渠道自動化控制系統(tǒng)及其運行設計研究

劉揚揚

【摘要】近幾年來，隨著我國現(xiàn)代化程度的日益加深，各行各業(yè)的自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)進入了我們的生活，所以我們有必要對渠道自動化控制系統(tǒng)及其運行設計進行深入的了解和研究。在當今地下水位越來越低的狀況下，只有通過深入的研究渠道自動化控制系統(tǒng)才能提高它的自動化成效，方便大家的生產、生活，保證渠道自動化運行的效率，達到合理用水、節(jié)約用水的效果，也使自動控制系統(tǒng)得到長足的發(fā)展。

【關鍵詞】渠道自動化；控制系統(tǒng)；設計；方式；注意事項；發(fā)展前景

一、渠道自動化控制系統(tǒng)及運行設計的涵義

渠道自動化控制的運行設計方式應該本著與各時段的水量、水位的穩(wěn)定性、流量的變化等相契合的目的而進行設計，也就是說渠道自動化控制設計的對象，是針對水深的變更、水量的變更等范疇以內，不能影響其渠道的穩(wěn)定性。而自動化控制系統(tǒng)主要是通過加設調和節(jié)制閥來實現(xiàn)，可以在擬定好的時段內，用它來調控水閘的開關程度，達到自動化控制的目的，所以渠道運行控制系統(tǒng)自動化的設計既要考慮渠道水力運行的特性，更重要的是要根據(jù)它的這種特性去選擇合適的閘門控制器。

二、渠道自動化控制系統(tǒng)及其運行設計的方式

渠道自動化控制的本質意義就是要實現(xiàn)渠道在非恒定流計算和控制算法設計的有機組合，其目的就是要控制整個的輸水渠道，而各個渠道不同所采用的控制方式也就不一樣，比如說北疆某輸水干渠工程為Ⅱ等大（2）型工程，起點渠底高程556.798m，干渠向東沿山前沖積扇中下部布置，跨越阿拉哈克河、克木齊河、蘇海提河、克蘭河，經(jīng)阿克吐木蘇克臺地南緣下部向東最終匯入額爾齊斯河，末端渠底高程541.496m，i=1/10000，渠線全長112.393km。輸水干渠設計流量為55m3/s，設計年引水量9.5億方。此工程采用明渠輸水的系統(tǒng)方式，這個系統(tǒng)是個復雜的水力網(wǎng)絡系統(tǒng)，它需要大量的控制器來控制其整個渠段的水位振蕩及波動，以此來保證它的穩(wěn)定性。具體的設計方式有：PID控制、擾動閘門控制、人工智能控制等等。

1. PID閘門控制器

隨著科技的不斷進步，渠道自動化控制系統(tǒng)中也運用了微處理器，因為PID可以對其進行連續(xù)而穩(wěn)定的調節(jié)，所以它的應用在渠道閘門控制系統(tǒng)中得到極大的推廣，然而PID控制器的核心是參數(shù)的確定，因為參數(shù)的選擇會直接影響到控制器的使用效果，一般這個參數(shù)都是采用試算法來確定的，它的缺點就是因為渠道的各個時段的運行狀況是不一樣的，所以參數(shù)也應該隨其而變化，這個試算法的工作量是巨大的，而且參數(shù)的不變性也消除不了自動化控制中產生的誤差，不能準確的對渠道各個時段的運行狀況進行有效的設計，因而對PID架構設置了在線調整，添加了自適應特性的神經(jīng)元，縮小了渠道內的水位超調和所耗費的反應時間。

2. 擾動閘門控制器

因為所有的水流都具有其不穩(wěn)定性，即使把節(jié)制閥的開度調的再怎么精密，仍舊適應不了渠道水面線的變化，這就需要一個動態(tài)的自動化控制系統(tǒng)來應對。所以只有設計出的渠道體系有整合多重的輸入，涵蓋多重的變量，才能應對永無定型的水態(tài)。而這種擾動閘門控制器，就是根據(jù)其特點，考量了渠道的各種態(tài)勢下的真實速率，而進行的運行設計方式，這種控制器有效的整合了渠道內的段落容量，為渠道自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展邁出了一大步。

3. 人工智能控制器

上面所提到的PID控制器以及擾動閘門控制器，都沒有脫離出預設的對象描述，而渠道水流所具有的多擾動、大滯后、非線性等特性給這些控制系統(tǒng)帶來很大的苦惱，因為在這種情況下，要建立精確的控制模型是特別困難的，而人工智能控制器的自動化控制系統(tǒng)在渠道各個時段，復雜多樣的情況下可以有效的避開這種數(shù)學建模，這就在很大的程度上化解了水態(tài)的這種非線性所特有的隨機擾動，使自動化控制系統(tǒng)的運行設計更加的具有實效性。雖然目前我國的人工智能控制的自動化研究還不十分的成熟，但如果能把人工智能和渠道的運行模式有效的結合起來進行控制的話，一定會有助于科技工作者對渠道控制的非線性和隨機性規(guī)律的研究。

三、渠道自動化控制系統(tǒng)及運行設計的注意事項

1. 水力模型的非線性

所有的設計都不是完美的，所以在渠道自動化控制系統(tǒng)的設計中要注重水力模型所特有的非線性。這是水力模型中的難點之一，渠道自動化控制系統(tǒng)中水流過渡過程所表現(xiàn)出來的是一個雙曲線所建構的方程組，至今還沒有得到解析，而控制水流的節(jié)制閥應該被設計成為動態(tài)調節(jié)的，所以要注意的是，在整個自動化系統(tǒng)運行設計中的各個環(huán)節(jié)都應該是相互關聯(lián)的。

2. 水流動態(tài)的多維性

因為水的不恒定性，所以渠道槽體內的調整流程——節(jié)制閘，是整個過程中的關鍵，而渠道各個時段的水流及水量并不單純的對應關系，產生這種多對應關系的根本原因就是非恒定過渡過程中的水力坡度，渠段漲水時與落水時的水流反應是不一樣的，它涵蓋了許多的數(shù)據(jù)，而要在這多維屬性下使渠道自動化控制達到應有的效果，單單靠節(jié)制閥是不行的。

3. 不確定的擾動

只要水在流動就會產生擾動，而這種擾動也是不能確定和阻止的，只能選取算法，依循它的側重點去描述出渠道的大致模型，這種模仿而抽象的模型一定會與真實的水流狀態(tài)存在一定的差異，所以在這種態(tài)勢下，要想達到合理的自動化控制，使其穩(wěn)定運行，就必須提高控制器的特性。

四、渠道自動化控制系統(tǒng)及運行設計的發(fā)展前景

上述所有的種種，都已經(jīng)表明，我國目前的所有的對渠道自動化控制的運行設計都還處于初級階段，沒有對水流的特性及渠道潛在的擾動做出完整、準確的考量，對于多重的數(shù)據(jù)其控制器還是控制不了的，所以在未來的發(fā)展階段，需要從事渠道自動化控制系統(tǒng)及運行設計的技術人員要把線性架構下的非恒定誤差壓縮到最低值，對于一些不能控制的變量數(shù)據(jù)能進行實時的監(jiān)測，盡量做到自動化控制的結果能與真實的情況相似，方便大家的使用，也為國家節(jié)約水利資源。

1. 改變控制方式

我國現(xiàn)在的渠道自動化控制方式大多是對于水位、流量的監(jiān)測，可以把這種方式改變?yōu)楦泳_的對流量及流量速率的控制，這樣就能減小水位非線性化、非恒定的一些誤差。例如，我們現(xiàn)在一直用控制容積的方式來控制它的流量，而現(xiàn)實中我們并不能控制住水體的形態(tài)體積，只能通過節(jié)制閥來控制渠段的儲蓄量，如果把這種方式改變?yōu)閷^閘時的流量及流量變率的監(jiān)測，所得的數(shù)據(jù)會更加接近真實值。

2. 經(jīng)驗控制與模型控制相結合

從以上分析可以看出，單輸入或單輸出的模式是不存在的，針對這種復雜的數(shù)據(jù)以及不能確定的參數(shù)，只有把各種經(jīng)驗的控制方式與模型控制合理的融合起來，就一定會取得意想不到的效果，這也是未來自動化控制中的一個發(fā)展方向。

3. 長距離大規(guī)模渠道的控制

對于象北疆某輸水干渠這樣的大型工程建設，一定要保持水量的一致性，系統(tǒng)需要采用中央監(jiān)控的模式，然而，因為這樣的工程所跨的區(qū)域較廣，要采用中心監(jiān)控的方式困難也會較大，所以可以退一步采取分級控制、多層監(jiān)控的方式來進行控制，這樣層層在線控制，可以發(fā)揮渠道各渠段的靈活性。

五、結束語

綜上所述，渠道自動化控制系統(tǒng)的運行設計需要從渠道的長距離、大規(guī)模、架構復雜、水流不穩(wěn)定等等特性出發(fā)，創(chuàng)設新穎的自動化控制系統(tǒng)，整合人工智能網(wǎng)絡、模糊情景下的PID等等技術方式，設計出符合我國實際發(fā)展需要的渠道自動化控制系統(tǒng)，雖然我國當前的自動化控制系統(tǒng)起步不太晚，但發(fā)展卻比較緩慢，但相信，只要在不斷的調查和研究中進行自我完善，自我探究，總結經(jīng)驗，吸取教訓，就一定能使我國的渠道自動化控制系統(tǒng)及運行設計達到它的實效性，達到世界的先進水平，為我國的發(fā)展和建設起到推動性的作用。

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