明渠输水调度闸门延时启闭时间的前馈控制方法与流程

本发明涉及一种明渠调度方法，具体涉及一种明渠输水调度闸门延时启闭时间的前馈控制方法。

背景技术：

水是生命之源，是人类生存、城市运作、工业发展等等一系列文明活动中必不可少的因素。然而，我国水资源存在地区分布不均，总体上呈现南多北少，夏多冬少等情况。另外在我国西北部长期的水资源匮乏以严重影响着地区经济的发展。国家为了缓解北方的缺水，在水资源的合理分配上做出了较大的努力，修建了大量调水工程，如引黄济津、引滦入津、引滦入唐等项目。另外还有举世瞩目的南水北调工程，目前东线与中线以通水。其缓解了我国北方水资源短缺现状，促进了我国水资源的合理配置，加强了地区间的协调发展，产生了巨大的经济效益与社会效益。

然而随着大型调水工程的建成，许许多多复杂的问题也体现了出来，调水工程的运行与管理方面成为了一项调水工程是否成功的制约因素。由于其复杂的工况，调水区域各地水量的分配及运行难度加大，人工的管理与操作在其间显得力不从心。在这就为工程的运行管理中的自动化、信息化提出了更高的要求。渠系的自动控制则是解决上述调水工程中管理复杂的有效措施，其利用渠道水力学与自动控制理论相结合，能够最大限度的提高渠系运行调度水平及水资源的利用效率。

对于渠系的运行调度而言，核心问题之一在于确定何时启闭节制闸，而这一时间很大程度取决于渠系中水波的滞后时间。尤其对于渠系的前馈控制作用，若不能准确知道渠系中的滞后时间，则会产生供水不足或者弃水。譬如，在渠系控制的前馈环节中，当上游节制闸开启、渠道中取水口随后打开取水的过程中，如果节制闸开启引起的涨水波还未到之前就打开取水口取水，将会导致取水口下游流量下降、影响下游用户取水；而在涨水波经过取水口以后再打开取水口，则将导致上游来水中的一部分水量成为弃水，影响整个渠系的用水效率。而在渠道的控制运行中，渠系的滞后时间可以采用非恒定流仿真计算获得，但是其取水口的取水起始时间则较难确定。

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：提出一种明渠输水调度闸门延时启闭时间的前馈控制方法，即一种渠道水波响应计算的解析式，可计算取水口的取水起始时间，同时满足两方面的需求：一是能制定出当前输水计划时的节制闸延时启闭时间计划，满足实际的渠系运行调度中需要控制系统能够达到稳定性，快速性及鲁棒性等要求；二是能计算得到用水效率相对最高的取水时间，提高渠系前馈控制作用的效果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种明渠输水调度闸门延时启闭时间的前馈控制方法，通过提出一种渠道水波响应计算的解析式，求得达到用水效率最高的取水时间，从而提高渠系前馈控制作用的效果，在渠系运行调度中使系统达到稳定性、快速性、鲁棒性等要求。

本发明的目的是这样实现的：一种明渠输水调度闸门延时启闭时间的前馈控制方法，包含一段输水明渠和控制系统，渠段上下游设有节制闸，下游的输水渠段有取水口。取水口离渠道建筑物较近，即取水口下游即为闸门或堰，水流会因为建筑物的影响而产生回水。渠池中的回水影响通过如ID模型的理论将渠道分为两个子渠段，来考虑所述的节制闸的闸门启闭机构与控制系统连接，通过IDZ模型更好的考虑到了取水口取水所引起的水位突降。所述的控制系统输入包括：传感器装置(包含上下游节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器)，在考虑按需配水设计前馈规则后，控制系统的输出为用水效率较高时的闸门启闭时间。

所述方法的步骤包括：

1、输入控制系统参数的步骤：用于通过参数输入装置，设置渠道、闸门的物理参数以及控制系统的初始化参数，提前制定好输水工况，下游用户取水方式为固定流量取水，即采用水泵取水或固定分水闸的过闸流量。

2、监测流量、水位和闸门开度的步骤：用于通过节制闸的水位传感器、闸门开度传感器，监测节制闸的闸闸后水位和闸门开度；

3、获得渠道水波的滞后时间τ：

在灌溉渠道及调水工程中，渠道的响应时间通常被定义为渠系系统由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态的所需要的时间，把渠道对于阶跃流量的响应时间分成两个部分，即滞后时间与上升时间。

滞后时间就是从上游开始放水到下游渠道末端观测到有流量上升时所经过的时间；上升时间为下游流量增加至目标流量的α％时所用的时间。

4、确定取水口打开时间T_w：

在渠道运行前馈控制中，下游取水时间与上游来水的涨水波在下游引起的流量响应相关。在渠道的运行中，上游供水会产生下行的涨水波，而下游取水会引起上行的降水波，将两种过程线性叠加，以获取最终的配水过程，从而得到最佳取水时间，即取水口打开的时间T_w，以确保渠道蓄量平衡。

下游流量在滞后时间之后逐渐上升的，取水口不能在上游涨水波刚达到时就开始取水，因为其水波刚到达取水口时，其在增加的流量与取水流量并不相等。因而需要在下游流量增加过一段时间后才开始取水，有部分额外的流量流到取水口下游。在T_w以后取水口开始取水，下游流量会突降到小于初始流量，直到上游流量的变化量全部到达下游后，又逐渐使取水口下游蓄量回到平衡状态。

在渠道的运行调度中，应该最大限度保证下游弃水最少，即上游来水增加量与下游取水口的取水量流量相等，渠道上游供水量正好等于渠道下游的取水量加上取水口后的水量，为保证下游无弃水，在滞后时间τ至取水口打开时间T_w这段时间内，流到取水口下游的多余流量正好与取水口打开时所减少的流量相等，取水口下游渠道的蓄量变化为零，即为渠道的无弃水运行，可以得到下列计算公式为：

T_w＝τ+t_w，

式中：

T_w表示取水口打开时间；

τ表示滞后时间；

t_w表示滞后时间τ至取水口打开时间T_w的这段时间；

K是时间常数，表示在渠道水波传播过程引入的时间常数；

K_d是流量系数，表示K受渠道下游流量水位边界影响的敏感性；K_p是时间常数，表示因下游取水流量变化而引入的时间常数；

a是取水口取水时引起的水位突降。

参数获取：

①参数K、τ两值均受下游边界条件的影响，可以根据渠道几何参数以及渠道中水流特性精确的计算得到；也可根据野外对于上游流量和下游流量的实测资料进行确定。其中这两个参数均受到渠道中回水曲线的影响。

②参数K_p、a可根据在阶跃流量工况下，通过仿真及参数辨识的方法辨识该工况下的实验数据来确定；

③由于时间参数K更大程度上受到渠道下游流量水位边界的敏感性所影响，采用流量系数K_d表示此敏感性。K_d可根据公式确定，该公式表示渠道下游初始流量随渠道水深的变化，表征渠道下游流量水位边界的变化规律。

式中：Y为渠道中水深；

Q₀为渠道初始流量。

此式表示为了保证蓄量平衡而变化取水口的取水时间主要取决于下游建筑物对于水位的控制方式；若渠道下游为有效的水位控制器，如下游常水位控制闸门、水力自动闸门时，其下游水位基本不发生变化，即K_d→∞,则T_w＝τ+K，即在下游流量上升到所增加流量的63％时开始取水则可确保为无弃水运行。此方法同样适用于下游为堰的情况，但是其取水时间则有所不同。

5、确定闸门启闭时间：

由实测资料、取水计划及仿真参数辨识的方法确定时间参数K、K_P,流量系数K_d，滞后时间τ，水位突降a，采用本发明中所提出的计算方法，计算闸门应该打开的时间T_w，即提前取水计划打开闸门的时间。

渠池中的回水影响通过ID模型理论将渠道分为两个子渠段来考虑，并用K来表示边界条件的影响，则阶跃流量下渠道中任何地方的流量过程解析表达式为：

q(x,t)＝1-e^{-[t-τ(x)]/K(x)}，

式中：τ(x)为渠池中x处的滞后时间；K(x)为渠道x处的时间常数，在实际使用中，可由渠道阶跃工况下的响应辨识两个参数；

由于下游流量在滞后时间之后逐渐上升的，取水口不可能在上游涨水波刚达到的时候就开始取水，需要在下游流量增加一段时间后才开始取水，即：

当t<τ时：

当τ<t<T_w时：

当t>T_w时：

式中：

τ为滞后时间；

为下游流量的在t时刻的变化量；

δQ_u为上游的供水量；

K为水波传播过程中引入的时间常数；

q_w,0为开始取水时，渠道下游因取水产生的流量变化；

a为取水口取水时引起的水位突降；

K_p为因下游取水流量变化而引入的时间参数，其值与K的大小相当，但是K表示的是渠池中因上游来水流量变化而引入的时间常数，两值均受下游边界条件的影响；

k_d为流量系数，表示K受到渠道下游流量水位边界的敏感性影响；

在渠道运行调度中，应该最大限度保证下游弃水最少，即上游来水与下游取水流量相等，即q_w,0＝δQ_u，即：

为了保证下游无弃水，则此流量对时间的积分应该为零，令t_w＝T_w-τ，对上式进行积分，即：

此蓄量I＝0，即渠道上游供水量正好等于渠道下游的取水量，流到分水口下游的多余流量正好与分水口打开时所减少的流量相等，分水口下游渠道的蓄量变化为零，

即渠道的无弃水运行，化简公式为：

上式得：

此式表示为了保证蓄量平衡而变化取水口的取水时间主要取决于下游建筑物对于水位的控制方式，例如，渠道中采用水位控制器时，其水位几乎不发生变化，k_d→∞，则可得：

T_w＝τ+K

当渠道下游为有效的水位控制器，如下游常水位控制闸门，水力自动闸门或堰时，则上述公式可得当t＝T_w＝τ+K时打开分水口开始取水，即

即在下游流量上升到所增加流量的63％时开始取水则可确保为无弃水运行。

本发明产生的有益效果是：(1)制定出当前输水计划时的节制闸启闭时间计划，满足实际的渠系运行调度中对控制系统要求；(2)提高渠系水利用效率，减少水资源浪费；(3)提高渠系前馈控制作用的效果；(4)提高渠道输水的经济效益。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图2本发明的控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图2所示的一种明渠输水调度闸门启闭时间的前馈控制方法，该方法使用的系统包括：一段输水明渠和控制系统，渠段上下游设有节制闸，下游的输水渠段有取水口，控制系统包括传感器装置1、参数输入装置2、数据中央处理装置3、监控显示装置4和闸门启闭装置5。取水口离渠道建筑物较近，即取水口下游即为节制闸或堰，水流会因为建筑物的影响而产生回水，渠池中的回水影响通过如ID模型的理论将渠道分为两个子渠段，来考虑所述的节制闸的闸门启闭机构与控制系统连接，通过IDZ模型更好的考虑到了取水口取水所引起的水位突降，所述的控制系统输入包括：上下游节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器，在考虑按需配水设计前馈规则后，控制系统的输出为用水效率较高时的闸门启闭时间，控制系统控制上下游节制闸的开启，从参数输入装置2输入渠道、节制闸闸门的物理参数以及控制系统的初始化参数至数据中央处理装置3，在数据中央处理装置3中处理来自传感器装置1的监测数据，执行闸门延时启闭的控制算法的逻辑计算和数据分析计算，将监控信息显示在监控显示装置4上，将控制指令输出至闸门启闭装置5执行节制闸的启闭操作。

各模块作用：

传感器装置1：用于获取水位和闸门开度信息，包括节制闸的闸后水位传感器和闸门开度传感器。

参数输入装置2：用于输入渠道、节制闸参数及控制系统的一些初始化数据，具体为外接键盘。

数据中央处理装置3：用于提供控制系统的软硬件运行环境，建立人机接口，处理输入信息，进行闸门延时启闭的数据分析和逻辑运算，向闸门启闭装置5输出控制指令，具体为可编程的计算机。

监控显示装置4用于监控、显示传感器装置1及数据中央处理装置3的运行状态，显示输入输出信息，具体为显示器。

闸门启闭装置5用于执行数据中央处理装置3发出的指令，操作节制闸至目标开度，具体为电机和传动装置。

本发明所述的系统能根据闸门启闭时间对输水明渠的闸门进行自动启闭，提高了工程安全性和输水的效率和效益。

该方法包括以下步骤：

步骤一、输入控制系统参数的步骤：用于通过参数输入装置，设置渠道、节制闸的物理参数以及控制系统的初始化参数，提前制定好输水工况，下游用户取水方式为固定流量取水，即采用水泵取水或固定分水闸的过闸流量；

步骤二、监测流量、水位和节制闸开度的步骤：用于通过节制闸的水位传感器、节制闸开度传感器，监测节制闸的闸后水位和闸门开度；

步骤三、获得渠道水波的滞后时间τ：

在灌溉渠道及调水工程中，渠道的响应时间通常被定义为渠系系统由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态的所需要的时间，把渠道对于阶跃流量的响应时间分成两个部分，即滞后时间与上升时间,滞后时间就是从上游开始放水到下游渠道末端观测到有流量上升时所经过的时间；上升时间为下游流量增加至目标流量的α％时所用的时间；

步骤四、确定取水口打开时间T_w：

在渠道运行前馈控制中，下游取水时间与上游来水的涨水波在下游引起的流量响应相关。在渠道的运行中，上游供水会产生下行的涨水波，而下游取水会引起上行的降水波，将两种过程线性叠加，以获取最终的配水过程，为了保证渠道下游节制闸后的水流量不发生变化，即在下游节制闸前的取水口开始取水后，上游来水的涨水波和由于取水口取水导致的降水波刚好相等，取水口下游渠道的蓄量变化为零，从而得到最佳取水时间，即取水口打开的时间T_w，以确保渠道蓄量平衡。

取水口取水后取水口下游渠道的蓄量变化为零，即上游来水增加量与下游取水口的取水量流量相等，渠道上游供水量正好等于渠道下游的取水量加上取水口后的水量，为保证渠道下游无弃水，在滞后时间τ至取水口打开时间T_w这段时间内，流到取水口下游的多余流量正好与取水口打开时所减少的流量相等，取水口下游渠道的蓄量变化为零，即为渠道的无弃水运行，可以得到下列计算公式为：

T_w＝τ+t_w，

式中：

T_w表示取水口打开时间；τ表示滞后时间；t_w表示滞后时间τ至取水口打开时间T_w的这段时间；K是时间常数，表示在渠道水波传播过程引入的时间常数；K_d是流量系数，表示K受渠道下游流量水位边界影响的敏感性；K_p是时间常数，表示因下游取水流量变化而引入的时间常数；a是取水口取水时引起的水位突降；

参数获取：

①参数K、τ两值均受下游边界条件的影响，可以根据渠道几何参数以及渠道中水流特性精确的计算得到；也可根据野外对于上游流量和下游流量的实测资料进行确定，其中这两个参数均受到渠道中回水曲线的影响；

②参数K_p、a可根据在阶跃流量工况下，通过仿真及参数辨识的方法辨识该工况下的实验数据来确定；

③由于时间参数K更大程度上受到渠道下游流量水位边界的敏感性所影响，采用流量系数K_d表示此敏感性，K_d可根据公式确定，该公式表示渠道下游初始流量随渠道水深的变化，表征渠道下游流量水位边界的变化规律；

式中：Y为渠道中水深；

Q₀为渠道初始流量；

此式表示为了保证蓄量平衡而变化取水口的取水时间主要取决于下游建筑物对于水位的控制方式；若渠道下游为有效的水位控制器，如下游常水位控制闸门、水力自动闸门时，其下游水位基本不发生变化，即K_d→∞,则T_w＝τ+K，即可计算得到在下游流量上升到所增加流量的63％时开始取水则可确保为无弃水运行。

1、计算公式说明：

1.1渠道流量响应解析式

在渠道运行前馈控制中，下游取水时间与上游来水的涨水波在下游引起的流量响应有关。本发明中，在明渠上游来水时，渠中任何地方的流量过程的传递函数近似于使用时矩匹配法的一阶滞后传递函数；渠池中的回水影响通过ID模型理论将渠道分为两个子渠段来考虑，并用K来表示边界条件的影响。

则阶跃流量下渠道中任何地方的流量过程解析表达式为：

q(x,t)＝1-e^{-[t-τ(x)]/K(x)}，

式中：τ(x)为渠池中x处的滞后时间；K(x)为渠道x处的时间常数。在实际使用中，可由渠道阶跃工况下的响应辨识两个参数。

1.2线性化渠系配水过程

本发明主要考虑按需配水设计前馈规则，即渠道运行控制需要确保上游供给的水正好被下游用户取用，以保证渠道中蓄量保持平衡的同时，使供水过程中发生的弃水最少。

渠道运行中，上游供水会产生下行的涨水波，下游取水会引起上行的降水波，两种水波的叠加过程为非线性叠加，本发明根据提出的渠道流量响应解析式，简化供水、取水过程为线性叠加的过程，最后将其线性叠加，以获取最终的配水过程，求取最佳取水时间。

1.3渠道供水取水综合工况

本发明中考虑下游用户取水方式为固定流量取水，即采用水泵取水或固定分水闸的过闸流量。

由于下游流量在滞后时间之后逐渐上升的，取水口不可能在上游涨水波刚达到的时候就开始取水，需要在下游流量增加一段时间后才开始取水，即：

当t<τ时：

当τ<t<T_w时：

当t>T_w时：

式中：

τ为滞后时间；

为下游流量的在t时刻的变化量；

δQ_u为上游的供水量；

K为水波传播过程中引入的时间常数；

q_w,0为开始取水时，渠道下游因取水产生的流量变化；

a为取水口取水时引起的水位突降；

K_p为因下游取水流量变化而引入的时间参数，其值与K的大小相当，但是K表示的是渠池中因上游来水流量变化而引入的时间常数，两值均受下游边界条件的影响；

k_d为流量系数，表示K受到渠道下游流量水位边界的敏感性影响。

在渠道运行调度中，应该最大限度保证下游弃水最少，即上游来水与下游取水流量相等，即q_w,0＝δQ_u，即：

为了保证下游无弃水，则此流量对时间的积分应该为零，令t_w＝T_w-τ，对上式进行积分，即：

此蓄量I＝0，即渠道上游供水量正好等于渠道下游的取水量，流到分水口下游的多余流量正好与分水口打开时所减少的流量相等，分水口下游渠道的蓄量变化为零。

即渠道的无弃水运行，化简公式为：

上式得：

此式表示为了保证蓄量平衡而变化取水口的取水时间主要取决于下游建筑物对于水位的控制方式，例如，渠道中采用水位控制器时，其水位几乎不发生变化，k_d→∞，则可得：

T_w＝τ+K，

当渠道下游为有效的水位控制器，如下游常水位控制闸门，水力自动闸门或堰时，则上述公式可得当t＝T_w＝τ+K时打开分水口开始取水，即

即在下游流量上升到所增加流量的63％时开始取水则可确保为无弃水运行。