萬(wàn)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(jiǎn)稱瑪河)位于天山北麓中段的準(zhǔn)噶爾盆地南緣，流域總面積26500km2。全長(zhǎng)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(bǔ)給型的山溪性河流?，敽庸鄥^(qū)是新中國(guó)成立后開(kāi)墾起來(lái)的大型灌區(qū)，經(jīng)過(guò)50多年的水利建設(shè)，規(guī)劃設(shè)計(jì)灌溉面積25.33萬(wàn)hm2，實(shí)灌面積達(dá)21.33萬(wàn)hm2?，敽庸鄥^(qū)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(dān)負(fù)著農(nóng)八師石河子市、瑪納斯縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)六師新湖總場(chǎng)的農(nóng)業(yè)灌溉用水任務(wù)，年供水量約8億m3。

2 建設(shè)閘控系統(tǒng)背景

第二總分水閘分水樞紐主要由兩處分水建筑物構(gòu)成，相距400m，分別為十八公里分水閘和西調(diào)渠分水閘，共13孔閘門(其中十八公里分水閘7孔，西調(diào)渠分水閘6孔)。在科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力迅速發(fā)展的今天，大量的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備被廣泛地運(yùn)用到水利工程中，為實(shí)現(xiàn)閘門自動(dòng)控制提供了技術(shù)保證。該處分水樞紐首先遇到的問(wèn)題是渠道水情采集反饋、水工閘門快速啟動(dòng)等，沒(méi)有這些手段就談不上搶險(xiǎn)、分水、泄洪。第二，灌區(qū)水量調(diào)度情況以及下達(dá)調(diào)度命令都較慢，操作人員到兩處閘室來(lái)回調(diào)閘，不利于及時(shí)、準(zhǔn)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(jī)電設(shè)備啟閉造成困難，降低安全性;且控制方式落后、反應(yīng)速度慢，造成閘前、閘后水位陡漲陡落，易引發(fā)工程安全事故;調(diào)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(dòng)強(qiáng)度大、疲勞上崗，易發(fā)生錯(cuò)誤并且不能按時(shí)、按量完成調(diào)度下達(dá)的分水指標(biāo)。

由此可見(jiàn)，采用閘控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩處群閘聯(lián)動(dòng)閉環(huán)自動(dòng)控制，可及時(shí)有效地掌握水情信息的變化，為水量的合理調(diào)配提供快速、有效的手段，提高防洪、抗旱的快速反應(yīng)能力，確保水利工程安全運(yùn)行，充分發(fā)揮水利工程的興利除害作用，為灌區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)豐收提供可靠保障。

3 模糊控制技術(shù)在群閘自動(dòng)控制中的運(yùn)用

3.1 控制方式選擇

閘門自動(dòng)控制方式需要在受控對(duì)象經(jīng)動(dòng)作后，反饋給操作者較為精確的信息數(shù)學(xué)控制模型，如在水庫(kù)閘門自動(dòng)控制中由庫(kù)水位、閘門開(kāi)啟高度等為變量因子建立數(shù)學(xué)公式推算閘孔流量。而對(duì)灌區(qū)閘門自動(dòng)控制，由于對(duì)一渠段來(lái)說(shuō)無(wú)典型意義上的水庫(kù)，根據(jù)水位、閘門開(kāi)啟高度推算閘孔流量將會(huì)產(chǎn)生較大誤差，從而使流量調(diào)節(jié)出現(xiàn)一個(gè)非線性、大滯后、時(shí)變的特點(diǎn)，不能滿足配水精度和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。因此，采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)控制模型對(duì)它難以奏效。因此，引入以人的實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)的模糊控制技術(shù)取代傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)控制模型對(duì)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(shè)計(jì)思路

3.2.1 模糊控制的基本思路

模糊控制技術(shù)，就是在控制方法上應(yīng)用模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯的知識(shí)來(lái)模擬人的模糊思維方法。在灌區(qū)群閘自動(dòng)控制中，由于無(wú)法用水位、閘門開(kāi)啟高度建立精確數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fù)雜的閘門操作控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成為一些規(guī)則，將這些基于經(jīng)驗(yàn)的規(guī)則上升為數(shù)值運(yùn)算，用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)完成閘門控制，從而設(shè)計(jì)出控制模型，實(shí)現(xiàn)以機(jī)器代替人對(duì)閘門進(jìn)行自動(dòng)控制的目的。

3.2.2 第二總分水閘群閘控制設(shè)計(jì)原理

第二總分水閘閘控系統(tǒng)主要是對(duì)西調(diào)分水閘(4孔節(jié)制閘控制東岸干渠、2孔進(jìn)水閘控制西調(diào)渠的水量分配)和十八公里閘(西調(diào)4孔節(jié)制閘控制東岸干渠的水量到達(dá)十八公里閘后由7孔閘控制4個(gè)渠道的水量分配)的閘門啟閉，實(shí)現(xiàn)兩處分水閘的聯(lián)動(dòng)閉環(huán)控制，達(dá)到分配水量的精度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，選擇它的閘前段作為形式上的供水水庫(kù)，供水水庫(kù)水量通過(guò)上游渠道來(lái)水補(bǔ)充，通過(guò)設(shè)置某渠道為調(diào)節(jié)渠，實(shí)現(xiàn)閘前水位的變化，從而控制供水水庫(kù)水量大小滿足灌區(qū)用戶的需水要求。同時(shí)，在閘后渠道某位置設(shè)置水量計(jì)量設(shè)施，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)用戶對(duì)需水水量分配精度的要求。其具體的控制過(guò)程為:根據(jù)調(diào)度中心指令，灌區(qū)用戶水量有需求時(shí)，通過(guò)斷面水量計(jì)量設(shè)施反饋回來(lái)的水量，對(duì)比調(diào)度指令判斷用戶需水水量的增大或減小，通過(guò)調(diào)節(jié)渠，控制閘前水位的變化，實(shí)現(xiàn)供水水庫(kù)水量滿足用戶需水水量的變化，預(yù)設(shè)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(fā)生變化，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量設(shè)施檢測(cè)出水量反饋到控制計(jì)算機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)就會(huì)根據(jù)調(diào)度指令和反饋檢測(cè)水量的誤差作為用戶需水信號(hào)輸入，再次以閘門開(kāi)度增量為輸出。逐步調(diào)節(jié)閘門的啟閉開(kāi)度使渠道水量逐漸接近調(diào)度指令，并保持在調(diào)度指令的一定范圍，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制?？梢?jiàn)，閘門控制系統(tǒng)可工作在閉環(huán)狀態(tài)。系統(tǒng)控制原理見(jiàn)下圖。

控制系統(tǒng)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(shí)際流量;

yq(t)—期望的流量。

假設(shè)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(shè)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(diào)節(jié)閘門的開(kāi)度，根據(jù)操作人員實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，預(yù)設(shè)閘門開(kāi)度差值量后，選用啟閉機(jī)開(kāi)啟時(shí)間作為具體的輸出控制量，同時(shí)根據(jù)閘位計(jì)的反饋信息對(duì)閘門開(kāi)度進(jìn)行精確控制。控制算法采用增益算法，即一定時(shí)間閘門開(kāi)度為一定值后，使渠道的流量控制范圍逐漸達(dá)到［a－b，a+b］。同時(shí)，對(duì)于多孔閘門考慮閘門優(yōu)先開(kāi)啟次序、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、閘前安全水位等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道水量的快速、準(zhǔn)確控制。

4 運(yùn)用效果

新疆瑪納斯河灌區(qū)第二總分水閘閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)按“無(wú)人、少人值守”原則進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，閘門自動(dòng)控制權(quán)限分為手動(dòng)控制級(jí)、集中控制級(jí)、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制級(jí)和遠(yuǎn)程調(diào)度控制級(jí)。系統(tǒng)采用模糊控制技術(shù)開(kāi)發(fā)了群閘控制軟件，以檢測(cè)渠道流量與指令流量的變化，通過(guò)演算模擬出閘門開(kāi)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(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)供水的大型群閘的遠(yuǎn)程指令流量自動(dòng)調(diào)節(jié)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(shí)間各渠道在調(diào)度指令情況下，通過(guò)遠(yuǎn)程閉環(huán)自動(dòng)控制達(dá)到的分配水流量準(zhǔn)確率，其誤差值不超過(guò)±7%。

新疆瑪納斯河第二總分水閘閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)配水準(zhǔn)確率記錄表 2007年7月

5 結(jié)語(yǔ)

第二總分水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)綜合考慮了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及多種影響因素，實(shí)現(xiàn)了渠道指令流量的自動(dòng)控制。在實(shí)現(xiàn)群閘自動(dòng)控制的同時(shí)，還多方面考慮到安全保護(hù)的要求，本系統(tǒng)中安全保護(hù)考慮到渠道中的漂浮物發(fā)生卡阻時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備自動(dòng)停機(jī)，保障工程安全運(yùn)行。因此在閘門自動(dòng)控制中就采用了電機(jī)拖動(dòng)設(shè)備多級(jí)保護(hù)設(shè)計(jì):該系統(tǒng)中采用硬體的三層保護(hù)，即電流過(guò)熱繼電保護(hù)器、閘門限位開(kāi)關(guān)保護(hù)器、快速過(guò)流保護(hù)器;軟體的一層保護(hù)，即過(guò)壓過(guò)流保護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明:利用模糊控制技術(shù)避開(kāi)了傳統(tǒng)的建立被控對(duì)象的繁瑣數(shù)學(xué)模型，依靠人類智慧和操作思維進(jìn)行自動(dòng)控制，對(duì)灌區(qū)群閘自動(dòng)控制開(kāi)辟了一種實(shí)用有效的控制方法，值得在灌區(qū)群閘自動(dòng)控制中推廣應(yīng)用。