JPS6256354B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、応答に時間遅れを伴う水系からの
取水制御装置に関するものである。

一般に、河川から水路を設けて水を引き入れる
取水系は、取水量の急激な変動には即応できな
い。水路を流れる水は、そのとき現在の流速（運
動エネルギー）、水路の上流および下流の各水
位、水相互の粘性、水路壁と流れの摩擦、などの
諸要因により流れの態様が定まる。このような粘
性や摩擦のため、取水量が急激に変動しても、水
の流れはそれに直ぐには追従できず、応答に時間
遅れを生じ、この間特有な振舞をする。このよう
な事情のため、従来の取水制御方式は、精度の高
い制御が望めないという欠点があつた。

この発明は、従来の取水制御装置におけるこの
ような欠点を除去するためになされたものであ
り、従つてこの発明の目的は、高精度の制御を可
能ならしめた取水制御装置を提供することにあ
る。

この発明の構成の要点は、従来の制御装置が、
河川から水路を経て水の流れ込む貯水槽の水位が
一定になるように、該水位を検出して調節計に取
水ポンプを制御させる装置であつたところ、さら
に水路上流にも水位計を設けると共に、ポンプに
よる取水流量をも測定し、これらのデータから演
算器によつて制御パラメータを算出し、これによ
り調節計に取水ポンプを制御させるようにした点
にある。

以下、図面を参照してこの発明の一実施例を詳
細に説明する。

第１図は、この発明の一実施例を示す図であ
る。第１図において、１は開水路、２は貯水槽、
３はポンプ、４は第２の貯水槽、５は調節計、６
と７はそれぞれ水位計、８は流量計、９は演算
器、を示す。

第１図を参照する。図示せざる河川から開水路
１を経て貯水槽２へ水が流入しており、ポンプ３
が貯水槽２から第２の貯水槽４へ揚水することに
より取水している。従来は、水位計６により貯水
槽２の水位を検出し、それが一定になるように調
節計５により取水ポンプ３を制御する装置であつ
たが、これでは取水量の急激な変動に対し、開水
路１から流入する水の流量変化に時間遅れがある
ため、精度の高い制御は望めなかつた。この発明
では、水位計６のほかに上流の開水路１に第２の
水位計７を設置して両水位の差を求めると共に、
流量計８によりポンプ吐出流量（これは、ポンプ
の回転数とポンプ吸込側および吐出側の各水位か
らも算出できる）を測定し、これらのデータによ
り演算器９を用いて、推定される水系の流量変化
に対応できる制御パラメータを決定し、これを調
節計５に渡してポンプ３を制御させ、高精度の貯
水槽２の水位制御を実現するものである。

次に、第２図、第３図を参照して、第１図に示
した水系の挙動およびこの発明の実施例を詳しく
説明する。

第２図および第３図は、ポンプ３の吐出流量が
増加の傾向にある場合の貯水槽２における水位変
化の過渡応答特性をそれぞれ例示的に示す模式図
である。第２図を参照する。今、貯水槽２の水位
がh₁であつたところ、ポンプ３による水の吐出量
が増加したため、貯水槽２の水位が減少し始めた
とする。貯水槽２の水位や低下し始めても、開水
路１からの水の流入量はそれに直ちに追従して増
加することは出来ないから、初めは水位計７によ
る上流開水路の水位測定値はほとんど変化せず、
貯水槽２の水位が一方的に抵下する（第２図○イの
領域）。次に貯水槽２の水位がh₂に至り、上流開
水路の水位との落差も大きくなつたため、開水路
１から貯水槽２へ流入する流量が増加し、ポンプ
３による吐出流量にほゞ見合うに至つたとする
と、水位計７による上流の測定水位と、水位計６
による貯水槽２の測定水位との水位差の増加がほ
とんどなくなり、貯水槽２の水位と開水路１の水
位がほゞ同じ速度で減少してゆく（第２図○ロの領
域）。さらに、この状態が長時間続くと、開水路
１の水位が限界水深に達し、これ以後は開水路１
から貯水槽２への流入量は一定になる。このとき
の貯水槽２における水位をh₃とする。開水路１か
らの流入量が一定限度になつたにもかかわらず、
ポンプ３の吐出量は相変らず増加した状態にある
ので、貯水槽２の水位は再び急激に減少してゆき
（第２図○ハの領域）、やがて貯水槽２は空になる。

第３図を参照する。第３図は、貯水槽２の水位
が最初から水位h₃以下にあつた場合で、開水路１
からの流入量が初めから一定限度に達しているの
で、ポンプ３の吐出量の増加により貯水槽２の水
位が急激に低下する場合の特性を示す。つまり、
貯水槽２の水位の変化状況は、最初から領域○ハに
ある場合を示した特性図である。

上述の、第２図○イまたは○ロの領域に流入状態が
あるときの水位計７による測定水位と水位計６に
よる測定水位との水位差Ｈは、一般に次の式で与
えられる。

Ｈ＝Ｈ_L＋Ｈ_S 但し、Ｈ_Lは摩擦損失水頭であり、Ｈ_Sは水路の
形状変化による損失水頭であり、それぞれ次の式
で与えられる。

Ｈ_L＝f′Ｌ／Ｒ ｏ^２／２ｇ Ｈ_S＝f″ｏ^２／２ｇ 故に Ｈ＝（f′Ｌ／Ｒ＋f″）ｏ^２／２ｇ ここで、f′は摩擦損失係数、Ｌは水位計７と６
の間の距離、Ｒは径深、ｇは重力加速度、ｏは流
速、f″は損失係数、を示す。

従つて、ポンプ３の吐出流量Ｑと、水位計７の
所在する位置の開水路１の通水断面積Ａを用い
て、次の如き、制御のための基準量H₁、H₂を算
出することができる。

H₁＝α_１（f′Ｌ／Ｒ＋f″）１／２ｇ（Ｑ／Ａ）
^２ H₂＝α_２（f′Ｌ／Ｒ＋f″）１／２ｇ（Ｑ／Ａ）
^２ α_１とα_２はそれぞれ補正係数であつて、α_１
α_２の関係である。

なお、上式の算出にあたり、吐出流量Ｑとして
は、瞬時値または過去の値の平均値を用い、Ａと
Ｒの値は水位から算出可能であり、距離Ｌの長さ
のとり方は、余り短かすぎると水位計７による水
位測定値が誤差範囲に入つてしまい有効でなくな
るので、地理的な土木条件や水位計の精度などを
勘案して適当な長さにとることが大切である。

さて、ポンプ３の吐出流量Ｑが、或る量△
Qminを超えて変化したとき、調節計５の制御パ
ラメータの変更をおこなうものとし、その変更の
態様を一例として次のように定める。なお、水位
計６と７による各測定水位の差を△Ｈとし、△Ｈ
の比較基準として上述の量H₁、H₂を用い、この
比較結果によつても調節計５の制御パラメータの
変更をおこなう。

(A) 貯水槽における水位変化の初期状態が第２図
○ロの領域にあるとき、ポンプ３の吐出流量Ｑが
△Qmin.を超えて更に増加したとき…制御パラ
メータ１を採用 (B) 貯水槽２における水位変化の初期状態が第２
図○イの領域にあり、△Ｈが量H₁を超えたとき
…制御パラメータ２を採用 (C) 貯水槽２における水位変化の初期状態が第２
図○ロの領域であり、△Ｈが量H₂を超えたとき
…制御パラメータ３を採用 ここで、制御パラメータ１、２および３と
は、貯水槽２における水位の変化状態○イ、○ロお
よび○ハに対応させて予め定めた調節計５の制御
パラメータである。なお、粗い制御でよけれ
ば、基準H₁、H₂を算出しないで、適宜に△Ｈ
の比較基準量を定めてもよい。

次に、ポンプ３の吐出流量が減少の傾向にあ
る場合、または増加傾向から減少傾向に反転す
る場合、には制御パラメータの採り方は次のよ
うにする。その説明に入る前に、第４図および
第５図を参照されたい。

第４図および第５図は、ポンプ３の吐出流量
が減少の傾向にある場合の貯水槽２における水
位変化の過渡応答特性をそれぞれ例示的に示す
模式図である。

第４図を参照する。ポンプ３の吐出流量が減
少すれば、貯水槽２における水位は上昇し始め
る。今、貯水槽２における水位の変化状況が低
下傾向にあり、第２図○ハの領域にあつたものと
する。このときは、先にも説明したように、開
水路１から貯水槽２へ流入する水量は一定限度
になつており、貯水槽２のおけるレベル変化と
開水路１における水位、または開水路１から貯
水槽２へ流入する水量とは全く関係がなくなつ
ている。従つて、この状態においてポンプ３の
吐出流量が減少し始めれば、貯水槽２の水位は
開水路１の影響を全く受けないで上昇してゆ
く。この状態が第４図の領域〓に相当する。次
に貯水槽２の水位がh′₃に達すると、それ後
は、貯水槽２の水位の上昇が開水路１における
水位との落差を減少させるため、貯水槽２への
流量が減少してくるので、開水路１における水
位の影響を若干受けながら貯水槽２の水位が上
昇する状態となり、これは第４図〓の領域に相
当する。さらに水位がh′₂を超えると、今度は
貯水槽２における水位の上昇が開水路１におけ
る水位の上昇をもたらし、両水位は連動して上
昇する状態となり、これは第４図〓の領域に相
当する。

第５図を参照する。これは、貯水槽２の水位
が最初からレベルh′₃を超えたところにあり、
そのためポンプ３の吐出流量の減少により、第
４図に示す領域〓を経ないで、いきなり領域〓
から始まる場合を示した応答特性図である。

そこで、先にならい制御パラメータの採り方
を次のようにする。

(D) 貯水槽２における水位変化の初期状態が第４
図〓の領域にあり、ポンプ３の吐出流量Ｑがさ
らに△Qmin.を超えて減少したとき…制御パラ
メータ1′を採用 (E) 貯水槽２における水位変化の初期状態が第４
図〓の領域にあり、△Ｈが量H₁以下になつた
とき…制御パラメータ2′を採用 (F) 貯水槽２における水位変化の初期状態が第４
図〓の領域にあり、△Ｈが量H₂以下になつた
とき…制御パラメータ1′を採用 但し、補正係数α_１、α_２は先とは異なつた
値にしてもよい。さらに、 (G) 貯水槽２における水位変化の初期状態が第５
図〓、〓の領域にあり、ポンプ３の吐出流量Ｑ
が△Qmin.を超えて増加したとき…制御パラメ
ータ１を採用 (I) 貯水槽２における水位変化の初期状態が第４
図〓の領域にあり、ポンプ３の吐出流量Ｑが△
Qmin.を超えて増加したとき…制御パラメータ
３を採用 (J) 貯水槽２における水位変化の初期状態が第２
図○イ、○ロの領域にあり、ポンプ３の吐出流量Ｑ
が△Qmin.を超えて減少したとき…制御パラメ
ータ1′を採用 (K) 貯水槽２における水位変化の初期状態が第３
図○ハの領域にあり、ポンプ３の吐出流量Ｑが△
Qmin.を超えて減少したとき…制御パラメータ
3′を採用 ここで制御パラメータ1′、2′、3′は、貯水槽２
における水位変化の状態、つまり第４図〓、〓、
〓の各領域に対応させて、予め定めた調節計５の
制御パラメータ値である。但し、ポンプ３の吐出
流量Ｑが変化しても、貯水槽２における水位変化
の状態に変更がない場合は、制御パラメータの変
更はおこなわないようにしてある。

以下、若干説明を補足する。

本発明は、次の３つの状態を判定し、制御パラ
メータを使い分けるものと云うことができる。

ケース１：限界水深以上（常流と呼ぶ）でポンプ
吐出量変化により貯水槽水位が変化するが、上
流の開水路部の流れに影響が出ない状態（第２
図○イ、第４図〓）。

ケース２：ケース１の後、上流の開水路部の流れ
に影響が出る状態で貯水槽水位変化はケース１
に比較しゆるくなる（第２図○ロ、第４図〓）。

ケース３：限界水深以下（射流と呼ぶ）で貯水槽
への流入はその水位の影響を受けず、水位変化
は一番大きい（第２図○ハ、第４図〓）。

従つて上述の(A)から(K)では次のパラメータを使
用すれば良好な制御となる。

(1)(A)：ケース２の状態で吐出流量が急増したので
あるからケース１に移行し、制御パラメータ
１を使用する。

(G)：常流状態で貯水槽水位が上昇中に吐出流量
が急増したのであるから、水位停止後、ケー
ス１に移行するので制御パラメータ１を使用
する。

故に(A)、(G)とも吐出流量変化によりケース
１の状態になるため同一の制御パラメータを
使うことになる。

(2)(D)：ケース２の状態で吐出量や急減したのであ
るからまずケース１に移行し制御パラメータ
1′を使用する。

(F)：〓の領域即ち射流状態であつたのが貯水槽
の水位の上昇により、その水位差△ＨがH₂
以下になつた場合であるから常流に移行した
と判断できる。従つて、その時点からケース
１の状態に移行したので制御パラメータ1′を
使用する。ここでH₂は常流か射流かを２つ
の水位計の差で判断する基準値として使用す
る。

(J)：常流状態で水位下降時に吐出流量が急減し
たのであるから水位下降が止まり、逆に水位
上昇に転じている。従つてその時点からケー
ス１になるのであるから制御パラメータ1′を
使用する。

故に(D)、(F)、(J)とも常流で水位上昇が開始
した状態であるため同一の制御パラメータを
用いることになる。

(3)(C)：２つの水位計の水位差がH₂を超えたた
め、射流（ケース３）に移行したと判断し、
制御パラメータ３を使用する。

(I)：射出状態で水位上昇中に吐出流量が急激
し、水位の下降（ケース３）となり、射流状
態は継続しており制御パラメータ３を使用す
る。

故に、いずれも射流状態における水位下降
時であるから同一制御パラメータを用いるこ
とになる。

尚、H₁、H₂、△Qminは次の量である。

H₁：ケース１とケース２の判定を行う水位差の
基準値 H₂：常流と射流の判定を水位差の基準値 △Qmin：通常運転の場合、貯水槽への流入量と
ポンプ吐出量はほぼ等しく、△Qmin≒０しか
しポンプ吐出量を変化させたとき、ケース１、
ケース２、ケース３の移行や水位の上下降の逆
転を生じる基準判定値である。変化がこの値以
下ならば水位や状態の移行が生じても大きな変
動がないので使用中の制御パラメータをそのま
ま使用しても良いと判断する。従つて制御パラ
メータの変更が必要となる変化幅としてこの値
を設定する。

以上、ポンプ３の吐出流量Ｑが増加または減少
する場合について、貯水槽２における水位変化の
状態により、３種類の制御パラメータを切り替え
て用いるものとして説明したが、水位変化の状態
を更に細かく分類して、もつと多種類の制御パラ
メータを採用するようにすることもできる。また
ポンプ３の吐出流量５の変化幅が大きい取水系で
は、吐出流量Ｑの変化幅に応じて制御パラメータ
を設定する必要がある。なお、前述の例でポンプ
３の吐出側貯水槽の水位が変動し、取水量が小刻
みに変動するような取水系では、制御パラメータ
１および1′を採用し、取水量が長時間にわたつて
大きく変動する系では主に制御パラメータ２また
は2′を用いて制御する。

また上記実施例のほかに、貯水槽２における水
位変化の状態が第２図○イまたは第４図〓の領域に
ある状態を無視し、貯水槽２の水位が限界水深以
上にある場合（第２図ロまたは第４図ロ′）と、
限界水深以下にある場合（第２図ハまたは第４図
ハ′）に分けて、異なつた制御パラメータを用い
る手法もある。この場合、限界水深以上か以下か
の判定には、流量計８により測定した取水流量、
水位計６，７により測定した各水位、比較のため
の基準量H₂などを用いる。このようにして、貯
水槽２の水位が限界水深以下になつたら調節計５
によりポンプ３の如き取水機器（バルブ、ゲート
など連続制御可能なものなら何でも可）を自動的
に操作し、貯水槽２が空になるのを防止すること
ができる。この場合、取水機器の運転制御のた
め、貯水槽２の水位を検出するほか、流量計８に
より測定すべき取水流量、第２の貯水槽４の水
位、貯水槽４からの取水量またはさらに下流の需
要先の取水流量などを検出する制御装置もあり、
このような制御装置に対してこの発明を適用する
こともできる。

次に、この発明を実施するに際しての具体的な
事項を説明する。ポンプ３の運転方式としては、
オン・オフ制御運転、速度制御運転（回転数制御
運転）、２台以上の場合は両者の混合運転などが
あるが、この発明の実施のためには速度制御運転
を採用するのが適している。ポンプ３の制御装置
としては、貯水槽２の水位一定制御、吐出流量
（流量計８により測定可能）一定制御、貯水槽４
の水位一定制御、貯水槽４からの取水量またはそ
の先にある需要家の取水量の測定値を用いた予測
制御、などが考えられ、そのほか不感帯や設定値
変更を組合せる装置などもあるが、この発明の実
施例では貯水槽２の水位を一定に制御するものと
して説明してある。調節計５の制御形式としては
PID（比例、積分、微分）制御が良く使用される
形式で、その場合、制御パラメータとしては比例
感度、積分時間、微分時間などがあるので、これ
らを予め何種類かの値に設定しておき、先に説明
した如く、貯水槽２における水位変化の初期状態
やポンプ２の吐出流量Ｑの増減などに応じて演算
器により適宜選択して調節計５に与えることにな
る。なお、周知のように、PID制御の式から位置
形と速度形の二つの基本式が得られるが、その場
合は、それに応じた制御パラメータを採用すれば
よいことは勿論である。

以上、説明したとおりであるので、この発明に
よれば、取水量の変化に対して流量変化を生じる
のに時間遅れを伴う水系の取水制御に際し、従来
の調節計に設定する制御パラメータを固定してい
たのに対し、この発明では多数の制御パラメータ
を予め定めておき、状態変化の種類によつて最適
なパラメータを演算器により選択して調節計に設
定するようにしたので、非線形な取水制御を実現
しており、そのため精度の高い制御性が得られる
という利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す概要図で
あり、第２図および第３図は、ポンプの吐出流量
が増加傾向にある場合の貯水槽における水位変化
の過渡応答特性をそれぞれ例示的に示す模式図、
第４図および第５図は、ポンプ吐出流量が減少傾
向にある場合のそれぞれ同様な模式図である。 図において、１は開水路、２は貯水槽、３はポ
ンプ、４は第２の貯水槽、５は調節計、６と７は
それぞれ水位計、８は流量計、９は演算器、を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 河川から水路を経て貯水槽に引き入れた水を
   ポンプにより取水する応答遅れを伴う系におい
   て、 貯水槽水位検出器と水路上流の水位検出器とポ
   ンプ取水流量測定器を設けると共に、取水ポンプ
   を制御する調節計と、前記貯水槽水位と水路上流
   の水位とポンプ取水流量とを入力されて前記調節
   計の制御パラメータを算出する演算器とを備えて
   成り、 演算器が、貯水槽水位と水路上流の水位との水
   位差、ポンプ吐出流量の単位時間当たりの変化
   量、貯水槽における水位変化の初期状態を求める
   と共に、前記水位差、吐出流量の単位時間当たり
   の変化量がそれぞれ所定値を超えているか否かと
   前記初期状態とを併せ判断して算出する制御パラ
   メータを調節計が与えられてそれにより取水ポン
   プを制御することを特徴とする取水制御装置。