專(zhuān)利名稱：一種多渠段水位自動(dòng)控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多渠段水位自動(dòng)控制方法及裝置，是一種自動(dòng)控制的方法和裝 置，是一種用于水工設(shè)施的自動(dòng)控制方法和裝置，是一種適用于長(zhǎng)距離大型明渠輸水工程 的水流自動(dòng)控制方法和裝置。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，許多地區(qū)修建了長(zhǎng)距離大型明 渠輸水工程。這些渠道通常由多級(jí)節(jié)制閘分隔成相串連的多個(gè)渠段，各渠段利用閘門(mén)的啟 閉調(diào)節(jié)水位和流量。為利于渠道沿線分水口流量的穩(wěn)定，分水口通常建在節(jié)制間的稍上游， 維持間前水位的相對(duì)穩(wěn)定是渠道運(yùn)行的主要目標(biāo)之一。此外，還需要對(duì)渠道上下游的水量 進(jìn)行合理調(diào)控，保障輸水過(guò)程的安全高效。與傳統(tǒng)中小型輸水渠道相比，長(zhǎng)距離大型輸水渠道的控制過(guò)程需應(yīng)對(duì)多方面的問(wèn) 題。一是大時(shí)間滯后問(wèn)題。以南水北調(diào)中線干渠為例，渠道長(zhǎng)1200余公里，流速僅為1米每 秒左右，從渠首流至渠末約需兩周，供需滯后十分嚴(yán)重。二是水量的合理有序調(diào)控問(wèn)題。由 于供水渠道的輸水能力逐渠段遞減，上下游可能相差數(shù)倍，因而需要避免上游調(diào)控對(duì)下游 造成顯著影響。第三是水位的快速調(diào)控問(wèn)題。閘門(mén)、分水口的啟閉，風(fēng)吹等外界擾動(dòng)因素都 會(huì)引發(fā)渠內(nèi)水位波動(dòng)，影響分水口流量的穩(wěn)定，需快速調(diào)控水位至設(shè)定值，保障渠岸安全。 第四是多渠段間耦合作用的應(yīng)對(duì)問(wèn)題。多個(gè)閘門(mén)參與操作時(shí)，它們的控制作用會(huì)相互疊加， 彼此影響，使總的水力響應(yīng)特性變得十分復(fù)雜，易引發(fā)水面波動(dòng)甚至持續(xù)振蕩，所需閘門(mén)操 作大大增加。目前多數(shù)中小型渠道的運(yùn)行控制采用傳統(tǒng)的人工控制或機(jī)械輔助控制，部分大中 型渠道使用了先進(jìn)的PLC+上位機(jī)控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中閘門(mén)的開(kāi)度、開(kāi)關(guān)順序等通常由人 工預(yù)置，主要依賴管理人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，因而整體的自動(dòng)化水平仍較低。也有部分渠道采用 了閘門(mén)自動(dòng)控制方法，但這些閘門(mén)的控制規(guī)則多面向單個(gè)渠段或中小型渠道開(kāi)發(fā)，較少或 未能考慮時(shí)間滯后、耦合等問(wèn)題，當(dāng)用于長(zhǎng)距離大型渠道時(shí)，往往表現(xiàn)出性能下降甚至控制 失穩(wěn)等問(wèn)題。已有間門(mén)自動(dòng)控制方法分為上游控制方法和下游控制方法兩類(lèi)。前者是傳統(tǒng)的控 制方法，通過(guò)人工或傳感器監(jiān)測(cè)間前水位變化，調(diào)整間門(mén)開(kāi)度。由于水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近閘前， 時(shí)間滯后很小，因而控制規(guī)則簡(jiǎn)單，作用快。但是上游控制方法的水量調(diào)控會(huì)顯著影響到下 游，若上游分水口超量分水，則下游將出現(xiàn)水量不足，反之若上游分水量不足，則下游水量 過(guò)剩，需要棄水。下游控制方法是后發(fā)展的一類(lèi)渠道控制方法，它以實(shí)現(xiàn)按需供水為目標(biāo)。 其控制所需的信息來(lái)自下游的傳感器，控制作用向上游方向傳遞。不過(guò)受水流滯后影響，其 水位調(diào)控速度較慢。顯然，上游控制方法在水位調(diào)控方面有優(yōu)勢(shì)，但其水量調(diào)控的特點(diǎn)決定 了長(zhǎng)距離大型輸水明渠不能完全由其控制；下游控制方法在水量調(diào)控方面有優(yōu)勢(shì)，適用于 長(zhǎng)距離輸水明渠，但其水位調(diào)控較慢的缺陷有待改進(jìn)。綜上所述，需要本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是如何克服長(zhǎng)距離大型輸水渠道的時(shí)間滯后和耦合作用影響，提高下游控制方法中水位調(diào)控的速度，以快速有 效消除分水口分水、風(fēng)吹等外界擾動(dòng)的影響，實(shí)現(xiàn)閘前常水位自動(dòng)化輸水目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種多渠段水位自動(dòng)控制方法及裝置。 所述的方法和裝置克服渠道的時(shí)間滯后和耦合作用影響，加快水位調(diào)控的速度，快速有效 消除各類(lèi)外界擾動(dòng)的影響，實(shí)現(xiàn)間前常水位自動(dòng)化輸水目標(biāo)。解決現(xiàn)有技術(shù)因水位調(diào)控速 度慢，水量調(diào)控干擾下游渠道運(yùn)行所導(dǎo)致的間門(mén)操作頻繁，水力過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行管理成本
高等問(wèn)題。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種多渠段水位自動(dòng)控制裝置，包括一條長(zhǎng)距離 自流型輸水明渠，所述的明渠設(shè)置有多個(gè)將明渠分隔的閘門(mén)，所述的各個(gè)閘門(mén)上游附近設(shè) 有分水口，所述的各個(gè)閘門(mén)的閘門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)與各個(gè)閘門(mén)的控制單元連接，所述的各個(gè)閘門(mén) 的控制單元通過(guò)明渠數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接，所述的控制單元包括測(cè)量該控制單元所控制的 閘門(mén)的上游水位的間前水位傳感器、測(cè)量該控制單元所控制的間門(mén)的下游水位的間后水位 傳感器、測(cè)量該閘門(mén)開(kāi)度的閘門(mén)開(kāi)度傳感器，所述的閘前水位傳感器、閘后水位傳感器、閘 門(mén)開(kāi)度傳感器與低通濾波器連接，所述的低通濾波器與A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述的A/D轉(zhuǎn)換器 與數(shù)據(jù)采集器連接，所述的數(shù)據(jù)采集器與工控計(jì)算機(jī)連接，所述的工控計(jì)算機(jī)與PLC連接， 所述的PLC與閘門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)連接，工控計(jì)算機(jī)與明渠數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接。一種使用上述裝置的多渠段水位控制方法，所述方法的步驟包括
監(jiān)測(cè)下游閘門(mén)參數(shù)的步驟用于按照時(shí)間步長(zhǎng)通過(guò)下游閘門(mén)的閘前水位傳感器、閘后 水位傳感器和閘門(mén)開(kāi)度傳感器監(jiān)測(cè)下游閘門(mén)的閘前水位、閘后水位和閘門(mén)開(kāi)度；
計(jì)算偏差和偏差變化率并判斷的步驟計(jì)算間前水位與控制目標(biāo)值間的偏差，以及的 偏差的變化率，然后進(jìn)行判斷，如果偏差值及偏差變化率未超出允許值則回到“監(jiān)測(cè)下游閘 門(mén)參數(shù)的步驟”，如果偏差值及偏差變化率超出允許值則進(jìn)入下一步驟；
計(jì)算反饋校正值的步驟用于根據(jù)偏差和偏差變化率分別計(jì)算閘前水位的上游控制反 饋校正值和下游控制反饋校正值；
計(jì)算前饋解耦流量的步驟用于根據(jù)上游控制反饋校正值和下游控制反饋校正值計(jì)算 前饋解耦流量；
計(jì)算間門(mén)的流量調(diào)整目標(biāo)值的步驟用于根據(jù)前饋解耦流量、上游控制反饋校正值和 下游控制反饋校正值計(jì)算閘門(mén)的流量調(diào)整目標(biāo)值；
計(jì)算閘門(mén)的實(shí)際操作開(kāi)度的步驟用于根據(jù)流量調(diào)整目標(biāo)值計(jì)算閘門(mén)的實(shí)際操作開(kāi)
度；
閘門(mén)執(zhí)行的步驟用于閘門(mén)的啟閉機(jī)執(zhí)行開(kāi)度調(diào)整動(dòng)作，并回到“監(jiān)測(cè)下游閘門(mén)參數(shù)的
步驟”。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是由于同時(shí)采取了上下游的數(shù)據(jù)采集、閘門(mén)和水流控制， 克服了長(zhǎng)距離大型輸水明渠大時(shí)間滯后、耦合作用的影響，綜合發(fā)揮了上游控制和下游控 制方法分別在水位調(diào)控和水量調(diào)控方面的優(yōu)勢(shì)，一方面能夠快速、有效地消除未知擾動(dòng)對(duì) 閘前水位的影響，另一方面合理調(diào)配沿線水量，減少對(duì)下游渠段的影響，從而提高了輸水效 率和效果，保障了輸水安全。此外該方法采用分布式控制結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，對(duì)計(jì)算、通訊系統(tǒng)要求低，便于實(shí)施應(yīng)用。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的實(shí)施例一所述的控制單元結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例一所述的控制單元原理示意圖4是本發(fā)明的實(shí)施例二所述的帶有控制中心的裝置示意圖； 圖5是本發(fā)明的實(shí)施例四所述的控制方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一
本實(shí)施例是一種多渠段水位自動(dòng)控制裝置，如圖1所示。本實(shí)施例包括一條長(zhǎng)距離自 流型輸水明渠1，所述的明渠設(shè)置有多個(gè)將明渠分隔的閘門(mén)3，所述的各個(gè)閘門(mén)上游附近設(shè) 有分水口 2，所述的各個(gè)閘門(mén)的閘門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)209與各個(gè)閘門(mén)的控制單元連接101，所述的 各個(gè)間門(mén)的控制單元通過(guò)明渠數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接，所述的控制單元包括，如圖2所示測(cè)量 該控制單元所控制的間門(mén)的上游水位的間前水位傳感器201、測(cè)量該控制單元所控制的閘 門(mén)的下游水位的閘后水位傳感器203、測(cè)量該閘門(mén)開(kāi)度的閘門(mén)開(kāi)度傳感器202，所述的閘前 水位傳感器、間后水位傳感器、間門(mén)開(kāi)度傳感器與低通濾波器204連接，所述的低通濾波器 與A/D轉(zhuǎn)換器205連接，所述的A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)采集器206連接，所述的數(shù)據(jù)采集器與工 控計(jì)算機(jī)207連接，所述的工控計(jì)算機(jī)與PLC208連接，所述的PLC與閘門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)209連 接，工控計(jì)算機(jī)與明渠數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接。本實(shí)施例的控制對(duì)象是一條供水明渠，是一種利用重力使水由高水位向低水位自 然流動(dòng)的供水明渠。明渠由多個(gè)閘門(mén)分為多段。將明渠用閘門(mén)分為多段的目的在于分水或 補(bǔ)水，即通過(guò)在該段明渠中設(shè)立分水口，將明渠中一部分水分出他用，或從其他地方向明渠 中補(bǔ)充水。分水口通常設(shè)置在閘門(mén)的上游附近。明渠中的各個(gè)閘門(mén)的啟閉機(jī)構(gòu)可以是通常 的由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠傳遞上下位移動(dòng)作的閘門(mén)，也可以是其他形式的閘門(mén)。每一個(gè)閘門(mén)都 有自己的控制單元。例如一段明渠有十個(gè)閘門(mén)，則配備十個(gè)控制單元，十個(gè)控制單元通過(guò)網(wǎng) 絡(luò)連接在一起，進(jìn)行互相的數(shù)據(jù)通信。每個(gè)控制單元都配有間前水位傳感器、間后水位傳感 器、閘門(mén)開(kāi)度傳感器。明渠數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)控制單元連接在一起。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)可以設(shè) 有控制中心，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的總監(jiān)測(cè)和處理并對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行上位機(jī)的管理。也可 以沒(méi)有控制中心，各個(gè)控制單元平等的作為一個(gè)個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互相進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。沒(méi)有控制 中心的情況下，一個(gè)控制單元可以接收上下游的控制單元的數(shù)據(jù)，進(jìn)行自己的控制，甚至可 以根據(jù)要求接收更上游和更下游控制單元的數(shù)據(jù)，進(jìn)行自己的控制，達(dá)到最佳的控制效果。各個(gè)渠段的控制過(guò)程是相同的，具有相同結(jié)構(gòu)的控制單元，如圖1所示，因此，本 實(shí)施例以整個(gè)渠道的中間一個(gè)閘門(mén)所控制的中間的一段渠道為控制對(duì)象，說(shuō)明控制裝置的 控制過(guò)程。渠首渠段和渠末渠段可以看作是中間段的特殊情況考慮。本實(shí)施例第i渠段代 表一個(gè)渠段，其控制單元101包含上游流量反饋控制子單元102、下游流量反饋控制子單元 103、前饋解耦控制子單元104和閘門(mén)流量控制子單元105，具體構(gòu)成如圖3所示。
上游流量反饋控制子單元102起到的作用為反饋校正目標(biāo)水位的偏差，同時(shí)發(fā)揮 下游控制方法的優(yōu)勢(shì)，將水量調(diào)控需求向上游方向傳遞。該控制子單元的輸入為間門(mén)Gi+1的 閘前水位Yui109，輸出為閘門(mén)Gi的流量反饋調(diào)整值A(chǔ)QGliIUtj若閘前水位Yui109與設(shè)定值 YTiIOB間的偏差或者偏差變化的速率超出設(shè)定范圍，則按設(shè)定的反饋控制規(guī)則調(diào)節(jié)閘門(mén)Gi 的過(guò)閘流量Δ QGli 112。該控制子單元還包含水位偏差死區(qū)DBjglO 和水位偏差變化率 死區(qū)DB^EC^IOS，反饋控制比例系數(shù)Kpii 110，積分系數(shù)KIli 111。下游流量反饋控制子單元103起到的作用為反饋校正目標(biāo)水位的偏差，同時(shí)發(fā)揮 上游控制方法的優(yōu)勢(shì)，從上游方向快速校正間前水位偏差，加快水位調(diào)控的速度。該控制子 單元的輸入為閘門(mén)Gi的閘前水位Yf1Iie,輸出為閘門(mén)Gi的流量反饋調(diào)整值Δ QG2i 119。若 閘前水位Yf1Iie與設(shè)定值YU13間的偏差或者偏差變化的速率超出設(shè)定范圍，則按設(shè)定 的反饋控制規(guī)則調(diào)節(jié)閘門(mén)Gi的過(guò)閘流量Δ QG2i 119。該控制子單元還包含水位偏差死區(qū) 0Β2_Ε^114和水位偏差變化率死區(qū)DB^EC^llS，反饋控制比例系數(shù)Kpii 117，積分系數(shù)Km 118。。上游流量反饋控制規(guī)則和下游流量反饋控制規(guī)則均采用增量控制方式，以減小閘 門(mén)誤動(dòng)作時(shí)的影響?？刂频妮敵霾捎瞄l門(mén)流量而不是傳統(tǒng)方法采用的閘門(mén)開(kāi)度，可使控制 系統(tǒng)與閘門(mén)的具體型式相分離，提高了本發(fā)明的適用性，所采用的流量控制方式還可起到 下游方向解耦的效果。前饋解耦控制子單元104的作用在于將下游的水量調(diào)控動(dòng)作向上游方向傳遞，協(xié) 調(diào)沿線閘門(mén)的控制作用，起到了前饋解耦的作用，同時(shí)減少時(shí)間滯后的影響。該控制子單元 104的輸入有三個(gè)，分別是子單元102的輸出Δ QGli 112，子單元103的輸出Δ QG2i 119， 以及i+1渠段的前饋解耦控制子單元104的輸出Δ QGTi+1 ；輸出有兩個(gè)，均為閘門(mén)Gi的流量 調(diào)整目標(biāo)值Δ QGTi 122。該控制子單元還包含了上下游控制作用權(quán)重系數(shù)θ 123和前饋解 耦流量調(diào)整權(quán)重系數(shù)KDi 120和前饋解耦流量調(diào)整值Δ QJffii 121。若第i渠段已是渠首渠段，則前饋解耦控制子單元104無(wú)通向上游方向的輸出 AQGTi 122 ；若第i渠段已是渠末渠段，則前饋解耦控制子單元104無(wú)來(lái)自下游方向的輸入 AQGTi+1。閘門(mén)流量控制子單元105的作用在于將閘門(mén)流量調(diào)整目標(biāo)值轉(zhuǎn)換為閘門(mén)的實(shí)際 操作開(kāi)度。該控制子單元的輸入有四個(gè)，分別是子單元104的輸出Δ QGTi 122，閘門(mén)Gi的 閘前水位Yuh 124、閘后水位YdH 126和閘門(mén)開(kāi)度GAOi 125。輸出有一個(gè)，為閘門(mén)Gi的實(shí) 際操作開(kāi)度GATi 129。該控制子單元還包含閘門(mén)的過(guò)閘流量QGOi 127，閘門(mén)Gi應(yīng)調(diào)整至的 過(guò)閘流量QGTi 128。實(shí)施例二
本實(shí)施例是實(shí)施一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于明渠數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的細(xì)化。本實(shí)施例所述 的明渠數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接有控制中心，如圖4所示。本實(shí)施例是帶有控制中心的網(wǎng)絡(luò)，控制中心為上位機(jī)，所有控制單元作為控制中 心的下位機(jī)，控制中心可以對(duì)整條渠道進(jìn)行整體數(shù)據(jù)處理和控制，但一旦控制中心出現(xiàn)問(wèn) 題，將影響整條渠道的供水，因此這個(gè)系統(tǒng)需要更多的安全設(shè)置和冗余系統(tǒng)，防止任何錯(cuò)誤 的出現(xiàn)。實(shí)施例三本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于控制單元的細(xì)化。本實(shí)施例所述 控制單元還包括與上游控制單元連接的上游流量反饋控制子單元，所述上游流量反饋控 制子單元與前饋解耦控制子單元連接，所述前饋解耦控制子單元與下游流量反饋控制子單 元、閘門(mén)流量控制子單元連接。實(shí)施例四
使用上述實(shí)施例所述裝置的多渠段水位控制方法，所述方法的流程如圖5所示。本實(shí) 施例同樣是以一段渠道為例說(shuō)明控制方法，該段渠道命名為第i渠段Pooli,PooliW上游為 PooIh渠段，Pooli的下游為pooli+1渠段。pooIh的上游閘門(mén)為Gi^1 ；Pool^1的下游閘門(mén)， 也就是Pooli的上游閘門(mén)為Gi ；pool,的下游閘門(mén)，也就是pooli+1的上游閘門(mén)為Gi+1。Gi的 閘前水位為Yui-PGi的閘后水位為YdH ；Gi+1的閘前水位為Yui、Gi+1的閘后水位為Ydi。(如圖 1所示)本實(shí)施例所述方法的步驟包括
第一步監(jiān)測(cè)下游閘門(mén)參數(shù)的步驟用于按照時(shí)間步長(zhǎng)通過(guò)下游閘門(mén)的閘前水位傳感 器、閘后水位傳感器和閘門(mén)開(kāi)度傳感器監(jiān)測(cè)下游閘門(mén)的閘前水位、閘后水位和閘門(mén)開(kāi)度。時(shí) 間步長(zhǎng)參照整個(gè)渠道是否需頻繁控制確定，其值必須小于各渠段水力滯后時(shí)間的最小值。 運(yùn)行工況復(fù)雜的渠道需要小的時(shí)間步長(zhǎng)以滿足頻繁控制需求。由傳感器監(jiān)測(cè)渠段i下游端 閘門(mén)Gi+1閘前水位Yui、閘后水位Ydi和閘門(mén)開(kāi)度GACV1， =ΓΝ, N為渠段數(shù)。各個(gè)傳感器采集 的電信號(hào)經(jīng)低通濾波、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入工控機(jī)進(jìn)行處理。上下游渠段是相對(duì)的， 此處的下游閘門(mén)對(duì)其下游渠段而言，屬于上游閘門(mén)。本實(shí)施例中各閘門(mén)的啟閉同時(shí)依據(jù)了 上游信息和下游信息，因而體現(xiàn)了對(duì)上下游的綜合監(jiān)控。第二步計(jì)算偏差和偏差變化率并判斷的步驟計(jì)算閘前水位與控制目標(biāo)值間的 偏差，以及的偏差的變化率，偏差的變化率為當(dāng)前時(shí)刻閘前水位偏差與上時(shí)刻閘前水位偏 差相減后除以時(shí)間步長(zhǎng)的值。如果偏差值及偏差變化率未超出允許值則回到“監(jiān)測(cè)下游閘 門(mén)參數(shù)的步驟”，如果偏差值及偏差變化率超出允許值則進(jìn)入下一步驟。計(jì)算間前水位Yui 與控制目標(biāo)值YTi間的偏差Ei,以及Ei的變化率ECitl若Ei的絕對(duì)值超過(guò)設(shè)定死區(qū)DBji, 或ECi的絕對(duì)值超過(guò)設(shè)定的死區(qū)DB^ECi,判定需要對(duì)閘前水位Yui進(jìn)行反饋校正，執(zhí)行下一 步。設(shè)定的死區(qū)為一取值范圍，取值范圍內(nèi)的各值即上述的允許值，在該范圍內(nèi)閘門(mén)不進(jìn)行 操作，因而可減少閘門(mén)控制的頻度，降低運(yùn)行成本，但系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏度相應(yīng)降低。死區(qū)的 大小需根據(jù)渠道控制響應(yīng)需求的高低確定。第三步計(jì)算反饋校正值的步驟用于根據(jù)偏差和偏差變化率分別計(jì)算閘前水位 的上游控制反饋校正值和下游控制反饋校正值。分別計(jì)算閘前水位Yui的上游控制反饋校正值Δ QGli和下游控制反饋校正值 Δ QG2”按增量式PIF反饋控制規(guī)則計(jì)算上游控制反饋校正值Δ QGli,即 Δ QGli = KPliXECfi+KmXEfi
Efi=KFiXEfl^(I-KFi) XEi
本公式是一個(gè)遞推公式，式中Eflt為Efi在上一時(shí)間步長(zhǎng)的值。KFi為濾波常數(shù)，Kpii為 比例系數(shù)，Km為積分系數(shù)，均由經(jīng)典控制論中的繼電器法整定。按增量式PIF反饋控制規(guī)則計(jì)算下游控制反饋校正值Δ QG2i;即 Δ QG2i = Kp2i X ECfi+KI2i X Efi式中Kp2i為比例系數(shù)，K12i為積分系數(shù)，均由經(jīng)典控制論中的繼電器法整定。第四步計(jì)算前饋解耦流量的步驟用于根據(jù)上游控制反饋校正值和下游控制反 饋校正值計(jì)算前饋解耦流量。計(jì)算前饋解耦流量Δ QGTi,即
Δ QGTi = KDiX Δ Q_KDi + θ χ Δ QGli +(1- θ ) X Δ QG2i
式中θ為調(diào)整下游控制和上游控制作用量的權(quán)重系數(shù)。分析表明，僅需少量上游控制 作用即可改善控制效果，θ取值參考范圍(Π). 3。若第i渠段為末渠段，則AQ_KDi=0。KDi 的理論取值范圍為(Tl，根據(jù)理論分析及物理模型試驗(yàn)結(jié)果，隨著該值增大，整個(gè)渠道的水 力過(guò)渡過(guò)程加快，但水位流量的波動(dòng)加劇，因此KDi建議取值0. 5^0. 8。然后將Δ QGTi值賦給Δ Q_KDh，即 Δ QJOV1= Δ QGTi
Δ QJffip1為第i-1渠段的前饋解耦流量調(diào)整值。對(duì)于首渠段，Δ QJffip1 = O。第五步計(jì)算閘門(mén)的流量調(diào)整目標(biāo)值的步驟用于根據(jù)前饋解耦流量計(jì)算閘門(mén)的 流量調(diào)整目標(biāo)值。計(jì)算閘門(mén)Gi的流量調(diào)整目標(biāo)值QGT”該計(jì)算適用于各種閘門(mén)，包括平板閘門(mén)、弧 形閘門(mén)等，不同閘門(mén)在閘門(mén)過(guò)流關(guān)系式中取不同的閘門(mén)流量系數(shù)。首先根據(jù)閘前水位Yui —工、閘后水位Ydi — ！和閘門(mén)開(kāi)度GAtli，按閘門(mén)過(guò)流水力學(xué)公式 計(jì)算該閘門(mén)的當(dāng)前過(guò)閘流量QGOi,即
閘孔自由出流時(shí)
QGOi = C^pga^-TTi-eil)
閘孔淹沒(méi)出流時(shí)QGOi =Qnbe^g(H)
式中Cd為閘門(mén)流量系數(shù)，e為閘門(mén)Gi開(kāi)度，b為每孔凈寬，η為閘門(mén)孔數(shù)，YTi為閘門(mén)Gi 的底板高程。然后QGOi和Δ QGTi相加，得出閘門(mén)Gi應(yīng)調(diào)整至的過(guò)閘流量，即 QGTi=QGOi+ Δ QGTi。第六步計(jì)算閘門(mén)的實(shí)際操作開(kāi)度的步驟用于根據(jù)流量調(diào)整目標(biāo)值計(jì)算閘門(mén)的 實(shí)際操作開(kāi)度。計(jì)算閘門(mén)Gi的實(shí)際操作開(kāi)度GATit5根據(jù)閘前水位Yui_i、閘后水位Yf1和閘門(mén)流量目標(biāo)值QGTi,按閘門(mén)過(guò)流水力學(xué)公 式，由牛頓迭代法計(jì)算出閘門(mén)Gi的實(shí)際操作開(kāi)度GATi,即
閘孔自由出流時(shí)=GAT^r1 ( Yui+ QGTi, Cd, e) 閘孔淹沒(méi)出流時(shí)=GAT^r1 ( Yuh，Ydi+ QGTi, Cd, e)
第七步閘門(mén)執(zhí)行的步驟用于閘門(mén)的啟閉機(jī)執(zhí)行開(kāi)度調(diào)整動(dòng)作，并回到“監(jiān)測(cè)下游閘 門(mén)參數(shù)的步驟”。由閘門(mén)Gi的啟閉機(jī)執(zhí)行開(kāi)度調(diào)整動(dòng)作，同時(shí)繼續(xù)監(jiān)測(cè)閘前水位，若Ei的絕對(duì)值仍 超過(guò)設(shè)定死區(qū)DBJi,或ECi的絕對(duì)值超過(guò)設(shè)定的死區(qū)DB^ECi,重復(fù)第一步至第七步。最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布 置方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案(比如控制單元的形式控制過(guò)程等)進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案 的精神和范圍。
權(quán)利要求
一種多渠段水位自動(dòng)控制裝置，包括一條長(zhǎng)距離自流型輸水明渠，所述的明渠設(shè)置有多個(gè)將明渠分隔的閘門(mén)，所述的各個(gè)閘門(mén)上游附近設(shè)有分水口，所述的各個(gè)閘門(mén)的閘門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)與各個(gè)閘門(mén)的控制單元連接，其特征在于，所述的各個(gè)閘門(mén)的控制單元通過(guò)明渠數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接，所述的控制單元包括測(cè)量該控制單元所控制的閘門(mén)的上游水位的閘前水位傳感器、測(cè)量該控制單元所控制的閘門(mén)的下游水位的閘后水位傳感器、測(cè)量該閘門(mén)開(kāi)度的閘門(mén)開(kāi)度傳感器，所述的閘前水位傳感器、閘后水位傳感器、閘門(mén)開(kāi)度傳感器與低通濾波器連接，所述的低通濾波器與A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述的A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)采集器連接，所述的數(shù)據(jù)采集器與工控計(jì)算機(jī)連接，所述的工控計(jì)算機(jī)與PLC連接，所述的PLC與閘門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)連接，工控計(jì)算機(jī)與明渠數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的明渠數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接有控制中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述各控制單元還包括與上游控制單 元連接的上游流量反饋控制子單元，所述上游流量反饋控制子單元與前饋解耦控制子單元 連接，所述前饋解耦控制子單元與下游流量反饋控制子單元、間門(mén)流量控制子單元連接。
4.一種使用權(quán)利要求1所述裝置的多渠段水位控制方法，其特征在于所述方法的步 驟包括監(jiān)測(cè)下游閘門(mén)參數(shù)的步驟用于按照時(shí)間步長(zhǎng)通過(guò)下游閘門(mén)的閘前水位傳感器、閘后 水位傳感器和閘門(mén)開(kāi)度傳感器監(jiān)測(cè)下游閘門(mén)的閘前水位、閘后水位和閘門(mén)開(kāi)度；計(jì)算偏差和偏差變化率并判斷的步驟計(jì)算間前水位與控制目標(biāo)值間的偏差，以及的 偏差的變化率，如果偏差值及偏差變化率未超出允許值則回到“監(jiān)測(cè)下游閘門(mén)參數(shù)的步 驟”，如果偏差值及偏差變化率超出允許值則進(jìn)入下一步驟；計(jì)算反饋校正值的步驟用于根據(jù)偏差和偏差變化率分別計(jì)算閘前水位的上游控制反 饋校正值和下游控制反饋校正值；計(jì)算前饋解耦流量的步驟用于根據(jù)上游控制反饋校正值和下游控制反饋校正值計(jì)算 前饋解耦流量；計(jì)算閘門(mén)的流量調(diào)整目標(biāo)值的步驟用于根據(jù)前饋解耦流量計(jì)算閘門(mén)的流量調(diào)整目標(biāo)值；計(jì)算閘門(mén)的實(shí)際操作開(kāi)度的步驟用于根據(jù)流量調(diào)整目標(biāo)值計(jì)算閘門(mén)的實(shí)際操作開(kāi)度；閘門(mén)執(zhí)行的步驟用于閘門(mén)的啟閉機(jī)執(zhí)行開(kāi)度調(diào)整動(dòng)作，并回到“監(jiān)測(cè)下游閘門(mén)參數(shù)的步驟”。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多渠段水位自動(dòng)控制方法及裝置。包括一條輸水明渠，多個(gè)閘門(mén)，各個(gè)閘門(mén)上游附近設(shè)有分水口，各個(gè)閘門(mén)的閘門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)與各個(gè)閘門(mén)的控制單元連接，各控制單元通網(wǎng)絡(luò)連接，控制單元包括閘前水位傳感器、閘后水位傳感器、閘門(mén)開(kāi)度傳感器，閘前水位、閘后水位、閘門(mén)開(kāi)度傳感器與低通濾波器連接，低通濾波器與A/D轉(zhuǎn)換器連接，A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)采集器連接，數(shù)據(jù)采集器與工控計(jì)算機(jī)連接，工控計(jì)算機(jī)與PLC連接，PLC與閘門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)連接。由于同時(shí)采取了上下游的數(shù)據(jù)采集、閘門(mén)和水流控制，克服了長(zhǎng)距離大型輸水明渠大時(shí)間滯后、耦合作用的影響，綜合發(fā)揮了上游控制和下游控制方法分別在水位調(diào)控和水量調(diào)控方面的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)E02B13/00GK101935996SQ20101027566
公開(kāi)日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月8日
發(fā)明者劉之平, 吳一紅, 崔巍, 王曉松, 王 琦, 王秀英, 白音包力皋, 穆祥鵬, 許鳳冉, 郭曉晨, 陳興茹, 陳文學(xué) 申請(qǐng)人:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院