大型输水明渠运行控制模式研究

以南水北调中线干渠为背景,研究了大型输水明渠闸前常水位运行控制模式.基于下游运行控制概念,提出了包括前馈控制、反馈控制和解耦三个环节的分布式集中控制方案.其中前馈控制采用主动蓄量补偿方法,用于消除计划分水等可预测扰动的影响,加快渠道的响应与恢复速度.反馈控制采用水位-流量串级PI反馈控制方法,用于消除非计划分水等未知扰动和测量扰动的影响.采用流量控制器降低下游方向渠池间的耦合影响.设计专门的解耦算法,降低上游方向的耦合影响.在南水北调中线京石段渠道上进行了仿真试验.模拟了计划分水和非计划分水工况下,各闸门的操作过程和相应水位流量响应过程.结果表明,所设计的控制方案能够有效减少大型输水明渠的时间滞后,快速消除已知分水扰动和未知分水扰动的影响,使闸前水位快速回复至目标值,控制过程中的水位波动满足安全限幅.     

灌区输配水分段积分时滞模型及自适应预测控制方法

大型灌区渠道长、流量大、取水口多且分散,积分时滞模型(ID)适用性不强、参数不易率定;以水联网灌区的实时观测体系为基础,研究各取水口流量变化传播的时滞差异、非回水区蓄水量变化对回水区水位的影响,提出分段积分时滞模型(SID),建立在线自适应预测控制(APC)算法,在宁夏西干渠百万亩灌区调试验证。结果显示,基于ID的线性二次型控制(LQ)和模型预测控制(MPC)在水位目标不变时,可稳定水位,但超调量大,在水位目标显著增加时,控制失效;基于SID的模型预测控制(MPC)和自适应预测控制(APC)可将超调量控制在较小范围以内,且APC误差更小、控制效果更优。     

长距离明渠调水工程蓄量动态调节控制算法研究

本文阐明了明渠渠池蓄量与节制闸闸前水位之间的单值对应关系,在此基础上提出一套通过动态调节渠池蓄量,实现闸前常水位运行的控制算法。该算法基于流量平衡和蓄量平衡关系推导,前馈控制与反馈控制相结合。前馈控制根据分水口计划主动调节各渠池蓄量,起粗调作用;反馈控制针对前馈控制过程出现的水位偏差,通过动态调节各渠池蓄量实时校正,起细调作用。该算法具有原理简单,参数率定简便,控制规则灵活,实用性强等特点。算法在南水北调东线工程胶东段渠道进行了仿真测试,模拟环境包含水位死区和闸门运动死区。结果表明,所提算法能够有效克服长距离明渠水力滞后的影响,及时有效消除各渠池闸前水位偏差,将水位波动限定在安全范围内。     

多级串联明渠调水工程多目标水位预测控制模型研究

针对传统的明渠水位预测控制模型无法考虑闸门调控次数限制的问题,本文在以往的预测控制目标中加入了流量调整惩罚量,构造了多目标渠池水位预测控制模型;并采用带有精英排序策略的遗传算法来进行复杂优化问题的求解。将此模型应用于南水北调中线干线工程最后6级渠池的虚拟仿真模型中对模型可靠性进行分析,结果表明在两种测试工况中,本文的多目标预测控制模型相比于传统预测控制模型,能在保持相似的水位控制效果同时使得闸控次数降低43%和52%;而且采用遗传算法求解能考虑闸门死区带来的流量最小变幅约束问题,在需要提前进行流量微调的情况下生成更加合理的调控方案。本文结果也表明,基于水位状态预测模型构造多目标预测控制模型,并采用启发式算法进行优化问题求解,这一思路具有一定可行性。     

大型串联渠系冰塞-水力响应特性分析

为了定性定量描述南水北调中线工程冰塞特征与水力响应特性之间的耦合关系,采用数值模拟方法,建立了串联渠系冰塞事件-水力响应-闸门操作耦合响应模型,通过多工况对比揭示冰塞体范围、厚度和输水流量及闸门群应对方式等造成的渠系水力响应规律。研究结果表明：闸门群耦合响应下,发生冰塞事件的渠池仅影响其上游渠池的水力过程,对于发生冰塞事件的渠池,其冰塞体上游段水位壅高,下游段水位降低,而该渠池上游所有渠池水位整体降低;闸门群无响应时,冰塞可造成渠系放空风险,而PI控制器作用下的闸门群调度可明显改善渠系应对冰塞事件的水力响应,水位波动幅度随冰塞体和输水流量的增大而不断增大,在模拟工况下,闸前最大水位偏差达0.5 m,输水目标恢复时间约20 h,在冰塞体足够大时,渠系面临漫堤风险。做好渠池风险评估和优化冰塞事件应对控制器是下一步研究的重点。     

明渠调水工程事故段上游闸门群应急调控研究

为了保障明渠调水工程突发事故下的安全、高效运行,以流量中断事故为例,开展了事故段上游闸门群的应急调控策略及方法研究。应急调控策略包括:及早消减过剩的流量和蓄量、维持分水口的正常分水、充分利用渠道自身调蓄能力、避免渠池蓄量的反复调整等。具体提出了混合式闸前常水位+等体积运行方式,给出了切换范围的计算方法,基于流量平衡和调蓄时间估算方程,设计了两步式闸门群应急控制方法,并在南水北调中线总干渠上游30个渠池591 km渠道使用一维明渠非恒定流仿真模型进行了测试。结果表明,运用所提出的应急调控策略和两步式闸门群应急调控技术,无论渠道采用传统的单一式闸前常水位运行方式,还是采用新提出的混合式"闸前常水位+等体积"运行方式,均能取得安全高效的应急调控效果。相较而言,采用新型混合式运行方式可有效降低应急调控过程中的蓄量变化,加快过渡过程,案例中在闸门操作次数相当的条件下,过渡时间缩短约50%。     

基于圣维南模型下南水北调中线冰期过流弗汝德数的研究

冰盖前缘水流弗汝德数的大小对上游来冰是否会在冰盖前缘下潜以及冰盖向上游的推进模式有重要影响。基于圣维南模型,研究不同水流弗汝德数下、不同闸前控制水位下的南水北调中线工程汤河节制闸以下各渠池的结冰期输水能力。研究结果表明,同一临界水流弗汝德数控制条件下,各渠池的冰期输水能力并不相同,各渠池临界流速也不相同,变化范围较大。因此,以临界弗汝德数作为渠池冰期输水能力的控制指标更为科学,操作性和可行性更强。     

含多分水口的渠道广义积分时滞(ID)控制建模及验证

积分时滞（ID）模型是应用最广泛的输水明渠控制模型之一,建模时常假定分水口均位于渠池的下游尾端。然而对于我国灌区渠系而言,分水口位置可能位于渠池沿线任意位置,此时直接应用ID模型将会导致控制效果较差甚至出现系统失稳的可能。针对这种情况,本文首先分析了分水口位置对ID模型预测精度的影响,在考虑分水扰动的滞后时间后提出了广义ID模型,并分别以传统ID模型和广义ID模型为基础进行模型预测控制（MPC）算法开发及仿真验证。仿真结果显示,对于分水口位于上游段的渠池,本文所提出的广义ID模型预测精度更高,且控制效果的改善程度可达65%。同时在控制器调试过程中,控制器参数的可选域增大约1.4倍,表明更容易获取合适的控制器,试错成本显著降低。     

南水北调中线工程突发水污染下游供水方式研究

南水北调中线工程以明渠调水的形式进行输水，具有投资小、费用低、流量大的优势，但敞开的输水线路也带来了水源保护难度大、容易引发突发水污染事故的风险。系统总结国内外研究成果，以南水北调中线工程为研究区，以兰河节制闸—颍河节制闸段发生水污染事件为例，重点开展突发水污染事故期事故段下游供水时间的研究，基于明渠调水的常规供水方式，采用常规和优化两种供水方式对事故段下游供水时间进行模拟，提出了延长事故段下游供水时间的优化分区供水方式。结果表明，采用优化分区供水方式在面对渠池下游大流量分水情况下可以维持下游渠池长时间的供水稳定，有效地延长下游不利渠池的供水时间，保障区域供水安全。     

结合昌马水库渗压计观测数据探讨一元线性回归法在坝体渗压分析中的应用

本文采用一元线性回归对昌马水库2002—2012年渗压计观测结果进行了统计分析,建立了水库水位与孔隙水压力之间的线性关系,并采用相关系数对数据进行稳定性检验,同时对存在线性关系的线性模型给予一定的置信度。应用所建模型的预测功能,可对观测值进行预测,得到不同水位时渗压计监测结果的预测区间,为以后的日常观测提供一定的参考范围。     

渠道运行管理自动化的多渠段模型预测控制

采用模型预测控制算法研究多渠段中央集中控制。以渠道过渡过程的状态空问离散方程为基础，运用模型预测控制算法，构造目标方程，采用二次规划法求最优解。建立三渠池串联实验渠道及预测控制模型。分析其运行特性和时域特性，采用Marlab编程对5种初始条件下渠道运行状况进行仿真。结果表明：水流在各种复杂工况下均能快速、平顺地达到稳定，较好地解决了渠道运行中存在的耦合、大滞后问题，系统动态性能和鲁棒性优良。     

THE FLOW CONTROL IN CANAL TRANSPORTATION SYSTEM

The canal flow control by the linear quadratic theory of automatic control theory is discussed in this paper. In the process of flow control,an optimal state estimator is used to feedback control gate motion. One dimension Saint-Venant flow equations are expanded by first Taylor series at demanded states. The control results of flow in the example canal show remarkable improvement compared to the case without optimal observer. By this control method, the waste of water will significantly be decreased and the efficiency of water transportation can be greatly increased. If the changes of flow discharges are less than 20%, the method is effective for flow control in canal.     

南水北调中线总干渠冬季输水过渡期运行控制方式探讨

以南水北调中线总干渠为对象，研究了冬季输水过渡期，局部渠段的闸前变水位运行方式及整个干渠的闸门控制算法。将闸前变水位运行方式的实现过程分解为闸前常水位运行和变水位蓄量补偿两个同步进行的过程，分别完成流量变化目标和蓄量变化目标。设计了整个干渠结构统一的闸门控制算法，不仅能够实现闸前变水位与闸前常水位运行方式间的切换，还能实现二者的联合运行。闸门控制算法由前馈控制、反馈控制和解耦三个部分组成。在总干渠全线上数值模拟了冬季输水前，安阳河闸以北抬升控制水位而以南维持不变的过程。结果表明，在2d时间内，安阳河闸以北的控制水位可由设计水位抬升至加大水位，整个渠道的水力过渡过程平稳，水位波动符合安全限幅要求。     

南水北调中线总干渠冬季输水过渡期运行控制方式探讨

以南水北调中线总干渠为对象,研究了冬季输水过渡期局部渠段的闸前变水位运行方式及整个干渠的闸门控制算法。将闸前变水位运行方式的实现过程分解为闸前常水位运行和变水位蓄量补偿两个同步进行的过程,分别完成流量变化目标和蓄量变化目标。设计了整个干渠结构统一的闸门控制算法,不仅能够实现闸前变水位与闸前常水位运行方式间的切换,还能实现二者的联合运行。闸门控制算法由前馈控制、反馈控制和解耦三个部分组成。在总干渠全线上数值模拟了冬季输水前安阳河闸以北抬升控制水位而以南维持不变的过程。结果表明,在2d时间内,安阳河闸以北的控制水位可由设计水位抬升至加大水位,整个渠道的水力过渡过程平稳,水位波动符合安全限幅要求。     

南水北调京石段应急供水水力控制模型研究

为确保首都供水安全和奥运会的成功举办,南水北调京石段应急供水工程计划2007年底将河北省4座大型水库原供农业、环境的用水引入北京,因此研究确定相应的水力控制模型和算法具有非常迫切和重要的现实意义.基于从京石段的特点和渠道安全运行的角度出发,重点讨论了京石应急供水河北段明渠输水的水力计算模型.通过模型的计算来指导京石段应急供水运行和决策.