明渠运行控制关键技术与应用

渠道自动控制起源于20世纪30年代,起初由法国人研制了许多用于自动控制的水力设备,并提出了水力自动化的控制方法,将其用于实际灌渠运行当中。到20世纪50年代,美国国家内务部垦务局(U.S.Department of Interior,Bureau of Reclamation)开始有关渠系自动控制项目的研究,形成了一套比较完整的渠系运行控制理论,并开发了一系列实用的渠道自动化控制的算法,对提高渠系的输水效率起到了积极的作用。Liu F采用显式有限差分的格式实现了罐渠闸前常水位控制,对多个渠池进行数值仿真模拟,结果比较理想。Ruiz Carmona和Malaterre等对已有的研究成果进行分析总结,提出了将非线性的输水系统简化成为线性系统,但还没有在实际中得到应用。

国内渠道输水运行控制的研究开始的较晚,始于20世纪50年代,虽然发展迅速,但实际应用甚少。20世纪80年代之后,由于国内调水工程的实施和大中型灌区自动运行控制的要求,有些科研单位陆续开展了渠道自动化试行的研究。王念慎等人用现代控制理论构建了常水位和等体积实时控制模型,并进行了模型验证,得出了等水位控制比等体积控制简单,计算速度、精度高等优点。20世纪90年代,王长德运用水力动闸门的控制原理,解决了水利自动闸门运行不稳定问题。之后,王长德又针对闸门过流的过程,在假设闸门能任意速度进行调节,提出了P+PR与比威尔控制算法相结合的控制方式,并作了比较。近年来,国内学者尝试用现代控制理论、智能控制理论及模糊控制理论研究渠道运行系统。韩延成凭借对年调度的实践经验和优化控制理论,运用两阶段的输水控制方法对渠道进行数值模拟,结果证明该方法具有响应时间短、闸门调节次数少等优点。目前,许多学者对下游常水位运行方式开展大量的研究。姚雄等提出了流量主动补偿的前馈控制方法并与水位反馈控制相结合来改善闸渠道的响应特性,该模型没有考虑闸门开度变化对上下游渠道的影响,又由于在流量主动补偿阶段,需要各渠段上游流量变化都要超过下游流量变化,致使各渠段上游流量和闸门开度都有较大的超调,有待进一步的改进。丁志良、王长德等把基于蓄量补偿的前馈控制运用到闸前常水位运行的方式中,并采用PI反馈控制对中线部分渠段进行了仿真模拟,在一定程度上改善了渠道的响应和回复特性。黄会勇、刘子慧等根据渠道初始和稳定时候渠道的流量、水位、渠道的蓄量、渠道水位降幅限制和水位波动限制条件等,制定了基于蓄量补偿的前馈控制策略,该方法涵盖了南水北调中线工程调度运行中可能出现的各种运行工况。(www.xing528.com)

目前,国内对外明渠的水动力学计算有了一些研究基础,但大部分研究集中在改进渠道的控制运行算法上。然而还有许多算法仍旧停留在理论研究阶段,未能运用到实际工程中,对于大规模复杂明渠系统的模拟分析和应用还不成熟,自动控制方式的研究也主要是应用在灌溉工程方面,还不能完全解决大规模调水渠道的整体集中自动控制的问题。另外,与国内外已建成的调水工程相比,南水北调中线工程规模巨大,线路更长,并且可利用的水头有限,沿线中可用于反调节的调蓄工程几乎没有,这些都是当前国内外没有遇到过的问题,其输水的困难程度远远超过目前世界上已建成调水工程。所以,必须从南水北调中线工程总干渠输水安全和稳定性出发,对其展开相应的运行控制的研究。