JP5595968B2 - ゲートによる流量制御方法及び流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、河川の堰などによる流量調整や堰上げして取水する用水の取水量を調整する技術において、取水ゲート下端を流出する流量の調整を取水ゲートの上げ下げ操作により行うゲートによる流量制御方法及び流量制御装置に関するものである。

従来、上記取水ゲート下端を流出する流量の調整は、堰上流水深（以下、場合によっては「水位」ということもある）、取水ゲートの開度からヘンリー（Ｈｅｎｒｙ）の式を用いて流出量を演算して求め、該流出量が所定流出量になるように取水ゲートの目標開度を求める手法が採られている。

特開平６−１１７８８８号公報

上記のように、従来、ヘンリー（Ｈｅｎｒｙ）の式を用いて取水ゲートの目標開度を求める場合、流出形態が自由流出のみであればゲート一次側水深を計測することで一意的に目標流量に対する取水ゲートの目標開度が求められるが、流出形態がもぐり流出の場合には、ゲート二次側水深にも依存するため、ゲート二次側水深も計測した上で、更に、一般的に知られている線図をテーブルとして格納しておき、そのテーブルを内挿補完しながら取水ゲートのゲート開度やゲート二次側水深に見合った流量係数を求めるなどプログラムが複雑になってしまうという問題や、演算の補正にはテーブルを入れ替える必要があるという問題があった。

また、取水ゲート下端の流出形態がもぐり流出の場合には、ゲート二次側水深にも依存する上、計測時のゲート二次側水深により演算されるゲート開度への取水ゲート操作に連動してゲート二次側水深が変動してしまうため、目標流量から大きく外れた流量になってしまうという問題があった。

また、ゲート開度を求めずに目標流量に流量計測値が合うように直線流量制御を行う場合は、ゲート操作量の調整が難しくハンチングの発生や目標流量付近に安定するまでの時間が長い等の問題があった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ゲート下端流出による流量制御において、自由流出時及びもぐり流出時の目標流量に対する目標開度の同定により、いかなる流出形態でも速やかに安定した流量制御が実現できるゲートによる流量制御方法及び流量制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、河道や水路の流量を取水ゲート下端流出により制御するゲートによる流量制御方法であって、目標流量に対するゲート二次側水深を、ゲート二次側の河道や水路の流下特性を単純化して等流水深としマニング（Ｍａｎｎｉｎｇ）の式により演算して求めるか、或いはゲート二次側の河道や水路の流下特性を水理計算により解いて求め、該求めたゲート二次側水深値を前記ゲート二次側水深の予測値として設定し、ゲート一次側水深の計測値と、ゲート二次側水深の予測値と、目標流量とを用いて演算されるゲート操作開度を目標値としてゲートの開度の制御を行い、ゲート操作開度の目標値にゲート開度を制御した後、流出状況が安定せず一定時間が経過した場合、目標流量に対する流量計測値の差が所定の判定偏差量になるまで、微小な開度操作量にて開度補正を繰り返し行うことを特徴とする。

また、本発明は、上記ゲートによる流量制御方法において、ゲート操作開度の目標値を、ヘンリー（Ｈｅｎｒｙ）の式における流量計数の理論解を用いて演算することを特徴とする。

また、本発明は、河道や水路に取水ゲートを設け、該取水ゲートの上げ下げ操作により、該取水ゲートの下端を流出するゲート下端流出量を制御するゲートによる流量制御装置であって、ゲート一次側水深を計測するゲート一次側水深計と、目標流量に対するゲート二次側水深を、ゲート二次側の河道や水路の流下特性を単純化して等流水深としマニング（Ｍａｎｎｉｎｇ）の式により演算して求めるか、或いはゲート二次側の河道や水路の流下特性を水理計算により解いて求め、該求めたゲート二次側水深値をゲート二次側水深の予測値として設定する二次側水深予測設定手段とを備え、ゲート一次側水深計によるゲート一次側水深の計測値と、ゲート二次側水深予測設定手段による予測設定値と、目標流量とを用いてゲート操作開度を演算して求め、該ゲート操作開度を目標値としてゲート開度の制御を行うゲート開度制御手段とを備え、ゲート開度制御手段は、ゲート操作開度の目標値にゲート開度を制御した後、流出状況が安定せず一定時間が経過した場合、目標流量に対する流量計測値の差が所定の判定偏差量になるまで、微小開度操作量にて開度補正を繰り返し行う開度補正手段を具備することを特徴とする。

また、本発明は、上記ゲートによる流量制御装置において、ゲート開度制御手段は、ゲート操作開度の目標値を、ヘンリー（Ｈｅｎｒｙ）の式における流量係数の理論解を用いて演算する演算手段を具備することを特徴とする。

本発明によれば下記（ａ）乃至（ｃ）の効果が期待できる。
（ａ）目標流量に対するゲート二次側水深を、ゲート二次側の河道や水路の流下特性を単純化して等流水深としマニング（Ｍａｎｎｉｎｇ）の式により演算して求めるか、或いはゲート二次側の河道や水路の流下特性を水理計算により解いて求め、該求めたゲート二次側水深値をゲート二次側水深の予測値として設定し、ゲート一次側水深の計測値と、ゲート二次側水深の予測設定値と、目標流量とを用いて演算されるゲート操作開度を目標値としてゲート開度の制御を行うので、ゲートの初期動作で目標流量に速やかに近づけることができる。
（ｂ）ゲート二次側水深の予測設定値を、ゲート二次側の河道や水路の流下特性を単純化して等流水深とし、マニング（Ｍａｎｎｉｎｇ）の式により演算することにより、ゲート開度演算のためのゲート二次側水深の補正を容易に行なうことができる。
（ｃ）ゲート二次側水深の予測設定値を、ゲート二次側の河道や水路の流下特性を水理計算により解いて求めるので、ゲート二次側水路の水路形状が変わる、分岐水流量が多い、など水路の流況が複雑な場合でもゲート開度演算のためのゲート二次側水深の予測設定値を求めることができる。

また、本発明によれば、ゲート操作開度の目標値にゲート開度を制御した後、流出状況が安定せず一定時間が経過した場合、目標流量に対する流量計測値の差が所定の判定偏差量になるまで、微小な開度操作量にて開度補正を繰り返し行うので、流量変動に対するゲート開度操作のハンチングを効果的に防止できる。

また、本発明によれば、ゲートによる流量制御方法において、ゲート操作開度の目標値を、ヘンリー（Ｈｅｎｒｙ）の式における流量計数の理論解を用いて演算することにより、目標流量に対する誤差の補正を容易に行うことができる。

本発明に係るゲート下端流出の態様を示す模式図である。 本発明に係るゲート下端流出による流量制御方法の態様を示す図である。 本発明に係るゲート二次側水深が等流水深と近似する場合の態様を示す模式図である。 本発明に係るゲート二次側水深を水理計算により求める場合の態様の例を示す図である。 本発明に係るゲート開度演算方法を実施するシステムの構成例を示す図である。 本発明に係るゲート開度演算方法の基本フローを示す図である。 本発明に係るゲート開度演算方法におけるゲート開度の演算ロジック及び目標流量の設定異常判定、目標開度演算結果の異常判定を示す図である。 本発明に係るゲート開度演算方法におけるゲート開度の演算ロジック及び目標流量の設定異常判定、目標開度演算結果の異常判定を示す図である。 本発明に係るゲート開度演算方法におけるゲート二次側水深の演算ロジック及びゲート二次側水深演算結果の異常判定のフローを示す図である。 本発明に係るゲート下端流出による流量制御方法の目標流量に対するゲート開度制御方法のフローを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は本発明に係るゲート下端流出の態様を示す模式図であり、図１（ａ）はゲート下端未接水の状態を、図１（ｂ）はゲート下端もぐり流出状態を、図１（ｃ）はゲート下端自由流出状態をそれぞれ示す。取水ゲート１の下端が水面に接していない時の水深ｈ₀の水面に取水ゲート１の下端が接し、更に取水ゲート１が下降して取水ゲート１が水面を仕切り、ゲート一次側水深（ゲート１より上流側の水位）ｈ₁とゲート二次側水深（取水ゲート１より下流側の水位）ｈ₂に差が生じ、取水ゲート１の下端の開き量、即ちゲート開度Ｚによりその水深差と共にゲート下端流出量も変化することになる。水面をゲート１が仕切ることによりゲート下端流出量はゲート特性に依存することとなり、下記ヘンリーの式で求められる。なお、図１において７は水路底面を示す。
ｑ_g＝Ｃ・Ｚ（２・ｇ・ｈ₁）^1/2
上記ヘンリーの式において、ｑ_gはゲート下端から流出する単位幅当たりの流量、Ｃは流量係数、Ｚはゲート１の開口高さ、即ちゲート開度、ｇは重力加速度、ｈ₁はゲート一次側の水深（水位）である。

流量係数Ｃは、水の流出形態によりゲート二次側水深ｈ₂に依存するもぐり流出の場合（図１（ｂ）参照）とゲート二次側水深ｈ₂に依存しない自由流出の場合（図１（ｃ）参照）とで解が異なり、理論解は以下の通りである。
Ｃ＝Ｃ_c〔｛−ｂ−（ｂ²−ａ・ｃ）^1/2｝／ａ〕^1/2・・・もぐり流出の場合
Ｃ＝Ｃ_c／｛１＋（Ｃ_c・Ｚ）／ｈ₁｝^1/2 ・・・自由流出の場合
上記流量係数Ｃの理論解において、Ｃ_cは収縮係数であり、また、
ａ＝｛Ｈ₁−（１／Ｈ₁）｝²
ｂ＝１＋２Ｈ₁｛１−（１／Ｈ₂）｝−Ｈ₁ ²
ｃ＝Ｈ₁ ²−Ｈ₂ ²
Ｈ₁＝ｈ₁／（Ｃ_C・Ｚ）
Ｈ₂＝ｈ₂／（Ｃ_C・Ｚ）

ゲート開度を小さくするとゲート二次側水深（水位）ｈ₂が下がりゲート下端流出量は小さくなる。このときゲート一次側水深（水位）ｈ₁は逆に上がることになるが、ゲート一次側水路が十分に広ければ、ゲート開度によらずゲート一次側水深ｈ₁の変化はないものとすることができる。本発明では、このゲート一次側水路が十分広く、ゲート一次側水深ｈ₁がゲート開度Ｚに依存しない場合を対象とする。

ゲート下端流出による流量制御として取水ゲート１を例に説明する。図２は本発明に係るゲート下端流出による流量制御方法の態様を示す図で、図２（ａ）は縦断面、図２（ｂ）は平面、図２（ｃ）はＸ−Ｘ矢視断面をそれぞれ示す。図示するように本流量制御方法は、取水ゲート１、ゲート開度計２、ゲート一次側水深計３、ゲート二次側水路４、ゲート二次側流速計５、ゲート二次側水深計６を備えており、ゲート二次側水路４については、後述するように、施設固有の諸元値が定められている。また、ゲート二次側水路４の水路幅＝Ｂが定められているため、ゲート二次側流速計５とゲート二次側水深計６を組み合わせることにより、ゲート二次側の流量を計測できる。なお、図２（ａ）、図２（ｃ）に示すように、水路高さＬ_tは水路上面の高さ（標高）であり、ゲート敷高Ｌ_bは水路底面の高さ（標高）である。

図３は本発明に係るゲート二次側水深が等流水深と近似する場合の態様を示す模式図で、図３（ａ）は水路縦断面を、図３（ｂ）はゲート二次側水路の横断面をそれぞれ示す。開水路流れにおいて乱流状態の完全粗度の場合、平均流速ｖは次のマニング（Ｍａｎｎｉｎｇ）の式で表される。
ｖ＝（１／ｎ）Ｒ^2/3Ｉ^1/2
ここで、ｎはマニングの粗度係数、Ｒは平均水深（＝Ａ／Ｓ；Ａは開水路の断面積、Ｓは濡れ縁長さ）、Ｉは水路勾配（摩擦損失勾配）である。一様勾配、一様断面が十分長い水路であれば等流とみなすことができ、等流水深ｈ₀は上記マニングの式をもとに導出される次式で表される。
ｈ₀＝〔（ｎ²ｑ²）／ｉ₀〕^3/10
ここに、ｉ₀は水路勾配、ｑは単位幅流量である。以上のように、ゲート二次側の水路が、同一断面、同一勾配の水路とみなせ、水路下流側の流況の影響を無視できるものとすれば、ゲート二次側水深ｈ₂は等流水深と近似でき、水路水深と流量の関係はマニングの式から導出される理論式により求めることができる。

図４は本発明に係るゲート二次側水深を水理計算により求める場合の態様の例を示す模式図で、図４（ａ）は縦断面を、図４（ｂ）は平面をそれぞれ示す。図４において、ｑ₁，ｑ₂，ｑ₃，・・・・ｑ_nはゲート二次側水路４から分岐する分岐水流量を示す。ゲート二次側水路４の水路形状が変わる、分岐水流量が多い、など水路の流況が複雑な場合、ゲート二次側水深（水位）ｈ₂が水路下流側の影響を大きく受けるためにゲート二次側水深（水位）ｈ₂を等流水深と近似すると誤差が大きいため、一次元非定常解析などによる水理計算によりゲート二次側水深ｈ₂を求める。水理計算は、偏微分方程式で表される流体の運動方程式と連続の式を基本式として、線形差分方程式に変形して数値的に流量や圧力、水深（水位）といった解を求めるものでその解法には開水路、閉水路、開閉複合系水路などといった流れ場に応じて適切な方法がとられる。また、それら水理計算ではゲートなどの機器の操作に対する応答性も考慮される。よって、取水ゲート１の操作速度の影響で過渡的な変動が発生しないよう取水ゲート１の操作速度を調整することで過渡的な変動を抑制した操作も可能になる。

図５は本発明に係るゲート開度演算方法を実施するシステムの構成例を示す図である。図５において、１０はゲート一次側水深監視部、１１はゲート開度監視部、１２は流量監視部、１３はゲート二次側水深監視部、１４はゲート目標開度演算部、１５はゲート操作部、１６は流量計測値演算部、１７は比較部、１８はゲート目標開度演算式補正部である。ゲート一次側水深計３で計測したゲート一次側水深ｈ₁の計測値はゲート一次側水深監視部１０に入力されると共に、ゲート目標開度演算部１４に入力される。目標流量に対するゲート目標開度を求めるのに必要な計測値はゲート一次側水深ｈ₁のみであり、該ゲート一次側水深ｈ₁の計測値と、ゲート二次側水深の予測設定値と、目標流量とを用いてゲート目標開度演算部１４で取水ゲート１の目標開度Ｚ_svが演算される。演算された目標開度Ｚ_svはゲート操作部１５に出力され、取水ゲート１が該目標開度になるように操作される。また、ゲート二次側流速計５で計測されたゲート二次側流速ｖは流量計測値演算部１６に入力される。ゲート二次側水深計６で計測されたゲート二次側水深ｈ₂は流量計測値演算部１６に入力されると共に、ゲート二次側水深監視部１３と比較部１７とに入力される。

流量計測値演算部１６ではゲート下端流出量（ゲート二次側流量）Ｑをゲート二次側水深ｈ₂、ゲート二次側流速ｖ及びゲート二次側水路の水路幅Ｂにより演算で求め、流量監視部１２と比較部１７に入力する。比較部１７では目標流量と流量計測値演算部１６からのゲート二次側流量Ｑとの比較、及び、ゲート目標開度演算部１４からのゲート二次側水深の予測設定値とゲート二次側水深計６で測定されたゲート二次側水深ｈ₂との比較を行い、その比較結果によりゲート目標開度演算式補正部１８でゲート目標開度演算式を補正し、ゲート目標開度演算部１４に入力する。上記のようにゲート目標開度演算部１４で演算された結果のゲート開度目標値にゲート操作部１５で取水ゲート１を操作した後、目標値と安定した実際の流況での計測値との比較部１７での比較照合により、ゲート目標開度演算式の係数をゲート目標開度演算式補正部１８で見直す（補正する）ことにより、ゲート目標開度演算部１４の演算精度を高めることができる。

図６は本発明に係るゲート開度演算方法の基本フローを示す図である。図６のゲート開度演算方法のフローはゲート二次側水深ｈ₂を等流水深と近似する場合である。先ずステップＳＴ１において流量目標値Ｑ_svを設定し、続いてステップＳＴ２において該流量目標値Ｑ_svに見合うゲート二次側水深の予測演算を行う。予測演算後、ステップＳＴ３においてゲート二次側水深（水路水深）ｈ₂の予測設定値を設定する。

一方、設定した流量目標値Ｑ_svに対するゲート下端流出量は複数門の取水ゲート１の場合にはステップＳＴ４において門数Ｎを設定し、ステップＳＴ５において目標流量Ｑ_svを門数Ｎで除して１門当たりのゲート下端流出量の目標流量Ｑ１_sv＝Ｑ_sv／Ｎとする。これをゲート下端流出量の目標流量値として、ステップＳＴ６において収束計算に用いるゲート開度Ｚ^*と目標流量値Ｑ１_svとゲート一次側水深ｈ₁の計測値と前記ステップＳＴ２〜ＳＴ３の演算で求めたゲート二次側水深ｈ₂の予測演算値の関数であるゲート開度目標値Ｚ_sv＝Ｆ（Ｚ^*，Ｑ１_sv，ｈ₁，ｈ₂）に前記Ｑ１_sv、ｈ₁、ｈ₂を設定し、更にステップＳＴ７においてゲート開度目標値Ｚ_svを収束計算に用いるゲート開度Ｚ^*のみの関数であるＺ_sv＝Ｆ（Ｚ^*）とする。

ステップＳＴ９においては取水ゲート１の開閉制御が自動制御に設定されているかを判断し、イエス（Ｙ）、即ち自動制御がＯＮの場合は、ゲート開度目標値Ｚ_svが自動で設定され、ステップＳＴ１２において取水ゲート１が該設定された開度になるように制御される。前記ステップＳＴ９においてノー（Ｎ）の場合は、ステップＳＴ１０においてゲート開度目標値Ｚ_svをガイダンス表示し、ステップＳＴ１１においてゲート開度設定値を手動操作し、前記ステップＳＴ１２に移行する。

前記演算結果のゲート開度目標値に取水ゲート１を操作した後、安定した実際の流況でのゲート二次側水深ｈ₂及びゲート下端流出量Ｑの計測値との比較照合により、ゲート二次側水深演算式の係数を見直すことにより演算精度を高めることができる。即ち、ステップＳＴ１３のパラメータチューニング１において、後述する可変パラメータ（水路勾配Ｉ、水路粗度係数ｎ、流量補正係数α）を見直す。

前記演算結果のゲート開度目標値に取水ゲート１を操作した後、安定した実際の流況でのゲート下端流出量Ｑの計測値と目標流量の比較照合により、ゲート目標開度演算式の補正を行うことができる。即ち、ステップＳＴ１４のパラメータチューニング２において、後述する可変パラメータ（ヘンリーの式における各取水ゲート毎の収縮係数Ｃ_c、損失係数ζ）を見直す。

図７−Ａ、図７−Ｂは本発明に係るゲート開度演算方法におけるゲート開度の演算ロジック及び目標流量の設定異常判定、目標開度演算結果の異常判定を示す図であり、図６におけるゲート目標開度演算部分の詳細を示すフロー図である。ゲート目標開度はヘンリーの式から求めるが、前述したように流量係数は流出形態により解が異なるため、もぐり流出か自由流出かを判断して流量係数の理論解の式を計算する。流量係数の理論解はまずもぐり流出の場合の解を計算し、もぐり流出の場合の解が虚数となってしまう場合には自由流出であると判断して自由流出の解の計算を行う。ゲート開度は解析的な解として単純な算術式にはならないため、ある微小な値で取水ゲート１の開度を変化させながら関数を計算し、ある許容誤差内に収まるまで収束計算を行って、収束した時のゲート開度を目標開度に採用する。なお、計算時間はごくわずかな時間であり運用上全く問題とならない。

また、水路高さやゲート開度ストロークの係数を用いることで、目標流量の設定の異常判定と目標開度演算の異常判定を行う。以下、図７−Ａ、図７−Ｂに基づいて詳細に説明する。

先ずステップＳＴ２１においてゲート下端流出量の流量目標値Ｑ_svを設定し、続くステップＳＴ２２において取水ゲート１の門数Ｎを設定し、ステップＳＴ２３において１門当たりのゲート下端流出量の目標流量Ｑ１_svを前記流量目標値Ｑ_svを門数Ｎで除してＱ１_sv＝Ｑ_sv／Ｎとして算出する。また、ステップＳＴ２４においてゲート一次側水深計３で計測したゲート一次側水深計測値ｈ₁を設定する。更にステップＳＴ２５においてゲート二次側水深ｈ₂の予測設定値、ステップＳＴ２６において可変パラメータとして収縮係数Ｃ_c、損失係数ζ、ステップＳＴ２７において固定パラメータとしてゲート二次側水路の水路幅Ｂ、ゲート敷高Ｌ_b、水路高さＬ_t、ゲート開度ストロークＺ₁₀₀（ゲート開度１００％のストローク量）を設定する。

ステップＳＴ２８においてゲート一次側水深計測値ｈ₁がゲート二次側水深ｈ₂の予測設定値以上（ｈ₁≧ｈ₂）かを判断し、ノー（Ｎ）の場合はステップＳＴ２９において異常設定（逆流）と判定し、イエス（Ｙ）の場合はステップＳＴ３０に移行する。ステップＳＴ３０において水路高さＬ_tがゲート敷高Ｌ_bにゲート二次側水深ｈ₂の予測設定値を加算した値以上（Ｌ_t≧Ｌ_b＋ｈ₂）かを判断し、ノー（Ｎ）の場合はステップＳＴ３１において異常設定（水路オーバーフロー）と判定し、イエス（Ｙ）の場合はステップＳＴ３２に移行する。ステップＳＴ３２においてはゲート一次側水深計測値ｈ₁が０でない（ｈ₁≠０）かを判断し、ノー（Ｎ）の場合はステップＳＴ３３において異常設定（流量０）と判定し、イエス（Ｙ）の場合はステップＳＴ３４に移行する。ステップＳＴ３４においてはゲート二次側水深ｈ₂の予測設定値が０でない（ｈ₂≠０）かを判断し、ノー（Ｎ）の場合はステップＳＴ３３において異常設定（流量０）と判定し、イエス（Ｙ）の場合はステップＳＴ３５に移行する。ステップＳＴ３５においては収束計算に用いるゲート開度Ｚ^*の初期値Ｚ^*ini、微小なゲート開度変化値ΔＺ、収束判定許容誤差εを、例えば、Ｚ^*ini＝０．００１ｍ、ΔＺ＝０．００１ｍ、ε＝０．００１ｍと設定し、ステップＳＴ３６に移行する。ステップＳＴ３６においてはＺ^*＝Ｚ^*iniとし、図７−ＢのステップＳＴ３７に移行する。

図７−ＢのステップＳＴ３７においてはＨ₁＝ｈ₁／（Ｃ_c×Ｚ^*）、Ｈ₂＝ｈ₂／（Ｃ_c×Ｚ^*）、ａ＝｛Ｈ₁−（１／Ｈ₁）｝²を計算し、ステップＳＴ３８に移行する。ステップＳＴ３８においてはａが０でないか（ａ≠０）を判断し、ノー（Ｎ）の場合はもぐり流出の解が虚数になったと判断してステップＳＴ４４に移行して自由流出の解の計算を行い、イエス（Ｙ）の場合はステップＳＴ３９に移行する。

ステップＳＴ３９においてはｂ＝１＋２×Ｈ₁×｛１−（１／Ｈ₂）｝−Ｈ₁ ²、ｃ＝Ｈ₁ ²−Ｈ₂ ²、ｓ＝ｂ²−ａ×ｃを計算し、ステップＳＴ４０に移行する。ステップＳＴ４０においてはｓが０以上（ｓ≧０）かを判断し、ノー（Ｎ）の場合はもぐり流出の解が虚数になったと判断してステップＳＴ４４に移行して自由流出の解の計算を行い、イエス（Ｙ）の場合はステップＳＴ４１に移行する。ステップＳＴ４１においてはｔ＝（−ｂ−（ｓ）^1/2）／ａを計算し、ステップＳＴ４２に移行する。ステップＳＴ４２においてはｔが０以上（ｔ≧０）かを判断し、ノー（Ｎ）の場合はもぐり流出の解が虚数になったと判断してステップＳＴ４４に移行して自由流出の解の計算を行い、イエス（Ｙ）の場合はステップＳＴ４３に移行する。ステップＳＴ４３においてはもぐり流出の流量係数ＣをＣ＝Ｃ_c×（ｔ）^1/2と計算し、ステップＳＴ４５に移行する。ステップＳＴ４４においては自由流出の流量係数ＣをＣ＝Ｃ_c／｛１＋Ｃ_c×Ｚ^*／ｈ₁｝^1/2と計算し、ステップＳＴ４５に移行する。

ステップＳＴ４５においてはゲート開度目標値Ｚ_svをＺ_sv＝Ｑ１_sv／〔Ｃ×Ｂ×｛２×ｇ×ｈ₁−ζ×Ｑ１_sv ²／（Ｂ×ｈ₂）²｝^1/2〕と計算し、ステップＳＴ４６に移行する。ステップＳＴ４６においてはＺ_svがｈ₁以下（Ｚ_sv≦ｈ₁）かを判断しノー（Ｎ）の場合はステップＳＴ４７に移行し、ここで異常計算（ゲート未接水）と判定し、イエス（Ｙ）の場合はステップＳＴ４８に移行する。ステップＳＴ４８においてはＺ_svがＺ₁₀₀以下（Ｚ_sv≦Ｚ₁₀₀）かを判断しノー（Ｎ）の場合はステップＳＴ４９に移行し、ここで異常計算（ゲート全開）と判定し、イエス（Ｙ）の場合はステップＳＴ５０に移行する。ステップＳＴ５０においては｜Ｚ_sv-Ｚ^*｜＜εかを判断し、イエス（Ｙ）の場合は収束したと判断してステップＳＴ５１でＺ_sv＝Ｚ^*とし、ステップＳＴ５２に移行し、ゲート開度目標値Ｚ_svの自動設定もしくは手動設定を行う。また、前記ステップＳＴ５０でノー（Ｎ）の場合はステップＳＴ５３に移行し、ここでＺ^*＝Ｚ^*＋ΔＺとし、ステップＳＴ３７に戻って収束するまで収束計算を行う。

図８は本発明に係るゲート開度演算方法におけるゲート二次側水深の演算ロジック及びゲート二次側水深演算結果の異常判定のフローを示す図である。流量目標値に見合うゲート二次側水深（水位）は取水路勾配Ｉ、取水路粗度係数ｎ、水路幅Ｂなどの水路特性の係数を用いてマニングの式から求められるが、ゲート二次側水深が解析的な解として単純な算術式にはならないため、ある微小な値でゲート二次側水深（水位）を変化させながら関数を計算し、ある許容誤差内に収まるまで収束計算を行う。収束した時のゲート二次側水深を目標開度演算に採用する。なお、計算時間はごくわずかであり運用上全く問題とならない。図８はゲート二次側水深が等流水深と近似する場合であるが、水路形状が変わる、分岐が多い、など水路の流況が複雑な場合は、水理計算によりゲート二次側水深を求める。

また、演算における不定や水路高さの係数を用いることで、ゲート二次側水深演算の異常判定を行う。以下、図８に基づいて詳細に説明する。先ず、ステップＳＴ６１において流量目標値Ｑ_svを設定する。また、ステップＳＴ６２において可変パラメータとして取水路勾配Ｉ、取水路粗度係数ｎ、流量補正係数α（初期値＝１）を設定し、ステップＳＴ６３において固定パラメータとして水路幅Ｂ、ゲート敷高Ｌ_b、水路高さＬ_t、ゲート開度ストロークＺ₁₀₀（ゲート開度１００％のストローク量）を設定する。ステップＳＴ６４においてＱ_sv’＝Ｑ_sv／αとして流量を補正し、ステップＳＴ６５に移行する。ステップＳＴ６５においては収束計算に用いるゲート二次側水深ｈ₂ ^*の初期値ｈ₂ ^*ini、微小なゲート二次側水深変化値Δｈ₂、収束判定許容誤差δを、例えば、ｈ₂ ^*ini＝０．００１ｍ、Δｈ₂＝０．００１ｍ、δ＝０．００１ｍと設定し、ステップＳＴ６６に移行する。ステップＳＴ６６においてはｈ₂ ^*＝ｈ₂ ^*iniとし、ステップＳＴ６７に移行する。

ステップＳＴ６７においてはＡ＝Ｂ×ｈ₂ ^*、β＝Ｂ×Ｉ^3/4−２×｛（Ｑ／Ａ）²×ｎ²｝^3/4を計算し、ステップＳＴ６８に移行する。ステップＳＴ６８においてはβが０でないか（β≠０）を判断し、ノー（Ｎ）であったら、ステップＳＴ６９に移行し、ここで異常設定（二次側水深（水位）オーバーフロー）と判定し、イエス（Ｙ）であったらステップＳＴ７０に移行する。ステップＳＴ７０ではｈ₂＝［Ｂ×｛（Ｑ_sv’／Ａ）²×ｎ²｝^3/4］／βを計算し、ステップＳＴ７１に移行する。ステップＳＴ７１においてはｈ₂＋Ｌ_b≦Ｌ_tかを判断し、ノー（Ｎ）であったらステップＳＴ７２に移行し、ここで異常設定（水路オーバーフロー）と判定し、イエス（Ｙ）であったらステップＳＴ７３に移行する。ステップＳＴ７３においては｜ｈ₂−ｈ₂ ^*｜＜δかを判断し、イエス（Ｙ）の場合は収束したと判断してステップＳＴ７５でｈ₂＝ｈ₂ ^*とし、ステップＳＴ７６に移行し、ｈ₂をゲート二次側水深の予測設定値として設定する。また、前記ステップＳＴ７３でノー（Ｎ）の場合はステップＳＴ７４に移行し、ここでｈ₂ ^*＝ｈ₂ ^*＋Δｈ₂とし、ステップＳＴ６７に戻って収束するまで収束計算を行う。

図９は本発明に係る目標流量に対するゲート開度制御方法のフローを示す図である。目標流量に対するゲート開度制御方法は、前記ゲート開度目標値Ｚ_svの演算結果を設定して同開度までゲート１を操作した後、一定のサンプリング周期でゲート二次側の流量をゲート二次側流速計５とゲート二次側水深計６で計測し、タイマー１で設定した時間内に、現時刻の流量計測値（図９におけるＱ_今回値）と１サンプリング周期前の流量計測値（図９におけるＱ_前回値）との差が、設定する偏差量（図９におけるΔＱ_δ）より小さくなった場合は、流出状況が安定したと判断して操作終了となるが、タイマー１で設定した時間内に｜Ｑ_今回値−Ｑ_前回値｜＜ΔＱ_δにならなかった場合は、流出状況が安定していないと判断して目標流量値Ｑ_svに対する流量計測値Ｑの差が所定の判定偏差量になるまで、微小な開度操作量ΔＺにて開度補正を繰り返し行う。

ゲート開度目標値を演算せず、最初から流量計測値Ｑと目標流量値Ｑ_svの差によりゲート１を操作する場合、安定するまでに時間がかかったり、ゲートの開閉動作が繰り返されるハンチング動作により不安定になることがあるが、上記操作により、速やかに略目標流量付近に安定させることが可能となる。仮にゲート開度目標値に誤差があり、流出状況が安定しない場合でも、一度の操作後に水路の系に応じて適切な時間に設定するタイマー１により、次の調整回路に進むことができる。流量計測値Ｑが目標流量値Ｑ_svとずれていても、ゲート開度目標値を演算しなかった場合に比べてその差はわずかであり、微小な開度操作量ΔＺや微小な開度操作を行った後のタイマー２を水路の系に応じて適切な値を設定することにより安定的に微調整される。以下、図９に基づいて詳細に説明する。

先ず、ステップＳＴ８１においてゲート開度目標値Ｚ_svの演算結果を設定すると共に、ゲート開度計２で計測したゲート開度計測値Ｚを入力する。更に可変パラメータとしてゲート開度判定偏差量ΔＺ_εを設定すると共に、流量判定偏差量ΔＱ_δを設定する。そしてステップＳＴ８２において｜Ｚ−Ｚ_sv｜＜ΔＺ_εを判定し、イエス（Ｙ）であったらステップＳＴ８３に移行し、ノー（Ｎ）であったらステップＳＴ８４に移行する。ステップＳＴ８４においてはＺ−Ｚ_sv＜０かを判断し、イエス（Ｙ）の場合はステップＳＴ８５に移行し、ノー（Ｎ）の場合はステップＳＴ８６に移行する。ステップＳＴ８５においてはゲート上昇操作を行い、ステップＳＴ８６においてはゲート下降操作を行い、前記ステップＳＴ８２に戻り、処理を行う。前記ステップＳＴ８２からステップＳＴ８６までは、ゲートの上昇操作と下降操作を判定して操作するステップであり、通常は１回の操作でステップＳＴ８３のゲート停止となる。

前記ステップＳＴ８３においてゲート１を停止した後、ステップＳＴ８７及びタイマー１に移行する。ステップＳＴ８７においては一定のサンプリング周期での現時刻の流量計測値Ｑ_今回値と１サンプリング周期前の流量計測値Ｑ_前回値との偏差｜Ｑ_今回値−Ｑ_前回値｜を求め、該偏差値が前記流量判定偏差量ΔＱ_δより小さいか（｜Ｑ_今回値−Ｑ_前回値｜＜ΔＱ_δ）を判断し、イエス（Ｙ）の場合は流出状況が安定したと判断して操作を終了し、タイマー１で設定した時間内にイエス（Ｙ）にならない場合は、流出状況が安定していないと判断してノー（Ｎ）としてステップＳＴ８８に移行する。ステップＳＴ８８においては、ゲート二次側流量計５とゲート二次側水深計６で計測された流量計測値Ｑ、ゲート開度目標値を演算する際に設定された流量目標値Ｑ_sv（図９ではステップＳＴ８０で設定）、可変パラメータとして設定された流量判定偏差量ΔＱεを考慮して｜Ｑ−Ｑ_sv｜＜ΔＱ_εかを判断し、イエス（Ｙ）の場合は操作終了とし、ノー（Ｎ）の場合はステップＳＴ８９に移行する。

前記ステップＳＴ８９においてはＱ−Ｑ_sv＜０かを判断し、イエス（Ｙ）の場合はステップＳＴ９０に移行し、ノー（Ｎ）の場合はステップＳＴ９１に移行する。ステップＳＴ９０においては、可変パラメータとして設定された微小なゲート操作量ΔＺだけ上昇操作を行ってステップＳＴ９２に移行し、ステップＳＴ９１においては、前記ゲート操作量ΔＺだけ下降操作を行ってステップＳＴ９２に移行する。ステップＳＴ９２においてはゲート１を停止し、タイマー２で設定した時間が経過したら、前記ステップＳＴ８８に戻って処理を繰り返す。前記ステップＳＴ８８からステップＳＴ９２までは、流出状況が安定しない場合のゲート開度補正であり、目標流量値Ｑ_svに対する流量計測値Ｑの差が所定の判定偏差量ΔＱεになるまで繰り返し行われる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造であっても、本願発明の作用効果を奏する以上、本願発明の技術範囲である。

本発明は、目標流量に対するゲート二次側水深を河道や水路の流下特性に応じて予測設定し、ゲート一次側水深の計測値と、ゲート二次側水深の予測設定値と、目標流量とを用いて演算されるゲート操作開度を目標値としてゲート開度の制御を行うので、目標放流量をゲートの初期動作で速やかに近づけることができるゲートによる流量制御方法及び流量制御装置として利用できる。また、ゲート操作開度の目標値にゲート開度を制御した後、流出状況が安定せず一定時間が経過した場合、目標流量に対する流量計測値の差が所定の判定偏差量になるまで、微小な開度操作量ΔＺにて開度補正を繰り返し行うので、放流量変動に対するゲート開度操作のハンチングを効果的に防止できるゲートによる流量制御方法及び流量制御装置として利用できる。

１ 取水ゲート
２ ゲート開度計
３ ゲート一次側水深計
４ ゲート二次側水路
５ ゲート二次側流速計
６ ゲート二次側水深計
７ 水路底面
１０ ゲート一次側水深監視部
１１ ゲート開度監視部
１２ 流量監視部
１３ ゲート二次側水深監視部
１４ ゲート目標開度演算部
１５ ゲート操作部
１６ 流量計測値演算部
１７ 比較部
１８ ゲート目標開度演算式補正部
ｈ₁ ゲート一次側水深
ｈ₂ ゲート二次側水深
Ｚ ゲート開度
Ｑ ゲート下端流出量
Ｂ ゲート二次側水路幅
Ｉ ゲート二次側水路勾配
ｎ ゲート二次側水路粗度係数
ｑ_n 分岐水流量

Claims (4)

1. 河道や水路の流量を取水ゲート下端流出により制御するゲートによる流量制御方法であって、
   目標流量に対するゲート二次側水深を、前記ゲート二次側の河道や水路の流下特性を単純化して等流水深としマニング（Ｍａｎｎｉｎｇ）の式により演算して求めるか、或いは前記ゲート二次側の河道や水路の流下特性を水理計算により解いて求め、該求めたゲート二次側水深値を前記ゲート二次側水深の予測値として設定し、
   ゲート一次側水深の計測値と、前記ゲート二次側水深の予測値と、前記目標流量とを用いて演算されるゲート操作開度を目標値として前記ゲート開度の制御を行い、
   前記ゲート操作開度の目標値にゲート開度を制御した後、流出状況が安定せず一定時間が経過した場合、
   前記目標流量に対する流量計測値の差が所定の判定偏差量になるまで、微小な開度操作量にて開度補正を繰り返し行うことを特徴とするゲートによる流量制御方法。
2. 請求項１に記載のゲートによる流量制御方法において、
   前記ゲート操作開度の目標値を、ヘンリー（Ｈｅｎｒｙ）の式における流量計数の理論解を用いて演算することを特徴とするゲートによる流量制御方法。
3. 河道や水路に取水ゲートを設け、該取水ゲートの上げ下げ操作により、該取水ゲートの下端を流出するゲート下端流出量を制御するゲートによる流量制御装置であって、
   ゲート一次側水深を計測するゲート一次側水深計と、
   目標流量に対するゲート二次側水深を、前記ゲート二次側の河道や水路の流下特性を単純化して等流水深としマニング（Ｍａｎｎｉｎｇ）の式により演算して求めるか、或いは前記ゲート二次側の河道や水路の流下特性を水理計算により解いて求め、該求めたゲート二次側水深値を前記ゲート二次側水深の予測値として設定する二次側水深予測設定手段とを備え、
   前記ゲート一次側水深計によるゲート一次側水深の計測値と、前記ゲート二次側水深予測設定手段による予測設定値と、前記目標流量とを用いてゲート操作開度を演算して求め、該ゲート操作開度を目標値としてゲート開度の制御を行うゲート開度制御手段とを備え、
   前記ゲート開度制御手段は、前記ゲート操作開度の目標値にゲート開度を制御した後、流出状況が安定せず一定時間が経過した場合、前記目標流量に対する流量計測値の差が所定の判定偏差量になるまで、微小開度操作量にて開度補正を繰り返し行う開度補正手段を具備することを特徴とするゲートによる流量制御装置。
4. 請求項３に記載のゲートによる流量制御装置において、
   前記ゲート開度制御手段は、前記ゲート操作開度の目標値を、ヘンリー（Ｈｅｎｒｙ）の式における流量計数の理論解を用いて演算する演算手段を具備することを特徴とするゲートによる流量制御装置。

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