张从鹏，吴玉宣(北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144)

近年来，我国明渠流域部分灌区从国外引进了一系列的农业灌溉调水设备，但价格昂贵、安装条件苛刻，而且从部分地区运行状况来看，存在很多问题。部分灌区的灌溉调水系统基本上依靠配水员的手动操作，管理水平一般、效率低，与灌区信息化自动化建设要求具有很大差距。本文面向我国当前大力发展水利工程自动化建设的需求，研究明渠区域信息化、自动化、计量精确化的灌溉调水技术，开发由单点控制到集群控制的协同联动灌溉调水设备；同时研究灌区输水系统中多信息融合技术、动态调水解耦控制算法，建立科学输水智能决策与控制系统，为我国水利工程建设提供有力支持。

1 动态调水解耦控制算法

明渠区域动态调水控制系统是由很多的渠道串联而成，每个渠道是由多个机械闸门分割而成，闸门开度变化时，将引起闸门前后水位和过闸流量的变化。闸门的变化不仅影响相邻渠道，也会影响上、下游各级渠道，该效应称为耦合效应，渠道间的耦合效应是影响渠道控制效果的重要因素之一。

结合明渠区域动态调水的实际需求，确定反馈控制环节和前馈控制环节后，采用流量输出解耦控制算法更加适合。解耦示意图如图1所示，其控制过程为：下游渠池分水口流量发生改变，导致渠池下游闸前水位偏离目标值，水位偏差作为控制终端水位控制的输入，通过水位控制器，计算出流量增量ΔQ，通过终端解耦控制器计算出解耦流量，此解耦流量与前馈、反馈流量一起输入控制终端流量控制器，通过流量控制器输出闸门开度增量ΔG，并控制闸门执行，依次往上游解耦。

图1 流量输出解耦控制

确定了解耦控制方法与解耦控制，设计解耦控制算法如下：

ΔQi(k)=ΔQqi(k)+KpiΔei(k)+……KIiei(k-1)+

KDΔQi+1(k)

(1)

Δei(k)=ei(k)-ei(k-1)

式中：ΔQqi(k)为第k次前馈流量增量；Qi为第i个闸门的流量值，m3/s；ei(k)为第i个渠道下游端的第k次采样时刻的闸前水位偏差值，m；Kpi为第i渠道的比例系数；KIi为第i渠道的积分系数；KD为渠道的解耦系数。

根据国内外学者近些年深入研究，并对闸门开度输出和流量输出进行了仿真比较，结合调水系统的实际情况，证明解耦流量的动态调水解耦控制算法能够大大降低耦合效应对各级渠道控制的影响。

2 系统硬件设计

全自动明渠区域动态调水控制系统硬件组成如图2所示，包括无线通信模块、提水控制终端、蓄水调解终端、明渠区域动态调水控制终端、互补供电切换控制终端等。

图2 控制系统硬件组成

2.1 无线通信模块

全自动明渠区域动态调水控制系统的各个终端于明渠区域内离散分布安装，因此选择无线通信方案。选用C10X无线通信模块，此模块采用美国Siliconlabs公司新一代射频芯片：运用循环交织纠检错编码技术，大大提高了抗干扰性；其工作频率范围处于413～453 MHz,40个频道可选，工作电压3.3～5.5 V；可通过PC软件在线修改串口速率、信道、发射功率、无线速率等参数；在开阔地传输距离可达1 200 m。完全满足灌溉调水控制系统无线通信的需要。

2.2 提水控制终端

提水控制终端主要由液位传感器和提水控制器组成，采用BPY-800型液位传感器测量并采集液位数据。传感器24 V供电，输出4～20 mA电流信号。采用精密电流环接收器芯片RCV420将4～20 mA输入信号转换为0～5 V输出信号，滤波后输入控制器ADC通道。控制终端依据液位信息，根据需要通过控制继电器通断进而操作水泵进行提水和停水。

2.3 蓄水调解控制终端

蓄水调解控制终端主要由蓄水池和机械闸门组成。终端控制电机驱动机械闸门启闭，进行蓄水放水。

2.4 明渠区域动态调水控制终端

明渠区域动态调水控制终端硬件组成如图3所示。其中主要包括无线通信接口(RS232)、编码器接口(RS485)、数据采集接口、电机驱动接口、限位开关接口、数据存储模块、LCD显示模块等。

图3 动态调水控制终端硬件组成

根据明渠区域灌溉调水实际需求以及动态解耦控制算法，控制终端采集闸前、闸后水位数据，进行解耦计算流量增量，得出解耦流量，通过编码器输出开度增量，控制闸门启闭，进行分水调水灌溉。

2.5 互补供电切换控制终端

为提高系统可靠性，各明渠区域动态调水控制终端系统采用太阳能与市电互补供电模式，其工作原理是：控制终端以STM32F103单片机为控制单元，应用AD电压监测电路实时检测太阳能蓄电池的电量。当检测到蓄电池电压低于正常工作电压时，自动切换到市电供电；当检测到蓄电池电压达到正常工作电压时，再切换回太阳能蓄电池供电。充分利用太阳能，减小市电电网的压力。互补供电切换控制终端主要由太阳能蓄电池组、电压监测电路、ARM Cortex-M3处理器STM32F103、继电器等部分组成。电压监测电路原理图如图4所示。

图4 电压监测电路

3 系统软件设计

3.1 上位调度管理管理软件

上位调度管理软件基于Microsoft.Net平台，采用SQL Server数据库管理系统，运用C#编程语言研发包括传感器数据处理与信息融合方法、远程通信等多功能的上位机管理软件。系统框图如图5所示。

图5 系统框图

3.2 动态调水控制软件

动态调水控制软件在Keil uVision4环境开发完成，包括闸门自动控制，数据采集存储，无线通信，分水计量人机交互等功能。并通过“动态调水解耦控制算法”、变量间合理匹配、整定控制终端系数等算法解除渠道间耦合作用，有效降低渠道间的相互影响，提高调水灌溉效率。控制算法程序框图如图6所示。

图6 控制算法程序框图

4 应用试验

4.1 现场应用试验

开发的明渠流域动态调水控制系统在山西省太原市的汾河流域敦化灌区进行了推广应用。从现场使用情况来看，各个单点灌溉调水终端协同联动运行平稳、测量精确、通信顺畅，满足机电设备集群控制的信息化、自动化要求。

4.2 计量数据分析

2015年7月，山西省太原市敦化灌区采集系统正常使用数据如表1所示。表1中，H为解耦后闸门的控制开度，h为实际测量开度。控制误差均小于5 mm,可确保渠道内水位的动态平稳，满足计量精度要求。

表1 计量开度数据

注：括号内数值为控制开度，单位mm。

5 结 语

全自动明渠区域动态调水控制系统具有运行稳定、计量精度高、响应快速、操作简单、成本低等优点，不仅能够实现多点灌溉调水机电设备的集群联调协同控制，减轻调水人员工作强度，而且对提高我国农业水资源利用率，实现灌区灌溉信息化、自动化、计量精确化，满足我国当前大力发展水利工程自动化建设的需求具有重要作用。

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[1] 苏 林,袁寿其,张 兵,等.基于ARM7智能灌溉模糊控制系统[J].中国农村水利水电，2007,(12):28-31.

[2] 崔 巍,陈文学，郭晓晨，等.明渠调水工程闸前常水位运行控制解耦研究[J].灌溉排水学报，2009,(6):9-13.

[3] 张从鹏,罗学科,李玏一,等.面向灌区调水工程的远程自动计量闸门设计[J].农业机械学报，2014,45(8):173-177.

[4] 李 志.无线射频技术在智能家居中的应用[J].智能建筑电气术，2014,4(2):18-21.

[5] 刘小力,高 祥.嵌入式系统在闸门控制中的应用[J].水电自动化与大坝监测，2009,33(1)：76-78.

[6] 郭 瑞.基于MODBUS和TCP/IP协议的远程闸门集控系统[J]. 工业控制计算机，2012,26(2)：27-31.

[7] 郭正琴,王一鸣,杨卫中,等.基于模糊控制的智能灌溉控制系统[J].农机化研究，2006,(6):103-105.

[8] 匡秋明,赵燕东,白陈祥.节水灌溉自动控制系统的研究[J].农业工程学报，2007,23(6):136-139.

[9] 高 军,任守华,朱景福.农业灌溉远程控制系统的设计[J].农机化研究，2011,(7):111-113.

[10] 陶国正.农业灌溉自动监测系统的设计[J].安徽农业科学，2012,40(5):2 994-2 996.