淺析模糊控制技術在灌區群閘自動控制中的應用

萬朝成

(新疆水利廳瑪納斯河流域管理處 石河子 832000)

1 概述

新疆瑪納斯河流域(以下簡稱瑪河)位于天山北麓中段的準噶爾盆地南緣，流域總面積26500km2。全長324km，多年平均徑流量13.1億m3，由南向北最后流歸瑪納斯湖，屬于冰川融雪及降雨混合補給型的山溪性河流。瑪河灌區是新中國成立后開墾起來的大型灌區，經過50多年的水利建設，規劃設計灌溉面積25.33萬hm2，實灌面積達21.33萬hm2。瑪河灌區水利工程主要包括紅山嘴渠首泄洪閘、瑪納斯河引水總干渠、東岸大渠等大型骨干工程，其中第二總分水閘分水樞紐位于東岸大渠末端18km處，有大小閘門13孔，擔負著農八師石河子市、瑪納斯縣各鄉鎮、農六師新湖總場的農業灌溉用水任務，年供水量約8億m3。

2 建設閘控系統背景

第二總分水閘分水樞紐主要由兩處分水建筑物構成，相距400m，分別為十八公里分水閘和西調渠分水閘，共13孔閘門(其中十八公里分水閘7孔，西調渠分水閘6孔)。在科學技術和生產力迅速發展的今天，大量的先進技術和設備被廣泛地運用到水利工程中，為實現閘門自動控制提供了技術保證。該處分水樞紐首先遇到的問題是渠道水情采集反饋、水工閘門快速啟動等，沒有這些手段就談不上搶險、分水、泄洪。第二，灌區水量調度情況以及下達調度命令都較慢，操作人員到兩處閘室來回調閘，不利于及時、準確啟閉閘門。第三、由于瑪河上游植被破壞造成渠道水面漂浮物多，給閘門機電設備啟閉造成困難，降低安全性;且控制方式落后、反應速度慢，造成閘前、閘后水位陡漲陡落，易引發工程安全事故;調整一次閘位需要操作人員到斷面觀看水位是否符合要求，從而造成勞動強度大、疲勞上崗，易發生錯誤并且不能按時、按量完成調度下達的分水指標。

由此可見，采用閘控系統實現兩處群閘聯動閉環自動控制，可及時有效地掌握水情信息的變化，為水量的合理調配提供快速、有效的手段，提高防洪、抗旱的快速反應能力，確保水利工程安全運行，充分發揮水利工程的興利除害作用，為灌區農業增產豐收提供可靠保障。

3 模糊控制技術在群閘自動控制中的運用

3.1 控制方式選擇

閘門自動控制方式需要在受控對象經動作后，反饋給操作者較為精確的信息數學控制模型，如在水庫閘門自動控制中由庫水位、閘門開啟高度等為變量因子建立數學公式推算閘孔流量。而對灌區閘門自動控制，由于對一渠段來說無典型意義上的水庫，根據水位、閘門開啟高度推算閘孔流量將會產生較大誤差，從而使流量調節出現一個非線性、大滯后、時變的特點，不能滿足配水精度和系統穩定運行的要求。因此，采用傳統的數學控制模型對它難以奏效。因此，引入以人的實際控制經驗為依據的模糊控制技術取代傳統的數學控制模型對于提高配水控制精度具有重要意義。

3.2 模糊控制在第二總分水閘群閘設計思路

3.2.1 模糊控制的基本思路

模糊控制技術，就是在控制方法上應用模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯的知識來模擬人的模糊思維方法。在灌區群閘自動控制中，由于無法用水位、閘門開啟高度建立精確數學模型實現對分配水量的精確控制，軟件編程師就希望由熟練的操作人員將靈活有效及各種復雜的閘門操作控制經驗總結成為一些規則，將這些基于經驗的規則上升為數值運算，用計算機語言來完成閘門控制，從而設計出控制模型，實現以機器代替人對閘門進行自動控制的目的。

3.2.2 第二總分水閘群閘控制設計原理

第二總分水閘閘控系統主要是對西調分水閘(4孔節制閘控制東岸干渠、2孔進水閘控制西調渠的水量分配)和十八公里閘(西調4孔節制閘控制東岸干渠的水量到達十八公里閘后由7孔閘控制4個渠道的水量分配)的閘門啟閉，實現兩處分水閘的聯動閉環控制，達到分配水量的精度。

根據現場操作人員的經驗，選擇它的閘前段作為形式上的供水水庫，供水水庫水量通過上游渠道來水補充，通過設置某渠道為調節渠，實現閘前水位的變化，從而控制供水水庫水量大小滿足灌區用戶的需水要求。同時，在閘后渠道某位置設置水量計量設施，實現灌區用戶對需水水量分配精度的要求。其具體的控制過程為:根據調度中心指令，灌區用戶水量有需求時，通過斷面水量計量設施反饋回來的水量，對比調度指令判斷用戶需水水量的增大或減小，通過調節渠，控制閘前水位的變化，實現供水水庫水量滿足用戶需水水量的變化，預設閘門每上升或下降一定高度，渠道水量就變化一定值，從而使該渠道的水量發生變化，當現場計量設施檢測出水量反饋到控制計算機時，計算機就會根據調度指令和反饋檢測水量的誤差作為用戶需水信號輸入，再次以閘門開度增量為輸出。逐步調節閘門的啟閉開度使渠道水量逐漸接近調度指令，并保持在調度指令的一定范圍，實現穩定控制。可見，閘門控制系統可工作在閉環狀態。系統控制原理見下圖。

控制系統原理圖

模糊控制算法的輸入量為流量誤差，即

式中 y(t)—渠道實際流量;

yq(t)—期望的流量。

假設某渠道供水流量指令值為a(a值必須小于渠道最大允許流量)、用戶設定的流量控制精度為b，則該渠道的流量控制范圍為［a－b，a+b］。輸出控制量用以調節閘門的開度，根據操作人員實際經驗，預設閘門開度差值量后，選用啟閉機開啟時間作為具體的輸出控制量，同時根據閘位計的反饋信息對閘門開度進行精確控制。控制算法采用增益算法，即一定時間閘門開度為一定值后，使渠道的流量控制范圍逐漸達到［a－b，a+b］。同時，對于多孔閘門考慮閘門優先開啟次序、現場運行經驗、閘前安全水位等問題，實現對渠道水量的快速、準確控制。

4 運用效果

新疆瑪納斯河灌區第二總分水閘閘門自動化控制系統按“無人、少人值守”原則進行總體設計，閘門自動控制權限分為手動控制級、集中控制級、遠程自動控制級和遠程調度控制級。系統采用模糊控制技術開發了群閘控制軟件，以檢測渠道流量與指令流量的變化，通過演算模擬出閘門開啟高度，逐漸接近指令流量的一定范圍值，并保持在指令流量范圍的穩定狀態。系統經過運行，實現了灌區供水的大型群閘的遠程指令流量自動調節控制，其精度誤差值為指令流量值的±1%～±7%。下表列舉的是一段時間各渠道在調度指令情況下，通過遠程閉環自動控制達到的分配水流量準確率，其誤差值不超過±7%。

新疆瑪納斯河第二總分水閘閘門自動化控制系統配水準確率記錄表 2007年7月

5 結語

第二總分水閘自動化控制系統綜合考慮了現場實際情況及多種影響因素，實現了渠道指令流量的自動控制。在實現群閘自動控制的同時，還多方面考慮到安全保護的要求，本系統中安全保護考慮到渠道中的漂浮物發生卡阻時實現機電設備自動停機，保障工程安全運行。因此在閘門自動控制中就采用了電機拖動設備多級保護設計:該系統中采用硬體的三層保護，即電流過熱繼電保護器、閘門限位開關保護器、快速過流保護器;軟體的一層保護，即過壓過流保護。現場實際運行結果表明:利用模糊控制技術避開了傳統的建立被控對象的繁瑣數學模型，依靠人類智慧和操作思維進行自動控制，對灌區群閘自動控制開辟了一種實用有效的控制方法，值得在灌區群閘自動控制中推廣應用。