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渠道输水系统自动化控制技术研究 水力学研究所 崔 巍、陈文学、穆祥鹏 1调研背景概述 渠道是调水工程和农业灌溉排水系统用于输水配水的主要工程结构形式，与管道相比较，它具有结构简单、成本低廉、维护方便等优点，因而在世界范围内得到广泛应用。渠道输水系统自动化控制技术（简称渠系自动化技术）是自动控制技术与明渠水力学的有机结合，通过按照一定的规则控制闸门、分水口、泵站等渠系设备，根据用户的要求适时、适量地供水，减少工程建设费用，避免水量浪费，降低运行管理成本，从而实现渠道输水系统高效、经济地运行。 国外渠系自动化技术的研究始于20世纪30年代，由法国Neyrpic公司研制出一系列的水力自动闸门和自动化装备开始。其研制的水力自动闸门（Avis/Avio闸门）许多仍在运行中。二战之后，国外进一步发展了利用电气控制的渠系自动化控制设备，充分利用了电气讯号传输速度快的特点，提出了一些新的控制方式，并发展了相应的数学模拟技术，如美国垦务局开发的Little-Man Golvin控制器等。20世纪60年代后，随着科学技术的飞速发展，尤其是通讯、电子技术的飞跃及计算机技术的广泛应用，提出了一些渠系控制算法并编写了相应的软件程序，并开发建设中央自动监控的灌溉系统，其中比较著名的有法国的普洛旺斯灌区、美国的“加利福尼亚输水道”工程等。有些渠系的控制工程已做到无人看管，达到了很高的现代化管理水平。一些专业的渠系自动化监控系统，如美国的SacMan、澳大利亚的TCC（Total Channel Control）、法国的SIC（Simulation of Irrigation Canals）等正在朝商业化应用发展。 国内渠系自动化技术的研究与应用较为滞后。20世纪70年代起，一些灌区开始装备水力自动闸门，在湖南、湖北、广东的部分灌区得到实验应用。近年来随着大量调水工程的兴建，先进的信息化监控技术得以应用。如引滦入津工程于2002年开始管理信息系统的建设，引黄济青工程于2003年实现了部分计算机监控，景泰川调水工程于2005年完成了调水工程的信息化建设，北疆调水工程于2000年实现了信 179 息化管理，计划于2014年建成通水的南水北调中线工程设计采用以闸前常水位运行方式为主的自动控制方式。整体看来，国内调水工程的自动化更多体现在硬件水平和办公信息化方面，多数还未引入渠系控制算法，距离真正意义的渠道运行控制自动化还要相当一段距离。 渠道输水是个复杂的非恒定流水力过渡过程，需要在满足各类运行约束条件下，应对一系列控制难题。其中主要的运行约束条件包括：将水位维持在设定的上下界限之间，以防渠堤漫溢；将渠道的水位变化速度限制在一定的范围内，以防渠道衬砌的损坏；将闸门的开启速度和变幅限制在一定范围之内，减少闸门的操作，避免损坏；优化泵站机组的运行方式，以减少能耗和维护费用，适应维护计划等。从渠道运行控制的角度看，渠道运行控制需应对的控制难题有： （1）强非线性问题。描述明渠非恒定水流运动的圣维南方程组是双曲型非线性偏微分方程组，渠道上的闸门、分水口、堰等结构的水力关系也都是非线性的。强非线性对渠道控制模型的构建、堰流孔流分界点计算等提出了难题。非线性还增加了闸门控制算法参数鲁棒性的要求，需要保证控制系统在不同工况下具有一定的稳定性和精确度。 （2）强扰动问题。渠道运行过程存在各种来自系统内外的已知和未知的扰动，如分水口流量变化、闸门启闭、风浪、局部暴雨、操作失误等，使渠道控制指标偏离目标值，渠内流量水位波动，影响系统的稳定性和分水计划的实现，严重时可能会影响输水系统的运行安全。闸门控制算法作为渠道运行控制系统的核心部分，应能够快速有效应对各种扰动对渠道系统的影响，在满足金属结构和机电设备控制要求的前提下，尽量降低操作成本。 （3）强耦合问题。当渠道由闸门群控制时，存在着闸门控制作用的相互耦合的问题。单个闸门的操作，会引发相邻多个渠池内水位流量的变化，当有多个闸门参与操作时，它们的控制作用会彼此影响，相互叠加，使系统的水力响应特性变得十分复杂。耦合作用会增加控制器参数的整定难度，并可能恶化控制器的控制性能。耦合作用还会带来不必要的闸门操作，引发水面持续波动，使控制系统长时间难以稳定，增加渠道运行维护成本。在某些工况下，耦合作用甚至会引发水位误差逐渠池放大，水面发生持续振荡，导致堤岸破坏事故，严重影响工程的安全运行。 （4）大滞后问题。与管道相比，渠道控制过程存在严重的时间滞后。渠道水流 180 通常为明渠非恒定流，以浅水波的形式运动，流速通常只有数米每秒，下游响应滞后于上游变化。以我国在建的南水北调中线工程为例，其干渠长约1270公里，若采用自流方式，水从丹江口水库到达北京需两周左右，供给严重滞后于需求。因此需要研究主动的控制方法，保证适时适量供水。当前，渠道输水系统自动化控制技术的研究进展，主要集中在控制过程仿真和模型试验、渠道控制建模、闸门控制算法、闸门群控制技术等方面。针对具体的工程，需根据其结构特点、运行性能要求、约束条件等，选定最适合的运行方式，在此基础上，进一步开展控制建模、闸门控制算法设计、控制参数整定与优化等工作。对于某些工程，可能还存在多种运行方式同时并存、多种闸门控制算法切换等问题。对于高纬度、高海拔地区的调水工程，可能还存在的冰期输水问题，需结合冰水力学理论和特定的运行控制约束条件，确定运行控制技术。 2选择本专题进行调研的原因、必要性及意义 实现渠道运行自动控制，是提高调水工程输配水效率，保障输水安全的重要措施。水资源的紧缺使得我国城市用水的矛盾越来越突出，干旱缺水越来越成为制约社会经济发展的瓶颈之一，跨流域调水将成为21世纪中国水利的一大特点。据统计，我国669座城市中有400座供水不足，110座严重缺水（杨立信，2003）。随着我国城市化进程的加快，通过跨地区、跨流域的调水工程解决城市用水的要求日益迫切。当前我国的供水工程供水方式还处于计划供水、人工控制的阶段，由渠首按计划引入流量，流量的变化由渠首控制，这一流量变化以波动的形式从上游传到下游。这种运行控制方式实质上是一种上游运行方式，在运行上缺乏必要的灵活性，难以作到适时、适量供水，或导致供水不足，或导致渠道弃水。 实现渠道运行自动控制，是实现节水农业的迫切要求，是灌区现代化管理的重要内容。我国的人均水资源拥有量居世界第109位，水资源严重短缺。在我国农业用水占总用水量的80%以上，渠系是其主要的输水方式。目前灌溉系统采用的仍然是传统的劳动密集型管理方式，其供水方式多为人工控制的方式，存在不少弊端，表现在（1）大多采用人工操作，操作笨拙，信息传递、反应极为缓慢，需要大量有经验的操作、管理人员，年运行费用高；（2）水量难于准确控制，容易造成经常出现大量弃水或供水不足的现象；（3）水资源利用率低，浪费严重； 181 （4）易产生环境问题，如土壤盐碱化和土壤板结等；（5）管理上人为因素多，以及由于水量供应的不及时、不合理和不公平，农民相互间及农民与灌区管理机构间易产生纠纷。 渠道运行自动化与传统的方法相比具有如下优点：（1）对渠系流量的经常变化可以作出迅速反应；（2）可根据分水计划实现灵活调度；（3）渠道流量可以天或小时为时段调节，以适应渠侧出水口配水量变化；（4）对突发的或没有预报的渠侧配水量的变化或暴雨形成的洪水流入渠道做出及时响应。因此，渠系运行自动化控制是调水工程安全高效输水的重要保障，是农业现代化的重要标志，选择本专题调研，具有十分重大的现实意义。 3近年该专题发展新动向和值得关注点 3.1本专题发展的新方向和值得关注点 3.1.1明渠系统控制建模 渠道系统控制模型是分析其控制与响应特性、设计控制算法的基础。自上世纪30年代起，国外学者基于明渠非恒定流数学模型，应用数值分析方法、自动控制原理、计算机控制技术等，开发出多种渠道运行控制模型。然而受建模方法、模型精度、应用成本等因素影响，目前只有少数控制模型应用于工程实践。国内在该领域的研究相对滞后，近年来随着引黄济青、南水北调中线等调水工程的兴建，虽然加强了科研投入，但主要是跟踪国外已有研究成果，取得的原创性成果还较少。 渠道控制建模主要采用两类方法，一类是机理分析法，以圣维南方程组为基础，通过线性化、离散化、拉氏变化等数学处理，导出控制模型；另一类是试验建模方法，也称为系统辨识，利用模拟仿真、模型试验或原型观测数据，构建黑箱灰箱控制模型。Malaterre在1998年曾对已有的渠道运行控制模型进行了全面的总结，包括圣维南方程组反演模型、线性圣维南方程组模型、无限阶线性传递函数模型、有限阶非线性模型、有限阶线性状态空间模型等。经过十余年的发展，随着科技水平的进步和渠道运行控制需求的更新，许多模型得到了改进与提高，呈现出新的特点和发展方向。根据它们采用的建模方法与模型的特点，主要分为以下四类。 182 （1）非线性圣维南方程组模型 该类模型为非线性模型，通过离散处理圣维南方程组导出，能够准确表现渠道水流的非线性特性，多用于反演计算（model inversion）和开环控制。代表性的有Wylie（1969）提出的Gate Stroking模型，Fubo Liu（1998）提出的CLIS模型等。2004年Bautista在Gate Stroking原理基础上提出了Volume-compensation方法，该方法被证明是简单、有效且鲁棒的，可用来拟定渠道的闸门操作计划，目前在美国盐河工程上进行测试研究。 由于非线性圣维南方程组模型的数学推导较为复杂，在许多工况下无解或解不收敛，也不便于使用控制理论分析系统的鲁棒性、稳定性等控制特性，更多的学者将圣维南方程组线性化，导出控制模型，运用丰富的线性控制工具分析系统的控制特性，设计控制算法。当前非线性圣维南方程组模型的研究与应用较少。目前尚没有其用于渠道闭环控制的报道。 （2）线性圣维南方程组模型 该类模型采用在工作点附近线性化处理圣维南方程组的方式导出，常用的是状态空间模型。该类模型在上世纪末研究较多，学者们运用现代控制论、智能控制论的控制原理，对渠道的可控制、可观测性、稳定鲁棒性进行分析，设计渠道集中控制算法。代表性的模型如Malaterre（1997）、Reddy（1999）使用有限差分格式线性化处理圣维南方程组得到的集中式状态空间模型，Durdu（2005）应用优化模糊估计理论设计状态观测器，并在闸前常水位运行方式下进行了仿真，结果表明所设计状态观测器在稳定性、简易性方面都优于Kalman状态观测器。 该类模型多以整个渠道为单元建模，便于从整体上分析渠道的控制特性，处理渠池间的耦合关系，实现优化求解。但对于大型渠道，状态矩阵将十分庞大，对计算、存储要求较高，难以做到实时优化与控制。受模型建模过程复杂、计算量偏大等缺点限制，该类模型近年来的研究相对较少。 （3）简化圣维南方程组模型 该类模型以圣维南方程组为基础，通过简化或忽略次要的水力因素进行建模。常见的处理方法是将圣维南方程组线性化和拉氏变换，在频域内分析渠池的主要特征并对模型做简化处理。早期Corriga等（1989）、Ermolin（1992）的模型都属此类。也有学者基于Hayami模型、扩散波模型进行控制建模，这些模型是圣维南方程组在 183 某些工况下的简化。相比较而言，近年来出现的简化模型在适用范围、模型精度等方面有了较大提高。以Schuurmanns（1995）提出的积分滞后（ID）模型和Litrico和Fromion（2004,2005,2007）改进的积分滞后零阶（IDZ）模型为代表。 简化圣维南方程组模型成为近年来的研究热点。该类模型多以渠池为建模单元，具有结构简单，计算量较小，便于实施分布控制等优势，但其在模型精度、适用范围等方面仍需进一步提高。近年来一些学者尝试以该类模型为基础，推导线性状态空间模型，开展渠道的集中控制算法研究。 （4）基于辨识的黑箱灰箱模型 受渠道水流运动的复杂性，以及渠道物理参数变化、量测误差、未知扰动等因素的影响，完全基于圣维南方程组推导渠道控制模型比较困难和复杂，而随着渠道参数的变化（如糙率等），所建模型的精度会在渠道运行一段时间后出现偏差，因此一些学者提出运用系统辨识技术建立渠道运行黑箱灰箱模型。代表性的有Sawadogo等（2000）、Rodellar等（2003）应用Auto-Regressive Integrated with eXogenous input（ARIX）和Auto-Regressive Integrated Moving Average with eXogenous Input（ARIMAX）模型构建的渠道控制黑箱模型。 基于辨识的黑箱灰箱模型近年来发展较快，所建渠道控制模型已能达到较高精度，且模型结构相对简单，适用于自适应控制。由于黑箱灰箱模型不便于分析系统的控制特性，且系统辨识的成本还较高，辨识过程也较为复杂，仍待进一步发展。 3.1.2渠道控制算法 渠道的控制算法是根据输入水位、闸门开度等可测量或预估的参数，按照一定的规则进行逻辑和数值运算处理，并产生闸门运动等输出的过程。典型的控制算法可表示为一系列的数学方程，通过计算机来完成。渠道控制算法的研究已有数十年历史，根据这些算法使用的控制技术，可分为单变量启发式控制、PID控制、预测控制、模糊控制、非线性模型反问题控制、最优控制、鲁棒控制等类别。进入二十世纪，渠道控制算法的研究进展主要集中在PI控制、预测控制、鲁棒控制和最优控制几类。 （1）PID类控制算法 PID类算法属于经典反馈控制算法，具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整 184 方便等优点，在各种算法中应用最广。近年来随着渠道规模不断增大，对控制性能的要求越来越高，传统的PID类控制算法需要加入前馈、解耦、滤波等环节。针对大型渠道系统的集中式PID控制研究开始增多，但其复杂的建模和计算过程使得许多学者更青睐对分布式PID控制算法的改进上。 Schuurmans（1999）提出了一种流量控制与闸门控制相结合的分布式PI控制算法，其参数可基于ID简化模型方便地进行整定。Malaterre（1999）研究了优化方法整定分布式PI控制算法。Seatzu（2002）将状态反馈对角矩阵和H最小范数用于分2布式P和PI控制算法研究。Van Overloop等（2005）研究了多模型优化方法的分布式PI控制器，并在美国Umatilla Stanfield Branch Furnish渠道为对象进行了仿真测试。 上述研究均属分布式PI控制算法，而理论上渠道为多输入多输出系统，因而集中式PI控制算法更为合适有效。不过受集中控制模型建模复杂、参数整定困难等因素影响，该方向开展的研究较少。Clemmens和Schuurmans（2004）基于ID简化模型建立渠道状态空间模型，构建LQR目标方程。仿真结果表明，完全集中式控制以及仅考虑上游所有渠池和下游相邻渠池信息的分布式控制效果最好。Montazar等（2005）以印度Narmada渠道为对象，建立ID简化模型，研究了集中式PI控制算法。 国内针对PI控制算法开展了较多的理论研究，在利用模糊控制、神经网络等新兴理论整定控制参数方面取得一些成果，但在大型渠道控制参数的整定方面成果还较少，一些结论有待物理模型及工程实践检验。崔巍（2005）研究了渠道自调整模糊PI控制算法；范杰（2003）利用权函数研究PID控制与模糊控制的联合作用；韩延成（2007）将小脑模型神经网络CMAC的原理与PID控制相结合，应用于渠道控制。上述研究成果仅进行了单渠池仿真测试。王长德、柳树票（2001）研究了等体积运行方式下的P+PR控制算法，探讨了串联倒虹吸的处理问题；姚雄（2008）研究了闸前常水位运行渠道主动流量补偿前馈方法。崔巍针对闸前常水位运行方式特点，提出了“PI串级反馈控制主动蓄量补偿前馈控制解耦”的控制算法。 （2）最优控制算法 渠道最优控制算法是以渠道系统性能指标（通常是水位波动和闸门操作量的加权函数）最优为求解目标的反馈控制算法，在上世纪90年代一度成为研究热点，主要用于渠道集中控制方式研究。该算法使用状态空间模型，针对整个渠道建模，因 185 而理论上其控制效果优于分布式控制算法，然而受状态空间模型建模复杂、计算存储要求高等因素影响，尚未见到工程应用实例，近年所受关注大大减少。该类控制算法主要是线性二次最优控制算法和线性二次调节器算法。 Malaterre（1998）研究了渠道线性二次最优控制算法。该算法具有模型状态变量和矩阵规模大的缺点，且仅能用于缓流渠道。Reddy和Jacquot（1999）应用线性二次最优控制理论开发了比例积分控制算法，发现在等体积控制方式下，当地控制算法同集中控制算法性能接近，而在常水位运行方式下，当地控制算法性能明显下降。Durdu（2005）采用模糊控制方法，为线性LQG控制算法开发了状态观测器，并与传统的Kalman观测器进行了比较，结果表明其状态观测器具有更好的稳定性，且容易实现。 国内在该方向以理论研究为主，上世纪八十年代末中国水利水电科学研究院曾以引黄济青渠道为对象，开展了最优控制算法理论与试验研究（郭军，1988；王念慎，1989），但受多种因素限制，未进行工程测试。近些年国内研究者跟踪国外进展，陆续开展了些理论探讨工作，但未见新的物理模型试验或工程应用报道。阮新建（2002）基于有限差分格式推导出渠道的状态空间模型，设计了渠道二次最优控制算法及Kalman观测器，分析了渠道的可控性可观测性等特性；阮新建（2003）还研究了渠道离散状态空间模型，设计出离散时间系统的最优控制算法，使其更为实用。崔巍（2007）尝试应用最优控制理论，研究调水工程中的时间滞后和耦合问题。通过建立渠道运行二次性能指标，求解出闸门最优调度方案。 （3）模型预测控制算法 受渠道水流运动特性影响，精确地建立渠道运行控制模型较为困难，因而近些年发展起来模型预测控制算法逐渐成为研究的热点之一。在工业界，模型预测控制算法是除PID外应用最广的控制算法。近年来，渠道预测控制算法研究主要集中在约束预测控制、线性化圣维南方程组模型预测控制、自适应预测控制等方面。研究以理论分析和数值仿真为主，部分成果在试验渠道上进行了测试，但尚未见到工程应用（2007）。 多位学者开展了分布式预测控制算法研究。Gómez等（2002）采用Muskingum模型和蓄量模型预测各渠池水流的动态变化。Akouz等（1998）研究了渠道广义预测控制算法（GPC），检验其在克服渠道系统时间滞后和非线性影响方面的效果。Rivas 186 等学者（2002）开展了自适应预测控制算法研究。 Malaterre和Rodellar（1997）开展了渠道集中预测控制算法研究。他们采用Preissmann格式将圣维南方程组线性化处理，得到线性状态空间模型，并设计了Kalman观测器。研究表明随着预测时域的增大，控制算法作用范围随之扩大，由当地控制向集中控制过渡。 部分学者在研究中考虑了执行机构和渠道运行过程的约束条件。Rodellar等（2003）研究了包含闸门最大开度、闸门运动速度等约束条件的预测控制算法。Wahlin（2004）研究了约束条件对模型预测控制算法性能的影响，表明模型预测控制能够达到与集中PI控制相当的控制效果，但加入闸门运动约束条件后性能下降明显。 国内对模型预测控制算法的研究以模拟仿真为主，个别进行了试验测试，研究对象涵盖了常见的多种预测控制算法。王长德、郭华（2005）研究了等体积运行单渠池的动态矩阵控制算法；安宁（2003）研究了基于参数模型的广义预测控制算法，在一小型试验装置上进行了测试；崔巍（2005）尝试将模型预测控制算法应用于多渠池控制，从圣维南方程组中导出状态空间离散模型；范杰（2006）采用系统辨识方法建立了渠道内模控制模型，与PID控制相结合形成复合控制系统。 （4）鲁棒控制算法。 渠道几何参数的误差、工作区变动、风浪扰动等因素都会导致渠道数学模型存在不确定性。利用鲁棒控制理论，可以设计出固定不变的控制器，并维持一定的控制品质，包括系统仍相当稳定，动态性能满足要求，外加干扰的影响有限等。虽然鲁棒性问题近些年来受到较多的关注，但针对渠道开发出的鲁棒控制算法还较少。 Litrico和Georges （1999）研究了两种渠道鲁棒控制算法，分别是史密斯鲁棒预测控制算法和鲁棒极点配置控制算法。Litrico（2001）基于内模模型开发了一种鲁棒控制算法，用于法国Gimone河项目研究。仿真结果表明，鲁棒控制效果明显优于过去采用的半人工控制方式。除了开发鲁棒控制算法，许多学者（Seatzu，1999；Litrico，2007）应用鲁棒控制理论于各种控制器的设计与参数整定方面。 国内近些年较为重视鲁棒控制算法的研究，取得了不少成果，但所开发算法距离实际应用还有一定差距。管光华（2005）研究了鲁棒控制算法线性矩阵不等式设计方法；管光华（2008）还研究了渠道状态空间模型不确定性的描述与度量，将线性化模型作为标称模型，得出模型不确定性的定量描述。尚毅梓、吴保生等（2008） 187 基于状态空间模型频率设计方法，完成了串联多渠池渠段自适应控制算法的设计和测试。尚毅梓、吴保生等（2009）研究了基于有限状态空间模型的鲁棒控制算法，具有良好的波动抑制能力。 3.1.3渠道控制解耦 渠道运行过程中，存在着闸门的控制作用相互耦合的问题。单个闸门的操作，会引发相邻多个渠池内水位流量的变化，当有多个闸门参与操作时，它们的控制作用会相互叠加，彼此影响，使总的水力响应特性变得十分复杂。耦合作用会增加控制器参数的整定难度，并可能恶化控制器的控制性能。耦合作用还会带来不必要的闸门操作，引发水面持续波动，使控制系统长时间难以稳定，增加渠道运行维护成本。在某些工况下，耦合作用甚至会引发水位误差逐渠池放大，水面发生持续振荡，导致堤岸破坏事故，严重影响工程的安全运行（Schuurmans，1997）。 早期的渠道规模不大，主要采用就地自动控制方式，人们对耦合问题认识不深，开发的闸门控制算法都未加入解耦处理。上世纪70年代，美国加利福尼亚输水道、中亚利桑那调水工程等大型输水工程建成，采用了先进的中央监控控制方式。受当时计算机硬件条件所限，解耦算法的开发以明渠恒定流计算为主，非恒定流计算为辅，采用的是流量、蓄量补偿的方式。进入上世纪90年代，随着现代控制论、预测控制论等控制理论的发展，许多学者将其应用于闸门控制算法的研究。这一时期代表性的闸门控制算法有线性二次调节算法（LQR）、线性二次高斯调节算法（LQG）和模型预测控制算法（MPC）等。这些算法针对整个渠道建模，闸门按内部边界条件处理，通过更改模型矩阵中特定位置元素的值，就可以对渠道进行解耦（Malaterre P.，1998）。由于建模复杂、模型精度要求高、计算量大，这类控制算法及解耦技术尚未应用于工程实际（A. J. Clemmens，1999）。 近年来，数据采集与监视控制系统（SCADA）开始广泛应用于渠道控制中，闸门控制算法随之呈现出“决策集中、控制分散”的发展趋势。为便于工程应用，这些算法力求简单、实用，常以简化控制模型（Schuurmans，1995；Litrico，2004）（以Integral Delay模型为代表）为基础，并采用比例积分（PI）控制算法。许多学者对此类闸门控制算法的解耦问题进行了研究。Schuurmans（1992）通过分析渠道的传递函数模型，发现渠池间存在或强或弱的耦合关系，但他并未给出衡量耦合严重程 188 度的指标。通过仿真他发现前馈补偿可以在一定程度上降低耦合作用，并设计了Decoupler 1和Decoupler 2两个解耦算法，分别用于上、下游方向的解耦。Schuurmans提出的解耦方法受到多位学者关注，Clemmens（1994）和Wahlin（2002）分别在不同渠道上对上述算法进行了测试，证明解耦作用明显，但同时发现Schuurmans推荐的解耦系数并不通用，需重新选取。他们以及后来的学者都使用试错法，根据数值仿真效果的比对进行参数寻优，试错方法虽然有效却比较繁琐和费时。Clemmens和Wahlin还发现加入解耦算法后原有控制器有偏于不稳定的趋势，主要表现在水位过程不再平滑。他们通过调整解耦系数控制了这种失稳趋势，但并未从机理上作深入的分析与探讨。Schuurmans的解耦方法在上游方向比较有效，下游方向则不太理想。为此Deltour（1998）、Acharya（1999）等学者尝试采用了新的解耦途径，即在Schuurmanns方法的基础上将闸门算法变换为闸门流量算法，通过增设流量控制器，降低下游方向的耦合作用。然而该方法的解耦效果很大程度上依赖流量控制器的精度，且结构相对复杂，有待深入研究。 国内对闸门控制算法及耦合问题的研究相对较晚，较多是跟踪国外研究进展。王长德、阮新建等（2004,2005）运用模糊神经网络、鲁棒控制、最优控制等理论，研究渠道控制模型和多闸门控制算法；郭军、王念慎等（1998）以引黄济青渠道为对象，基于Corriga.G推导的状态空间模型，采用数值仿真和物理模型试验的手段研究了等容量运行闸门控制算法；崔巍（2005,2006）基于最优控制理论研究了二次最优闸门控制算法，并尝试采用预测控制理论解决渠道运行中存在的耦合、大滞后问题。上述学者从多输入多输出控制系统的角度研究控制算法，研究方法有助于分析控制回路间的耦合机理，但由于模型结构比较复杂且没有考虑控制约束的影响，研究成果有待进一步完善。吕宏兴（2002）研究了渠道闸门调控过程中的非恒定流问题；韩延成（2006）基于小脑神经网络理论研究了具有自调整能力的、稳定的PID渠道输水控制器；方神光、吴保生（2007）通过非恒定流数值仿真，就闸门时序控制算法进行了探讨；刘德有、吴泽宇（2006）提出了调度区间的概念，研究了最优限水位实时控制原理及设计。但是，这些研究很少涉及闸门控制的耦合问题。 3.1.4渠道控制参数整定 对于明渠输水工程，控制参数整定是其控制系统设计的核心内容之一。由于渠 189 道的糙率、断面尺寸、闸门过流系数等参数均存在不确定性，而且随着季节轮换、泥沙淤积、水草生长，这些参数均在不断变化中。因此，控制参数的整定十分关键，直接关系着控制性能和渠道运行安全。不佳的控制参数会导致水力过渡时间变长，水位流量波动增大，甚至出现持续振荡，发生漫堤垮堤事故。在渠道控制领域，绝大多数应用的控制算法是PI算法（Burt，2004），具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点。近年来其参数整定主要在以下方面取得进展。 （1）经验试算法（trial-and-error）。 该方法属于简单的经验方法，多用于简单的小型渠道的控制系统。该方法不依赖于渠道的数学模型，而是利用仿真软件（如CanalCAD、SIC等），依照设定的性能指标，如水位超调最小、稳定历时最短等，通过大量的测试，整定出最佳控制参数。ELFLO + RESET算法的参数整定即是如此，以水位波动的大小为指标，依靠工程师的经验仿真确定（Buyalski，1979）。Wahlin（2004）在ASCE test canal 1上研究PI和PI+解耦算法时，采用的是类同的手动整定方法。Burt（1998）在整定Highline渠道控制参数时，先是确定比例、积分系数的合理取值范围，然后逐对扫描寻找出最优组合；崔巍（2005）尝试引入模糊控制理论，根据水位偏差和水位偏差变化率的实时变化趋势，整定PI控制参数；韩延成（2007）尝试将小脑模型神经网络CMAC的原理应用于PI控制参数的自适应学习与整定。 （2）理论计算整定法。 该方法属于传统的主流的整定方法，基于渠道的数学模型（包括辨识模型），利用根轨迹法、频率特性法、衰减频率特性法等自动控制理论进行整定，自动控制领域的方法基本都得到了应用。Schuurmans（1999）基于圣维南方程组导出积分滞后模型（ID模型）及其传递函数，在频域内设定相位裕度与增益裕量，进行PI算法参数整定。Overloop（2005）基于ID模型，以水位偏差与闸门操作量为性能指标，采用多模型优化法整定PI控制参数。该方法的优点是可适应大范围的工况变化，缺点是计算时间长，且求解可能出现困难。Seatzu（1999）基于圣维南方程组导出渠道状态空间模型，将状态反馈对角矩阵和H2最小范数用于PI控制参数整定。Litrico和Fromion（2006）基于渠道积分滞后零阶模型（IDZ模型），应用鲁棒控制理论，提出可设定相位裕度与增益裕量的PI控制参数整定方法。Weyer（2002）采用系统辨识的方式得到Haughton渠道的一阶非线性模型，采用频域特性法整定PI控制参数。由 190 于采用人工整定方式，较为费时。Su Ki Ooi（2008）采用数值仿真与系统辨识相结合的方式，得到渠道的一阶非线性模型，根据设定的相位裕度与增益裕量进行PI控制参数整定。由于在多个环节引入了经验公式，其整定效率较高。范杰（2006）基于渠道内模控制模型，采用神经网络方法优化整定PI控制参数。 （3）在线整定法 在线整定法近年来受到广泛关注，法国Cemagref在该领域居领先地位，部分成果已经嵌入SCI监控软件系统。该类方法属于理论基础上通过实践总结出来，试验与整定公式相结合的方法。一般包括两个内容, 一是过程特性的获取, 二是整定公式的计算。一般说来, 需要在线试验获取过程的特性，而整定公式的计算在线离线均可。常用试验方法有连续循环法、继电反馈法、阶跃测试法等，常用整定公式如Ziegler-Nichols公式、Astrom-Hagglung公式等。Xianshu Piao（2005）采用了数值模拟方式，利用连续循环法获取渠道的谐振峰值和谐振频率特性，结合Schuurmans（1999）的方法整定参数。Litroco（2007）采用Auto-tune Variation法辨识渠道ID模型，并在线整定PID类控制算法参数。 3.1.5冰期渠道运行控制研究 冰盖下输水是高纬度地区渠道冰期运行的主要方式，通过形成稳定冰盖，让水体与大气隔离，使输水在冰盖下完成。近些年，随着高纬度地区大型长距离调水工程的兴建，冰期渠道的运行控制越来越受到人们的重视。在冰盖形成期和开河期，冰情演变所引起的渠道阻力变化会引起渠池输水流量和水位发生大幅变化，若不加以控制，则无法保证冰盖稳定，严重时将导致渠池冰盖破碎，引发冰害。因此，在冰盖形成及消融过程中, 采取合理的运行方式和水力控制措施，使渠道中的各节制闸、泵站根据冰情和水情进行水位、流量的调控，保证冰盖的稳定和用户分水计划的实施，是实现渠道冰期安全运行的关键，也是管理人员非常关心的重要问题。 随着冰水力学理论的发展，以及河流、渠道冬季运行管理经验的积累，人们在冰期输水方面已取得了不少理论成果和宝贵经验。俄罗斯、北欧的运河和渠道，我国的引黄济青、京密引水、引黄济津、引滦入津等工程积累了不少成功的冰期运行经验（杨立信，2002；宋杰，1998；王大伟，1996；李善增，1992）。如在关键部位设置拦冰索，即可防止流冰撞击建筑物，又能促进冰盖形成；冰期来临前，利用节 191 制闸抬高运行水位、降低水流流速和佛汝德数，可形成促进冰盖形成的水流条件，一般为了保证冰花在冰盖和拦冰索前缘不下潜，避免冰塞的形成，通常要求渠道断面平均流速控制在0.40.6m/s以下，水流佛汝德数应小于0.07 0.09（Shen，1986；Sun和Shen，1988）。引黄济青工程根据多年的冰期输水运行经验，得出冰期保证冰盖稳定的水力控制条件，即水位的变幅每小时不得超过15cm每天不超过30cm（王大伟，1996）。天津大学（2010）采用真冰上拱试验以及冰盖稳定性的有限元计算，分析了不同冰厚条件下的保证冰盖稳定的最大允许水位上升幅度。这些研究成果为冰期渠道的水力调控提供了依据。 在冰期输水水力调控方面，国外主要是通过水库对冰期河流实施流量调节，在冰盖形成期保障水位、流量和冰盖的稳定，同时防止水位壅高过大威胁堤防安全，在开河期槽蓄量释放时，减少河流的下泄流量，防止下游武开河的发生。Andres（2003）基于现场观测的结果，描述了开河所造成的槽蓄量释放的水流过程。Beltaos（2005）研究了槽蓄量释放的水力特性，及其对下游冰盖稳定性的影响。Tuthill（1999）总结了冰期河流的流量调控方法，提出了利用电站控制河流水位的指导原则。加拿大阿尔伯达省的能源及环境管理局（2007，2009）在Peace河进行了多年现场试验，通过在结冰期和开河期控制Peace河上游的电站泄量来降低凌汛灾害的风险。我国科研工作者在黄河防凌研究中通过多年研究，也总结了一套水库防凌调度的运用原则（张志红等，2008），例如为防止开河期槽蓄增量的突然释放，提前减少水库泄量，必要时全部关闭水库闸门等。在该原则的指导下，黄河干流的刘家峡、万家寨、三门峡、小浪底分别承担起相应河段的防凌任务，大大减轻了黄河的凌情形势。但从当前河流冰期流量调控的现状来看，流量调控时机的选择需要依赖气温、流量、融雪径流的预报结果，以及数学模型对封、开河过程预测的正确性。气温预报及开河预报中存在的不确定性，会在一定程度上影响流量调控的效果，甚至出现预测失误，调控不及时的情况（Martin Jasek，2007）。穆祥鹏，陈文学等（2010）对长距离输水渠道的冰期运行控制进行了有益的探索，针对渠池内的冰盖演变特性，提出了渠道在结冰期应采用闸前常水位的运行方式，以保证结冰期冰盖的稳定；提出冰期渠道采用水位-流量串级的反馈控制方法，该方法不依赖于气象和冰情的预报精度，能够适应气象和冰情的复杂变化，通过对南水北调中线工程黄河以北干渠的冰期输水数值模拟表明，采用水位-流量串级反馈控制后，在结冰期和融冰期，节制闸闸前水位波动 192 最大值在±0