渠道自动化控制系统及其运行设计研究

刘扬扬

【摘要】近几年来，随着我国现代化程度的日益加深，各行各业的自动化控制系统已经进入了我们的生活，所以我们有必要对渠道自动化控制系统及其运行设计进行深入的了解和研究。在当今地下水位越来越低的状况下，只有通过深入的研究渠道自动化控制系统才能提高它的自动化成效，方便大家的生产、生活，保证渠道自动化运行的效率，达到合理用水、节约用水的效果，也使自动控制系统得到长足的发展。

【关键词】渠道自动化；控制系统；设计；方式；注意事项；发展前景

一、渠道自动化控制系统及运行设计的涵义

渠道自动化控制的运行设计方式应该本着与各时段的水量、水位的稳定性、流量的变化等相契合的目的而进行设计，也就是说渠道自动化控制设计的对象，是针对水深的变更、水量的变更等范畴以内，不能影響其渠道的稳定性。而自动化控制系统主要是通过加设调和节制阀来实现，可以在拟定好的时段内，用它来调控水闸的开关程度，达到自动化控制的目的，所以渠道运行控制系统自动化的设计既要考虑渠道水力运行的特性，更重要的是要根据它的这种特性去选择合适的闸门控制器。

二、渠道自动化控制系统及其运行设计的方式

渠道自动化控制的本质意义就是要实现渠道在非恒定流计算和控制算法设计的有机组合，其目的就是要控制整个的输水渠道，而各个渠道不同所采用的控制方式也就不一样，比如说北疆某输水干渠工程为Ⅱ等大（2）型工程，起点渠底高程556.798m，干渠向东沿山前冲积扇中下部布置，跨越阿拉哈克河、克木齐河、苏海提河、克兰河，经阿克吐木苏克台地南缘下部向东最终汇入额尔齐斯河，末端渠底高程541.496m，i=1/10000，渠线全长112.393km。输水干渠设计流量为55m3/s，设计年引水量9.5亿方。此工程采用明渠输水的系统方式，这个系统是个复杂的水力网络系统，它需要大量的控制器来控制其整个渠段的水位振荡及波动，以此来保证它的稳定性。具体的设计方式有：PID控制、扰动闸门控制、人工智能控制等等。

1. PID闸门控制器

随着科技的不断进步，渠道自动化控制系统中也运用了微处理器，因为PID可以对其进行连续而稳定的调节，所以它的应用在渠道闸门控制系统中得到极大的推广，然而PID控制器的核心是参数的确定，因为参数的选择会直接影响到控制器的使用效果，一般这个参数都是采用试算法来确定的，它的缺点就是因为渠道的各个时段的运行状况是不一样的，所以参数也应该随其而变化，这个试算法的工作量是巨大的，而且参数的不变性也消除不了自动化控制中产生的误差，不能准确的对渠道各个时段的运行状况进行有效的设计，因而对PID架构设置了在线调整，添加了自适应特性的神经元，缩小了渠道内的水位超调和所耗费的反应时间。

2. 扰动闸门控制器

因为所有的水流都具有其不稳定性，即使把节制阀的开度调的再怎么精密，仍旧适应不了渠道水面线的变化，这就需要一个动态的自动化控制系统来应对。所以只有设计出的渠道体系有整合多重的输入，涵盖多重的变量，才能应对永无定型的水态。而这种扰动闸门控制器，就是根据其特点，考量了渠道的各种态势下的真实速率，而进行的运行设计方式，这种控制器有效的整合了渠道内的段落容量，为渠道自动化控制系统的发展迈出了一大步。

3. 人工智能控制器

上面所提到的PID控制器以及扰动闸门控制器，都没有脱离出预设的对象描述，而渠道水流所具有的多扰动、大滞后、非线性等特性给这些控制系统带来很大的苦恼，因为在这种情况下，要建立精确的控制模型是特别困难的，而人工智能控制器的自动化控制系统在渠道各个时段，复杂多样的情况下可以有效的避开这种数学建模，这就在很大的程度上化解了水态的这种非线性所特有的随机扰动，使自动化控制系统的运行设计更加的具有实效性。虽然目前我国的人工智能控制的自动化研究还不十分的成熟，但如果能把人工智能和渠道的运行模式有效的结合起来进行控制的话，一定会有助于科技工作者对渠道控制的非线性和随机性规律的研究。

三、渠道自动化控制系统及运行设计的注意事项

1. 水力模型的非线性

所有的设计都不是完美的，所以在渠道自动化控制系统的设计中要注重水力模型所特有的非线性。这是水力模型中的难点之一，渠道自动化控制系统中水流过渡过程所表现出来的是一个双曲线所建构的方程组，至今还没有得到解析，而控制水流的节制阀应该被设计成为动态调节的，所以要注意的是，在整个自动化系统运行设计中的各个环节都应该是相互关联的。

2. 水流动态的多维性

因为水的不恒定性，所以渠道槽体内的调整流程——节制闸，是整个过程中的关键，而渠道各个时段的水流及水量并不单纯的对应关系，产生这种多对应关系的根本原因就是非恒定过渡过程中的水力坡度，渠段涨水时与落水时的水流反应是不一样的，它涵盖了许多的数据，而要在这多维属性下使渠道自动化控制达到应有的效果，单单靠节制阀是不行的。

3. 不确定的扰动

只要水在流动就会产生扰动，而这种扰动也是不能确定和阻止的，只能选取算法，依循它的侧重点去描述出渠道的大致模型，这种模仿而抽象的模型一定会与真实的水流状态存在一定的差异，所以在这种态势下，要想达到合理的自动化控制，使其稳定运行，就必须提高控制器的特性。

四、渠道自动化控制系统及运行设计的发展前景

上述所有的种种，都已经表明，我国目前的所有的对渠道自动化控制的运行设计都还处于初级阶段，没有对水流的特性及渠道潜在的扰动做出完整、准确的考量，对于多重的数据其控制器还是控制不了的，所以在未来的发展阶段，需要从事渠道自动化控制系统及运行设计的技术人员要把线性架构下的非恒定误差压缩到最低值，对于一些不能控制的变量数据能进行实时的监测，尽量做到自动化控制的结果能与真实的情况相似，方便大家的使用，也为国家节约水利资源。

1. 改变控制方式

我国现在的渠道自动化控制方式大多是对于水位、流量的监测，可以把这种方式改变为更加精确的对流量及流量速率的控制，这样就能减小水位非线性化、非恒定的一些误差。例如，我们现在一直用控制容积的方式来控制它的流量，而现实中我们并不能控制住水体的形态体积，只能通过节制阀来控制渠段的儲蓄量，如果把这种方式改变为对过闸时的流量及流量变率的监测，所得的数据会更加接近真实值。

2. 经验控制与模型控制相结合

从以上分析可以看出，单输入或单输出的模式是不存在的，针对这种复杂的数据以及不能确定的参数，只有把各种经验的控制方式与模型控制合理的融合起来，就一定会取得意想不到的效果，这也是未来自动化控制中的一个发展方向。

3. 长距离大规模渠道的控制

对于象北疆某输水干渠这样的大型工程建设，一定要保持水量的一致性，系统需要采用中央监控的模式，然而，因为这样的工程所跨的区域较广，要采用中心监控的方式困难也会较大，所以可以退一步采取分级控制、多层监控的方式来进行控制，这样层层在线控制，可以发挥渠道各渠段的灵活性。

五、结束语

综上所述，渠道自动化控制系统的运行设计需要从渠道的长距离、大规模、架构复杂、水流不稳定等等特性出发，创设新颖的自动化控制系统，整合人工智能网络、模糊情景下的PID等等技术方式，设计出符合我国实际发展需要的渠道自动化控制系统，虽然我国当前的自动化控制系统起步不太晚，但发展却比较缓慢，但相信，只要在不断的调查和研究中进行自我完善，自我探究，总结经验，吸取教训，就一定能使我国的渠道自动化控制系统及运行设计达到它的实效性，达到世界的先进水平，为我国的发展和建设起到推动性的作用。

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