一种明渠倒虹吸水位自动控制方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种明渠渠段倒虹吸水位自动控制方法及系统，包括：一段输水明渠渠段，下游串接一倒虹吸，倒虹吸的出口设置工作闸，明渠渠段上游设置节制闸，节制闸设有节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器，节制闸的节制闸启闭机构与节制闸PLC连接，节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器和节制闸PLC与控制与数据处理器连接。由于在明渠渠段上设置节制闸，节制闸设置了节制闸闸前水位传感器和节制闸闸后水位传感器，配合倒虹吸出口水位传感器和倒虹吸出口流量传感器，根据获取的数据进行分析和计算得到控制的最佳控制数据，并根据这些数据精确地控制水位，达到确保安全高效运行的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种明渠倒虹吸水位自动控制方法及系统，是一种自动控制的系统和方法，是一种使用控制理论控制水道中水流的系统和方法，是一种专门控制倒虹吸水道的系统和方法。
技术介绍
随着经济社会的发展，水资源供需矛盾日益突出，许多地区修建了长距离大型明渠工程，将水从水源地输送到沿途的分水口及下游。为了维持分水口处水位的稳定，调节输水流量，沿途会设置多级节制间，将渠道分隔为相串联的多个明渠渠段。当渠道遇到平面交叉的道路或河沟时，常常修建倒虹吸工程，使水从路面或河沟下穿过。为节约成本，便于管理，通常将位于倒虹吸出口的工作闸兼用作渠道的节制闸。与修建相同功能的渡槽相比，倒虹吸具有造价低、施工方便等优点，但同时具有水头损失大，工作间运用管理复杂等缺点。水流通过倒虹吸工程，会损失一部分水头。根据水力学理论，水头损失同流量的平方成正比，因而对于一些流量变幅较大的倒虹吸，在小流量下其入口会出现水位过低的状况，易导致倒虹吸内出现有压与无压交替的明满流过渡现象，引起管身的震动和结构破坏， 恶化管道的正常工作条件。因此，必须对这些倒虹吸的入口水位加以调控，保证足够的淹没水深。倒虹吸水位的调控会不可避免地引发渠道流量变化，关系到渠道的输水安全。虽然为预防水流漫溢，渠道提防设置了超高，但为了经济，其高度随着沿程输水规模的减小而降低。这种情况下，上游供水量与下游需水量的不匹配很容易导致下游出现漫提或是缺水， 威胁输水安全。为避免上述问题的发生，需要调节各明渠渠段的入口闸门，将供需的不匹配向上游方向传递，实施按需定供，减少对下游输水的影响。倒虹吸水位的调控过程是一个水力过渡过程，而该过程进行的快慢，影响着其上游渠道水力过渡过程进行的快慢，从而影响着整个渠道运行管理的效率与成本。因此，水位调控时，倒虹吸所在明渠渠段能够快速完成水力过渡过程十分重要。传统的明渠渠段倒虹吸水位调控方式是预先计算出不同流量下倒虹吸的水头损失，编制出不同流量、不同闸前水深下工作闸门的控制规程，由管理人员采用人工或半自动控制方式执行。由于调控采用的是倒虹吸出口的工作闸门，调控过程中通常会改变倒虹吸的下泄流量，从而影响下游明渠渠段的流量，易引起下游流量的大幅波动，导致供水不足或弃水。另一问题是闸门控制规程的编制过程中，未考虑所在明渠渠段水力过渡过程时间的长短，因而所制定规程对应的输水效率和效益往往不佳。最后，人工调控方式下，调控效率和精度均难以保证，亟需引入自动化的控制方法和系统。综上，传统倒虹吸渠道的运行管理面临以下紧迫需求一是渠道安全运行需求，即流量大幅变化时，在动态调节倒虹吸入口水位，保障足够的淹没水深的同时，不影响下游明渠渠段的流量，避免发生水量不足或弃水；二是高效运行需求，即在明渠渠段流量调整时， 能在尽量短的时间内平稳地完成水力过渡过程；三是高水平管理需求，即实现控制过程的自动化监控，保障足够的控制精度，降低运行管理成本。
技术实现思路
为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种明渠倒虹吸水位自动控制方法及系统。所述的方法和系统，首先保证倒虹吸入口具有安全的淹没水深，从而保障倒虹吸及渠道的运行安全；其次避免渠道下游缺水或弃水的发生，提高输水效率，降低运行成本。最后，所述方法和系统能在尽量短的时间内平稳地完成水力过渡过程，提高输水效率，并且实现控制过程的自动化监控，提高控制精度，降低运行管理成本。本专利技术的目的是这样实现的一种明渠倒虹吸水位自动控制系统，包括一段明渠渠段，所述明渠渠段下游串接一倒虹吸，所述倒虹吸的下游设置工作闸，所述的工作闸设有倒虹吸出口水位传感器、倒虹吸出口流量传感器；所述的工作闸的工作闸启闭机构与工作闸PLC连接，所述的倒虹吸出口水位传感器、倒虹吸出口流量传感器和工作闸PLC与带有明渠渠段蓄量计算程序的控制与数据处理器连接，所述的明渠渠段上游设置节制间，所述的节制间设有节制间间前水位传感器、节制间间后水位传感器、节制间开度传感器，所述的节制闸的节制闸启闭机构与节制闸PLC连接，所述的节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器和节制闸PLC与控制与数据处理器连接。一种使用上述系统的明渠倒虹吸水位自动控制方法，所述方法的步骤如下输入控制系统参数的步骤用于通过参数输入单元，设置输水明渠渠段、倒虹吸、节制闸、工作闸的物理参数以及控制系统的初始化参数；监测流量、水位和闸门开度的步骤用于通过节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、倒虹吸出口水位传感器和倒虹吸出口流量传感器，监测倒虹吸的水位和流量，通过节制闸开度传感器，监测节制闸的开度；判断倒虹吸出口流量的变化是否超标的步骤用于将倒虹吸出口流量的变化与流量变化死区值进行比较，判断是否超出，如果“否”则回到“监测流量、水位和闸门开度的步骤”， 如果“是”则进入下一步骤；计算明渠渠段控制目标蓄量的步骤用于根据公式 V=Vmin+(Vmax-Vmin)(Q-Qmin)/(Qmax-Qmin)式中VmaX是倒虹吸出口控制水位为Hdmax且流量为Qmax时明渠渠段的蓄量，Vmin是倒虹吸出口控制水位为Hdmin且流量为Qmin时明渠渠段的蓄量；计算倒虹吸出口控制目标水位的步骤用于根据倒虹吸出口水位与其所在明渠渠段水体蓄量的关系，利用二分法反解得到倒虹吸出口控制目标水位；判断倒虹吸出口水位的变化是否超标的步骤用于倒虹吸出口水位的变化与水位变化死区值进行比较，判断是否超出，如果“否”则回到“监测流量、水位和闸门开度的步骤”，如果“是”则进入下一步骤；计算节制间的流量调整目标值的步骤使用反馈控制算法计算得到节制间的流量调整目标值；节制闸启闭机构执行开度调整的步骤用于节制闸启闭机构执行开度调整动作，并回到“判断倒虹吸出口水位的变化是否超标的步骤”。本专利技术产生的有益效果是由于在明渠渠段上设置了节制闸，并在节制闸设置了4节制间间前水位传感器和节制间间后水位传感器，并配合倒虹吸出口水位传感器和倒虹吸出口流量传感器，根据获取的数据进行分析和计算得到倒虹吸和明渠渠段的最佳控制数据，并根据这些数据精确地控制渠道倒虹吸水位，达到确保安全运行，提高输水效率并降低成本的目的。本专利技术所述方法控制的变量是水体体积，基于水体体积与水位的对应关系，通过控制水位间接实现对水体体积的控制。所述方法的控制目标可以满足倒虹吸及其下游的用水计划，确保整个控制过程安全、高效。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术实施例一所述系统的示意图2是本专利技术实施例二所述控制与数据处理器结构原理图； 图3是本专利技术实施例三所述所述方法的流程图。具体实施例方式实施例一本实施例是一种明渠倒虹吸水位自动控制系统，如图1所述。本实施例包括一段明渠渠段7，所述明渠渠段下游串接一倒虹吸6，所述倒虹吸的下游设置工作闸4，所述的工作闸设有倒虹吸出口水位传感器3、倒虹吸出口流量传感器5 ；所述的工作闸的工作闸启闭机构与工作闸PLC连接，所述的倒虹吸出口水位传感器、倒虹吸出口流量传感器和工作闸PLC 与带有明渠渠段蓄量计算程序的控制与数据处理器2连接，所述的明渠渠段上游设置节制闸9，所述的节制闸设有节制闸闸前水位传感器10、节制闸闸后水位传感器8、节制闸开度传感器1，所述的节制闸的节制闸启闭机构与节制闸PLC连接，所述的节制闸闸前水位传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种明渠渠段倒虹吸水位自动控制系统，包括：一段明渠渠段，所述明渠渠段下游串接一倒虹吸，所述倒虹吸的下游设置工作闸，所述的工作闸设有倒虹吸出口水位传感器、倒虹吸出口流量传感器；所述的工作闸的工作闸启闭机构与工作闸ＰＬＣ连接，所述的倒虹吸出口水位传感器、倒虹吸出口流量传感器和工作闸ＰＬＣ与带有明渠渠段蓄量计算程序的控制与数据处理器连接，其特征在于，所述的明渠渠段上游设置节制闸，所述的节制闸设有节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器，所述的节制闸的节制闸启闭机构与节制闸ＰＬＣ连接，所述的节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器和节制闸ＰＬＣ与控制与数据处理器连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：崔巍，陈文学，白音包力皋，何耘，穆祥鹏，郭晓晨，王琦，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：11