浅析模糊控制技术在灌区群闸自动控制中的应用

万朝成

(新疆水利厅玛纳斯河流域管理处 石河子 832000)

1 概述

新疆玛纳斯河流域(以下简称玛河)位于天山北麓中段的准噶尔盆地南缘，流域总面积26500km2。全长324km，多年平均径流量13.1亿m3，由南向北最后流归玛纳斯湖，属于冰川融雪及降雨混合补给型的山溪性河流。玛河灌区是新中国成立后开垦起来的大型灌区，经过50多年的水利建设，规划设计灌溉面积25.33万hm2，实灌面积达21.33万hm2。玛河灌区水利工程主要包括红山嘴渠首泄洪闸、玛纳斯河引水总干渠、东岸大渠等大型骨干工程，其中第二总分水闸分水枢纽位于东岸大渠末端18km处，有大小闸门13孔，担负着农八师石河子市、玛纳斯县各乡镇、农六师新湖总场的农业灌溉用水任务，年供水量约8亿m3。

2 建设闸控系统背景

第二总分水闸分水枢纽主要由两处分水建筑物构成，相距400m，分别为十八公里分水闸和西调渠分水闸，共13孔闸门(其中十八公里分水闸7孔，西调渠分水闸6孔)。在科学技术和生产力迅速发展的今天，大量的先进技术和设备被广泛地运用到水利工程中，为实现闸门自动控制提供了技术保证。该处分水枢纽首先遇到的问题是渠道水情采集反馈、水工闸门快速启动等，没有这些手段就谈不上抢险、分水、泄洪。第二，灌区水量调度情况以及下达调度命令都较慢，操作人员到两处闸室来回调闸，不利于及时、准确启闭闸门。第三、由于玛河上游植被破坏造成渠道水面漂浮物多，给闸门机电设备启闭造成困难，降低安全性;且控制方式落后、反应速度慢，造成闸前、闸后水位陡涨陡落，易引发工程安全事故;调整一次闸位需要操作人员到断面观看水位是否符合要求，从而造成劳动强度大、疲劳上岗，易发生错误并且不能按时、按量完成调度下达的分水指标。

由此可见，采用闸控系统实现两处群闸联动闭环自动控制，可及时有效地掌握水情信息的变化，为水量的合理调配提供快速、有效的手段，提高防洪、抗旱的快速反应能力，确保水利工程安全运行，充分发挥水利工程的兴利除害作用，为灌区农业增产丰收提供可靠保障。

3 模糊控制技术在群闸自动控制中的运用

3.1 控制方式选择

闸门自动控制方式需要在受控对象经动作后，反馈给操作者较为精确的信息数学控制模型，如在水库闸门自动控制中由库水位、闸门开启高度等为变量因子建立数学公式推算闸孔流量。而对灌区闸门自动控制，由于对一渠段来说无典型意义上的水库，根据水位、闸门开启高度推算闸孔流量将会产生较大误差，从而使流量调节出现一个非线性、大滞后、时变的特点，不能满足配水精度和系统稳定运行的要求。因此，采用传统的数学控制模型对它难以奏效。因此，引入以人的实际控制经验为依据的模糊控制技术取代传统的数学控制模型对于提高配水控制精度具有重要意义。

3.2 模糊控制在第二总分水闸群闸设计思路

3.2.1 模糊控制的基本思路

模糊控制技术，就是在控制方法上应用模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑的知识来模拟人的模糊思维方法。在灌区群闸自动控制中，由于无法用水位、闸门开启高度建立精确数学模型实现对分配水量的精确控制，软件编程师就希望由熟练的操作人员将灵活有效及各种复杂的闸门操作控制经验总结成为一些规则，将这些基于经验的规则上升为数值运算，用计算机语言来完成闸门控制，从而设计出控制模型，实现以机器代替人对闸门进行自动控制的目的。

3.2.2 第二总分水闸群闸控制设计原理

第二总分水闸闸控系统主要是对西调分水闸(4孔节制闸控制东岸干渠、2孔进水闸控制西调渠的水量分配)和十八公里闸(西调4孔节制闸控制东岸干渠的水量到达十八公里闸后由7孔闸控制4个渠道的水量分配)的闸门启闭，实现两处分水闸的联动闭环控制，达到分配水量的精度。

根据现场操作人员的经验，选择它的闸前段作为形式上的供水水库，供水水库水量通过上游渠道来水补充，通过设置某渠道为调节渠，实现闸前水位的变化，从而控制供水水库水量大小满足灌区用户的需水要求。同时，在闸后渠道某位置设置水量计量设施，实现灌区用户对需水水量分配精度的要求。其具体的控制过程为:根据调度中心指令，灌区用户水量有需求时，通过断面水量计量设施反馈回来的水量，对比调度指令判断用户需水水量的增大或减小，通过调节渠，控制闸前水位的变化，实现供水水库水量满足用户需水水量的变化，预设闸门每上升或下降一定高度，渠道水量就变化一定值，从而使该渠道的水量发生变化，当现场计量设施检测出水量反馈到控制计算机时，计算机就会根据调度指令和反馈检测水量的误差作为用户需水信号输入，再次以闸门开度增量为输出。逐步调节闸门的启闭开度使渠道水量逐渐接近调度指令，并保持在调度指令的一定范围，实现稳定控制。可见，闸门控制系统可工作在闭环状态。系统控制原理见下图。

控制系统原理图

模糊控制算法的输入量为流量误差，即

式中 y(t)—渠道实际流量;

yq(t)—期望的流量。

假设某渠道供水流量指令值为a(a值必须小于渠道最大允许流量)、用户设定的流量控制精度为b，则该渠道的流量控制范围为［a－b，a+b］。输出控制量用以调节闸门的开度，根据操作人员实际经验，预设闸门开度差值量后，选用启闭机开启时间作为具体的输出控制量，同时根据闸位计的反馈信息对闸门开度进行精确控制。控制算法采用增益算法，即一定时间闸门开度为一定值后，使渠道的流量控制范围逐渐达到［a－b，a+b］。同时，对于多孔闸门考虑闸门优先开启次序、现场运行经验、闸前安全水位等问题，实现对渠道水量的快速、准确控制。

4 运用效果

新疆玛纳斯河灌区第二总分水闸闸门自动化控制系统按“无人、少人值守”原则进行总体设计，闸门自动控制权限分为手动控制级、集中控制级、远程自动控制级和远程调度控制级。系统采用模糊控制技术开发了群闸控制软件，以检测渠道流量与指令流量的变化，通过演算模拟出闸门开启高度，逐渐接近指令流量的一定范围值，并保持在指令流量范围的稳定状态。系统经过运行，实现了灌区供水的大型群闸的远程指令流量自动调节控制，其精度误差值为指令流量值的±1%～±7%。下表列举的是一段时间各渠道在调度指令情况下，通过远程闭环自动控制达到的分配水流量准确率，其误差值不超过±7%。

新疆玛纳斯河第二总分水闸闸门自动化控制系统配水准确率记录表 2007年7月

5 结语

第二总分水闸自动化控制系统综合考虑了现场实际情况及多种影响因素，实现了渠道指令流量的自动控制。在实现群闸自动控制的同时，还多方面考虑到安全保护的要求，本系统中安全保护考虑到渠道中的漂浮物发生卡阻时实现机电设备自动停机，保障工程安全运行。因此在闸门自动控制中就采用了电机拖动设备多级保护设计:该系统中采用硬体的三层保护，即电流过热继电保护器、闸门限位开关保护器、快速过流保护器;软体的一层保护，即过压过流保护。现场实际运行结果表明:利用模糊控制技术避开了传统的建立被控对象的繁琐数学模型，依靠人类智慧和操作思维进行自动控制，对灌区群闸自动控制开辟了一种实用有效的控制方法，值得在灌区群闸自动控制中推广应用。