艾合拜爾·毛拉

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 灌溉系統(tǒng)

水力灌溉系統(tǒng)整體布置如圖1所示。有三個(gè)蓄水池，每個(gè)蓄水池上安裝一個(gè)泵站，主要是為地下灌溉壓力管網(wǎng)加壓。對(duì)于前兩個(gè)蓄水池，檢查結(jié)構(gòu)控制蓄水池末端橫截面的水深。每個(gè)止回閥結(jié)構(gòu)都有兩個(gè)獨(dú)立的閘門，如渠道進(jìn)水口處的G1-G2閘門、G4-G5閘門、G7-G8閘門分別由自動(dòng)執(zhí)行器控制。蓄水池的分支由單獨(dú)的電動(dòng)閘門控制，如G3閘門和G6閘門。通過此灌溉系統(tǒng)，可以減少每日渠道流入量的變化、縮短灌溉系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、降低由控制系統(tǒng)引起的運(yùn)行渠道水力損失[1-2]。

圖1 水力灌溉系統(tǒng)

SCADA為監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，安裝該系統(tǒng)是為了能夠遠(yuǎn)程手動(dòng)控制流量，優(yōu)化三個(gè)蓄水池的蓄水管理，并監(jiān)督整個(gè)水力灌溉系統(tǒng)。

RTU為遠(yuǎn)程終端設(shè)備，是監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和水力灌溉系統(tǒng)之間的接口。主要目的是為了控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的輸入和輸出；監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如水位、流速、閘門位置傳感器和日志報(bào)警器，向區(qū)域單元和管理中心報(bào)告，并執(zhí)行從區(qū)域單元或管理中心接收到的命令。

PLC為區(qū)域單元，主要目的是為了管理、監(jiān)督和控制RTU，負(fù)責(zé)通信管理、信息接收和傳輸、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)庫組織、監(jiān)督和控制。

2 水力模型控制

本文應(yīng)用非恒定流水力模型SIC模擬灌溉渠道系統(tǒng)，用該模型求解圣維南偏微分方程，如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中：A為水域面積，m2；Q為橫斷面流量，m3/s；Z為水面高程，m；g為重力加速度，m/s2；i為渠道底坡；J為摩擦系數(shù)。

式(1)、式(2)分別為質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。當(dāng)式(1)、式(2)無法得出結(jié)果時(shí)，可由連續(xù)性方程和另一個(gè)可以檢查結(jié)構(gòu)的方程代替,如孔口出流式(3)：

Q=f(Zi,Zj,w)

(3)

式中：Zi為上游水位，m；Zj下游水位，m；w為閘門開度,m。

有堰情況下如式(4)：

Q=f(Zi)

(4)

式中：Zi為堰頂高程,m。

除此之外，SIC模擬式(1)、式(2)時(shí)可通過Preissmann隱式差分格式在時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)離散化和線性化。

已知非恒定流水力模型可以模擬河流動(dòng)力學(xué)，但是模擬情況與實(shí)際情況是否一致，還有待對(duì)比驗(yàn)證。因此，需對(duì)渠道閘門流量系數(shù)和水力粗糙度系數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出渠道水力模型和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖2和圖3。

圖2 蓄水池1前渠道水力模型和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 蓄水池2前后渠道水力模型和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，閘門下游未被淹沒。G1-G2閘門計(jì)算平均值為0.85，G3閘門計(jì)算平均值為0.57，G6閘門計(jì)算平均值為0.69，通常閘門計(jì)算平均值約0.60。如圖2所示，前兩個(gè)閘門的值不完全相同。在調(diào)整水力模型期間，為了使模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)更吻合，需將這些閘門計(jì)算平均值分別修改為0.86、0.65和0.61。由于獲得整個(gè)渠道的初始穩(wěn)定水流是一個(gè)艱難的任務(wù)，所以模型調(diào)整比較困難。通過多次試驗(yàn)，在水流穩(wěn)定、自由流動(dòng)情況下，使用一般流量方程結(jié)合電流表讀數(shù)得到三個(gè)渠道的閘門流量系數(shù)。水力糙度系數(shù)最終值為90.9 m1/3/s和76.9 m1/3/s，第二個(gè)水力糙度系數(shù)值為混凝土襯砌渠道的常用值。實(shí)際情況中，為防止?jié)B透造成損失[3-4]，渠道表面可以用光滑的聚氯乙烯土工膜襯砌，故第一個(gè)水力糙度系數(shù)值也可用于渠道計(jì)算。

由圖2(a)所示，在t=9.0 h時(shí)G1-G2閘門開啟，流量突然從0.428 m3/s變化到0.785 m3/s；t=13.3 h時(shí)，流量又從0.785 m3/s變化到0.475 m3/s。在這過程中，G3閘門和G6閘門保持關(guān)閉狀態(tài)，其他閘門保持相同開度。圖2(c)中G4-G5閘門的上游水深初始值接近水深設(shè)計(jì)值1.68 m，圖3(b)中G7-G8閘門的上游水深初始值接近水深設(shè)計(jì)值1.43 m。結(jié)合圖2和圖3對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析后，綜合考慮整個(gè)渠道水流穩(wěn)定情況，得可將t=8.5 h時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為模擬初始值。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

3.1 閘門流量控制器

閘門流量控制器的主要目標(biāo)是獲得并保持兩個(gè)閘門組的設(shè)計(jì)流量。Q為控制器計(jì)算的兩個(gè)閘門的整體流量，也是與閘門上游水深hm和閘門下游水深h1相關(guān)的一個(gè)函數(shù)，在自由出流或淹沒出流情況下均可用式(5)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：L為與閘門相關(guān)的堰長(zhǎng)或閘門寬度,m;ka=kFμ、kb=kF1μ1，其中kF、kF1為縮減系數(shù),μ、μ1為自由流動(dòng)條件下的流量系數(shù)。

應(yīng)用控制器計(jì)算兩個(gè)閘門的整體流量Q與閘門目標(biāo)流量Qref進(jìn)行對(duì)比，得到誤差e，e可用式(6)表示：

e=Qref-Q

(6)

當(dāng)e>0時(shí)，打開閘門；當(dāng)e<0時(shí)，關(guān)閉閘門。

3.2 水深控制器

自動(dòng)水深控制器算法的最后一個(gè)模塊是由直接控制器向閘門的制動(dòng)器發(fā)送控制命令(打開/關(guān)閉/停止)。在這種情況下，也可由操作員同步或單獨(dú)向兩個(gè)閘門發(fā)送控制命令。當(dāng)G4閘門設(shè)定值等于G5閘門設(shè)定值時(shí)，閘門位置控制器模塊可建立預(yù)定義閘門位置。根據(jù)對(duì)應(yīng)G4和G5閘門設(shè)定值，控制器輸入G4和G5閘門開度測(cè)量值的偏差。作為直接控制器，閘門位置控制器也可用手動(dòng)閘門操作，除了直接控制器塊外，還有以下控制塊：

(1)誤差計(jì)算eh。它是算法輸入，當(dāng)eh>0時(shí)，控制器向制動(dòng)器發(fā)送關(guān)閉閘門的命令；當(dāng)eh<0時(shí)，控制器向制動(dòng)器發(fā)送打開閘門的命令。

(2)PI控制器。由PI控制器計(jì)算閘門開度，獲得控制水深的目標(biāo)值。

(3)損壞補(bǔ)償器。在手動(dòng)控制或維護(hù)中，當(dāng)其中一個(gè)閘門出現(xiàn)故障時(shí)，該模塊將對(duì)閘門的開啟進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。

3.3 調(diào)節(jié)水深控制器

經(jīng)過調(diào)整、驗(yàn)證和確認(rèn)，水力模型可直接使用SIC作為控制研究的工具，它包含定義控制的程序，也可直接用于控制器的調(diào)整和性能分析。最常用來調(diào)整PI控制器的方法是迭代法，其缺點(diǎn)是幾個(gè)互連的控制器不能保證全局最優(yōu)。

對(duì)于灌溉渠內(nèi)的水位，閘門振動(dòng)與相應(yīng)目標(biāo)值發(fā)生較大偏差時(shí)非常危險(xiǎn)，渠道漫頂或排空時(shí)也會(huì)帶來風(fēng)險(xiǎn)并造成執(zhí)行器執(zhí)行故障。為了降低此風(fēng)險(xiǎn)，我們通過不同的初始值來模擬控制器的比例參數(shù)和積分參數(shù)，對(duì)此進(jìn)行研究分析。

模擬結(jié)果如圖4所示，圖4(a)渠道設(shè)計(jì)流入量發(fā)生了四次變化：流量從50%～70%、70%～50%、50%～30%和30%～50%。圖4(b)考慮G3和G6閘門的流出量，避免超過渠道的設(shè)計(jì)流量。圖4(c)閘門運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的，沒有發(fā)生振蕩。圖4(d)在水深控制器的精確控制之下，瞬時(shí)最大誤差為±0.04 m。當(dāng)水流擾動(dòng)到達(dá)閘門時(shí)，引起水深變化，水深控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)應(yīng)誤差開始減小直至完全消失。

圖4 調(diào)節(jié)水深控制器的模擬結(jié)果

3.4 評(píng)估水深控制器的性能

經(jīng)過調(diào)整，水深自動(dòng)數(shù)字控制器可合理應(yīng)對(duì)任何水力擾動(dòng)。為了評(píng)估水深控制器的性能，對(duì)比以下兩種渠道的運(yùn)行方案：

(1)模擬時(shí)間t=10.0 h，對(duì)于渠道進(jìn)口和G3、G6閘門排水口，流量從50%增加到80%。

(2)模擬時(shí)間t=10.0 h，對(duì)于渠道進(jìn)口和G3、G6閘門排水口，流量從50%減少到20%。

對(duì)比結(jié)果如圖5、圖6所示，當(dāng)上游對(duì)流量變化有較靈敏的控制時(shí)，流量增加時(shí)的水力特性比流量減少時(shí)的水力特性更穩(wěn)定。圖5(c)和圖6(c)這兩種情況下，閘門運(yùn)動(dòng)都是循序漸進(jìn)的，相對(duì)穩(wěn)定且沒有發(fā)生振蕩。圖6(c)中隨著流量減少，需要先將閘門打開，然后再關(guān)閉閘門。因?yàn)殡S著流量的減少，每個(gè)渠道內(nèi)的多余流量均可通過渠道末端的閘門流出。在第一階段時(shí)，由于這個(gè)原因，閘門附近的流量增加，導(dǎo)致閘門開度增加，隨著渠道排空，閘門才逐漸關(guān)閉。因此，根據(jù)文中系統(tǒng)控制閘門的啟閉時(shí)機(jī)，表明控制器系統(tǒng)的應(yīng)用是合理的。圖5(d)中流量增加的誤差幾乎為零，圖6(d)中位于下游的G7-G8兩個(gè)閘門在流量減少時(shí)，最大誤差在幾分鐘內(nèi)變化了0.04 m。因?yàn)榍肋M(jìn)口和出口流量減少時(shí)，流量在瞬態(tài)流動(dòng)過程中沿下游方向增加，從而導(dǎo)致閘門起閉的誤差增加。

圖5 瞬時(shí)流量從50%增加到80%時(shí)對(duì)應(yīng)控制器的性能

圖6 瞬時(shí)流量從50%減少到20%時(shí)對(duì)應(yīng)控制器的性能

4 結(jié) 論

本文介紹了一種可安裝于渠道的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和驗(yàn)證，該控制器可自動(dòng)調(diào)節(jié)水深。選擇控制器時(shí)需考慮渠道設(shè)計(jì)、渠道輸水能力和控制器產(chǎn)生故障時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，本文在此基礎(chǔ)上優(yōu)化調(diào)整了水力模型，使得渠道應(yīng)用水深自動(dòng)控制器后產(chǎn)生的誤差較小，能保證將水深快速收斂至設(shè)計(jì)值。