Page 24 - 水利学报2025年第56卷第3期

４ 讨论

本文提出的基于 ＭＰＣ算法的控制蓄量方法有助于使目标水位朝着水位变化趋势方向移动，通过
减小实际水位与目标水位的偏差，达到快速恢复稳定的效果。在本研究考虑的大小两类流量变化工况
下，本方法均有效缩短了过渡时间，可满足冰期应急输水要求。然而，为了实现这一目的，需要在扰
动发生前就采取闸门动作，提前改变上游流量，这就导致扰动较大的渠池出现了水位超调的现象。相
反，ＰＩＤ算法更为保守，仅在扰动发生后才采取策略，其反馈机制不会造成较大的水位超调。另外，
水位软约束法为了保证水位不超过目标带，对较大的水位偏差设置了很大的惩罚权重。因此，采用本
方法的方案一和方案三结果表明，水位最大超调量有一定程度的增大，但均未超过渠道最高水位。为
了保证渠道运行安全，在设计规划时预留了一定的安全超高，由于本方法增大了水位超调量，在一定
程度上减小了波浪爬高，但考虑到冰期运行时气温较低，渠道表面易形成冰盖，波浪雍高对渠道影响
较小。
本研究以挖掘南水北调中线冰期输水能力为出发点，采用渠道实际设计资料建模计算，同时考虑
实际工程中可能发生的流量变化工况。由于中线工程已成为受水区主力水源，无法停止输水进行实地
试验，所以本研究无法得到实际数据检验。但 ＰＩＤ算法作为渠道控制研究的主流算法，目前已发展成
熟，加之国内外学者近年来对 ＭＰＣ算法的研究讨论，可以从变化规律、性能指标等方面对本研究结
果进行侧面印证，弥补实例数据验证的不足。

５ 结论

本研究采用间接控制蓄量法代替下游常水位运行方式，为此建立了水位偏差目标与流量的关系
式。相较于常规 ＭＰＣ算法，尝试将水位偏差目标值作为状态量加入状态空间方程，通过目标函数获
得下游实时目标水位，原先已知固定不变的参考值变为随流量变化的动态目标轨迹。将控制算法应用
于南水北调中线京石段的 １３个渠池，并与下游常水位运行模式的 ＰＩＤ控制算法和采用水位软约束法
的 ＭＰＣ算法进行对比，得到了以下结论：
（ １）本文实时修改目标水位的目的是使渠道系统快速切换流量状态，计算研究的大、小两类流量
变化工况下，１３个渠池的系统水位趋稳时间分别缩短了 ３５和 ４１ｈ，满足工程实际运行时从常态输水
快速过渡到冰期输水的需求。
（ ２）渠道流量从 ７９％线性减小到 ４０％设计流量时，目标水位变化范围在 ０～０．０７８ｍ之间，满足工
程运行要求的 水位 变化 幅度，小 流 量、高 水 位 的 运 行 状 态 也 有 利 于 形 成 平 封 冰 盖，实 现 冰 期 安 全
输水。
（ ３）控制蓄量法得到的最优控制策略虽然改善了趋稳时间，但在一定程度上增加了最大水位变幅，
相较于下游常水位运行，其水位控制平稳性有一定改善。水位软约束控制方法能将水位基本控制在目
标带内，但本方法整体过渡更加稳定，没有出现频繁的小幅波动。
本研究对 ＭＰＣ算法做了初步改进，在保证工程运行安全的前提下，较好地实现了冰期应急快速
过渡，在一定程度上提高了冬季输水效益。后续工作中将考虑增大研究范围，对多个渠池进行建模计
算，同时以下游常水位与动态目标水位结合的方式进行分组优化控制，实现工程效益与安全最大化。

参 考 文 献：

［ １］ 李景刚，陈晓楠，卢明龙，等．南 水 北 调 中 线 干 线 冰 期 输 水 动 态 调 度 初 探 ［Ｊ］．中 国 水 利，２０２３（２）：
３０ － ３３．
［ ２］ 杨开林．冰期明渠水温模型［Ｊ］．水利学报，２０２２，５３（１）：２０ － ３０．

— ３ ０ —
６