本發(fā)明涉及一種明渠調(diào)度方法，具體涉及一種明渠輸水調(diào)度閘門延時啟閉時間的前饋控制方法。

背景技術(shù)：

水是生命之源，是人類生存、城市運(yùn)作、工業(yè)發(fā)展等等一系列文明活動中必不可少的因素。然而，我國水資源存在地區(qū)分布不均，總體上呈現(xiàn)南多北少，夏多冬少等情況。另外在我國西北部長期的水資源匱乏以嚴(yán)重影響著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。國家為了緩解北方的缺水，在水資源的合理分配上做出了較大的努力，修建了大量調(diào)水工程，如引黃濟(jì)津、引灤入津、引灤入唐等項(xiàng)目。另外還有舉世矚目的南水北調(diào)工程，目前東線與中線以通水。其緩解了我國北方水資源短缺現(xiàn)狀，促進(jìn)了我國水資源的合理配置，加強(qiáng)了地區(qū)間的協(xié)調(diào)發(fā)展，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

然而隨著大型調(diào)水工程的建成，許許多多復(fù)雜的問題也體現(xiàn)了出來，調(diào)水工程的運(yùn)行與管理方面成為了一項(xiàng)調(diào)水工程是否成功的制約因素。由于其復(fù)雜的工況，調(diào)水區(qū)域各地水量的分配及運(yùn)行難度加大，人工的管理與操作在其間顯得力不從心。在這就為工程的運(yùn)行管理中的自動化、信息化提出了更高的要求。渠系的自動控制則是解決上述調(diào)水工程中管理復(fù)雜的有效措施，其利用渠道水力學(xué)與自動控制理論相結(jié)合，能夠最大限度的提高渠系運(yùn)行調(diào)度水平及水資源的利用效率。

對于渠系的運(yùn)行調(diào)度而言，核心問題之一在于確定何時啟閉節(jié)制閘，而這一時間很大程度取決于渠系中水波的滯后時間。尤其對于渠系的前饋控制作用，若不能準(zhǔn)確知道渠系中的滯后時間，則會產(chǎn)生供水不足或者棄水。譬如，在渠系控制的前饋環(huán)節(jié)中，當(dāng)上游節(jié)制閘開啟、渠道中取水口隨后打開取水的過程中，如果節(jié)制閘開啟引起的漲水波還未到之前就打開取水口取水，將會導(dǎo)致取水口下游流量下降、影響下游用戶取水；而在漲水波經(jīng)過取水口以后再打開取水口，則將導(dǎo)致上游來水中的一部分水量成為棄水，影響整個渠系的用水效率。而在渠道的控制運(yùn)行中，渠系的滯后時間可以采用非恒定流仿真計算獲得，但是其取水口的取水起始時間則較難確定。

綜上所述，需要本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切解決的一個技術(shù)問題是：提出一種明渠輸水調(diào)度閘門延時啟閉時間的前饋控制方法，即一種渠道水波響應(yīng)計算的解析式，可計算取水口的取水起始時間，同時滿足兩方面的需求：一是能制定出當(dāng)前輸水計劃時的節(jié)制閘延時啟閉時間計劃，滿足實(shí)際的渠系運(yùn)行調(diào)度中需要控制系統(tǒng)能夠達(dá)到穩(wěn)定性，快速性及魯棒性等要求；二是能計算得到用水效率相對最高的取水時間，提高渠系前饋控制作用的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種明渠輸水調(diào)度閘門延時啟閉時間的前饋控制方法，通過提出一種渠道水波響應(yīng)計算的解析式，求得達(dá)到用水效率最高的取水時間，從而提高渠系前饋控制作用的效果，在渠系運(yùn)行調(diào)度中使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定性、快速性、魯棒性等要求。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種明渠輸水調(diào)度閘門延時啟閉時間的前饋控制方法，包含一段輸水明渠和控制系統(tǒng)，渠段上下游設(shè)有節(jié)制閘，下游的輸水渠段有取水口。取水口離渠道建筑物較近，即取水口下游即為閘門或堰，水流會因?yàn)榻ㄖ锏挠绊懚a(chǎn)生回水。渠池中的回水影響通過如ID模型的理論將渠道分為兩個子渠段，來考慮所述的節(jié)制閘的閘門啟閉機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)連接，通過IDZ模型更好的考慮到了取水口取水所引起的水位突降。所述的控制系統(tǒng)輸入包括：傳感器裝置(包含上下游節(jié)制閘閘后水位傳感器、節(jié)制閘開度傳感器)，在考慮按需配水設(shè)計前饋規(guī)則后，控制系統(tǒng)的輸出為用水效率較高時的閘門啟閉時間。

所述方法的步驟包括：

1、輸入控制系統(tǒng)參數(shù)的步驟：用于通過參數(shù)輸入裝置，設(shè)置渠道、閘門的物理參數(shù)以及控制系統(tǒng)的初始化參數(shù)，提前制定好輸水工況，下游用戶取水方式為固定流量取水，即采用水泵取水或固定分水閘的過閘流量。

2、監(jiān)測流量、水位和閘門開度的步驟：用于通過節(jié)制閘的水位傳感器、閘門開度傳感器，監(jiān)測節(jié)制閘的閘閘后水位和閘門開度；

3、獲得渠道水波的滯后時間τ：

在灌溉渠道及調(diào)水工程中，渠道的響應(yīng)時間通常被定義為渠系系統(tǒng)由一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)的所需要的時間，把渠道對于階躍流量的響應(yīng)時間分成兩個部分，即滯后時間與上升時間。

滯后時間就是從上游開始放水到下游渠道末端觀測到有流量上升時所經(jīng)過的時間；上升時間為下游流量增加至目標(biāo)流量的α％時所用的時間。

4、確定取水口打開時間T_w：

在渠道運(yùn)行前饋控制中，下游取水時間與上游來水的漲水波在下游引起的流量響應(yīng)相關(guān)。在渠道的運(yùn)行中，上游供水會產(chǎn)生下行的漲水波，而下游取水會引起上行的降水波，將兩種過程線性疊加，以獲取最終的配水過程，從而得到最佳取水時間，即取水口打開的時間T_w，以確保渠道蓄量平衡。

下游流量在滯后時間之后逐漸上升的，取水口不能在上游漲水波剛達(dá)到時就開始取水，因?yàn)槠渌▌偟竭_(dá)取水口時，其在增加的流量與取水流量并不相等。因而需要在下游流量增加過一段時間后才開始取水，有部分額外的流量流到取水口下游。在T_w以后取水口開始取水，下游流量會突降到小于初始流量，直到上游流量的變化量全部到達(dá)下游后，又逐漸使取水口下游蓄量回到平衡狀態(tài)。

在渠道的運(yùn)行調(diào)度中，應(yīng)該最大限度保證下游棄水最少，即上游來水增加量與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，為保證下游無棄水，在滯后時間τ至取水口打開時間T_w這段時間內(nèi)，流到取水口下游的多余流量正好與取水口打開時所減少的流量相等，取水口下游渠道的蓄量變化為零，即為渠道的無棄水運(yùn)行，可以得到下列計算公式為：

T_w＝τ+t_w，

式中：

T_w表示取水口打開時間；

τ表示滯后時間；

t_w表示滯后時間τ至取水口打開時間T_w的這段時間；

K是時間常數(shù)，表示在渠道水波傳播過程引入的時間常數(shù)；

K_d是流量系數(shù)，表示K受渠道下游流量水位邊界影響的敏感性；K_p是時間常數(shù)，表示因下游取水流量變化而引入的時間常數(shù)；

a是取水口取水時引起的水位突降。

參數(shù)獲取：

①參數(shù)K、τ兩值均受下游邊界條件的影響，可以根據(jù)渠道幾何參數(shù)以及渠道中水流特性精確的計算得到；也可根據(jù)野外對于上游流量和下游流量的實(shí)測資料進(jìn)行確定。其中這兩個參數(shù)均受到渠道中回水曲線的影響。

②參數(shù)K_p、a可根據(jù)在階躍流量工況下，通過仿真及參數(shù)辨識的方法辨識該工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定；

③由于時間參數(shù)K更大程度上受到渠道下游流量水位邊界的敏感性所影響，采用流量系數(shù)K_d表示此敏感性。K_d可根據(jù)公式確定，該公式表示渠道下游初始流量隨渠道水深的變化，表征渠道下游流量水位邊界的變化規(guī)律。

式中：Y為渠道中水深；

Q₀為渠道初始流量。

此式表示為了保證蓄量平衡而變化取水口的取水時間主要取決于下游建筑物對于水位的控制方式；若渠道下游為有效的水位控制器，如下游常水位控制閘門、水力自動閘門時，其下游水位基本不發(fā)生變化，即K_d→∞,則T_w＝τ+K，即在下游流量上升到所增加流量的63％時開始取水則可確保為無棄水運(yùn)行。此方法同樣適用于下游為堰的情況，但是其取水時間則有所不同。

5、確定閘門啟閉時間：

由實(shí)測資料、取水計劃及仿真參數(shù)辨識的方法確定時間參數(shù)K、K_P,流量系數(shù)K_d，滯后時間τ，水位突降a，采用本發(fā)明中所提出的計算方法，計算閘門應(yīng)該打開的時間T_w，即提前取水計劃打開閘門的時間。

渠池中的回水影響通過ID模型理論將渠道分為兩個子渠段來考慮，并用K來表示邊界條件的影響，則階躍流量下渠道中任何地方的流量過程解析表達(dá)式為：

q(x,t)＝1-e^{-[t-τ(x)]/K(x)}，

式中：τ(x)為渠池中x處的滯后時間；K(x)為渠道x處的時間常數(shù)，在實(shí)際使用中，可由渠道階躍工況下的響應(yīng)辨識兩個參數(shù)；

由于下游流量在滯后時間之后逐漸上升的，取水口不可能在上游漲水波剛達(dá)到的時候就開始取水，需要在下游流量增加一段時間后才開始取水，即：

當(dāng)t<τ時：

當(dāng)τ<t<T_w時：

當(dāng)t>T_w時：

式中：

τ為滯后時間；

為下游流量的在t時刻的變化量；

δQ_u為上游的供水量；

K為水波傳播過程中引入的時間常數(shù)；

q_w,0為開始取水時，渠道下游因取水產(chǎn)生的流量變化；

a為取水口取水時引起的水位突降；

K_p為因下游取水流量變化而引入的時間參數(shù)，其值與K的大小相當(dāng)，但是K表示的是渠池中因上游來水流量變化而引入的時間常數(shù)，兩值均受下游邊界條件的影響；

k_d為流量系數(shù)，表示K受到渠道下游流量水位邊界的敏感性影響；

在渠道運(yùn)行調(diào)度中，應(yīng)該最大限度保證下游棄水最少，即上游來水與下游取水流量相等，即q_w,0＝δQ_u，即：

為了保證下游無棄水，則此流量對時間的積分應(yīng)該為零，令t_w＝T_w-τ，對上式進(jìn)行積分，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與分水口打開時所減少的流量相等，分水口下游渠道的蓄量變化為零，

即渠道的無棄水運(yùn)行，化簡公式為：

上式得：

此式表示為了保證蓄量平衡而變化取水口的取水時間主要取決于下游建筑物對于水位的控制方式，例如，渠道中采用水位控制器時，其水位幾乎不發(fā)生變化，k_d→∞，則可得：

T_w＝τ+K

當(dāng)渠道下游為有效的水位控制器，如下游常水位控制閘門，水力自動閘門或堰時，則上述公式可得當(dāng)t＝T_w＝τ+K時打開分水口開始取水，即

即在下游流量上升到所增加流量的63％時開始取水則可確保為無棄水運(yùn)行。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：(1)制定出當(dāng)前輸水計劃時的節(jié)制閘啟閉時間計劃，滿足實(shí)際的渠系運(yùn)行調(diào)度中對控制系統(tǒng)要求；(2)提高渠系水利用效率，減少水資源浪費(fèi)；(3)提高渠系前饋控制作用的效果；(4)提高渠道輸水的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為對本發(fā)明的限定。

如圖2所示的一種明渠輸水調(diào)度閘門啟閉時間的前饋控制方法，該方法使用的系統(tǒng)包括：一段輸水明渠和控制系統(tǒng)，渠段上下游設(shè)有節(jié)制閘，下游的輸水渠段有取水口，控制系統(tǒng)包括傳感器裝置1、參數(shù)輸入裝置2、數(shù)據(jù)中央處理裝置3、監(jiān)控顯示裝置4和閘門啟閉裝置5。取水口離渠道建筑物較近，即取水口下游即為節(jié)制閘或堰，水流會因?yàn)榻ㄖ锏挠绊懚a(chǎn)生回水，渠池中的回水影響通過如ID模型的理論將渠道分為兩個子渠段，來考慮所述的節(jié)制閘的閘門啟閉機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)連接，通過IDZ模型更好的考慮到了取水口取水所引起的水位突降，所述的控制系統(tǒng)輸入包括：上下游節(jié)制閘閘后水位傳感器、節(jié)制閘開度傳感器，在考慮按需配水設(shè)計前饋規(guī)則后，控制系統(tǒng)的輸出為用水效率較高時的閘門啟閉時間，控制系統(tǒng)控制上下游節(jié)制閘的開啟，從參數(shù)輸入裝置2輸入渠道、節(jié)制閘閘門的物理參數(shù)以及控制系統(tǒng)的初始化參數(shù)至數(shù)據(jù)中央處理裝置3，在數(shù)據(jù)中央處理裝置3中處理來自傳感器裝置1的監(jiān)測數(shù)據(jù)，執(zhí)行閘門延時啟閉的控制算法的邏輯計算和數(shù)據(jù)分析計算，將監(jiān)控信息顯示在監(jiān)控顯示裝置4上，將控制指令輸出至閘門啟閉裝置5執(zhí)行節(jié)制閘的啟閉操作。

各模塊作用：

傳感器裝置1：用于獲取水位和閘門開度信息，包括節(jié)制閘的閘后水位傳感器和閘門開度傳感器。

參數(shù)輸入裝置2：用于輸入渠道、節(jié)制閘參數(shù)及控制系統(tǒng)的一些初始化數(shù)據(jù)，具體為外接鍵盤。

數(shù)據(jù)中央處理裝置3：用于提供控制系統(tǒng)的軟硬件運(yùn)行環(huán)境，建立人機(jī)接口，處理輸入信息，進(jìn)行閘門延時啟閉的數(shù)據(jù)分析和邏輯運(yùn)算，向閘門啟閉裝置5輸出控制指令，具體為可編程的計算機(jī)。

監(jiān)控顯示裝置4用于監(jiān)控、顯示傳感器裝置1及數(shù)據(jù)中央處理裝置3的運(yùn)行狀態(tài)，顯示輸入輸出信息，具體為顯示器。

閘門啟閉裝置5用于執(zhí)行數(shù)據(jù)中央處理裝置3發(fā)出的指令，操作節(jié)制閘至目標(biāo)開度，具體為電機(jī)和傳動裝置。

本發(fā)明所述的系統(tǒng)能根據(jù)閘門啟閉時間對輸水明渠的閘門進(jìn)行自動啟閉，提高了工程安全性和輸水的效率和效益。

該方法包括以下步驟：

步驟一、輸入控制系統(tǒng)參數(shù)的步驟：用于通過參數(shù)輸入裝置，設(shè)置渠道、節(jié)制閘的物理參數(shù)以及控制系統(tǒng)的初始化參數(shù)，提前制定好輸水工況，下游用戶取水方式為固定流量取水，即采用水泵取水或固定分水閘的過閘流量；

步驟二、監(jiān)測流量、水位和節(jié)制閘開度的步驟：用于通過節(jié)制閘的水位傳感器、節(jié)制閘開度傳感器，監(jiān)測節(jié)制閘的閘后水位和閘門開度；

步驟三、獲得渠道水波的滯后時間τ：

在灌溉渠道及調(diào)水工程中，渠道的響應(yīng)時間通常被定義為渠系系統(tǒng)由一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)的所需要的時間，把渠道對于階躍流量的響應(yīng)時間分成兩個部分，即滯后時間與上升時間,滯后時間就是從上游開始放水到下游渠道末端觀測到有流量上升時所經(jīng)過的時間；上升時間為下游流量增加至目標(biāo)流量的α％時所用的時間；

步驟四、確定取水口打開時間T_w：

在渠道運(yùn)行前饋控制中，下游取水時間與上游來水的漲水波在下游引起的流量響應(yīng)相關(guān)。在渠道的運(yùn)行中，上游供水會產(chǎn)生下行的漲水波，而下游取水會引起上行的降水波，將兩種過程線性疊加，以獲取最終的配水過程，為了保證渠道下游節(jié)制閘后的水流量不發(fā)生變化，即在下游節(jié)制閘前的取水口開始取水后，上游來水的漲水波和由于取水口取水導(dǎo)致的降水波剛好相等，取水口下游渠道的蓄量變化為零，從而得到最佳取水時間，即取水口打開的時間T_w，以確保渠道蓄量平衡。

取水口取水后取水口下游渠道的蓄量變化為零，即上游來水增加量與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，為保證渠道下游無棄水，在滯后時間τ至取水口打開時間T_w這段時間內(nèi)，流到取水口下游的多余流量正好與取水口打開時所減少的流量相等，取水口下游渠道的蓄量變化為零，即為渠道的無棄水運(yùn)行，可以得到下列計算公式為：

T_w＝τ+t_w，

式中：

T_w表示取水口打開時間；τ表示滯后時間；t_w表示滯后時間τ至取水口打開時間T_w的這段時間；K是時間常數(shù)，表示在渠道水波傳播過程引入的時間常數(shù)；K_d是流量系數(shù)，表示K受渠道下游流量水位邊界影響的敏感性；K_p是時間常數(shù)，表示因下游取水流量變化而引入的時間常數(shù)；a是取水口取水時引起的水位突降；

參數(shù)獲?。?/p>

①參數(shù)K、τ兩值均受下游邊界條件的影響，可以根據(jù)渠道幾何參數(shù)以及渠道中水流特性精確的計算得到；也可根據(jù)野外對于上游流量和下游流量的實(shí)測資料進(jìn)行確定，其中這兩個參數(shù)均受到渠道中回水曲線的影響；

②參數(shù)K_p、a可根據(jù)在階躍流量工況下，通過仿真及參數(shù)辨識的方法辨識該工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定；

③由于時間參數(shù)K更大程度上受到渠道下游流量水位邊界的敏感性所影響，采用流量系數(shù)K_d表示此敏感性，K_d可根據(jù)公式確定，該公式表示渠道下游初始流量隨渠道水深的變化，表征渠道下游流量水位邊界的變化規(guī)律；

式中：Y為渠道中水深；

Q₀為渠道初始流量；

此式表示為了保證蓄量平衡而變化取水口的取水時間主要取決于下游建筑物對于水位的控制方式；若渠道下游為有效的水位控制器，如下游常水位控制閘門、水力自動閘門時，其下游水位基本不發(fā)生變化，即K_d→∞,則T_w＝τ+K，即可計算得到在下游流量上升到所增加流量的63％時開始取水則可確保為無棄水運(yùn)行。

1、計算公式說明：

1.1渠道流量響應(yīng)解析式

在渠道運(yùn)行前饋控制中，下游取水時間與上游來水的漲水波在下游引起的流量響應(yīng)有關(guān)。本發(fā)明中，在明渠上游來水時，渠中任何地方的流量過程的傳遞函數(shù)近似于使用時矩匹配法的一階滯后傳遞函數(shù)；渠池中的回水影響通過ID模型理論將渠道分為兩個子渠段來考慮，并用K來表示邊界條件的影響。

則階躍流量下渠道中任何地方的流量過程解析表達(dá)式為：

q(x,t)＝1-e^{-[t-τ(x)]/K(x)}，

式中：τ(x)為渠池中x處的滯后時間；K(x)為渠道x處的時間常數(shù)。在實(shí)際使用中，可由渠道階躍工況下的響應(yīng)辨識兩個參數(shù)。

1.2線性化渠系配水過程

本發(fā)明主要考慮按需配水設(shè)計前饋規(guī)則，即渠道運(yùn)行控制需要確保上游供給的水正好被下游用戶取用，以保證渠道中蓄量保持平衡的同時，使供水過程中發(fā)生的棄水最少。

渠道運(yùn)行中，上游供水會產(chǎn)生下行的漲水波，下游取水會引起上行的降水波，兩種水波的疊加過程為非線性疊加，本發(fā)明根據(jù)提出的渠道流量響應(yīng)解析式，簡化供水、取水過程為線性疊加的過程，最后將其線性疊加，以獲取最終的配水過程，求取最佳取水時間。

1.3渠道供水取水綜合工況

本發(fā)明中考慮下游用戶取水方式為固定流量取水，即采用水泵取水或固定分水閘的過閘流量。

由于下游流量在滯后時間之后逐漸上升的，取水口不可能在上游漲水波剛達(dá)到的時候就開始取水，需要在下游流量增加一段時間后才開始取水，即：

當(dāng)t<τ時：

當(dāng)τ<t<T_w時：

當(dāng)t>T_w時：

式中：

τ為滯后時間；

為下游流量的在t時刻的變化量；

δQ_u為上游的供水量；

K為水波傳播過程中引入的時間常數(shù)；

q_w,0為開始取水時，渠道下游因取水產(chǎn)生的流量變化；

a為取水口取水時引起的水位突降；

K_p為因下游取水流量變化而引入的時間參數(shù)，其值與K的大小相當(dāng)，但是K表示的是渠池中因上游來水流量變化而引入的時間常數(shù)，兩值均受下游邊界條件的影響；

k_d為流量系數(shù)，表示K受到渠道下游流量水位邊界的敏感性影響。

在渠道運(yùn)行調(diào)度中，應(yīng)該最大限度保證下游棄水最少，即上游來水與下游取水流量相等，即q_w,0＝δQ_u，即：

為了保證下游無棄水，則此流量對時間的積分應(yīng)該為零，令t_w＝T_w-τ，對上式進(jìn)行積分，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與分水口打開時所減少的流量相等，分水口下游渠道的蓄量變化為零。

即渠道的無棄水運(yùn)行，化簡公式為：

上式得：

此式表示為了保證蓄量平衡而變化取水口的取水時間主要取決于下游建筑物對于水位的控制方式，例如，渠道中采用水位控制器時，其水位幾乎不發(fā)生變化，k_d→∞，則可得：

T_w＝τ+K，

當(dāng)渠道下游為有效的水位控制器，如下游常水位控制閘門，水力自動閘門或堰時，則上述公式可得當(dāng)t＝T_w＝τ+K時打開分水口開始取水，即

即在下游流量上升到所增加流量的63％時開始取水則可確保為無棄水運(yùn)行。