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水 利 学 报

２０２５年 ４月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５６卷 第 ４期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２５）０４ － ０４９９ － １２ 第二十七届中国科协年会学术论文

基于线性二次最优的多级串联明渠前馈控制方法研究

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管光华 ，李枭华 ，毛中豪 ，罗玉峰 ，黄跃群 ２，３ ，杨家亮 ４
（１．武汉大学 水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉 ４３００７２；
２．清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 １０００８４；
３．湘水集团湖南省水利发展投资有限公司，湖南 长沙 ４１０００７；
４．湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 ４１０００７）

摘要：针对多级串联明渠长时间滞后的控制难点以及冰期输水过渡渠道需要快速、平稳的控制需求，本文基于线
性二次最优控制（ ＬＱＲ）和渠道线性预测模型，提出了改进的最优化前馈控制方法；并构建了前馈 － 反馈流量复合
规则，设计了前反馈混合控制（ ＨＬＱＲ）算法。将此控制算法应用于南水北调中线干渠最后 １０个渠池进行仿真验
证，与无前馈控制、流量补偿前馈控制对比分析，并检验了该控制算法对于取水流量不确定性的抗干扰能力。算
例仿真结果表明：对于多个分水口同时发生流量变化的模拟条件，在取水流量完全确定工况下，相比常规控制策
略，ＨＬＱＲ算法求取的控制策略能够在减少闸门动作量和流量调节量的同时，降低水位偏差（最大水位偏差和累
积水位偏差分别减小 ３６．５１％和 ２８．９９％），并更快到达稳定状态（稳定耗时缩短 ８．１１％）；在取水流量不完全确定
工况下，ＨＬＱＲ算法对流量扰动的不确定性具有更强的鲁棒性。
关键词：多级串联明渠；线性二次最优；前馈控制方法；前反馈混合控制；鲁棒性
类
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分
号
Ｔ
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图
中
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０２６１
１ 研究背景
我国水资源时空分布显著不均，兴建长距离调水工程是解决这一问题的重要手段，明渠作为调水
工程的主体建筑物，承担着输配水的基本任务 ［１ － ２］ 。然而，以南水北调中线工程为例，显著的纬度差
使得渠道系统冰期输水能力受限，这已成为制约工程安全运行和社会效益发挥的巨大障碍 ［３ － ４］ 。在冰
期来临前，需要在短时间内实现流量和水位的运行状态过渡，使用自动控制算法快速、精准地调节系
统状态，将有助于提升中线干渠冬季输水能力，确保工程运行安全与稳定。
长距离输水系统的受控对象是渠道的水位和流量，其动态响应完全受系统中闸门开度调节的控
制 ［５］ ，从而保证渠道系统安全稳定运行以及各取水口、用水户的适时适量供水。但是明渠输水的水位
波动以重力波的形式传播，其速度较慢，会导致水波从渠池上游闸门传递到渠池下游末端耗时较长。
另外，节制闸的阻水效应也将延缓流量增量通过闸门进入下一级渠道。因此，大型调水工程因其渠道
距离长、节制闸数量多，表现出显著的长时间滞后特点 ［６］ 。针对调水工程中明渠滞后性强的特点，提
前进行流量、水位和蓄量的调节，能有效缓解流量变化时水位波动幅度大、闸门调节动作频繁和系统
稳定耗时长等问题。在控制对象发生变化前，提前进行控制调节的方法统称为前馈控制。前馈控制对
于解决前述长距离渠道系统的强滞后性问题有重要作用 ［７］ 。在渠道控制领域，前馈控制问题先后出现
［８］
了 ３种主要解决思路：逆问题求解、蓄量补偿和模型预测控制。早在 １９６９年，Ｗｙｌｉｅ 就针对渠道前
馈控制问题提出了 ｇａｔｅｓｔｒｏｋｉｎｇ解法，利用已知的先验流量计划信息和渠道非恒定流能量方程对保持

收稿日期：２０２４ － ０５ － ０７；网络首发日期：２０２５ － ０４ － ２１
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２５０４１９．１４１０．００１
基金项目：国家重点研发计划项目（２０２２ＹＦＣ３２０２５００）
作者简介：管光华（ １９７９ － ），博士，教授，主要从事渠道自动控制研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ＧＧＨ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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