[发明专利]明渠输水调度闸门延时启闭时间的前馈控制方法

权利要求书

1.一种明渠输水调度闸门延时启闭时间的前馈控制方法，其特征在于：该方法使用的系统包括：一段输水明渠和控制系统，渠段上下游设有节制闸，下游的输水渠段有取水口，取水口离渠道建筑物较近，即取水口下游即为节制闸或堰，水流会因为建筑物的影响而产生回水，渠池中的回水影响通过如ID模型的理论将渠道分为两个子渠段，来考虑所述的节制闸的闸门启闭机构与控制系统连接，通过IDZ模型更好的考虑到了取水口取水所引起的水位突降，所述的控制系统输入包括：上下游节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器，在考虑按需配水设计前馈规则后，控制系统的输出为用水效率较高时的闸门启闭时间，控制系统控制上下游节制闸的开启，该方法包括以下步骤：

步骤一、输入控制系统参数的步骤：用于通过参数输入装置，设置渠道、节制闸的物理参数以及控制系统的初始化参数，提前制定好输水工况，下游用户取水方式为固定流量取水，即采用水泵取水或固定分水闸的过闸流量；

步骤二、监测流量、水位和节制闸开度的步骤：用于通过节制闸的水位传感器、节制闸开度传感器，监测节制闸的闸后水位和闸门开度；

步骤三、获得渠道水波的滞后时间τ：

在灌溉渠道及调水工程中，渠道的响应时间通常被定义为渠系系统由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态的所需要的时间，把渠道对于阶跃流量的响应时间分成两个部分，即滞后时间与上升时间,滞后时间就是从上游开始放水到下游渠道末端观测到有流量上升时所经过的时间；上升时间为下游流量增加至目标流量的α％时所用的时间；

步骤四、确定取水口打开时间T_w：

在渠道运行前馈控制中，下游取水时间与上游来水的涨水波在下游引起的流量响应相关；在渠道的运行中，上游供水会产生下行的涨水波，而下游取水会引起上行的降水波，将两种过程线性叠加，以获取最终的配水过程，为了保证渠道下游节制闸后的水流量不发生变化，即在下游节制闸前的取水口开始取水后，上游来水的涨水波和由于取水口取水导致的降水波刚好相等，取水口下游渠道的蓄量变化为零，从而得到最佳取水时间，即取水口打开的时间T_w，以确保渠道蓄量平衡。

2.根据权利要求1所述一种明渠输水调度闸门延时启闭时间的前馈控制方法，其特征在于：所述步骤四中，取水口取水后取水口下游渠道的蓄量变化为零，即上游来水增加量与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，为保证渠道下游无弃水，在滞后时间τ至取水口打开时间T_w这段时间内，流到取水口下游的多余流量正好与取水口打开时所减少的流量相等，取水口下游渠道的蓄量变化为零，即为渠道的无弃水运行，可以得到下列计算公式为：

T_w＝τ+t_w，

$t_w=K-\frac{K_P}{1+K_{d}a},$

式中：

T_w表示取水口打开时间；τ表示滞后时间；t_w表示滞后时间τ至取水口打开时间T_w的这段时间；K是时间常数，表示在渠道水波传播过程引入的时间常数；K_d是流量系数，表示K受渠道下游流量水位边界影响的敏感性；K_p是时间常数，表示因下游取水流量变化而引入的时间常数；a是取水口取水时引起的水位突降；

参数获取：

①参数K、τ两值均受下游边界条件的影响，可以根据渠道几何参数以及渠道中水流特性精确的计算得到；也可根据野外对于上游流量和下游流量的实测资料进行确定，其中这两个参数均受到渠道中回水曲线的影响；

②参数K_p、a可根据在阶跃流量工况下，通过仿真及参数辨识的方法辨识该工况下的实验数据来确定；

③由于时间参数K更大程度上受到渠道下游流量水位边界的敏感性所影响，采用流量系数K_d表示此敏感性，K_d可根据公式确定，该公式表示渠道下游初始流量随渠道水深的变化，表征渠道下游流量水位边界的变化规律；

式中：Y为渠道中水深；

Q₀为渠道初始流量；

此式表示为了保证蓄量平衡而变化取水口的取水时间主要取决于下游建筑物对于水位的控制方式；若渠道下游为有效的水位控制器，如下游常水位控制闸门、水力自动闸门时，其下游水位基本不发生变化，即K_d→∞,则T_w＝τ+K，即可计算得到在下游流量上升到所增加流量的63％时开始取水则可确保为无弃水运行。

3.根据权利要求2所述一种明渠输水调度闸门延时启闭时间的前馈控制方法，其特征在于：渠池中的回水影响通过ID模型理论将渠道分为两个子渠段来考虑，并用K来表示边界条件的影响，则阶跃流量下渠道中任何地方的流量过程解析表达式为：

q(x,t)＝1-e^{-[t-τ(x)]/K(x)}，

式中：τ(x)为渠池中x处的滞后时间；K(x)为渠道x处的时间常数，在实际使用中，可由渠道阶跃工况下的响应辨识两个参数；

由于下游流量在滞后时间之后逐渐上升的，取水口不可能在上游涨水波刚达到的时候就开始取水，需要在下游流量增加一段时间后才开始取水，即：

当t<τ时：

$q_d^{\left(t\right)}=q_{d,0}=0,$

当τ<t<T_w时：

$q_d^{\left(t\right)}=(1-e^{-\frac{t-\mathrm{\&tau;}}{K}}){\mathrm{\&delta;Q}}_u,$

当t>T_w时：

$q_d^{\left(t\right)}=(1-e^{-\frac{t-\mathrm{\&tau;}}{K}}){\mathrm{\&delta;Q}}_u-q_{w,0}(1-\frac{e^{-(t-T_w)/K_P}}{1+k_{d}a}),$

式中：

τ为滞后时间；

为下游流量的在t时刻的变化量；

δQ_u为上游的供水量；

K为水波传播过程中引入的时间常数；

q_w,0为开始取水时，渠道下游因取水产生的流量变化；

a为取水口取水时引起的水位突降；

K_p为因下游取水流量变化而引入的时间参数，其值与K的大小相当，但是K表示的是渠池中因上游来水流量变化而引入的时间常数，两值均受下游边界条件的影响；

k_d为流量系数，表示K受到渠道下游流量水位边界的敏感性影响；

在渠道运行调度中，应该最大限度保证下游弃水最少，即上游来水与下游取水流量相等，即q_w,0＝δQ_u，即：

$q_d^{\left(t\right)}=q_{w,0}(\frac{e^{-\frac{t-T_w}{K_p}}}{1+k_{d}a}-e^{-\frac{t-\mathrm{\&tau;}}{K}}),$

为了保证下游无弃水，则此流量对时间的积分应该为零，令t_w＝T_w-τ，对上式进行积分，即：

$I=q_{w,0}\{\&lsqb;t+{\mathrm{Ke}}^{-\frac{t}{K}}\&rsqb;{|}_0^{t_w}+\&lsqb;{\mathrm{Ke}}^{-\frac{t}{K}}-K_p\frac{e^{-\frac{t-T_w}{K_p}}}{1+k_{d}a}\&rsqb;{|}_{t_w}^{+\mathrm{\&infin;}}\},$

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与分水口打开时所减少的流量相等，分水口下游渠道的蓄量变化为零，

即渠道的无弃水运行，化简公式为：

$(t_w+{\mathrm{Ke}}^{-\frac{t_w}{K}}-K)+(0-{\mathrm{Ke}}^{-\frac{t_w}{K}}+\frac{K_p}{1+k_{d}a})=0,$

上式得：

$t_w=K-\frac{K_P}{1+k_{d}a},$

此式表示为了保证蓄量平衡而变化取水口的取水时间主要取决于下游建筑物对于水位的控制方式，例如，渠道中采用水位控制器时，其水位几乎不发生变化，k_d→∞，则可得：

T_w＝τ+K，

当渠道下游为有效的水位控制器，如下游常水位控制闸门，水力自动闸门或堰时，则上述公式可得当t＝T_w＝τ+K时打开分水口开始取水，即

即在下游流量上升到所增加流量的63％时开始取水则可确保为无弃水运行。