专利名称：一种多渠段水位自动控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多渠段水位自动控制方法及装置，是一种自动控制的方法和装 置，是一种用于水工设施的自动控制方法和装置，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和装置。
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 渠输水工程。这些渠道通常由多级节制闸分隔成相串连的多个渠段，各渠段利用闸门的启 闭调节水位和流量。为利于渠道沿线分水口流量的稳定，分水口通常建在节制间的稍上游， 维持间前水位的相对稳定是渠道运行的主要目标之一。此外，还需要对渠道上下游的水量 进行合理调控，保障输水过程的安全高效。与传统中小型输水渠道相比，长距离大型输水渠道的控制过程需应对多方面的问 题。一是大时间滞后问题。以南水北调中线干渠为例，渠道长1200余公里，流速仅为1米每 秒左右，从渠首流至渠末约需两周，供需滞后十分严重。二是水量的合理有序调控问题。由 于供水渠道的输水能力逐渠段递减，上下游可能相差数倍，因而需要避免上游调控对下游 造成显著影响。第三是水位的快速调控问题。闸门、分水口的启闭，风吹等外界扰动因素都 会引发渠内水位波动，影响分水口流量的稳定，需快速调控水位至设定值，保障渠岸安全。 第四是多渠段间耦合作用的应对问题。多个闸门参与操作时，它们的控制作用会相互叠加， 彼此影响，使总的水力响应特性变得十分复杂，易引发水面波动甚至持续振荡，所需闸门操 作大大增加。目前多数中小型渠道的运行控制采用传统的人工控制或机械辅助控制，部分大中 型渠道使用了先进的PLC+上位机控制系统。这些系统中闸门的开度、开关顺序等通常由人 工预置，主要依赖管理人员的个人经验，因而整体的自动化水平仍较低。也有部分渠道采用 了闸门自动控制方法，但这些闸门的控制规则多面向单个渠段或中小型渠道开发，较少或 未能考虑时间滞后、耦合等问题，当用于长距离大型渠道时，往往表现出性能下降甚至控制 失稳等问题。已有间门自动控制方法分为上游控制方法和下游控制方法两类。前者是传统的控 制方法，通过人工或传感器监测间前水位变化，调整间门开度。由于水位监测点靠近闸前， 时间滞后很小，因而控制规则简单，作用快。但是上游控制方法的水量调控会显著影响到下 游，若上游分水口超量分水，则下游将出现水量不足，反之若上游分水量不足，则下游水量 过剩，需要弃水。下游控制方法是后发展的一类渠道控制方法，它以实现按需供水为目标。 其控制所需的信息来自下游的传感器，控制作用向上游方向传递。不过受水流滞后影响，其 水位调控速度较慢。显然，上游控制方法在水位调控方面有优势，但其水量调控的特点决定 了长距离大型输水明渠不能完全由其控制；下游控制方法在水量调控方面有优势，适用于 长距离输水明渠，但其水位调控较慢的缺陷有待改进。综上所述，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是如何克服长距离大型输水渠道的时间滞后和耦合作用影响，提高下游控制方法中水位调控的速度，以快速有 效消除分水口分水、风吹等外界扰动的影响，实现闸前常水位自动化输水目标。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种多渠段水位自动控制方法及装置。 所述的方法和装置克服渠道的时间滞后和耦合作用影响，加快水位调控的速度，快速有效 消除各类外界扰动的影响，实现间前常水位自动化输水目标。解决现有技术因水位调控速 度慢，水量调控干扰下游渠道运行所导致的间门操作频繁，水力过渡时间长，运行管理成本
高等问题。本发明的目的是这样实现的一种多渠段水位自动控制装置，包括一条长距离 自流型输水明渠，所述的明渠设置有多个将明渠分隔的闸门，所述的各个闸门上游附近设 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，所述的控制单元包括测量该控制单元所控制的 闸门的上游水位的间前水位传感器、测量该控制单元所控制的间门的下游水位的间后水位 传感器、测量该闸门开度的闸门开度传感器，所述的闸前水位传感器、闸后水位传感器、闸 门开度传感器与低通滤波器连接，所述的低通滤波器与A/D转换器连接，所述的A/D转换器 与数据采集器连接，所述的数据采集器与工控计算机连接，所述的工控计算机与PLC连接， 所述的PLC与闸门启闭机构连接，工控计算机与明渠数据传输网络连接。一种使用上述装置的多渠段水位控制方法，所述方法的步骤包括
监测下游闸门参数的步骤用于按照时间步长通过下游闸门的闸前水位传感器、闸后 水位传感器和闸门开度传感器监测下游闸门的闸前水位、闸后水位和闸门开度；
计算偏差和偏差变化率并判断的步骤计算间前水位与控制目标值间的偏差，以及的 偏差的变化率，然后进行判断，如果偏差值及偏差变化率未超出允许值则回到“监测下游闸 门参数的步骤”，如果偏差值及偏差变化率超出允许值则进入下一步骤；
计算反馈校正值的步骤用于根据偏差和偏差变化率分别计算闸前水位的上游控制反 馈校正值和下游控制反馈校正值；
计算前馈解耦流量的步骤用于根据上游控制反馈校正值和下游控制反馈校正值计算 前馈解耦流量；
计算间门的流量调整目标值的步骤用于根据前馈解耦流量、上游控制反馈校正值和 下游控制反馈校正值计算闸门的流量调整目标值；
计算闸门的实际操作开度的步骤用于根据流量调整目标值计算闸门的实际操作开
度；
闸门执行的步骤用于闸门的启闭机执行开度调整动作，并回到“监测下游闸门参数的
步骤”。本发明产生的有益效果是由于同时采取了上下游的数据采集、闸门和水流控制， 克服了长距离大型输水明渠大时间滞后、耦合作用的影响，综合发挥了上游控制和下游控 制方法分别在水位调控和水量调控方面的优势，一方面能够快速、有效地消除未知扰动对 闸前水位的影响，另一方面合理调配沿线水量，减少对下游渠段的影响，从而提高了输水效 率和效果，保障了输水安全。此外该方法采用分布式控制结构，参数整定方便，对计算、通讯系统要求低，便于实施应用。
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装置的结构示意图； 图2是本发明的实施例一所述的控制单元结构示意图； 图3是本发明的实施例一所述的控制单元原理示意图4是本发明的实施例二所述的带有控制中心的装置示意图； 图5是本发明的实施例四所述的控制方法的流程示意图。
具体实施例方式实施例一
本实施例是一种多渠段水位自动控制装置，如图1所示。本实施例包括一条长距离自 流型输水明渠1，所述的明渠设置有多个将明渠分隔的闸门3，所述的各个闸门上游附近设 有分水口 2，所述的各个闸门的闸门启闭机构209与各个闸门的控制单元连接101，所述的 各个间门的控制单元通过明渠数据传输网络连接，所述的控制单元包括，如图2所示测量 该控制单元所控制的间门的上游水位的间前水位传感器201、测量该控制单元所控制的闸 门的下游水位的闸后水位传感器203、测量该闸门开度的闸门开度传感器202，所述的闸前 水位传感器、间后水位传感器、间门开度传感器与低通滤波器204连接，所述的低通滤波器 与A/D转换器205连接，所述的A/D转换器与数据采集器206连接，所述的数据采集器与工 控计算机207连接，所述的工控计算机与PLC208连接，所述的PLC与闸门启闭机构209连 接，工控计算机与明渠数据传输网络连接。本实施例的控制对象是一条供水明渠，是一种利用重力使水由高水位向低水位自 然流动的供水明渠。明渠由多个闸门分为多段。将明渠用闸门分为多段的目的在于分水或 补水，即通过在该段明渠中设立分水口，将明渠中一部分水分出他用，或从其他地方向明渠 中补充水。分水口通常设置在闸门的上游附近。明渠中的各个闸门的启闭机构可以是通常 的由电动机带动丝杠传递上下位移动作的闸门，也可以是其他形式的闸门。每一个闸门都 有自己的控制单元。例如一段明渠有十个闸门，则配备十个控制单元，十个控制单元通过网 络连接在一起，进行互相的数据通信。每个控制单元都配有间前水位传感器、间后水位传感 器、闸门开度传感器。明渠数据传输网络将各个控制单元连接在一起。数据传输网络可以设 有控制中心，对整个网络进行数据的总监测和处理并对各个单元进行上位机的管理。也可 以没有控制中心，各个控制单元平等的作为一个个网络节点互相进行数据交流。没有控制 中心的情况下，一个控制单元可以接收上下游的控制单元的数据，进行自己的控制，甚至可 以根据要求接收更上游和更下游控制单元的数据，进行自己的控制，达到最佳的控制效果。各个渠段的控制过程是相同的，具有相同结构的控制单元，如图1所示，因此，本 实施例以整个渠道的中间一个闸门所控制的中间的一段渠道为控制对象，说明控制装置的 控制过程。渠首渠段和渠末渠段可以看作是中间段的特殊情况考虑。本实施例第i渠段代 表一个渠段，其控制单元101包含上游流量反馈控制子单元102、下游流量反馈控制子单元 103、前馈解耦控制子单元104和闸门流量控制子单元105，具体构成如图3所示。
上游流量反馈控制子单元102起到的作用为反馈校正目标水位的偏差，同时发挥 下游控制方法的优势，将水量调控需求向上游方向传递。该控制子单元的输入为间门Gi+1的 闸前水位Yui109，输出为闸门Gi的流量反馈调整值AQGliIUtj若闸前水位Yui109与设定值 YTiIOB间的偏差或者偏差变化的速率超出设定范围，则按设定的反馈控制规则调节闸门Gi 的过闸流量Δ QGli 112。该控制子单元还包含水位偏差死区DBjglO 和水位偏差变化率 死区DB^EC^IOS，反馈控制比例系数Kpii 110，积分系数KIli 111。下游流量反馈控制子单元103起到的作用为反馈校正目标水位的偏差，同时发挥 上游控制方法的优势，从上游方向快速校正间前水位偏差，加快水位调控的速度。该控制子 单元的输入为闸门Gi的闸前水位Yf1Iie,输出为闸门Gi的流量反馈调整值Δ QG2i 119。若 闸前水位Yf1Iie与设定值YU13间的偏差或者偏差变化的速率超出设定范围，则按设定 的反馈控制规则调节闸门Gi的过闸流量Δ QG2i 119。该控制子单元还包含水位偏差死区 0Β2_Ε^114和水位偏差变化率死区DB^EC^llS，反馈控制比例系数Kpii 117，积分系数Km 118。。上游流量反馈控制规则和下游流量反馈控制规则均采用增量控制方式，以减小闸 门误动作时的影响。控制的输出采用闸门流量而不是传统方法采用的闸门开度，可使控制 系统与闸门的具体型式相分离，提高了本发明的适用性，所采用的流量控制方式还可起到 下游方向解耦的效果。前馈解耦控制子单元104的作用在于将下游的水量调控动作向上游方向传递，协 调沿线闸门的控制作用，起到了前馈解耦的作用，同时减少时间滞后的影响。该控制子单元 104的输入有三个，分别是子单元102的输出Δ QGli 112，子单元103的输出Δ QG2i 119， 以及i+1渠段的前馈解耦控制子单元104的输出Δ QGTi+1 ；输出有两个，均为闸门Gi的流量 调整目标值Δ QGTi 122。该控制子单元还包含了上下游控制作用权重系数θ 123和前馈解 耦流量调整权重系数KDi 120和前馈解耦流量调整值Δ QJffii 121。若第i渠段已是渠首渠段，则前馈解耦控制子单元104无通向上游方向的输出 AQGTi 122 ；若第i渠段已是渠末渠段，则前馈解耦控制子单元104无来自下游方向的输入 AQGTi+1。闸门流量控制子单元105的作用在于将闸门流量调整目标值转换为闸门的实际 操作开度。该控制子单元的输入有四个，分别是子单元104的输出Δ QGTi 122，闸门Gi的 闸前水位Yuh 124、闸后水位YdH 126和闸门开度GAOi 125。输出有一个，为闸门Gi的实 际操作开度GATi 129。该控制子单元还包含闸门的过闸流量QGOi 127，闸门Gi应调整至的 过闸流量QGTi 128。实施例二
本实施例是实施一的改进，是实施例一关于明渠数据传输网络的细化。本实施例所述 的明渠数据传输网络连接有控制中心，如图4所示。本实施例是带有控制中心的网络，控制中心为上位机，所有控制单元作为控制中 心的下位机，控制中心可以对整条渠道进行整体数据处理和控制，但一旦控制中心出现问 题，将影响整条渠道的供水，因此这个系统需要更多的安全设置和冗余系统，防止任何错误 的出现。实施例三本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于控制单元的细化。本实施例所述 控制单元还包括与上游控制单元连接的上游流量反馈控制子单元，所述上游流量反馈控 制子单元与前馈解耦控制子单元连接，所述前馈解耦控制子单元与下游流量反馈控制子单 元、闸门流量控制子单元连接。实施例四
使用上述实施例所述装置的多渠段水位控制方法，所述方法的流程如图5所示。本实 施例同样是以一段渠道为例说明控制方法，该段渠道命名为第i渠段Pooli,PooliW上游为 PooIh渠段，Pooli的下游为pooli+1渠段。pooIh的上游闸门为Gi^1 ；Pool^1的下游闸门， 也就是Pooli的上游闸门为Gi ；pool,的下游闸门，也就是pooli+1的上游闸门为Gi+1。Gi的 闸前水位为Yui-PGi的闸后水位为YdH ；Gi+1的闸前水位为Yui、Gi+1的闸后水位为Ydi。(如图 1所示)本实施例所述方法的步骤包括
第一步监测下游闸门参数的步骤用于按照时间步长通过下游闸门的闸前水位传感 器、闸后水位传感器和闸门开度传感器监测下游闸门的闸前水位、闸后水位和闸门开度。时 间步长参照整个渠道是否需频繁控制确定，其值必须小于各渠段水力滞后时间的最小值。 运行工况复杂的渠道需要小的时间步长以满足频繁控制需求。由传感器监测渠段i下游端 闸门Gi+1闸前水位Yui、闸后水位Ydi和闸门开度GACV1， =ΓΝ, N为渠段数。各个传感器采集 的电信号经低通滤波、A/D转换为数字信号后输入工控机进行处理。上下游渠段是相对的， 此处的下游闸门对其下游渠段而言，属于上游闸门。本实施例中各闸门的启闭同时依据了 上游信息和下游信息，因而体现了对上下游的综合监控。第二步计算偏差和偏差变化率并判断的步骤计算闸前水位与控制目标值间的 偏差，以及的偏差的变化率，偏差的变化率为当前时刻闸前水位偏差与上时刻闸前水位偏 差相减后除以时间步长的值。如果偏差值及偏差变化率未超出允许值则回到“监测下游闸 门参数的步骤”，如果偏差值及偏差变化率超出允许值则进入下一步骤。计算间前水位Yui 与控制目标值YTi间的偏差Ei,以及Ei的变化率ECitl若Ei的绝对值超过设定死区DBji, 或ECi的绝对值超过设定的死区DB^ECi,判定需要对闸前水位Yui进行反馈校正，执行下一 步。设定的死区为一取值范围，取值范围内的各值即上述的允许值，在该范围内闸门不进行 操作，因而可减少闸门控制的频度，降低运行成本，但系统响应的灵敏度相应降低。死区的 大小需根据渠道控制响应需求的高低确定。第三步计算反馈校正值的步骤用于根据偏差和偏差变化率分别计算闸前水位 的上游控制反馈校正值和下游控制反馈校正值。分别计算闸前水位Yui的上游控制反馈校正值Δ QGli和下游控制反馈校正值 Δ QG2”按增量式PIF反馈控制规则计算上游控制反馈校正值Δ QGli,即 Δ QGli = KPliXECfi+KmXEfi
Efi=KFiXEfl^(I-KFi) XEi
本公式是一个递推公式，式中Eflt为Efi在上一时间步长的值。KFi为滤波常数，Kpii为 比例系数，Km为积分系数，均由经典控制论中的继电器法整定。按增量式PIF反馈控制规则计算下游控制反馈校正值Δ QG2i;即 Δ QG2i = Kp2i X ECfi+KI2i X Efi式中Kp2i为比例系数，K12i为积分系数，均由经典控制论中的继电器法整定。第四步计算前馈解耦流量的步骤用于根据上游控制反馈校正值和下游控制反 馈校正值计算前馈解耦流量。计算前馈解耦流量Δ QGTi,即
Δ QGTi = KDiX Δ Q_KDi + θ χ Δ QGli +(1- θ ) X Δ QG2i
式中θ为调整下游控制和上游控制作用量的权重系数。分析表明，仅需少量上游控制 作用即可改善控制效果，θ取值参考范围(Π). 3。若第i渠段为末渠段，则AQ_KDi=0。KDi 的理论取值范围为(Tl，根据理论分析及物理模型试验结果，随着该值增大，整个渠道的水 力过渡过程加快，但水位流量的波动加剧，因此KDi建议取值0. 5^0. 8。然后将Δ QGTi值赋给Δ Q_KDh，即 Δ QJOV1= Δ QGTi
Δ QJffip1为第i-1渠段的前馈解耦流量调整值。对于首渠段，Δ QJffip1 = O。第五步计算闸门的流量调整目标值的步骤用于根据前馈解耦流量计算闸门的 流量调整目标值。计算闸门Gi的流量调整目标值QGT”该计算适用于各种闸门，包括平板闸门、弧 形闸门等，不同闸门在闸门过流关系式中取不同的闸门流量系数。首先根据闸前水位Yui —工、闸后水位Ydi — ！和闸门开度GAtli，按闸门过流水力学公式 计算该闸门的当前过闸流量QGOi,即
闸孔自由出流时
QGOi = C^pga^-TTi-eil)
闸孔淹没出流时QGOi =Qnbe^g(H)
式中Cd为闸门流量系数，e为闸门Gi开度，b为每孔净宽，η为闸门孔数，YTi为闸门Gi 的底板高程。然后QGOi和Δ QGTi相加，得出闸门Gi应调整至的过闸流量，即 QGTi=QGOi+ Δ QGTi。第六步计算闸门的实际操作开度的步骤用于根据流量调整目标值计算闸门的 实际操作开度。计算闸门Gi的实际操作开度GATit5根据闸前水位Yui_i、闸后水位Yf1和闸门流量目标值QGTi,按闸门过流水力学公 式，由牛顿迭代法计算出闸门Gi的实际操作开度GATi,即
闸孔自由出流时=GAT^r1 ( Yui+ QGTi, Cd, e) 闸孔淹没出流时=GAT^r1 ( Yuh，Ydi+ QGTi, Cd, e)
第七步闸门执行的步骤用于闸门的启闭机执行开度调整动作，并回到“监测下游闸 门参数的步骤”。由闸门Gi的启闭机执行开度调整动作，同时继续监测闸前水位，若Ei的绝对值仍 超过设定死区DBJi,或ECi的绝对值超过设定的死区DB^ECi,重复第一步至第七步。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(比如控制单元的形式控制过程等)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。
权利要求
一种多渠段水位自动控制装置，包括一条长距离自流型输水明渠，所述的明渠设置有多个将明渠分隔的闸门，所述的各个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，其特征在于，所述的各个闸门的控制单元通过明渠数据传输网络连接，所述的控制单元包括测量该控制单元所控制的闸门的上游水位的闸前水位传感器、测量该控制单元所控制的闸门的下游水位的闸后水位传感器、测量该闸门开度的闸门开度传感器，所述的闸前水位传感器、闸后水位传感器、闸门开度传感器与低通滤波器连接，所述的低通滤波器与A/D转换器连接，所述的A/D转换器与数据采集器连接，所述的数据采集器与工控计算机连接，所述的工控计算机与PLC连接，所述的PLC与闸门启闭机构连接，工控计算机与明渠数据传输网络连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的明渠数据传输网络连接有控制中心。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述各控制单元还包括与上游控制单 元连接的上游流量反馈控制子单元，所述上游流量反馈控制子单元与前馈解耦控制子单元 连接，所述前馈解耦控制子单元与下游流量反馈控制子单元、间门流量控制子单元连接。
4.一种使用权利要求1所述装置的多渠段水位控制方法，其特征在于所述方法的步 骤包括监测下游闸门参数的步骤用于按照时间步长通过下游闸门的闸前水位传感器、闸后 水位传感器和闸门开度传感器监测下游闸门的闸前水位、闸后水位和闸门开度；计算偏差和偏差变化率并判断的步骤计算间前水位与控制目标值间的偏差，以及的 偏差的变化率，如果偏差值及偏差变化率未超出允许值则回到“监测下游闸门参数的步 骤”，如果偏差值及偏差变化率超出允许值则进入下一步骤；计算反馈校正值的步骤用于根据偏差和偏差变化率分别计算闸前水位的上游控制反 馈校正值和下游控制反馈校正值；计算前馈解耦流量的步骤用于根据上游控制反馈校正值和下游控制反馈校正值计算 前馈解耦流量；计算闸门的流量调整目标值的步骤用于根据前馈解耦流量计算闸门的流量调整目标值；计算闸门的实际操作开度的步骤用于根据流量调整目标值计算闸门的实际操作开度；闸门执行的步骤用于闸门的启闭机执行开度调整动作，并回到“监测下游闸门参数的步骤”。
全文摘要
本发明涉及一种多渠段水位自动控制方法及装置。包括一条输水明渠，多个闸门，各个闸门上游附近设有分水口，各个闸门的闸门启闭机构与各个闸门的控制单元连接，各控制单元通网络连接，控制单元包括闸前水位传感器、闸后水位传感器、闸门开度传感器，闸前水位、闸后水位、闸门开度传感器与低通滤波器连接，低通滤波器与A/D转换器连接，A/D转换器与数据采集器连接，数据采集器与工控计算机连接，工控计算机与PLC连接，PLC与闸门启闭机构连接。由于同时采取了上下游的数据采集、闸门和水流控制，克服了长距离大型输水明渠大时间滞后、耦合作用的影响，综合发挥了上游控制和下游控制方法分别在水位调控和水量调控方面的优势。
文档编号E02B13/00GK101935996SQ20101027566
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者刘之平, 吴一红, 崔巍, 王晓松, 王 琦, 王秀英, 白音包力皋, 穆祥鹏, 许凤冉, 郭晓晨, 陈兴茹, 陈文学 申请人:中国水利水电科学研究院