本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及一种基于渠池蓄量平衡的闸前控制点变目标水位控制系统及模式。
背景技术：
水是生命之源、生产之要、生态之基。我国水资源在空间上呈现地区明显不均的特点：南多北少、东多西少，降水量从东南沿海向西北内陆递减。北方区域的水资源短缺，严重影响了该区域经济、社会的健康发展及人民正常的生活。兴水利，历来是治国安邦的大事。为缓解水资源短缺区域的困境，大量的调水工程应运而生，在我国政府的主持修建下，南水北调工程、引黄济青工程、引黄入晋工程等已经开始正常通水运行，为缺水区域输送宝贵的水资源，对缓解我国水资源地区分布不均的困境、促进地方的健康发展起到了巨大的作用。
随着人类社会技术的不断发展，对以明渠输水为主要方式的调水工程的运行要求越来越高。由于调水工程本身调水工况的复杂性，人工控制方式费人力、控制效果不佳、对操作人员的经验性要求强，体现出与当前明渠控制运行中很多不相适应的地方。渠系的自动化控制是解决调水工程运行管理的有效途径，并且已经逐渐投入到实际生产中。
对渠系自动运行调度而言，关键问题之一在于确定每一渠池的反馈策略，即针对现场实际状态与目标状态的偏差做出调控。而反馈调控很大程度取决于每一渠池闸前控制点的目标水位。这一闸前控制点的目标水位将直接影响渠池的水面线，进而影响渠池中水体的蓄量。闸前常水位是明渠运行控制中常用的方法，控制原理明确，效果较好，但其易造成渠道蓄量变动大，控制的安全、稳定性受限。如以保持闸前控制点的目标水位不变，即闸前常水位运行时，在渠池中下游取水口开始取水后，渠池内的流量将会随之增加以满足取水口的取水要求，导致渠池中水面线上抬，此时就需要补充大量的蓄量，将造成上游水源的供水紧张；而在取水口关闭后，渠池内的流量也随之减小，导致渠池中水面线下降，原存留在渠池中的蓄量有一部分成为弃水，降低了水资源的渠系水利用效率，造成水资源的不合理利用。此外，渠池中随着取水口的启闭而流量变化的过程中，为了维持闸前控制点目标水位的恒定，需要快速地往渠池中充水或泄水，将会造成渠池上游的水位变速超限，形成渠池运行不安全的因素，极易造成渠道的衬砌顶板被孔隙水压力顶翻。
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：提出一种基于渠池蓄量平衡的闸前控制点变目标水位控制模式，即一种渠道闸前控制点目标水位计算的方法，可确定不同的闸前目标水位值以适应不同流量变化工况下，满足以下方面的需求：一是能够制定出输水运行中的闸前目标水位计划，控制方法简便易行，满足用水户的取水需求，且有效缓解水源工程的供水紧张、减少渠池下游的余水弃水，二是能够根据渠系运行中的对水位变速、上下游正常输水的约束条件，保证渠池的正常运行，提高渠系控制的安全性、稳定性要求。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于渠池蓄量平衡的闸前控制点变目标水位控制系统及模式。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于渠池蓄量平衡的闸前控制点变目标水位控制系统，所述渠系为一种通过若干个节制闸划分为若干渠池的输水明渠系统；各个渠池内均设置有若干个取水口，取水口设置在渠池的下游；该系统包括：控制模块，以及与控制模块均相连的传感器设备、参数输入设备和闸门启闭设备；其中：
传感器设备设置在节制闸的两侧，用于实时采集节制闸上下游的水位、流量和闸门开度数据；
参数输入设备用于输入控制参数、各个渠池的几何参数、渠池的初始工况和取水计划、约束条件以及传感器设备采集到的数据，并将其发送给控制模块；
控制模块包括目标水位数据处理端和反馈控制模块，目标水位数据处理端根据传感器设备和参数输入设备发送过来的数据，计算得到新设的控制点目标水位和取水变化的实际耗时；反馈控制模块根据得到的新设控制点目标水位和取水变化的实际耗时控制闸门启闭设备的运行，实现对控制点节制闸的启闭控制，进而实现对闸前控制点变目标水位的控制。
进一步地，本发明的传感器设备包括水位传感器、流量传感器和闸门开度传感器。
本发明提供一种基于渠池蓄量平衡的闸前控制点变目标水位控制模式，包括以下步骤：
s1、通过参数输入设备，将传感器设备采集到的数据、控制参数、各个渠池的几何参数、渠池的初始工况和取水计划以及约束条件输入控制模块；
s2、获取各个渠池初始工况下的初始水面线和初始蓄量；
s3、渠池取水口在以初始工况运行一段时间后按照取水计划改变取水流量，进入取水工况，计算取水工况下以闸前常水位运行时各渠池达到恒定流时的变化水面线和变化蓄量；
s4、计算取水工况下各个渠池初步拟设的闸前控制点目标水位；
s5、计算取水工况下最终设定的各个渠池多约束下的闸前控制点目标水位和取水变化的实际耗时；
s6、根据控制点目标水位和该时刻实时水位值之间的偏差，根据pid反馈控制原理，计算闸门反馈动作。
进一步地，本发明的步骤s1中输入的传感器数据包括：实时闸前水位、实时闸后水位、实时流量q、实时节制闸开度g；控制参数包括：比例调节系数kp、积分时间常数ti、积分时间常数td；几何参数包括：渠池编号i、渠道边坡m、糙率n、坡降slope、闸门位置处的渠底高程zt，设计流量qdesign、初始闸前目标水位hd0；渠池的初始工况和取水计划包括：初始流量q0、取水口取水流量变化量qout及完成变化的计划时间tout；约束条件包括：允许渠池蓄量变化量上限vmaxc、最大水位变幅mu、计算精度ε。
进一步地，本发明的步骤s2中获取各个渠池初始工况下的初始水面线和初始蓄量的方法具体为：
初始工况为渠池在初始流量q0和初始闸前目标水位hd0时，由该初始工况，通过求解恒定流水面线水流能量方程的方法计算得到初始水面线ws0，从而得到渠池中的初始蓄量v0。
进一步地，本发明的步骤s3中计算取水工况下以闸前常水位运行时各渠池达到恒定流时的变化水面线和变化蓄量的方法具体为：
渠首流量满足各取水口的要求，即各个渠池渠首流量qu为初始流量与全线取水口的取水流量之和；
以各渠池的渠首流量和初始闸前目标水位，用求解恒定流水面线水流能量方程的方法，计算取水工况下以闸前常水位运行的恒定流水位线ws1，得到各个渠池的上游端水位zu(i)、下游端水位zd(i)，跟据ws1求得相应的渠系蓄量v1。
进一步地，本发明的步骤s4中计算取水工况下各个渠池初步拟设的闸前控制点目标水位的方法具体为：
渠道运行中，在蓄量变化小于阈值时，保持初始常水位运行；在蓄量变化量大于阈值时，即超过允许最大蓄量变化量，以蓄量不变化的目标，重新设定闸前目标水位，计算公式为：
其中，hd1(i)表示i号渠池初步拟设的闸前控制点目标水位；hd0(i)表示i号渠池初始闸前目标水位；vc(i)表示i号渠池不改变控制点下的蓄量变化量，即v1与v0之差的绝对值；vmaxc(i)是i号渠池允许最大蓄量变化量；h′d(i)是据初始工况和取水工况两者蓄量守恒迭代计算出来的取水工况恒定流下的闸前控制点新水位值；
以迭代算法选取一定的迭代计算步长，得到一个闸前控制点的新水位值h′d(i)使得取水工况下以该水位为渠池下游水位时计算的蓄量，与该渠池的初始蓄量v0近似相等，满足计算精度ε。
进一步地，本发明的步骤s5中计算取水工况下最终设定的各个渠池多约束下的闸前控制点目标水位和取水变化的实际耗时的方法具体为：
考虑渠池间的正常出流和渠池内最大水位变幅的约束条件，以初步拟设的闸前控制点目标水位hd1(i)为依据最终确定多约束下的闸前控制点目标水位和取水变化的实际耗时；
s51、考虑渠池间的正常出流：
其中，hd1(i)表示i号渠池初步拟设的闸前控制点目标水位；hd2(i)表示i号渠池的最终闸前目标水位；zu(i+1)表示i+1号渠池的上游水位值；zt(i)表示i号闸门的渠底高程；c表示闸前后水位差的裕度，取0.2m；
s52、考虑渠池内最大水位变幅；
以闸前控制点为代表全渠池水位变化最剧烈的点，即计算闸前控制点的水位变速：
其中，tout为完成取水变化的计划时间，表示取水口从初始的取水流量到目标取水流量所需的时间；hd2(i)表示i号渠池的最终闸前目标水位；hd0(i)表示i号渠池初始闸前目标水位；
该闸前控制点的水位变速若是不超过最大水位变幅mu，则按照完成变化的计划时间进行取水；若是超过最大水位变幅mu，重新确定水位变化的实际耗时，即：
其中，t为取水变化的实际耗时；tout为完成取水变化的计划时间；mu为最大水位变幅；k为安全系数，避免渠系中未知扰动造成水位变幅的超限，按经验取值，取1.5；
s53、将控制点目标水位的变化在取水变化的实际耗时内线性化，在取水变化的实际耗时内，确定控制点目标水位变化在时刻的值，即：
其中，t为距取水口流量开始变化的时间；
本发明产生的有益效果是：本发明的基于渠池蓄量平衡的闸前控制点变目标水位控制系统及模式，(1)制定出取水工况下的闸前目标水位的时间计划，满足渠系安全平稳运行的要求；(2)减小渠系的蓄量变化，减轻水源工程的负担，减少下游的余弃水；(3)提高反馈作用的控制效果，提高响应的快速性、稳定性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的常规下游常水位运行模式；
图2是本发明实施例的结构示意图；
图3是本发明实施例的各模块流程图；
图4是本发明实施例的计算流程框图；
图中：1-传感器设备，2-参数输入设备，3-目标水位数据处理端，4-反馈控制模块，5-闸门启闭设备。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明实施例提供一种基于渠池蓄量平衡的闸前控制点变目标水位控制模式，包含一个被若干个节制闸划分为若干渠池的输水明渠系统，渠池内有若干个取水口位于渠池的下游，渠首流量会因取水口流量而变化，所述的各个节制闸与闸门启闭设备相连，受控制系统控制，节制闸前后的闸前水位传感器、流量传感器、闸门开度传感器与控制系统相连，为控制系统提供实测数据。取水计划为用水户根据自身需求，上报给调度管理部门的计划。
对于当前常规闸前常水位，其控制点在渠池下游节制闸的闸前，下游端保持目标恒定水深，水面以闸前控制点进行运动。可见：零流量下水面线呈水平状态，水面线为所有情况下最低；设计流量下水面线与渠道底部平行，渠池中水位达到一般情况下的最高值；其按照加大流量并与渠底平行来进行渠道设计，因此渠岸超高最小，工程量省；且其与下游控制模式配合良好，为当前配水型渠道的主要运行控制方式，可以根据需水户实际用水需求进行调控，有效地避免水资源浪费。与当前常规闸前常水位控制算法相比，本发明的有益性体现在：具备常规闸前常水位的优点；并对其进行改进：(1)更适应于需水户用水变化，减小因用水变化造成渠池蓄量的过大变化；(2)通过平缓改变闸前控制点的目标水位值来控制整个渠池内的水位的平缓变化，避免因渠池水位急剧变化引起的安全事故。
控制模块输入包括：传感器装置(各节制闸前后的水位及流量传感器、节制闸开度传感器)、控制器参数(比例调节系数kp、积分时间常数ti、积分时间常数td)、各渠池的几何参数(渠池编号i、渠道边坡m、糙率n、坡降slope、闸门位置处的渠底高程zt，设计流量qdesign、初始闸前目标水位hd0)、渠系的初始工况和取水计划(初始流量q0、取水口取水流量变化量qout及完成变化的计划时间tout)及约束条件(即允许渠池蓄量变化量上限vmaxc、最大水位变幅mu、计算精度ε)。控制系统输出为对闸门启闭动作的指令。本发明主要以其中任一i号渠池为例进行说明。
所述方法的步骤包括：
1、输入控制系统参数；
用于通过控制系统的参数输入设备，将传感器数据(实时闸前水位、实时闸后水位、实时流量q、实时节制闸开度g)、控制器参数(kp、ti、td)、渠池的几何参数(i、m、n、slope、zt、qdesign、hd0)、渠池的工况(q0、qout、tout)，取水口的取水方式为线性取水方式。
用于通过节制闸前后的传感器装置，监测每一个节制闸处的闸前水位、闸后水位、上游过闸流量和闸门开度的实时数据。
2、获得各个渠池初始工况下的初始水面线ws0、初始蓄量v0
对于渠道系统来说，沿渠线方向的一维水流运动是渠道水力学关注的重点，可以采用恒定流水面线水流能量方程来描述渠道中沿渠线方向的水面线。
初始工况为渠道在初始流量q0和初始闸前目标水位hd0，由该初始工况用求解恒定流水面线水流能量的方法计算得到初始水面线ws0，从而得到渠池中的初始蓄量v0。
3、获得取水工况下以闸前常水位运行时各渠池达到恒定流时的变化水面线ws1、变化蓄量v1
渠道取水口在以初始工况运行一段时间后按照取水计划改变取水流量，此即取水工况。取水工况时，本发明所述为需水型渠道，故渠首流量需满足各取水口的要求，即各个渠池渠首流量qu为初始流量与全线取水口的取水流量之和。
以各渠池的渠首流量和初始闸前目标水位，用求解恒定流水面线水流能量方程的方法，计算取水工况以闸前常水位运行时的恒定流水位线ws1，得到各个渠池的上游端水位zu(i)、下游端水位zd(i)。依据ws1求得相应的渠系蓄量v1。
4、确定取水工况下各个渠池初步拟设的闸前控制点目标水位；
以上述步骤计算出的闸前常水位下变化蓄量v1与初始蓄量v0的差值绝对值，即为在简单闸前常水位控制逻辑的各渠池蓄量变化量vc(i)。将蓄量变化量vc(i)与允许渠池蓄量变化量上限vmaxc(i)，从而获得各个渠池初步的控制点目标水位，以确保渠池内蓄量平衡、安全运行。
在渠道运行中，应该满足控制方法的简便易行和减少渠池蓄量调节过大两方面的目标，即在蓄量变化较小时，保持初始常水位运行，不需控制模块进行大量的计算；而在蓄量变化量较大时，即超过允许最大蓄量变化量，重新按照以蓄量基本不变化的目标重新设定闸前目标水位。可以得到下列公式：
其中，hd1(i)表示i号渠池初步拟设的闸前控制点目标水位；hd0(i)表示i号渠池初始闸前目标水位；vc(i)表示i号渠池不改变控制点下的蓄量变化量，即v1与v0之差的绝对值；vmaxc(i)是i号渠池允许最大蓄量变化量，是工程管理单位结合工程经验人为设定的；h′d(i)是据初始工况和取水工况两者蓄量守恒迭代计算出来的取水工况恒定流下的闸前控制点新水位值；
一组闸前水深和流量和渠池水面线、渠池蓄量三者单值对应。故在流量状态确定下，调控闸前水深即可控制渠道中的水面线和蓄量。本发明中的闸前变水位控制方式主要目的为减小渠池流量变化引起的蓄量变化，故以迭代算法选取一定的迭代计算步长，得到一个闸前控制点的新水位值h′d(i)使得取水工况下以该水位为渠池下游水位时计算的蓄量，与该渠池的初始蓄量v0近似相等，满足计算精度ε。
5、计算取水工况下最终设定的多约束下的闸前控制点目标水位和取水变化的实际耗时的方法具体为：
多个渠池构成的明渠系统是一个相互关联的整体，故渠池之间、本渠池上下游均有一定的约束调教。首先是保证闸门的正常出流，节制闸闸前的水位值需要高于闸后的水位并保留一定的裕度，使得水流能够沿程往下流而不出现逆流的情况，即要使得上一渠池的下游端水位高于下一渠池的上游端水位。其次是水位降幅速度的限制，流量改变将会造成渠池水面线的下移或上抬，过快的水位降幅速度对安全不利，即要使得渠池内水位变化速度不得超过允许水位最大变速，在大蓄量改变闸前控制点目标水位后，渠池下游一般为渠池内水面线变化最剧烈的地方，取该点可以代表整个渠池的最大水位降速。
考虑渠池间的正常出流和渠池内最大水位变幅的约束条件，以初步拟设的债券那控制点目标水位为依据最终确定多约束下的控制点目标水位和取水变化的实际耗时；
(1)考虑渠池间的正常出流：
其中，hd1(i)表示i号渠池初步拟设的闸前控制点目标水位；hd2(i)表示i号渠池的最终闸前目标水位；zu(i+1)表示i+1号渠池的上游水位值；zt(i)表示i号闸门的渠底高程；c表示闸前后水位差的裕度，取0.2m；
(2)考虑渠池内最大水位变幅；
以闸前控制点为代表全渠池水位变化最剧烈的点，即计算闸前控制点的水位变速：
其中，tout为完成取水变化的计划时间，表示取水口从初始的取水流量到目标取水流量所需的时间；hd2(i)表示i号渠池的最终闸前目标水位；hd0(i)表示i号渠池初始闸前目标水位；
该闸前控制点的水位变速若是不超过最大水位变幅mu，则按照完成变化的计划时间进行取水；若是超过最大水位变幅mu，重新确定水位变化的实际耗时，即：
其中，t为取水变化的实际耗时；tout为完成取水变化的计划时间；mu为最大水位变幅；k为安全系数，避免渠系中未知扰动造成水位变幅的超限，按经验取值，取1.5；
(3)将控制点目标水位的变化在取水变化的实际耗时内线性化，在取水变化的实际耗时内，确定控制点目标水位变化在时刻的值，即：
其中，t为距取水口流量开始变化的时间；
6、确定闸门动作
据控制点的目标水位
由传感器实时数据及计算机仿真的方法，确定采用本发明中所提出的计算方法，计算闸前控制点目标水位的时变值。本发明产生的有益效果是：(1)制定出取水工况下的闸前目标水位的时间计划，满足渠系安全平稳运行的要求；(2)减小渠系的蓄量变化，减轻水源工程的负担，减少下游的余弃水；(3)提高反馈作用的控制效果，提高响应的快速性、稳定性。
如图3所示一种基于渠池蓄量平衡的闸前控制点变目标水位控制模式，包括传感器设备1、参数输入设备2、目标水位数据处理端3、反馈控制器4、闸门启闭设备5。各模块作用：
传感器设备1：用于获取各渠池上下游端水位、流量和各闸门开度的数据，包括位于节制闸前后的水位传感器、流量传感器、闸门开度传感器。
参数输入设备2：用于输入渠池的几何参数、渠系的初始工况和取水工况及控制系统的一些人为设定数据：即允许渠池蓄量变化量上限vmaxc、最大水位变幅mu、计算精度ε。
目标水位数据处理端3：用于提供闸前控制点的目标水位和取水变化的实际耗时。处理输入数据，进行每一个渠池的闸前控制点目标水位和取水计划取水变化的实际耗时的重新设定。
反馈控制模块4：用于提供对闸门启闭设备的闸门指令，即在何时打开或关闭多少。处理前面传感器设备1、参数输入设备2、目标水位数据处理端3的数据，按照反馈控制器的逻辑，计算反馈流量，并通过闸门过闸公式将这一反馈流量转化为闸门开度。
闸门启闭设备5：用于执行反馈控制模块4发出的指令，按照其要求操作。
本发明所述的系统能根据取水计划重新设定闸前控制点的目标水位和取水变化的实际耗时，从而制定出反馈策略，加快渠池的响应速度，避免渠系中蓄量变化过大的情况，提高了自动化控制的输水工程安全性、响应快速性，提高了输水的效率。
1、渠道水面线及蓄量计算
在渠道运行中，渠池中的蓄量和上游端的水位值与渠道中的水面线有关，其为渠道运行中的稳定状态。在本发明中，明渠恒定流水面线水流能量方程来表示：
式中：z1和z2分别为上游断面和下游断面的水位高程；
hj、hf为上、下游断面之间的局部水头损失和沿程水头损失；
局部水头损失可通过水力学实验获得；沿程水头损失一般采用均匀流沿程水头损失公式计算：
式中：l——流程长度；
用一组流量和下游端水位条件下可以得到一条相应的水面线，沿渠线间隔一定的距离步长取计算断面，求得各计算断面的过水面积，并以该过水面积近似代表为其后距离步长内的平均过水断面，故该过水面积乘以距离步长即为这一计算断面与后一计算断面间渠池的蓄量，将整个渠池内所有计算断面间的蓄量相加，即为这一渠池的蓄量。
2、迭代计算初步拟设的闸前控制点目标水位
在每个渠池内，一组闸前水深和流量与渠池水面线、渠池蓄量三者单值对应，故调控闸前水深即可控制渠道中的水面线和蓄量。
在确定各个渠池初步的控制点目标水位时，如图4本发明计算流程框图所示，按照迭代法给闸前水位赋值，以初始闸前水位为迭代初值，取一定的迭代步长，直至取水工况时以该值为渠池下游水位时计算的蓄量值与初始蓄量值的误差满足计算精度要求，即确定该闸前水位为的闸前控制点新目标水位。
3、线性化输配水方案
本发明考虑按需配水为主，即渠道输配水调度中保证下游用水户的需求，并且上游水源供给的水正好被下游用户所取用，使得工程运行中产生的弃水最少。
在满足渠道最大水位降速的安全要求下，取水口流量变化采用线性化取水，在取水变化实际耗时内线性增加取水流量，直至达到目标取水流量。故在取水变化实际耗时内，闸前控制点的水位也随取水流量的线性加以随时间线性化赋值，与每一时刻的实际取水流量相对应。
4、反馈控制模块作用原理
反馈控制模块基于当前闸前控制点的实测水位与目标水位值间的偏差，做出响应，按照控制逻辑先输出反馈流量，再按照一定的闸门过流公式转化为闸门开度。
反馈流量是一组控制器参数，即kp、ti、td控制器参数，对水位偏差做出的修正，即
式中：u(t)为反馈流量,m3/s；
kp为比例调节系数；
ti为积分时间常数；
td为积分时间常数；
e(t)为t时刻的水位偏差，即控制点目标水位与当前水位差，m。
kp、ti、td控制器参数需要根据工程实际进行整定。
本发明涉及的反馈算法为增量式反馈算法，即反馈流量与当前过闸流量之和才是下一时刻的目标过闸流量。
反馈控制模块还需将下一时刻的目标过闸流量转化为闸门开度，闸门过流公式可以采用美国中亚利桑那调水工程工程的过闸流量计算公式，这是一种由自由出流向淹没出流过渡的流量系数计算方法。
式中：
q为过闸流量，m3/s；cd为流量系数；a为闸门开度，m；b为闸门宽度，m；yu、yd为闸门上、下游水深，m；au为闸门上游过水断面面积，m2。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。