劉揚(yáng)揚(yáng)

【摘要】近幾年來(lái)，隨著我國(guó)現(xiàn)代化程度的日益加深，各行各業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了我們的生活，所以我們有必要對(duì)渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)及其運(yùn)行設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的了解和研究。在當(dāng)今地下水位越來(lái)越低的狀況下，只有通過(guò)深入的研究渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)才能提高它的自動(dòng)化成效，方便大家的生產(chǎn)、生活，保證渠道自動(dòng)化運(yùn)行的效率，達(dá)到合理用水、節(jié)約用水的效果，也使自動(dòng)控制系統(tǒng)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】渠道自動(dòng)化；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；方式；注意事項(xiàng)；發(fā)展前景

一、渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)及運(yùn)行設(shè)計(jì)的涵義

渠道自動(dòng)化控制的運(yùn)行設(shè)計(jì)方式應(yīng)該本著與各時(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)渠道自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)的對(duì)象，是針對(duì)水深的變更、水量的變更等范疇以內(nèi)，不能影響其渠道的穩(wěn)定性。而自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要是通過(guò)加設(shè)調(diào)和節(jié)制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以在擬定好的時(shí)段內(nèi)，用它來(lái)調(diào)控水閘的開(kāi)關(guān)程度，達(dá)到自動(dòng)化控制的目的，所以渠道運(yùn)行控制系統(tǒng)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)既要考慮渠道水力運(yùn)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(dòng)化控制系統(tǒng)及其運(yùn)行設(shè)計(jì)的方式

渠道自動(dòng)化控制的本質(zhì)意義就是要實(shí)現(xiàn)渠道在非恒定流計(jì)算和控制算法設(shè)計(jì)的有機(jī)組合，其目的就是要控制整個(gè)的輸水渠道，而各個(gè)渠道不同所采用的控制方式也就不一樣，比如說(shuō)北疆某輸水干渠工程為Ⅱ等大（2）型工程，起點(diǎn)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(tái)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(zhǎng)112.393km。輸水干渠設(shè)計(jì)流量為55m3/s，設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的水力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它需要大量的控制器來(lái)控制其整個(gè)渠段的水位振蕩及波動(dòng)，以此來(lái)保證它的穩(wěn)定性。具體的設(shè)計(jì)方式有：PID控制、擾動(dòng)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(jìn)步，渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)中也運(yùn)用了微處理器，因?yàn)镻ID可以對(duì)其進(jìn)行連續(xù)而穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，所以它的應(yīng)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?yàn)閰?shù)的選擇會(huì)直接影響到控制器的使用效果，一般這個(gè)參數(shù)都是采用試算法來(lái)確定的，它的缺點(diǎn)就是因?yàn)榍赖母鱾€(gè)時(shí)段的運(yùn)行狀況是不一樣的，所以參數(shù)也應(yīng)該隨其而變化，這個(gè)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(dòng)化控制中產(chǎn)生的誤差，不能準(zhǔn)確的對(duì)渠道各個(gè)時(shí)段的運(yùn)行狀況進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，因而對(duì)PID架構(gòu)設(shè)置了在線調(diào)整，添加了自適應(yīng)特性的神經(jīng)元，縮小了渠道內(nèi)的水位超調(diào)和所耗費(fèi)的反應(yīng)時(shí)間。

2. 擾動(dòng)閘門控制器

因?yàn)樗械乃鞫季哂衅洳环€(wěn)定性，即使把節(jié)制閥的開(kāi)度調(diào)的再怎么精密，仍舊適應(yīng)不了渠道水面線的變化，這就需要一個(gè)動(dòng)態(tài)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)來(lái)應(yīng)對(duì)。所以只有設(shè)計(jì)出的渠道體系有整合多重的輸入，涵蓋多重的變量，才能應(yīng)對(duì)永無(wú)定型的水態(tài)。而這種擾動(dòng)閘門控制器，就是根據(jù)其特點(diǎn)，考量了渠道的各種態(tài)勢(shì)下的真實(shí)速率，而進(jìn)行的運(yùn)行設(shè)計(jì)方式，這種控制器有效的整合了渠道內(nèi)的段落容量，為渠道自動(dòng)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(dòng)閘門控制器，都沒(méi)有脫離出預(yù)設(shè)的對(duì)象描述，而渠道水流所具有的多擾動(dòng)、大滯后、非線性等特性給這些控制系統(tǒng)帶來(lái)很大的苦惱，因?yàn)樵谶@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(dòng)化控制系統(tǒng)在渠道各個(gè)時(shí)段，復(fù)雜多樣的情況下可以有效的避開(kāi)這種數(shù)學(xué)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(jī)擾動(dòng)，使自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)計(jì)更加的具有實(shí)效性。雖然目前我國(guó)的人工智能控制的自動(dòng)化研究還不十分的成熟，但如果能把人工智能和渠道的運(yùn)行模式有效的結(jié)合起來(lái)進(jìn)行控制的話，一定會(huì)有助于科技工作者對(duì)渠道控制的非線性和隨機(jī)性規(guī)律的研究。

三、渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)及運(yùn)行設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

1. 水力模型的非線性

所有的設(shè)計(jì)都不是完美的，所以在渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(diǎn)之一，渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)中水流過(guò)渡過(guò)程所表現(xiàn)出來(lái)的是一個(gè)雙曲線所建構(gòu)的方程組，至今還沒(méi)有得到解析，而控制水流的節(jié)制閥應(yīng)該被設(shè)計(jì)成為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的，所以要注意的是，在整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)中的各個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)該是相互關(guān)聯(lián)的。

2. 水流動(dòng)態(tài)的多維性

因?yàn)樗牟缓愣ㄐ?，所以渠道槽體內(nèi)的調(diào)整流程——節(jié)制閘，是整個(gè)過(guò)程中的關(guān)鍵，而渠道各個(gè)時(shí)段的水流及水量并不單純的對(duì)應(yīng)關(guān)系，產(chǎn)生這種多對(duì)應(yīng)關(guān)系的根本原因就是非恒定過(guò)渡過(guò)程中的水力坡度，渠段漲水時(shí)與落水時(shí)的水流反應(yīng)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(dòng)化控制達(dá)到應(yīng)有的效果，單單靠節(jié)制閥是不行的。

3. 不確定的擾動(dòng)

只要水在流動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，而這種擾動(dòng)也是不能確定和阻止的，只能選取算法，依循它的側(cè)重點(diǎn)去描述出渠道的大致模型，這種模仿而抽象的模型一定會(huì)與真實(shí)的水流狀態(tài)存在一定的差異，所以在這種態(tài)勢(shì)下，要想達(dá)到合理的自動(dòng)化控制，使其穩(wěn)定運(yùn)行，就必須提高控制器的特性。

四、渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)及運(yùn)行設(shè)計(jì)的發(fā)展前景

上述所有的種種，都已經(jīng)表明，我國(guó)目前的所有的對(duì)渠道自動(dòng)化控制的運(yùn)行設(shè)計(jì)都還處于初級(jí)階段，沒(méi)有對(duì)水流的特性及渠道潛在的擾動(dòng)做出完整、準(zhǔn)確的考量，對(duì)于多重的數(shù)據(jù)其控制器還是控制不了的，所以在未來(lái)的發(fā)展階段，需要從事渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)及運(yùn)行設(shè)計(jì)的技術(shù)人員要把線性架構(gòu)下的非恒定誤差壓縮到最低值，對(duì)于一些不能控制的變量數(shù)據(jù)能進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，盡量做到自動(dòng)化控制的結(jié)果能與真實(shí)的情況相似，方便大家的使用，也為國(guó)家節(jié)約水利資源。

1. 改變控制方式

我國(guó)現(xiàn)在的渠道自動(dòng)化控制方式大多是對(duì)于水位、流量的監(jiān)測(cè)，可以把這種方式改變?yōu)楦泳_的對(duì)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(lái)控制它的流量，而現(xiàn)實(shí)中我們并不能控制住水體的形態(tài)體積，只能通過(guò)節(jié)制閥來(lái)控制渠段的儲(chǔ)蓄量，如果把這種方式改變?yōu)閷?duì)過(guò)閘時(shí)的流量及流量變率的監(jiān)測(cè)，所得的數(shù)據(jù)會(huì)更加接近真實(shí)值。

2. 經(jīng)驗(yàn)控制與模型控制相結(jié)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(duì)這種復(fù)雜的數(shù)據(jù)以及不能確定的參數(shù)，只有把各種經(jīng)驗(yàn)的控制方式與模型控制合理的融合起來(lái)，就一定會(huì)取得意想不到的效果，這也是未來(lái)自動(dòng)化控制中的一個(gè)發(fā)展方向。

3. 長(zhǎng)距離大規(guī)模渠道的控制

對(duì)于象北疆某輸水干渠這樣的大型工程建設(shè)，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?yàn)檫@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(huì)較大，所以可以退一步采取分級(jí)控制、多層監(jiān)控的方式來(lái)進(jìn)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(jié)束語(yǔ)

綜上所述，渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)計(jì)需要從渠道的長(zhǎng)距離、大規(guī)模、架構(gòu)復(fù)雜、水流不穩(wěn)定等等特性出發(fā)，創(chuàng)設(shè)新穎的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，整合人工智能網(wǎng)絡(luò)、模糊情景下的PID等等技術(shù)方式，設(shè)計(jì)出符合我國(guó)實(shí)際發(fā)展需要的渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)，雖然我國(guó)當(dāng)前的自動(dòng)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(diào)查和研究中進(jìn)行自我完善，自我探究，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，就一定能使我國(guó)的渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)及運(yùn)行設(shè)計(jì)達(dá)到它的實(shí)效性，達(dá)到世界的先進(jìn)水平，為我國(guó)的發(fā)展和建設(shè)起到推動(dòng)性的作用。

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