一種基於蓄量動態調節的大型明渠水位自動控制方法
2023-06-02 11:00:46 1
一種基於蓄量動態調節的大型明渠水位自動控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於蓄量動態調節的大型明渠水位自動控制方法，包括：確定前饋流量調整值；確定是否需要對前饋控制流量進行反饋修正；計算前饋控制流量的反饋修正值；計算流量調整值；計算流量調整目標值；計算閘門實際開度；調整閘門開度。本發明所述方法採用前饋流量控制方式，充分考慮分水口流量和水位死區的影響，對整個渠段的水面線進行控制，因而能夠坦化、過濾掉局部點的水位波動，降低對閘門運動死區的敏感度，從而減少閘門的頻繁操作。便於實現穩定輸水所需的蓄量補償條件，從而有效減少水位過衝現象，更快地達到穩定。控制原理簡單明了易實現掌握，能夠有效應對各類擾動因素影響，降低明渠運行管理成本，保障輸水安全，提高輸水效率。
【專利說明】一種基於蓄量動態調節的大型明渠水位自動控制方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於蓄量動態調節的大型明渠水位自動控制方法，一種用於水工設施的自動控制方法，是一種適用於長距離大型明渠輸水工程的水流自動控制方法。
【背景技術】
[0002]明渠是農業灌溉和調水工程的主要輸水方式。長距離輸水明渠通常由多級節制閘分隔成相串連的多個渠段，各渠段利用節制閘調節水位和輸水流量，以適時適量地向沿線分水口供水，滿足農業灌溉或城市用水需求。閘前常水位是渠道普遍採用的運行方式，為利於取水流量的穩定，分水口通常布置在節制閘前，渠道運行控制的基本目標是維持閘前水位的相對穩定，與此同時，要求節制閘的操作次數應儘量少，以降低運行成本，提高輸水效率和效益。
[0003]多種因素影響節制閘的控制效果，幹擾渠道的穩定輸水。
[0004]I)節制閘率定偏差問題。節制閘的「開度~流量」曲線呈非線性關係，導致存在較大的率定偏差，通常為±5%左右，在淹沒流態下更大。
[0005]2)閘門操作偏差問題。受機械加工、傳動性能限制，閘門運動存在最小行程(也稱作「閘門運動死區」，通常為土 Icm左右)，螺杆式、卷揚式平板閘的操作偏差遠大於液壓弧形閘門。
[0006]3)閘門啟閉限制條件。為減少閘門操作次數，普遍設定啟閉限制條件，即當水位偏差小於某一範圍(也稱作「水位死區」，常設為±20cm左右)時不讓閘門做出響應。
[0007]4)運行環境改變問題。渠道控制參數是在特定環境下率定的，而隨著時間推移，渠道結構變形、設備老化、泥沙淤積，原控制參數的效能將會降低甚至失效。
[0008]目前存在多種閘前常水位控制方法，這些傳統方法具有一定的缺陷。這些方法多為人工控制或機械輔助控制方法，存在費時費力，效率低、效果差等缺點。有些方法採用PLC+上位機的控制方式，但節制閘的開度、閘門群操作順序等均由人工預置，依賴管理人員的個人經驗，因而還不屬於真正的自動控制。部分渠道工程採用了單閘門或閘門群的自動控制方法，如P1、PID控制算法，但控制過程存在顯著的水位過衝現象，流量變幅大，水位穩定慢。
【發明內容】
[0009]為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種基於蓄量動態調節的大型明渠水位自動控制方法。所述的方法是一種調節渠段蓄量，維持閘前水位恆定的自動控制方法。該方法立足的水力學原理是:明渠穩定流狀態時，流量、渠段蓄量、水面線三者存在唯一對應關係，因而可通過蓄量控制實現水位控制。
[0010]本發明的目的是這樣實現的:一種基於蓄量動態調節的大型明渠水位自動控制方法，所述的方法使用的系統包括:一條被多個閘門分隔為串聯的多個渠段的長距離自流型輸水明渠，所述的各個分隔閘門上遊附近設有分水口，所述的各個閘門的閘門啟閉機構與各個閘門的控制單元連接，所述的各個閘門的控制單元通過明渠數據傳輸網絡連接，所述的各個控制單元與各自的閘前水位傳感器、閘後水位傳感器、閘門開度傳感器，分水口流量傳感器連接，所述方法的步驟如下:
確定前饋控制流量調整值的步驟:用於根據渠段i的分水口供水計劃、閘門Gi+1的閘前目標水位IT1、渠段i的水位蓄量關係Ki= /(77；.)，計算出閘門Gi的前饋控制流量調整?ΜΑ QGi ff ；
確定是否需要對前饋控制流量進行反饋修正的步驟:用於由水位傳感器實時監測的閘前水位ruJ相對於目標值YTi的偏離值是否大於水位死區DB」如果「是」則進入下一步驟，如果「否」則認定Zl QGi=A Ο?",，並進入「計算閘門實際開度的步驟」；
計算前饋控制流量的反饋修正值的步驟:用於通過公式計算前饋控制流量的反饋修正值Zl QGi fb ;計算公式如下:
QGi fb - zl Vj fb/ zl τ i fb ；
Λ τ i f「寬i渠段蓄量補償過程時間，Zl K』一第i渠段蓄量補償過程的蓄量變化
量;
計算流量調整值的步驟:用於根據對前饋控制流量Zl 進行實時反饋修正，計算出閘門Gi的流量調整值Zl Ο?,.，計算公式如下:
QGi=八 QGi ff + Zl QGi fb ；
計算流量調整目標值的步驟:計算閘門Gi的流量調整目標值；
首先根據實時監測的數據:閘前水位Ki7、閘後水位Yd』7和閘門開度GAm計算閘門Gi的當前過閘流量；
然後將QG0i和Zl QGi相加，得出閘門Gi應調整至的過閘流量，即:
QGi=QG0^A QGi ；
計算閘門實際開度的步驟:用於根據閘前水位Yiu —7、閘後水位Aiw和閘門流量目標值QGi計算出閘門Gi的實際開度叫；
調整閘門開度的步驟:用於根據計算得出的閘門實際開度由閘門Gi的啟閉機執行開度調整動作，並回到「確定前饋流量調整值的步驟」。
[0011]進一步的，所述的「計算流量調整值的步驟」中計算當前過閘流量必W為閘孔自由出流:
【權利要求】
1.一種基於蓄量動態調節的大型明渠水位自動控制方法，所述的方法使用的系統包括:一條被多個分隔閘門分隔為串聯的多個渠段的長距離自流型輸水明渠，所述的各個分隔閘門上遊附近設有分水口，所述的各個閘門的閘門啟閉機構與各個閘門的控制單元連接，所述的各個閘門的控制單元通過明渠數據傳輸網絡連接，所述的各個控制單元與各自的閘前水位傳感器、閘後水位傳感器、閘門開度傳感器，分水口流量傳感器連接，其特徵在於，所述方法的步驟如下: 確定前饋控制流量調整值的步驟:用於根據渠段i的分水口供水計劃、閘門Gi+1的閘前目標水位IT1、渠段i的水位蓄量關係Ki= /(77；.)，計算出閘門Gi的前饋控制流量調整?ΜΑ QGi ff ； 確定是否需要對前饋控制流量進行反饋修正的步驟:用於由水位傳感器實時監測的閘前水位ruJ相對於目標值YTi的偏離值是否大於水位死區DB」如果「是」則進入下一步驟，如果「否」則認定Zl QGi=A Ο?",，並進入「計算閘門實際開度的步驟」； 計算前饋控制流量的反饋修正值的步驟:用於通過公式計算前饋控制流量的反饋修正值Zl QGi fb ;計算公式如下:
QGi fb - zl Vj fb/ zl τ i fb ； Λ τ i f「寬i渠段蓄量補償過程時間，Zl K』一第i渠段蓄量補償過程的蓄量變化量; 計算流量調整值的步驟:用於根據對前饋控制流量Zl 進行實時反饋修正，計算出閘門Gi的流量調整值Zl Ο?,.，計算公式如下:
QGi=八 QGi ff+ Zl QGi fb ； 計算流量調整目標值的步驟:計算閘門Gi的流量調整目標值； 首先根據實時監測的數據:閘前水位Ki7、閘後水位Yd』7和閘門開度GAm計算閘門Gi的當前過閘流量； 然後將QG0i和Zl QGi相加，得出閘門Gi應調整至的過閘流量，即:
QGi=QG0^A QGi ； 計算閘門實際開度的步驟:用於根據閘前水位Yiu —7、閘後水位Aiw和閘門流量目標值QGi計算出閘門Gi的實際開度叫； 調整閘門開度的步驟:用於根據計算得出的閘門實際開度由閘門Gi的啟閉機執行開度調整動作，並回到「確定前饋流量調整值的步驟」。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的「計算流量調整值的步驟」中計算當前過閘流量QG0i為閘孔自由出流:
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述的計算出閘門G的實際開度似,.: GAj=f ―1QG,,Cd, GA0i^。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的「計算流量調整值的步驟」中計算當前過閘流量為閘孔淹沒出流:
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述的計算出閘門G的實際開度似,.: GArf 1h，QGi, Cd, GAoj)。
【文檔編號】G05B13/04GK103744443SQ201410025614
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月21日 優先權日:2014年1月21日
【發明者】崔巍, 陳文學, 劉之平, 吳一紅, 白音包力皋, 穆祥鵬, 黃會勇, 管光華, 姚雄, 羅秋實 申請人:中國水利水電科學研究院