不同工況下水力自動滾筒閘門自動控制技術

李寧霄

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

隨著水利信息化建設的不斷深入，越來越多的水利工程利用高新技術成果，建立自動化系統，為水利工程設施的科學管理提供現代化手段，對保護水利設施安全具有重要意義。水力自動滾筒閘門是自動化系統中的一個重要組成部分，水力自動滾筒閘門主要是借助水力和重力作用，在一定的水位條件下，以水壓力為動力，隨流量變化實現自動啟閉的閘門。其中，對水力自動滾筒閘門自動控制是整個系統建設的關鍵，但是在水力自動滾筒閘門控制過程中，承受水壓力及泄流情況較為復雜。傳統的水力自動滾筒閘門自動控制技術雖然能夠起到一定的作用，但是在不同工況下不能對水位準確定位，對正常工作產生一定的影響。為提高水利工程效益和管理水平，適應現代化水利的要求，需利用先進的計算機技術，實現水力自動滾筒閘門自動控制。因此設計一種在不同工況下水力自動滾筒閘門自動控制技術，這有利于對閘群等工程準確、可靠地進行群測、群控，繼而將水情、閘群等工況和運行狀態信息共享，從而提高水力自動滾筒閘門自動控制效果。此次研究的自動控制技術建立在水位控制器上，首先設計水位控制器，通過控制器分析當前水力情況，然后判別不同工況下的水流形態，最后采用比例控制和積分控制方法實現了不同工況下水力自動滾筒閘門自動控制。實驗證明，在簡單與復雜工況下，此次設計的技術比傳統技術的定位準確性都高，具有較好的自動控制效果。

1 不同工況下水力自動滾筒閘門自動控制技術設計

1.1 水位控制器結構分析

利用水位控制器識別渠道水流情況，使用水位作為輸入量[1]，以能夠影響水位的控制設施作為控制量，根據水力的實際情況，自動調節被控閘門的開度以維持渠道水位不變，水位控制器[2]的組成如圖1所示。

圖1 水位控制器結構

控制器的控制過程如圖2所示。

圖2 水位控制器控制過程

該控制器的控制功能如下。

(1)自動復位。閘門處于擋水位置，如果其下滑到設定值時，控制器將自動啟動工作泵組，將閘門復位至滑前位置。如果下滑到超位數值[3]，控制器將自動啟動，將閘門復位到下滑前位置。

(2)糾偏能力。如果發生差動的正信號或者負信號時，差動信號進行響應的輸出處理、調節以便閘門的速度達到跟蹤以及糾偏處理的目標。

(3)如果閘門超過指定位置或調節范圍時，控制器發出報警信號通知發生事故，以提高水力自動滾筒閘門自動控制效果。

該水位控制器為整個水力自動滾筒閘門自動技術的核心，因為閘門的運行對水流有一定的影響，因此以此來對水流控制。

1.2 不同工況下水流形態判別

在水位控制器設計的基礎上，對不同工況下水流形態進行判別，在對水力自動滾筒閘門自動控制中，無論采用哪種方法控制閘門，都需要判斷閘門的過流狀態，不同的流態對應不同的增益系數。不同工況下的水流形態主要分為恒定均勻流[4]、恒定漸變流、恒定急變流、非恒定漸變流，為判別不同工況下水流形態，給出幾種水流形態的判別公式。

恒定均勻流的水深、過水面上的流速分布和斷面平均流速沿程[5]不變，水流呈直線運行，因此通過下述公式計算：

(1)

恒定漸變流的特征是水深沿程變化的，用下述公式表示：

(2)

恒定急變流出現在控制閘門自由出流[6]條件下，利用下述公式計算：

(3)

非恒定漸變流[7]用下述公式表示：

(4)

上述分別為恒定均勻流、恒定漸變流、恒定急變流、非恒定漸變流的判別公式，將此作為不同工況下水流形態判別依據。

1.3 水力自動滾筒閘門自動控制實現

在上述不同工況下水流形態判別的基礎上，實現不同工況下水力主動滾筒閘門自動控制[8]，其控制過程如圖3所示。

圖3 不同工況下水力主動滾筒閘門自動控制過程

其中，初始閘門開度的流量關系曲線是為了獲得更精準的控制目標，通過計算水位流量與閘門開度[9]，得到閘門開度與流量的初始關系曲線；閘門精準閉環控制[10]，是通過初始的關系進行閘門控制，以反復調整閘門開度，最終控制流量。

在對水力自動滾筒自動控制時，控制變量屬于邊界條件，控制條件要根據不同工況下的水力變化情況進行控制。首先采用比例控制方法對閘門進行控制，主要是將控制變量與水力要素關系簡化為線性關系[11]：

d=Kt|g×u|

(5)

式中，d—閘門開度調節變量；Kt—比例控制方法中的比例參數；g—水力情況判斷參數；u—水力變化量。

根據上述的線性關系為控制器提供調節量[12]，但是由此建立的線性關系中存在一定的誤差，若按照該比例控制操作閘門，會導致水力特性逐漸偏離設定值，并且隨著時間的增加會增加偏離度，這種偏離情況被稱為累計誤差。因此采用積分控制方法解決這一問題。積分控制原理是將某一時間段內的累計誤差[13]，相對于設定值的偏差做出響應，計算公式為：

(6)

為避免閘門頻繁動作，加入重置靜帶[15]，閘門調整量按照下述公式計算：

(7)

將控制器與比例控制方法、積分控制相結合，根據渠道運行需求，控制渠道上游或下游的水位，使其保持在一定水位，通過閘門調節改變水位，按照此原理控制閘門，以此完成不同工況下水力自動滾筒閘門的自動控制。

2 實驗對比

為驗證此次設計的水力自動滾筒閘門自動控制技術的有效性，以水位定位準確性作為實驗目標[16]，并將傳統技術與此次設計的技術進行對比。此次實驗分2次進行，一種對比簡單工況下2種技術的水位定位準確度，另一種是對比復雜工況下2種技術的水位定位準確度。

2.1 簡單工況下水力自動滾筒閘門自動控制效果

簡單工況下，水深不增加，只有一種出流形式，在這一前提下，分別使用傳統技術與此次設計技術對當前水位定位，進行7次實驗，水位的定位準確度對比結果如圖4所示。

圖4 簡單工況下對比結果

分析圖4可知，在簡單工況下，傳統技術對于水位的定位準確度與此次設計的技術定位準確度相差較小，但是此次設計技術的水位定位準確度仍高于傳統技術。

2.2 復雜工況下水力自動滾筒閘門自動控制效果

在復雜工況下，水流、水深、過流面積等都為變化狀態，在實驗前，選取某地水力設施作為實驗對象，測得的相關數據見表1。

表1 實際測得數據

分別使用傳統技術與此次設計技術在上述水力條件下對水位進行定位，對比結果如圖5所示。

圖5 復雜工況下對比結果

分析圖5可知，在復雜工況下，傳統技術的水位定位準確度呈下降趨勢，比簡單工況下的水位定位準確度低。而此次設計的技術水位定位準確度仍然較高，與簡單工況下的準確度相差較小。在復雜工況下，傳統技術與此次設計技術的水位定位準確性相差較大，此次設計技術比傳統技術的水位定位準確性高[17]。

因此通過上述實驗能夠證明，此次設計的技術在簡單工況與復雜工況下的水位定位準確度都較高，而傳統技術在簡單工況下能夠保證一定的準確性，但是在復雜工況下水位定位準確性較低。綜上，證明此次設計的不同工況下水力主動滾筒閘門自動控制技術是有效的，能夠滿足不同工況下水力自動滾筒閘門自動控制需求，具有一定的實際應用意義。

3 結語

隨著水利工程自動化管理程度的不斷提升，河道中各類閘門的啟閉工程直接關系到河道行洪排澇、農田灌溉等各項主要功能能否順利進行。雖然目前各類閘門自動化技術層出不窮，但由于其所涉及的技術改造費用和日后運行維護將產生較大的費用，致使其推廣應用的速度受到一定限制。通過本文中對水力自動滾筒閘門自控技術開展的相關研究工作，并結合對不同工況條件下所進行的實地驗證從而得出其具備一定的實際應用價值。通過推廣本文所得出的研究成果，將進一步提升我國水利工程管理水平。