[发明专利]一种多渠段水位自动控制方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种多渠段水位自动控制方法及装置，是一种自动控制的方法和装置，是一种用于水工设施的自动控制方法和装置，是一种适用于长距离大型明渠输水工程的水流自动控制方法和装置。

背景技术

随着经济社会的发展，水资源供需矛盾日益突出，许多地区修建了长距离大型明渠输水工程。这些渠道通常由多级节制闸分隔成相串连的多个渠段，各渠段利用闸门的启闭调节水位和流量。为利于渠道沿线分水口流量的稳定，分水口通常建在节制闸的稍上游，维持闸前水位的相对稳定是渠道运行的主要目标之一。此外，还需要对渠道上下游的水量进行合理调控，保障输水过程的安全高效。

与传统中小型输水渠道相比，长距离大型输水渠道的控制过程需应对多方面的问题。一是大时间滞后问题。以南水北调中线干渠为例，渠道长1200余公里，流速仅为1米每秒左右，从渠首流至渠末约需两周，供需滞后十分严重。二是水量的合理有序调控问题。由于供水渠道的输水能力逐渠段递减，上下游可能相差数倍，因而需要避免上游调控对下游造成显著影响。第三是水位的快速调控问题。闸门、分水口的启闭，风吹等外界扰动因素都会引发渠内水位波动，影响分水口流量的稳定，需快速调控水位至设定值，保障渠岸安全。第四是多渠段间耦合作用的应对问题。多个闸门参与操作时，它们的控制作用会相互叠加，彼此影响，使总的水力响应特性变得十分复杂，易引发水面波动甚至持续振荡，所需闸门操作大大增加。

目前多数中小型渠道的运行控制采用传统的人工控制或机械辅助控制，部分大中型渠道使用了先进的PLC+上位机控制系统。这些系统中闸门的开度、开关顺序等通常由人工预置，主要依赖管理人员的个人经验，因而整体的自动化水平仍较低。也有部分渠道采用了闸门自动控制方法，但这些闸门的控制规则多面向单个渠段或中小型渠道开发，较少或未能考虑时间滞后、耦合等问题，当用于长距离大型渠道时，往往表现出性能下降甚至控制失稳等问题。

已有闸门自动控制方法分为上游控制方法和下游控制方法两类。前者是传统的控制方法，通过人工或传感器监测闸前水位变化，调整闸门开度。由于水位监测点靠近闸前，时间滞后很小，因而控制规则简单，作用快。但是上游控制方法的水量调控会显著影响到下游，若上游分水口超量分水，则下游将出现水量不足，反之若上游分水量不足，则下游水量过剩，需要弃水。下游控制方法是后发展的一类渠道控制方法，它以实现按需供水为目标。其控制所需的信息来自下游的传感器，控制作用向上游方向传递。不过受水流滞后影响，其水位调控速度较慢。显然，上游控制方法在水位调控方面有优势，但其水量调控的特点决定了长距离大型输水明渠不能完全由其控制；下游控制方法在水量调控方面有优势，适用于长距离输水明渠，但其水位调控较慢的缺陷有待改进。

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：如何克服长距离大型输水渠道的时间滞后和耦合作用影响，提高下游控制方法中水位调控的速度，以快速有效消除分水口分水、风吹等外界扰动的影响，实现闸前常水位自动化输水目标。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种多渠段水位自动控制方法及装置。所述的方法和装置克服渠道的时间滞后和耦合作用影响，加快水位调控的速度，快速有效消除各类外界扰动的影响，实现闸前常水位自动化输水目标。解决现有技术因水位调控速度慢，水量调控干扰下游渠道运行所导致的闸门操作频繁，水力过渡时间长，运行管理成本高等问题。

本发明的目的是这样实现的：一种多渠段水位自动控制装置，包括：一条长距离自流型输水明渠，所述的明渠设置有多个将明渠分隔的闸门，所述的各个闸门上游附近设有分水口，所述的各个闸门的闸门启闭机构与各个闸门的控制单元连接，所述的各个闸门的控制单元通过明渠数据传输网络连接，所述的控制单元包括：测量该控制单元所控制的闸门的上游水位的闸前水位传感器、测量该控制单元所控制的闸门的下游水位的闸后水位传感器、测量该闸门开度的闸门开度传感器，所述的闸前水位传感器、闸后水位传感器、闸门开度传感器与低通滤波器连接，所述的低通滤波器与A/D转换器连接，所述的A/D转换器与数据采集器连接，所述的数据采集器与工控计算机连接，所述的工控计算机与PLC连接，所述的PLC与闸门启闭机构连接，工控计算机与明渠数据传输网络连接。 

一种使用上述装置的多渠段水位控制方法，所述方法的步骤包括：

监测下游闸门参数的步骤：用于按照时间步长通过下游闸门的闸前水位传感器、闸后水位传感器和闸门开度传感器监测下游闸门的闸前水位、闸后水位和闸门开度；