Page 85 - 水利学报2025年第56卷第4期

（１）当前馈控制和反馈控制对流量的调节方向一致时（都增大流量或都减小流量），复合控制调节
量取两者中绝对值较大的流量调节量，避免流量调节过度引起水位超调。
（２）当前馈控制和反馈控制对流量的调节方向不一致时，复合控制的调节方向与反馈控制一致，
以优先消除当前偏差，复合控制调节量大小取决于两者的代数和，兼顾对冲效果。
ｕ ＝ ［ｕ ，ｕ ，…，ｕ ］ Ｔ （１１）
ｃｏｍ ｃｏｍ，１ ｃｏｍ，２ ｃｏｍ，Ｎ 

ｕ ＋ ｕ ，
{ ｐｒｅ，ｉ ｆｂ，ｉ ｕ × ｕ ≤０
ｐｒｅ，ｉ
ｆｂ，ｉ
ｕ ＝ ｕ （１２）
ｃｏｍ，ｉ ｆｂ，ｉ ｍａｘ（ ｕ  ， ｕ ）， ｕ × ｕ ＞０

ｕ ｐｒｅ，ｉ ｆｂ，ｉ ｐｒｅ，ｉ ｆｂ，ｉ
ｆｂ，ｉ
３
式中：ｕ 为控制算法前反馈混合调节流量（向量），ｍ ?ｓ；ｕ ｃｏｍ，ｉ 为第 ｉ个渠池上游闸门的混合调节流
ｃｏｍ

３
量（标量），ｍ ?ｓ；Ｎ为渠道系统包含的渠池个数；ｕ 和 ｕ 分别为渠池 ｉ上游闸门的前馈调节流量和
ｐｒｅ，ｉ ｆｂ，ｉ
３
反馈调节流量（均为标量），ｍ ?ｓ。

图 ２ 前反馈混合控制算法

４ 研究算例与结果

４．１ 研究对象 选择南水北调中线干渠最后 １０个渠池组成的串联渠道系统为研究对象，在水动力模
型仿真平台 ［２３］ 中搭建该多级串联明渠的控制模型，用于模拟渠道系统在自动控制算法下应对已知取水
流量变化工况的水位、流量、闸门开度的水力过渡过程。研究渠道全长 １７３ｋｍ，包含渡槽、倒虹吸等
过水建筑物，明渠除部分渡槽段为矩形断面外，其余部分为梯形断面，分水口大部分位于渠池下游
３
段。渠道系统的上游边界条件假定为水深 ６．５ｍ的恒定水位边界；下游边界假定为恒定流量 ３０ｍ ?ｓ的
流量边界。初始时刻渠道系统即为稳定状态，各渠池控制点水位等于目标值。在工程的实际调控中，
各渠池控制点水位并不严格要求稳定在目标水位上，控制点水位可以在目标水位±０．１ｍ的范围内波动
以降低闸门调控次数 ［２４］ 。本文为研究控制算法水位控制的精准性，将目标水位允许波动范围设置为
０．０００１ｍ，可近似视为稳态水位偏差为零的理想状态。
渠道仿真模型的仿真计算时间步长设置为 １０ｍｉｎ，即渠道水位、流量和闸门开度等数据每 １０ｍｉｎ
更新一次，总仿真时长设置为 ２４ｈ。本文设计了 ２种取水工况用于测试改进的前馈控制方法及其混合
控制算法的性能，如表 １所示。工况一，４个分水口的取水流量在第 １０ｈ末出现阶跃变化，严格按照
已知的流量计划执行，且对调控者为已知；工况二，各分水口流量变化均超出流量计划 ５０％，即偏离
流量计划取水，且该流量误差从调控者角度看为未知。

表 １ 取水口流量工况
工况一：取水口完全按照流量计划取水 工况二：取水口偏离流量计划取水
取水口 所在渠池
初始流量 结束流量 变化流量 取水计划 初始流量 结束流量 变化流量 取水计划
编号 编号
３
３
３
３
３
３
?（ｍ ?ｓ） ?（ｍ ?ｓ） ?（ｍ ?ｓ） 相对误差?％ ?（ｍ ?ｓ） ?（ｍ ?ｓ） ?（ｍ ?ｓ） 相对误差?％
１ １ １０ １２ ＋ ２ ０ １０ １３ ＋ ３ ±５０
２ ５ ５ ６ ＋ １ ０ ５ ６．５ ＋ １．５ ±５０
３ ６ ２０ ２４ ＋ ４ ０ ２０ ２６ ＋ ６ ±５０
４ １０ ５ ６ ＋ １ ０ ５ ６．５ ＋ １．５ ±５０
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