第 ４２ 卷 第 ６ 期
２００９ 年 １２ 月
武汉大学学报（工学版）
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ．４２ Ｎｏ．６
Ｄｅｃ．２００９
收稿日期：２００９－０２－２１
作者简介：崔 巍（１９７９－），男，工程师，博士，主要从事调水工程水力控制及仿真研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｏｙｌｉｆｅ＠１２６．ｃｏｍ．
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划资助项目（编号：２００６ＢＡＢ０４Ａ１２）；中国水利水电科学研究院优秀青年科研专项项
目（编号：ＱＮ０７０８）．
文章编号：１６７１－８８４４（２００９）０６－０７６４－０５
明 渠 调 水 工 程 水 位 －流 量 串 级 反 馈 控 制 研 究
崔 巍
１
， 陈文学
１
， 姚 雄
２
（１．中国水利水电科学研究院水力学所，北京 １０００３８； ２．南水北调中线干线工程建设管理局，北京 １０００５３）
摘要
：对渠道水位反馈控制系统的控制过程进行了分析，阐明了该系统存在的两方面问题，即对上游扰动的反馈校
正存在滞后和上游渠池的控制会影响下游各渠池．提出通过增设流量控制环节，构成水位－流量串级控制系统的方
式解决上述问题．以闸前常水位运行渠道为例，设计了水位－流量串级控制器，对其传递函数进行了分析，给出了串
级反馈控制器的设计准则．以 ５ 渠池渠道为算例，分别设计了水位反馈控制器和水位－流量串级控制器，进行数值仿
真比较研究．结果表明采用水位－流量串级反馈控制后，来自上游渠池的扰动能够更快地被校正，上游渠池运行对
下游的影响能被有效隔离，闸门的操作量减少，控制效果改善明显．
关键词
：调水工程；闸前常水位运行；反馈控制；串级控制
中图分类号
：ＴＶ ２１３
文献标志码：
Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｃａｓｃａｄｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｃａｎａｌ
ＣＵＩ Ｗｅｉ
１
， ＣＨＥＮ Ｗｅｎｘｕｅ
１
， ＹＡＯ Ｘｉｏｎｇ
２
（１．Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３８， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ
Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｍｉｄｄｌｅ Ｒｏｕｔｅ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎ Ｓｏｕｔｈ－ｔｏ－Ｎｏｒｔｈ Ｗａｔｅｒ Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００５３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｏｎ ｃａｎａｌ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｗｏ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｒｅ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ，
ｉ．ｅ．ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｏｆ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆｒｏｍ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｐｓｔｒｅａｍ ｐｏｏｌｓ．Ａ ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｏ
ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ａｂｏｖｅ．Ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｓｃａｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏ－
ｒｙ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ， ａ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｃａｓｃａｄｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｃａｎａｌ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ
ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｄｅｐｔｈ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ．Ｉｔｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．
Ｓｏｍｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｏｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ａ ５－ｐｏｏｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｎａｌ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｔｗｏ ｄｉｆ－
ｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ， ｃａｓｃａｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ ｆｏｒ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅ－
ｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｃａｓｃａｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｎ ｃｏｒｒｅｃｔ ｔｈｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｕｐｓｔｒｅａｍ ｐｏｏｌｓ ｍｏｒｅ ｑｕｉｃｋｌｙ ａｎｄ ｉｓｏｌａｔｅ ｕｐｓｔｒｅａｍ
ｐｏｏｌｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｔｅｓ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ； ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｅｖｉｄｅｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｗａｔｅｒ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔ； ｃｏｎｓｔａｎｔ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｄｅｐｔｈ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ； ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｃａｓｃａｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
渠道运行过程中存在各种扰动，如闸门启闭、分
水口分水、风浪等，都会导致设定水位偏离目标值，
需采用反馈控制方法进行校正．反馈控制的一个不
足之处是校 正作用 必 须在 偏 差 产 生 之 后 才 能 产
生
［１］
．对于距离较长的渠段，受水波传播速度限制，
校正作用有时会滞后长达数十分钟，严重影响渠道
的输水效率和安全．此外，由于各渠段间存在水力耦
合作用，当渠段数目较多时，控制问题变得十分复
杂．对传统的水位反馈控制系统进行改进，使其及早
进行反馈校正，且具备一定的控制解耦能力，对渠道
系统的控制具有重要意义．
关于渠道反馈控制的研究已开展很多．国外的
ＥＬ－ＦＬＯ ＲＥＳＥＴ、Ｐ ＋ＰＲ
［２］
等都是基于比例积分控制
逻辑的经典反馈控制算法．国内方面王长德
［３］
将模
糊控制理论引入渠系控制器设计，崔巍
［４］
、安宁
［５］
研究了渠道预测控制算法，韩延成
［６］
研究了神经网
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