感器、阀门开度传感器、调流阀下游压力传感器、第一流量计以及第二流量计按照时间步长Δt分别对调流阀上游压力Hui、调流阀开度τi、调流阀下游压力Hdi和明渠流量Qci进行测量；
S3、计算调节池的净入流量，净入流量为通过调流阀的流量Qi与长明渠流出流量Qci的差值；
S4、计算当前调节池水位Li与调节池控制水位H控的水位偏差；
S5、PI控制器将水位偏差转换为调流阀开度信号；
S6、依据步骤S5的调流阀开度信号，阀门机械驱动机构自动地将调流阀调整到与之所对应的开度；
S7、调流阀到达指定开度后，控制第一流量计和第二流量计测量本次时间步长Δt末的通过调流阀的流量Qi+1，将其反馈到PI控制器中，作为下一次调节池水位计算的边界条件；
S8、返回步骤S2，直至将调节池的水位维持在控制水位附近，调节池水位维持在控制水位附近的判断原则为调节池水位在控制水位上下波动的允许范围内，其允许范围根据工程实际要求指定。
过阀流量Qi通过如下方式得到：
式中：Qi为过阀流量；τi为调流阀开度；Q0为上一个时间步长Δt末的过阀流量，由第一流量计测得，初始时刻的Q0为调节前的恒定流状态下过阀流量；H0为上一个时间步长Δt末的阀门前后压力，由调流阀上游压力传感器以及调流阀下游压力传感器测得，初始时刻的H0为调节前的恒定流状态下阀门前后压差。
当前时刻的水位通过如下方式得到：
式中：L(t)为调节池水位时间函数；L0为调节池的初始水位；As为调节池的断面面积；q(t)为调节池的净入流量时间函数，方向以流入调节池为正；Qi为过阀流量；Qci为明渠流量，方向以流入调节池为正。
调节池控制水位设置目的是当下游实际供水量增加时，明渠末端水位下降，产生的降压波由下游进水口处传至上游调节池处，导致整个明渠水深减小，若调节池水深过小，很有可能降压波无法传至上游调节池处或经调节池反射后的升压波不能传至下游，导致明渠断面拉空现象，造成下游流量供给不足、进水口进气等工程事故。因此，调节池水位存在一个最低控制值，其数值根据具体工程而定。
调节池水位偏差的可通过公式ΔLi＝H控-Li进行计算，式中：H控为调节池的控制水位；Li为当前时刻的调节池水位。
PI控制器的控制方程是由对调流阀阀门开度τi和调节池水位偏差ΔLi的微积分方程式进行拉普拉斯变换，得到PI控制器的传递函数方框图，以调节池水位偏差ΔLi为系统输入量，调流阀阀门开度τi+1为系统输出量，得到下一个时间步长Δt内的阀门开度τi+1，其中PI控制器的代数方程如下：
y＝G(s)x
式中：s为拉普拉斯算子；x为调节池水位差的拉氏函数；y为调流阀开度的拉氏函数；G(s)为输入x与输出y之间的传递函数；
PI控制器中PI调节部分分为比例调节和积分调节，积分调节对水位偏差进行不断地积分累加，自动地对调流阀开度进行调节，直至水位偏差调整至零，比例调节改善积分环节对于水位调节的滞后性，增加PI控制器的速动性和稳定性，PI调节部分与阀门机械驱动机构构成阀门调节器，控制调流阀开度的变化；
所述稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置包括：PI控制器以及分别与PI控制器信号连接的调流阀上游压力传感器、调流阀、阀门开度传感器、调流阀下游压力传感器、第一流量计、第二流量计以及阀门机械驱动机构；
所述调流阀设置在上游压力引水道内，所述调流阀上设有阀门开度传感器，所述上游压力引水道在调流阀的上游以及下游侧分别设有调流阀上游压力传感器以及调流阀下游压力传感器；
所述调流阀上还设有阀门机械驱动机构，所述阀门机械驱动机构用于在PI控制器的控制下调节调流阀开度的大小；
所述第一流量计设置在上游压力引水道内，所述第二流量计设置在长明渠内；
所述长明渠的上游端具有调节池，所述长明渠的下游端具有压力前池。
作为本发明的优选技术方案：所述调流阀的最大开度对应流量与下游的设计流量一致，阀门开度调整均为一段直线变化规律，其调整时间均为一个时间步长Δt，调流阀数目与下游进水端口数目一致，即调流阀与下游进水口实行一对一调控，当下游某一处进水端口流量发生变化时，PI控制器只改变其对应的调流阀开度，不但可以降低调流阀操作的次数，降低其使用频率，延长其使用寿命，而且可以大大的增加系统调节的灵活性。
本发明提供一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置及方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)、可自动调节并稳定长明渠水位。在下游端流量发生变化时，通过输入调节池控制水位差为系统给定目标值，利用PI控制器可自动调节调流阀阀门开度，进而调控调节池水位至控制水位，以达到稳定长明渠水位的效果。具体表现在，当下游实际供水减小时，PI控制器会根据调节池水位差自动减小阀门开度，可实现调节池水位波动保持在较小的幅度范围内，明渠和下游前池水位平顺上升，且不出现溢流现象；当下游实际供水增加时，PI控制器会根据调节池水位差自动增大阀门开度，可实现调节池水位波动保持在较小的幅度范围内，明渠和下游前池水位平顺上升，且不出现溢流现象；
(2)、可使下游机组具备快速调节出力的能力。若长明渠下游与水轮机组相连，当机组出力改变时，所需流量也会随之改变，如果采用传统的调节方式，由于长明渠的滞后效应，不仅会造成机组调节出力所需时间过长，严重限制机组出力调节的灵活性，而且由于明渠水位的上下波动，水轮机的导叶将会一直处于摆动的状态，不利于机组的稳定运行。若采用本专利提供的调控方式，则只需要满足调节池水位高于控制水位，即可快速调节机组出力，减弱甚至消除了长明渠滞后效应对机组出力调节带来的不利影响；
(3)、可提高下游日常供水的可靠性。若长明渠下游与自来水厂等供水系统相连，由于其流量调节频繁，采用本专利提供的调控方式，可避免人工调节所导致的误操作，实现了流量调配的自动化，提高了供水工程的可靠性。
(4)、本发明克服了上游压力引水道和长明渠混连的输水系统中明渠水位长时间波动对下游端供水造成不利影响的问题，避免长明渠和下游进水口处出现拉空进气现象，为引输水工程流量的快速调配提供安全保障。本发明调控方法清晰，易于实施，成本较低，具有一定的推广使用价值。
附图说明
图1为本发明所提供的稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置的布置图示；
图2为本发明所提供的稳定长明渠前端调节池水位的自动调控方法的调控反馈图示；
图3为PI控制器的传递函数方框图；
图4a为一个步长时间Δt内调流阀一段直线开启规律示意图；
图4b为一个步长时间Δt内调流阀一段直线关闭规律示意图；
图5为调流阀开度及流量变化图；
图6为调节池水位及流量变化图；
图7为长明渠中间断面水深变化图；
图8为下游压力前池处水位及流量变化过程图；
图中：1-上游压力引水道；2-调流阀上游压力传感器；3-调流阀；4-阀门开度传感器；5-调流阀下游压力传感器；61-第一流量计；62-第二流量计；7-阀门机械驱动机构；8-PI控制器；9-电缆；10-调节池；11-长明渠；12-压力前池。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1为本发明所提供的稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置的布置图示，
本发明所提供的稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置包括：PI控制器8以及与PI控制器8经电缆9信号连接的调流阀上游压力传感器2、调流阀3、阀门开度传感器4、调流阀下游压力传感器5、第一流量计61、第二流量计62以及阀门机械驱动机构7；
上游压力引水道1与长明渠11相连接，长明渠11的上游端具有调节池10，下游端具有压力前池12；
调流阀3设置在上游压力引水道1内，调流阀3上设有阀门开度传感器4，上游压力引水道1在调流阀3的上游以及下游侧分别设有调流阀上游压力传感器2以及调流阀下游压力传感器5；
调流阀上3还设有阀门机械驱动机构7，阀门机械驱动机构7用于在PI控制器8的控制下调节调流阀3开度的大小；
第一流量计61设置在上游压力引水道1内，第二流量62计设置在长明渠11内；
本实施例中调节池水位的调控反馈系统如图2。
下面以下游流量增加为例对本发明所提供的稳定长明渠前端调节池水位的自动调控方法作进一步地说明，下游流量减少工况调节与之类似。
某工程明渠及上游端布置如图1所示，明渠11长度为4.8km，本实例工况下调节池10初始水位为1029.30m，对应的调节池10控制水位为1029.30m，此时明渠11流量为26m3/s，调节池10池底高程仅为1023.40m，当下游端实际供水量增加时，有明渠11拉空和下游进水口进气的危险。
本发明所提供的稳定长明渠前端调节池水位的自动调控方法的具体步骤如下：
S1、当长明渠下游端实际供水量发生变化时，开始调节调流阀开度；实施例中，明渠10末端某一进水端口需水量增加，明渠10流量由原来的26m3/s增加至40m3/s，与下游进水端口所对应的调流阀3阀门开度开始增加；
S2、利用调流阀上游压力传感器、阀门开度传感器、调流阀下游压力传感器、第一流量计以及第二流量计按照时间步长Δt分别对调流阀上游压力Hui、调流阀开度τi、调流阀下游压力Hdi和明渠流量Qci进行测量；实施例中，调流阀上游压力传感器2、阀门开度传感器4、调流阀下游压力传感器5、第一流量计61和第二流量计62按照时间步长Δt分别对调流阀3上游压力Hui、调流阀3开度τi、调流阀3下游压力Hdi和明渠11流量Qci进行测量，时间步长Δt取0.02s；
S3、计算调节池的净入流量，净入流量为通过调流阀的流量Qi与长明渠流出流量Qci的差值；实施例中，由实测数据推算出本次时间步长Δt内调流阀3过流量Qi和长明渠11流量Qci，并计算调节池的净入流量；
S4、计算当前调节池水位Li与调节池控制水位H控的水位偏差；实施例中，由明渠11流量Qci和调流阀3过流量Qi推算出本次时间步长Δt内调节池10的水位，计算本次时间步长Δt内调节池10水位与控制水位的偏差ΔLi；
S5、PI控制器将水位偏差转换为调流阀开度信号；实施例中，按照图3所示的PI控制器8的传递函数方框图，以调节池10水位偏差ΔLi为系统输入量，调流阀3阀门开度τi+1为系统输出量，得到下一个时间步长Δt内的调流阀3开度；
S6、依据步骤S5的调流阀开度信号，阀门机械驱动机构自动地将调流阀调整到与之所对应的开度；实施例中，阀门机械驱动结构7根据输出的阀门开度τi+1按照一段直线规律调节调流阀3开度，阀门的开度调节规律参考图4a-b；
S7、调流阀到达指定开度后，控制第一流量计和第二流量计测量本次时间步长Δt末的通过调流阀的流量Qi+1，将其反馈到PI控制器中，作为下一次调节池水位计算的边界条件；实施例中，调流阀3到达指定开度后，第一流量计61和第二流量计62测量下一个时间步长Δt初的明渠11流量Qi+1，将其反馈到PI控制器8中，作为下一次调节池10水位计算的边界条件；
S8、返回步骤S2，直至将调节池的水位维持在控制水位附近，调节池水位维持在控制水位附近的判断原则为调节池水位在控制水位上下波动的允许范围内，其允许范围根据工程实际要求指定；实施例中，调节池10水位与控制水位相差要求不超过0.001m，即可退出调控程序。
按照上述流程对调流阀3进行自动调控，调流阀3开度及流量变化如图5所示，调流阀3的开度在15000s内从0.17变化至0.57，流量由2.14m3/s变化至16.14m3/s。
调节池10水位及流量变化如图6所示，由于下游进水口处水位的降低，降压波约1000s后传至调节池10，导致调节池10水位出现微小波动，PI控制器8参与调节，增大调流阀3开度，增加调节池10的入流量，使调节池10水位维持1029.30m。整个调节过程中，调节池10水位波动幅度最大不超过0.004m，且波动时间不超过5000s，可以看出，按照本发明的调控方法，调节池10水位调节效果十分显著。
明渠11中间断面水深变化如图7所示，可以看出明渠11无断流现象，且由于调节池10处增设水位调节措施，明渠11水位没有上下波动现象，说明本发明调控方法下的明渠11水力过渡十分平顺。
下游压力前池12水位及流量变化如图7所示，可以看出在调节池10处设置水位调节措施，压力前池12在100s的时间内便可实现流量由原来的28m3/s增加至40m3/s，且压力前池12处无拉空现象。说明在本发明的调控方法下，可以使含长明渠11的引输水系统像靠近水库的引输水系统一样具备快速流量调配的能力，且调节池10、明渠11和压力前池12的水位变化平顺，无明显的水位波动，没有出现拉空现象。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置，其特征在于：所述稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置包括：PI控制器以及分别与PI控制器信号连接的调流阀上游压力传感器、调流阀、阀门开度传感器、调流阀下游压力传感器、第一流量计、第二流量计以及阀门机械驱动机构；
所述调流阀设置在上游压力引水道内，所述调流阀上设有阀门开度传感器，所述上游压力引水道在调流阀的上游以及下游侧分别设有调流阀上游压力传感器以及调流阀下游压力传感器；
所述调流阀上还设有阀门机械驱动机构，所述阀门机械驱动机构用于在PI控制器的控制下调节调流阀开度的大小；
所述第一流量计设置在上游压力引水道内，所述第二流量计设置在长明渠内；
所述长明渠的上游端具有调节池，所述长明渠的下游端具有压力前池；
所述PI控制器通过如下步骤进行调控：
S1、当长明渠下游端实际供水量发生变化时，开始调节调流阀开度；
S2、利用调流阀上游压力传感器、阀门开度传感器、调流阀下游压力传感器、第一流量计以及第二流量计按照时间步长Δt分别对调流阀上游压力Hui、调流阀开度τi、调流阀下游压力Hdi和明渠流量Qci进行测量；
S3、计算调节池的净入流量，净入流量为通过调流阀的流量Qi与长明渠流出流量的差值；
S4、计算当前调节池水位与调节池控制水位的水位偏差；
S5、PI控制器将水位偏差转换为调流阀开度信号；
S6、依据步骤S5的调流阀开度信号，阀门机械驱动机构自动地将调流阀调整到与之所对应的开度；
S7、调流阀到达指定开度后，控制第一流量计和第二流量计测量本次时间步长Δt末的通过调流阀的流量Qi+1，将其反馈到PI控制器中，作为下一次调节池水位计算的边界条件；
S8、返回步骤S2，直至将调节池的水位维持在控制水位附近，调节池水位维持在控制水位附近的判断原则为调节池水位在控制水位上下波动的允许范围内，其允许范围根据工程实际要求指定；
过阀流量Qi通过如下方式得到：
式中：Qi为过阀流量；τi为调流阀开度；Q0为上一个时间步长Δt末的过阀流量，由第一流量计测得，初始时刻的Q0为调节前的恒定流状态下过阀流量；H0为上一个时间步长Δt末的阀门前后压力，由调流阀上游压力传感器以及调流阀下游压力传感器测得，初始时刻的H0为调节前的恒定流状态下阀门前后压差；
当前时刻的调节池水位通过如下方式得到：
式中：L(t)为调节池水位时间函数；L0为调节池的初始水位；As为调节池的断面面积；q(t)为调节池的净入流量时间函数，方向以流入调节池为正；Qi为过阀流量；Qci为明渠流量，方向以流入调节池为正；
调节池水位偏差的可通过公式ΔLi＝H控-Li进行计算，式中：H控为调节池的控制水位；Li为当前时刻的调节池水位；
PI控制器的控制方程是由对调流阀阀门开度τi和调节池水位偏差ΔLi的微积分方程式进行拉普拉斯变换，以调节池水位偏差ΔLi为系统输入量，调流阀阀门开度τi+1为系统输出量，得到下一个时间步长Δt内的阀门开度τi+1，其中PI控制器的代数方程如下：
y＝G(s)x
式中：s为拉普拉斯算子；x为调节池水位差的拉氏函数；y为调流阀开度的拉氏函数；G(s)为输入x与输出y之间的传递函数；
PI控制器中PI调节部分分为比例调节和积分调节，积分调节对水位偏差进行不断地积分累加，自动地对调流阀开度进行调节，直至水位偏差调整至零，比例调节改善积分环节对于水位调节的滞后性，增加PI控制器的速动性和稳定性，PI调节部分与阀门机械驱动机构构成阀门调节器，控制调流阀开度的变化。
2.根据权利要求1所述的稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置，其特征在于：所述调流阀的最大开度对应流量与下游的设计流量一致，阀门开度调整均为一段直线变化规律，其调整时间均为一个时间步长Δt，调流阀数目与下游进水端口数目一致，即调流阀与下游进水口实行一对一调控，当下游某一处进水端口流量发生变化时，PI控制器只改变其对应的调流阀开度。
3.一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控方法，其特征在于：所述稳定长明渠前端调节池水位的自动调控方法基于稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置，并包括如下步骤：
S1、当长明渠下游端实际供水量发生变化时，开始调节调流阀开度；
S2、利用调流阀上游压力传感器、阀门开度传感器、调流阀下游压力传感器、第一流量计以及第二流量计按照时间步长Δt分别对调流阀上游压力Hui、调流阀开度τi、调流阀下游压力Hdi和明渠流量Qci进行测量；
S3、计算调节池的净入流量，净入流量为通过调流阀的流量Qi与长明渠流出流量的差值；
S4、计算当前调节池水位与调节池控制水位的水位偏差；
S5、PI控制器将水位偏差转换为调流阀开度信号；
S6、依据步骤S5的调流阀开度信号，阀门机械驱动机构自动地将调流阀调整到与之所对应的开度；
S7、调流阀到达指定开度后，控制第一流量计和第二流量计测量本次时间步长Δt末的通过调流阀的流量Qi+1，将其反馈到PI控制器中，作为下一次调节池水位计算的边界条件；
S8、返回步骤S2，直至将调节池的水位维持在控制水位附近，调节池水位维持在控制水位附近的判断原则为调节池水位在控制水位上下波动的允许范围内，其允许范围根据工程实际要求指定；
过阀流量Qi通过如下方式得到：
式中：Qi为过阀流量；τi为调流阀开度；Q0为上一个时间步长Δt末的过阀流量，由第一流量计测得，初始时刻的Q0为调节前的恒定流状态下过阀流量；H0为上一个时间步长Δt末的阀门前后压力，由调流阀上游压力传感器以及调流阀下游压力传感器测得，初始时刻的H0为调节前的恒定流状态下阀门前后压差；
当前时刻的调节池水位通过如下方式得到：
式中：L(t)为调节池水位时间函数；L0为调节池的初始水位；As为调节池的断面面积；q(t)为调节池的净入流量时间函数，方向以流入调节池为正；Qi为过阀流量；Qci为明渠流量，方向以流入调节池为正；
调节池水位偏差的可通过公式ΔLi＝H控-Li进行计算，式中：H控为调节池的控制水位；Li为当前时刻的调节池水位；
PI控制器的控制方程是由对调流阀阀门开度τi和调节池水位偏差ΔLi的微积分方程式进行拉普拉斯变换，以调节池水位偏差ΔLi为系统输入量，调流阀阀门开度τi+1为系统输出量，得到下一个时间步长Δt内的阀门开度τi+1，其中PI控制器的代数方程如下：
y＝G(s)x
式中：s为拉普拉斯算子；x为调节池水位差的拉氏函数；y为调流阀开度的拉氏函数；G(s)为输入x与输出y之间的传递函数；
PI控制器中PI调节部分分为比例调节和积分调节，积分调节对水位偏差进行不断地积分累加，自动地对调流阀开度进行调节，直至水位偏差调整至零，比例调节改善积分环节对于水位调节的滞后性，增加PI控制器的速动性和稳定性，PI调节部分与阀门机械驱动机构构成阀门调节器，控制调流阀开度的变化；
所述稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置包括：PI控制器以及分别与PI控制器信号连接的调流阀上游压力传感器、调流阀、阀门开度传感器、调流阀下游压力传感器、第一流量计、第二流量计以及阀门机械驱动机构；
所述调流阀设置在上游压力引水道内，所述调流阀上设有阀门开度传感器，所述上游压力引水道在调流阀的上游以及下游侧分别设有调流阀上游压力传感器以及调流阀下游压力传感器；
所述调流阀上还设有阀门机械驱动机构，所述阀门机械驱动机构用于在PI控制器的控制下调节调流阀开度的大小；
所述第一流量计设置在上游压力引水道内，所述第二流量计设置在长明渠内；
所述长明渠的上游端具有调节池，所述长明渠的下游端具有压力前池。
4.根据权利要求3所述的稳定长明渠前端调节池水位的自动调控方法，其特征在于：所述调流阀的最大开度对应流量与下游的设计流量一致，阀门开度调整均为一段直线变化规律，其调整时间均为一个时间步长Δt，调流阀数目与下游进水端口数目一致，即调流阀与下游进水口实行一对一调控，当下游某一处进水端口流量发生变化时，PI控制器只改变其对应的调流阀开度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111522124.2A CN114415742B (zh) | 2021-12-13 | 2021-12-13 | 一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111522124.2A CN114415742B (zh) | 2021-12-13 | 2021-12-13 | 一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114415742A CN114415742A (zh) | 2022-04-29 |
| CN114415742B true CN114415742B (zh) | 2024-04-02 |
Family
ID=81266154
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111522124.2A Active CN114415742B (zh) | 2021-12-13 | 2021-12-13 | 一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114415742B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU615458A1 (ru) * | 1977-02-14 | 1978-07-15 | Всевоюзный Научно-Исследовательский Институт Комплексной Автоматизации Мелиоративных Систем | Устройство дл регулировани уровн воды в каналах |
| ES2345801A1 (es) * | 2009-03-30 | 2010-10-01 | Universidad De Castilla La Mancha | Sistema de control de orden fraccional con ganancia programada de niveles de agua en canales principales de riego. |
| CN101935996A (zh) * | 2010-09-08 | 2011-01-05 | 中国水利水电科学研究院 | 一种多渠段水位自动控制方法及装置 |
| CN108385599A (zh) * | 2018-04-08 | 2018-08-10 | 武汉大学 | 一种以耦合水位差作为被控量的输水明渠渠系运行方式 |
| CN113093531A (zh) * | 2021-03-01 | 2021-07-09 | 武汉大学 | 一种基于模型预测控制的大型管-渠结合系统应急调度控制方法 |
-
2021
- 2021-12-13 CN CN202111522124.2A patent/CN114415742B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU615458A1 (ru) * | 1977-02-14 | 1978-07-15 | Всевоюзный Научно-Исследовательский Институт Комплексной Автоматизации Мелиоративных Систем | Устройство дл регулировани уровн воды в каналах |
| ES2345801A1 (es) * | 2009-03-30 | 2010-10-01 | Universidad De Castilla La Mancha | Sistema de control de orden fraccional con ganancia programada de niveles de agua en canales principales de riego. |
| CN101935996A (zh) * | 2010-09-08 | 2011-01-05 | 中国水利水电科学研究院 | 一种多渠段水位自动控制方法及装置 |
| CN108385599A (zh) * | 2018-04-08 | 2018-08-10 | 武汉大学 | 一种以耦合水位差作为被控量的输水明渠渠系运行方式 |
| CN113093531A (zh) * | 2021-03-01 | 2021-07-09 | 武汉大学 | 一种基于模型预测控制的大型管-渠结合系统应急调度控制方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Algorithm with improved accuracy for real-time measurement of flow rate in open channel systems;Cornelius E. Agu;Flow Measurement and Instrumentation;20171031;第57卷;全文 * |
| 明渠调水工程水位-流量串级反馈控制研究;崔巍;武汉大学学报;20091231;第42卷(第6期);全文 * |
| 灌溉渠道的监测及水深自动控制;艾合拜尔·毛拉;水利科学与寒区工程;20210930;第4卷(第5期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114415742A (zh) | 2022-04-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110647039B (zh) | 长距离明渠输水工程同步控制自适应平衡调度方法 | |
| US4091834A (en) | Apparatus for automatically preparing solution of controlled concentration | |
| CN102156489B (zh) | 材料气体浓度控制系统及材料气体浓度控制系统用程序 | |
| CN103529869A (zh) | 压力控制装置、流量控制装置、压力控制方法及流量控制方法 | |
| CN108181940B (zh) | 适用于串联渠道下游应急断水情况下的闸门调控方法 | |
| GB2541504A (en) | Flow control system and method | |
| CN111977045B (zh) | 借助于比例阀用填充产品填充容器的方法 | |
| CN103744443A (zh) | 一种基于蓄量动态调节的大型明渠水位自动控制方法 | |
| CN101200326A (zh) | 废水pH值调节装置 | |
| CN114415742B (zh) | 一种稳定长明渠前端调节池水位的自动调控装置及方法 | |
| CN108262996B (zh) | 真空灌注控制系统及其控制方法 | |
| CN115434986A (zh) | 液压系统控制方法及可读存储介质 | |
| CN108427443B (zh) | 高精度自动加氧装置及自动加氧方法 | |
| CN111352450A (zh) | 一种数字比例阀流量控制系统及方法 | |
| CN117682148B (zh) | 一种灌装用计量系统及计量方法 | |
| CN111247088B (zh) | 用填充产品填充容器的方法 | |
| CN101435572A (zh) | 一种锅炉给水流量控制及压力补偿系统 | |
| CN105114948A (zh) | 循环流化床锅炉负荷的调整方法 | |
| CN110745932B (zh) | 一种基于DCS的三级废水pH控制方法和系统 | |
| CN113412719B (zh) | 一种吸肥流量测控一体化装置及其控制方法 | |
| CN203382434U (zh) | 一种输出特性可调的液压绞盘电液控制系统 | |
| CN206014397U (zh) | 一种液体药剂自动添加装置 | |
| CN204041575U (zh) | 一种用于液压泵的恒压控制装置 | |
| CN110174256B (zh) | 溢流砖模流试验装置 | |
| CN110608368B (zh) | 物料长输线的进厂油头切换时间的预测方法及切换系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |