JP2004293199A

JP2004293199A - Method for controlling water level and method for supporting control of water level

Info

Publication number: JP2004293199A
Application number: JP2003088492A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Mizuno; 浩水野; Masaharu Mochizuki; 正治望月; Akimitsu Ozaki; 明光小崎
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for controlling a water level and a method for supporting the control of the water level, by which discrete parameter need not be adjusted and a sufficient water-level inhibiting effect is realized and which can correspond even to sudden meteorological/current-condition changes. <P>SOLUTION: The water level of a stream just above a sluice gate is measured in a water-level measuring process 4, and a water-level hysteresis up to a target water level is imparted as a reference orbit when the measured water level deviates from the predetermined target water level in a reference-orbit setting process 5. Evaluation functions regarding an error between the reference orbit and a water-level predictor and/or a gate opening as a manipulated variable are determined while using a future specified section as an object in an evaluation-function setting process 6. The gate opening from a present time to a future specified time, which minimizes the evaluation function, is computed in an optimizing computation process 7. The gate is opened and closed only by using the present gate opening in the gate opening in a gate operating process 8. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は河川の水門、ダムなどのゲートの操作を行い、水門、ダム直上流の水位を制御する方法、およびゲートの操作動作を指示し、水門、ダム直上流の水位制御を支援する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、河川堰のゲートにおいては、農業用の水量確保や洪水調整といった目的で、河川水位や放流量が調整・制御するため、操作員によってゲート開度の維持・操作が行われていた。このゲート操作は、流水制御の基本ルールに従い、水位条件に応じたゲート操作手順がシーケンスとして予め与えられている。操作員による手動操作によらず、自動制御で行う場合には、シーケンサなどに予め決まったゲート操作をプログラミングしているのが一般的である。この技術は、例えば、特開平９−２１７３３３号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
また、他の水位制御技術としては、ＰＩ制御を用いる方法やファジィ制御を用いる方法（例えば、特開平６−３３６７１５号公報（特許文献２））が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２１７３３３号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平６−３３６７１５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１で示すシーケンス制御を用いた水位制御技術では、問題点がある。すなわち、シーケンスで定められたゲート操作開度、操作待機時間、などの個別のパラメータ調整が必要な場合がほとんどであり、かつ河川ごとに流況が異なり、また施工される水門ゲートのタイプも同一ではないことから、同一のシーケンスを利用できることが少ない。このため、河川ごと、水門ゲートの種類ごとに前記調整パラメータをさまざまに調整する必要が生ずる。また、制御シーケンスは水門が完成してからゲート動作を実施しなければ、実際の挙動を評価できないため、設備完成後の水位調整の状況を見ながら、制御シーケンスを調整することが必須となる。ところが、これら調整要素は前記ゲート操作開度や操作待機時間などといった静的なパラメータが主体のため、調整は一度で終わらなく試行錯誤の連続とならざるを得えない。さらに、このような試行錯誤をさまざまな気象、流況で行う必要もあり、調整は極めて困難なものとなっていた。
【０００７】
これに対して、特許文献２などで示すＰＩ制御を用いる方法やファジィ制御を用いる方法では、水位制御の調整はＰＩパラメータやメンバーシップ関数の調整をするだけで良いという利点があるものの、河川流れの動特性をモデルとして有していないため、流入量の急激な変化が発生した場合など河川の流況を予測した操作を実施することはできないという問題点がある。さらに、自動制御のためだけに操作量を出力するため、操作員からは今後どのような操作が行われかのが不明であり、急激な気象変化や流況変化時に手動介入する必要があるのかを判断するのが容易ではないという問題もある。
【０００８】
本発明は、これらの問題を解決し、個別のパラメータ調整が不要で、十分な水位抑制効果を実現するとともに、急激な気象変化や流況変化にも対応可能な水位制御方法および水位制御支援方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は次の発明により解決される。
【００１０】
本発明は、河川水門の開閉動作可能なゲートの開閉により、水門直上流の水位を制御する方法において、前記水門直上流の水位を計測する水位計測手段により、水位計測を行う水位計測工程と、該計測された水位が予め定めた目標水位から外れているときには、目標水位になるまでの水位履歴を参照軌道として与える参照軌道設定工程と、将来の所定区間を対象に、前記参照軌道と水位予測値との誤差または／および操作量であるゲート開度に関する評価関数を定める評価関数設定工程と、該評価関数を最小にする、現在時刻から将来の特定時刻までのゲート開度を算出する最適化計算工程と、前記ゲート開度のうち、現在のゲート開度のみを用いてゲート開閉を行なうゲート操作工程とを有することを特徴とする水位制御方法である。
【００１１】
また本発明は、前記水位計測工程からゲート操作工程までを、予め定めた制御周期ごとに毎回実施することを特徴とする請求項１記載の水位制御方法である。
【００１２】
また本発明は、前記最適化計算工程において、水門からの放流量が放流量上限値以下であるように前記ゲート開度に制約を設けることを特徴とする請求項１および２記載の水位制御方法である。
【００１３】
また本発明は、前記目標水位の上下に範囲を設けて、目標水位に不感帯を設けることを特徴とする請求項１ないし３記載の水位制御方法である。
【００１４】
また本発明は、河川水門の直上流の水位を制御するための、開閉動作可能なゲートの開閉操作を指示する水位制御支援方法において、
前記水門直上流の水位を計測する水位計測手段により、水位計測を行う水位計測工程と、
該計測された水位が予め定めた目標水位から外れているときには、目標水位になるまでの水位履歴を参照軌道として与える参照軌道設定工程と、
将来の所定区間を対象に、前記参照軌道と水位予測値との誤差または／および操作量であるゲート開度に関する評価関数を定める評価関数設定工程と、
該評価関数を最小にする、現在時刻から将来の特定時刻までのゲート開度を算出する最適化計算工程と、
該算出された将来の特定時刻までのゲート開度を指示するゲート操作指示工程とを有することを特徴とする水位制御支援方法である。
【００１５】
また本発明は、前記水位計測工程からゲート操作工程までを、予め定めた制御周期ごとに毎回実施することを特徴とする請求項５記載の水位制御支援方法である。
【００１６】
また本発明は、前記最適化計算工程において、水門からの放流量が放流量上限値以下であるように前記ゲート開度に制約を設けることを特徴とする請求項５および６記載の水位制御支援方法である。
【００１７】
さらに本発明は、前記目標水位の上下に範囲を設けて、目標水位に不感帯を設けることを特徴とする請求項５ないし７記載の水位制御支援方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下に図面および数式を用いて説明する。
図２は、本発明を実施するための制御系基本構成を示す。一般に水門のゲート操作により水位を制御する場合、水位計１を水門直上流に配置し、計測された水位をもとに油圧装置など（（図示せず）によって水位調整ゲート３の開閉といったゲート操作を行う。このとき、シーケンサやＰＬＣなどのプログラマブルな演算装置によって実現される水位制御装置２に、ゲート操作規則などをプログラミングしている。
【００１９】
本発明ではこのゲート操作の決定にモデル予測制御の手法を用いる。モデル予測制御はプロセスの入出力間の動的モデルを用い、現時刻より未来の出力の動きを予測し、その予測する動きができるだけ好ましい動きになるように操作量を設定する。また、このような操作量の決定手続きを毎サンプル時刻ごとに繰り返し行うものである。
【００２０】
図３は、モデル予測制御の考え方を説明する図である。時刻ｔにおいてプロセスの観測量ｙ（ｔ）を観測し、ｙ（ｔ）を始点として、設定値ｒに近づく目標値の軌道（以下、参照軌道と称する）ｙ_Ｒ（ｔ＋ｊ）を計算する。目標値の軌道を決めた後、さらにｙ（ｔ）を始点として、現時刻より先の数ステップにわたる出力の値ｙ_Ｐ（ｔ＋ｊ）を、プロセスの入出力モデルを使って予測する。その際、出力の予測値が目標の軌道にできるだけ近くなるように現時刻より数ステップ（Ｍステップ）にわたる入力（ｕ（ｔ），・・・，ｕ（ｔ＋Ｍ−１））を定める。ただし、ここでは参照軌道と出力が将来にわたってすべて近づくのではなく、将来のある所定区間（以下、一致区間と称する）でできるだけ一致するように計算が行われる。決められた入力のうち、ｕ（ｔ）だけを次のサンプル時刻ｔ＋１までプロセスに与え、時刻ｔ＋１において出力ｙ（ｔ＋１）を再び観測する。
【００２１】
その値ｙ（ｔ＋１）はモデル誤差や外乱のため、時刻ｔで予測したｙ_Ｐ（ｔ＋１）と往々にしてずれる。そこで、この時刻を新たにｔ’として、観測値ｙ（ｔ’）を新たな始点として、上述の計算をしなおし、現時刻ｔ’より数ステップにわたる入力（ｕ（ｔ’），ｕ（ｔ’＋１），・・・，ｕ（ｔ’＋Ｍ−１））を算出し、ｕ（ｔ’）だけを次のサンプル時刻まで与える。以下同様の手順を繰り返していくのが、モデル予測制御のアルゴリズムである。
【００２２】
このアルゴリズムによって求まる入力値が、自動制御で用いる操作量であるが、これを自動制御に直接使わず、ガイダンスシステムとして操作量を指示・表示することもできる。とくに河川流れのように時定数の長いプロセスでは、制御周期は長いため、モデル予測制御の操作量指示を見て、オペレータが実際の設定、操作をすることも可能である。
【００２３】
ゲート操作による水位制御では、制御量はゲート直上流の水位となり、操作量はゲートの開度となる。したがって、制御系設計のために必要となるモデルは、ゲート操作をした結果、ゲート直上流の水位がどのように変化するかを記述する動特性モデルである。モデル予測制御では、プラントの動特性モデルは必ずしも微分方程式で記述される必要は無く、図４に示すような単位入力（ｕ＝１）に対するステップ応答モデルをサンプル時刻（１、２、３、・・・ｓ、ｓ＋１、・・・）ごとの信号列（ａ１、ａ２、ａ３、・・・ａｓ、ａｓ、・・・）として持たせても良い。すなわち、ゲートを所定量ステップ状に開ける指令を与え、その結果水位が変化して一定値に収束するまでの時系列データを記録して、モデルとすることが可能である。もちろん、河川の流体モデルとゲートの排出流量の厳密なモデルからモデルを算出してもなんら問題はない。
【００２４】
図１は、本発明の一実施の形態を示す図であり、水位制御での処理フローを示している。先ず、水位計測工程４にて、水門直上流の水位を計測する。次に、参照軌道設定工程５にて、計測された水位が予め定めた目標水位から外れているときには、目標水位になるまでの水位履歴を参照軌道として与える。
【００２５】
そして、評価関数設定工程６にて、将来の所定区間を対象に、前記参照軌道と水位予測値との誤差または／および操作量であるゲート開度に関する評価関数を定める。さらに、最適化計算工程７にて、上記評価関数を最小にする、現在時刻から将来の特定時刻までのゲート開度を算出する。最後のゲート操作工程８では、前記ゲート開度のうち、現在のゲート開度のみを用いてゲート開閉を行なうというものである。そして、予め決めた制御周期にて、４〜８までの工程をサイクリックに繰り返す。なお、ガイダンスの場合には、ゲート操作工程８の代りに、前工程の最適化計算工程７にて求められた将来の特定時刻までのゲート開度を指示・表示する工程となる点が異なる。
【００２６】
次に、数式を用いて本発明の他の実施の形態を詳説する。今、ある河川に設置されたゲートの開度と水位変化が図４に示したステップ応答モデルで記述されるとする（大きさ１のステップ入力に対して、各サンプル時刻における出力をａｉで表す。ただし、ｉ≧ｓに対してはａｉ＝ａｓ、すなわち一定値ａｓに収束する）。このとき、時刻ｔでステップ入力Δｕ（ｔ）が入ったときの時刻ｔ＋ｊでの出力ｙ_Ｍ（ｔ＋ｊ）は、（１）式で記述できる。
【００２７】
【数１】

【００２８】
ある時刻ｋの入力偏差Δｕ（ｋ）は、（２）式で表わされる。
【００２９】
【数２】

【００３０】
図５は、ステップ応答モデルによる出力予測を示すものである。ある時刻の出力は、過去の各時刻の入力偏差に対するステップ応答の重ね合わせとして表現できることになり、時刻ｔ＋ｊでの出力ｙ_Ｍ（ｔ＋ｊ）は（３）式のように記述できる。
【００３１】
【数３】

【００３２】
このステップ応答モデルをもとにして、一致区間（ｔ＋Ｌ〜ｔ＋Ｌ＋Ｐ−１）での出力予測を行うと（４）式のように記述できる。
【００３３】
【数４】

【００３４】
また、要素ごと（６）式のような行列表示を用いれば、（４）式は（５）式のように書き換えることができる。
【００３５】
【数５】

【００３６】
【数６】

【００３７】
次に、時刻ｔ＋ｊでの参照軌道ｙ_Ｒ（ｔ＋ｊ）を、時刻ｔでの実績ｙ（ｔ）、時刻ｔ＋ｊでの設定値ｒ（ｔ＋ｊ）および定数αを用いて（７）式のように与える。
【００３８】
【数７】

【００３９】
一致区間（ｔ＋Ｌ〜ｔ＋Ｌ＋Ｐ−１）における参照軌道は、（９）式のような行列表示を用いれば、（８）式のように定められる。
【００４０】
【数８】

【００４１】
【数９】

【００４２】
さらに時刻ｔ＋ｊでの予測式ｙ_Ｐ（ｔ＋ｊ）は、時刻ｔでの実績ｙ（ｔ）で誤差を補正すれば、（１０）式のように表すことができる。
【００４３】
【数１０】

【００４４】
これにより一致区間（ｔ＋Ｌ〜ｔ＋Ｌ＋Ｐ−１）における予測式は、（１２）式のような行列表示を用い、（１１）式のように表される。
【００４５】
【数１１】

【００４６】
【数１２】

【００４７】
次に、例えば（１３）式のような評価関数Ｊを定める。これは、参照軌道と水位の誤差及び操作量の大きさに関する評価関数である。
【００４８】
【数１３】

【００４９】
この評価関数Ｊが最小となるように最適化計算を行い、このときの操作量Δｕ（ｔ），…， Δｕ（ｔ＋Ｍ−１）が求めるべき操作量である。最適化計算を行う際に、操作量や出力ｙに上下限などを定めて、制約付きの最適化計算としてとくことも可能である。最適化計算の手法としては、二次計画問題の解法であるレムケ法、双対法などを用いる。
【００５０】
また、上述の説明ではステップ応答モデルを用いたので、算出される操作量は前回入力との差となるΔｕ（ｔ）となっている。しかしながら、モデルをインパルス応答モデルなどに変更することで、直接ｕ（ｔ）を計算することも可能である。
【００５１】
また、操作量である水門ゲート開度から水門からの放流量を算出し、その上限値を最適化問題の制約として与えることも可能である。これは、河川への流入量が上限を超えていない通常の運転での場合には、水門からの放流量に制限を設けている実際の操作に対応させたものである。
【００５２】
さらに、一般に河川の維持すべき水位は範囲を持って定められており、所定の水位範囲であれば、特に操作をする必要がない上、経済上の効果もある。このような場合には、制御上の不感帯を設け、不感帯から水位が外れた場合に自動制御を作動させればよい。
【００５３】
【実施例】
図６に制御対象とした河川の堰とゲート構成を示す。河川に堰が設けられ、１つの引き上げ式ゲートと５つの起伏式ゲートが設置され、堰の直上流に水位を計測する手段が設けられている。図７は、引き上げ式ゲート９の構造を模式的に示した図である。堰の上部に設けられた昇降可能なゲートと堰の間隙を調節することにより、放水量を加減できるようにしたゲートである。また、図８は、起伏式ゲート１０の構造を模式的に示した図である。ゲート下部を中心に回転させゲートを起こしたり倒したりできるようにして、ゲート上部からの溢流量を加減できるようにしたゲートである。
【００５４】
このとき、ゲートの種類によって、水位変化特性が異なるため、ゲートの種類毎に動特性モデルを持つこととする。すなわち、（１）式で記述されるステップ応答モデルを、引き上げ式ゲート操作時のモデルと起伏式ゲート操作時のモデルを重ね合わせた（１４）式に示す２入力モデルとするものである。
【００５５】
【数１４】

【００５６】
なお、本実施例では５門の起伏式ゲートがあるが同じ型式のものとし、そのため、起伏式ゲートによる水位変化モデルとしては１種類としている。通常、このように複数の水門からなる場合、緊急時を除いて、水門は１つ１つ順番に使用される。したがって、ゲートの操作限界に到達するまでは、常に１つのゲートが水位制御に用いられるので、モデルによる予測計算は上述した１入力のモデル予測アルゴリズムとほぼ同様に算出できる。
【００５７】
次に、具体的な例にてモデル予測制御を用いた操作量の計算手順を説明する。今、図６に示される堰上流の水位計の計測値が仮に１９．６４ｍとして与えられたとする。このとき、モデル予測制御を用いた操作量の計算は、まず観測値１９．６４ｍに対して、図９（ａ）に示すような、目標水位（１９．６４ｍとする）に到達するまでの将来の水位軌跡すなわち参照軌道を算出する。このとき、目標が一致しているかどうかを評価する一致区間を１〜３０ステップ（１ステップを４分として１２０分間）で考える。
【００５８】
また、目標水位に至る水位軌跡を実現するための将来にわたっての操作量の内、最初の５ステップ（将来の２０分後まで）を算出するものとする。この操作量を上述のモデル予測制御に基づき算出したのが図９（ｂ）である。これは、現在の水位を図９（ａ）に示した軌跡によって目標値に到達させるのには、今後、図９（ｂ）のように操作をすればよいということを意味する。
【００５９】
現実には様々な外乱によって、水位は変動させられるため、このような将来に渡る操作量推定を毎ステップ（この場合４分おき）計算するようにし、外乱などがあっても良いようにしている。また、ここで求めた操作量を用いた自動制御を行わなくても、毎ステップ将来に渡る操作量を表示することにより、操作員に対してのガイダンスを与えることも可能である。
【００６０】
図１０は、図６に示される堰上流の水位計の計測値を観測値として、各ゲートの操作限界で使用ゲートを切り替えながらモデル予測制御を実施したシミュレーション結果を示している。これは、図１１に示した上流からの流入量変化が外乱として与えられたときの河川の水位制御をシミュレートしたものであり、水位制御の不感帯として２０ｃｍを与えている。図１０（ａ）の図が水位変化を表し、図１０（ｂ）の下の図がモデル予測制御による各ゲートの操作履歴を表している。ここでは、水位制御の不感帯として２０ｃｍを与えており、流入量変化という外乱が入っても、不感帯の中に水位がとどまるように水位制御が実現できることがわかる。（図１０（ａ））同様な条件で、従来からのシーケンス制御による河川の水位制御をシミュレートしたものが、図１２（ａ）（ｂ）である。
【００６１】
両者を比べてみると、本発明の場合は、流入量変化という外乱が入っても、２０ｃｍの不感帯の中に水位がとどまるように水位制御が実現できている（図１０（ａ））反面、シーケンス制御による場合は、水位変動が８０ｃｍ以上と大きいことが分かる（図１２（ａ））。また、ゲート操作は、本発明の場合は、ゆっくりしたスムーズな操作であるが、シーケンス制御による場合は、スピードが速く、バタバタした操作であり、引き上げ幅も８ｍと大きいことが分かる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、個別のパラメータ調整が不要となるとともに、操作量の制約設定、目標水位の不感帯設定により、実際的で十分な水位抑制効果を実現することができる。また、将来の数ステップ先までの操作量を制御周期毎に指示・表示するので、自動制御がどのようになされていくかを監視者などが把握できるため、急激な気象変化や流況変化時に手動介入する必要があるのかを判断することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す図。
【図２】本発明を実施するための制御系基本構成を示す図。
【図３】モデル予測制御の考え方を説明する図。
【図４】ステップ応答モデルを説明する図。
【図５】ステップ応答モデルによる出力予測を示す図。
【図６】制御対象とした河川の堰とゲート構成を示す図。
【図７】引き上げ式ゲートの構造を模式的に示す図。
【図８】起伏式ゲートの構造を模式的に示す図。
【図９】モデル予測制御を用いた操作量の計算手順を説明する図。
【図１０】本発明を実施した水位制御シミュレーション結果を示す図。
【図１１】上流からの流入量変化を示す図。
【図１２】従来からのシーケンス制御による水位制御シミュレーション結果を示す図。
【符号の説明】
１水位計
２水位制御装置
３水位調整ゲート
４水位計測工程
５参照軌道設定工程
６評価関数設定工程
７最適化計算工程
８ゲート操作工程
９引き上げ式ゲート
１０起伏式ゲート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for operating a gate of a river sluice or dam, controlling a water level immediately upstream of the sluice or dam, and instructing the operation of the gate. It relates to a method for supporting water level control.
[0002]
2. Description of the Related Art Conventionally, in a gate of a river weir, since a river water level and a discharge rate are adjusted and controlled for the purpose of securing an amount of water for agricultural use and flood control, an operator has to maintain and operate a gate opening degree. It was done. In this gate operation, a gate operation procedure according to the water level condition is given in advance as a sequence in accordance with the basic rules of flowing water control. When automatic control is performed instead of manual operation by an operator, generally, a predetermined gate operation is programmed in a sequencer or the like. This technique is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-217333 (Patent Document 1).
[0003]
Further, as another water level control technique, a method using PI control or a method using fuzzy control (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-336715 (Patent Document 2)) has been proposed.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-9-217333
[Patent Document 2]
JP-A-6-336715
[Problems to be solved by the invention]
However, the water level control technology using the sequence control disclosed in Patent Document 1 has a problem. In other words, it is almost always necessary to adjust individual parameters such as the gate operation opening and operation standby time determined in the sequence, and the flow conditions differ for each river, and the type of sluice gate to be constructed is the same. Therefore, it is rare that the same sequence can be used. For this reason, it is necessary to adjust the adjustment parameters variously for each river and for each type of sluice gate. Further, since the actual behavior cannot be evaluated unless the gate operation is performed after the completion of the floodgate, it is essential to adjust the control sequence while observing the situation of the water level adjustment after the completion of the facility. However, since these adjustment elements are mainly composed of static parameters such as the gate operation opening degree and the operation standby time, the adjustment cannot be completed at once but must be a series of trial and error. In addition, it is necessary to perform such trial and error in various weather and flow conditions, and adjustment has been extremely difficult.
[0007]
On the other hand, the method using PI control and the method using fuzzy control shown in Patent Document 2 and the like have the advantage that the adjustment of the water level control only needs to adjust the PI parameter and the membership function, but the river flow is controlled. Because there is no dynamic characteristic of the river as a model, there is a problem that it is not possible to perform an operation that predicts the flow state of a river, for example, when a sudden change in the inflow rate occurs. In addition, since the manipulated variable is output only for automatic control, it is unknown from the operator what kind of operation will be performed in the future, and whether manual intervention is required when sudden weather changes or flow conditions change There is also a problem that it is not easy to judge.
[0008]
The present invention solves these problems, does not require individual parameter adjustment, realizes a sufficient water level suppression effect, and can cope with a sudden weather change or flow condition change, and a water level control method and a water level control support method. The purpose is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The above problem is solved by the following invention.
[0010]
The present invention provides a method for controlling a water level immediately upstream of a floodgate by opening and closing a gate capable of opening and closing a river floodgate, wherein a water level measuring step of measuring a water level immediately upstream of the floodgate by performing a water level measurement step, When the measured water level deviates from a predetermined target water level, a reference trajectory setting step of providing a water level history up to the target water level as a reference trajectory; and An evaluation function setting step for determining an evaluation function relating to a gate opening which is an error with respect to a value and / or an operation amount, and optimization for calculating a gate opening from a current time to a specific time in the future to minimize the evaluation function A water level control method, comprising: a calculation step; and a gate operation step of performing gate opening / closing using only a current gate opening degree among the gate opening degrees.
[0011]
Further, the present invention is the water level control method according to claim 1, wherein the steps from the water level measurement step to the gate operation step are performed every predetermined control cycle.
[0012]
3. The water level control method according to claim 1, wherein in the optimization calculation step, the gate opening is restricted so that a discharge rate from the floodgate is equal to or less than an upper limit value of the discharge rate. It is.
[0013]
The present invention is the water level control method according to any one of claims 1 to 3, wherein a range is provided above and below the target water level, and a dead zone is provided at the target water level.
[0014]
Further, the present invention provides a water level control support method for instructing an opening / closing operation of a gate that can be opened / closed for controlling a water level immediately upstream of a river gate,
A water level measurement step of performing a water level measurement by a water level measurement unit that measures a water level immediately upstream of the floodgate,
When the measured water level is out of the predetermined target water level, a reference trajectory setting step of giving a water level history up to the target water level as a reference trajectory,
An evaluation function setting step of determining an evaluation function relating to a gate opening which is an error between the reference trajectory and the predicted water level and / or an operation amount for a predetermined section in the future;
An optimization calculation step of calculating the gate opening from the current time to a future specific time to minimize the evaluation function;
A gate operation instruction step of instructing the calculated gate opening degree up to a specific time in the future in the future.
[0015]
Further, the present invention is the water level control support method according to claim 5, wherein the steps from the water level measurement step to the gate operation step are performed every predetermined control cycle.
[0016]
7. The water level control support according to claim 5, wherein in the optimization calculation step, the gate opening is restricted so that a discharge rate from the floodgate is equal to or less than an upper limit value of the discharge rate. 8. Is the way.
[0017]
Furthermore, the present invention is the water level control support method according to claims 5 to 7, wherein ranges are provided above and below the target water level, and a dead zone is provided at the target water level.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to drawings and mathematical expressions.
FIG. 2 shows a basic configuration of a control system for implementing the present invention. In general, when controlling the water level by operating the gate of a water gate, the water level gauge 1 is disposed immediately upstream of the water gate, and gate operation such as opening and closing of the water level adjustment gate 3 by a hydraulic device or the like (not shown) based on the measured water level. At this time, the gate operation rules and the like are programmed in the water level control device 2 realized by a programmable arithmetic device such as a sequencer or a PLC.
[0019]
In the present invention, a model predictive control technique is used to determine the gate operation. The model prediction control uses a dynamic model between the input and output of the process, predicts the movement of an output in the future from the current time, and sets the amount of operation so that the predicted movement is as favorable as possible. Further, such a procedure for determining the operation amount is repeatedly performed at each sample time.
[0020]
FIG. 3 is a diagram illustrating the concept of model predictive control. At a time t, the observable quantity y (t) of the process is observed, and a trajectory (hereinafter referred to as a reference trajectory) y _R (t + j) of a target value approaching the set value r is calculated starting from y (t). After determining the trajectory of the target value, the output value y _P (t + j) over several steps from the current time, starting from y (t), is predicted using the input / output model of the process. At this time, inputs (u (t),..., U (t + M−1)) over several steps (M steps) from the current time are determined so that the predicted value of the output is as close as possible to the target trajectory. However, here, the calculation is performed so that the reference trajectory and the output do not all approach each other in the future, but coincide as much as possible in a certain future section (hereinafter, referred to as a coincidence section). Of the determined inputs, only u (t) is given to the process until the next sample time t + 1, and at time t + 1 the output y (t + 1) is observed again.
[0021]
The value y (t + 1) often deviates from y _P (t + 1) predicted at time t due to a model error or disturbance. Therefore, this time is newly set as t ′, and the above-described calculation is performed again using the observation value y (t ′) as a new starting point, and the input (u (t ′), u (t) over several steps from the current time t ′ is performed. '+1), ..., u (t' + M-1)), and only u (t ') is given until the next sample time. Hereinafter, the algorithm of the model predictive control repeats the same procedure.
[0022]
The input value obtained by this algorithm is the manipulated variable used in the automatic control. However, the manipulated variable can be instructed and displayed as a guidance system without directly using the manipulated variable in the automatic control. Particularly in a process having a long time constant, such as a river flow, the control cycle is long. Therefore, the operator can perform actual setting and operation by looking at the operation amount instruction of the model predictive control.
[0023]
In the water level control by the gate operation, the control amount is the water level immediately upstream of the gate, and the operation amount is the opening degree of the gate. Therefore, the model required for control system design is a dynamic characteristic model that describes how the water level immediately upstream of the gate changes as a result of the gate operation. In the model predictive control, the dynamic characteristic model of the plant does not necessarily have to be described by a differential equation, and a step response model for a unit input (u = 1) as shown in FIG. .. S, s + 1,...) May be provided as a signal sequence (a1, a2, a3,... As, as,...). That is, it is possible to give a command to open the gate stepwise by a predetermined amount, record time-series data until the water level changes and converge to a constant value, and use it as a model. Of course, there is no problem even if the model is calculated from the river fluid model and the exact model of the discharge flow rate of the gate.
[0024]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention, and shows a processing flow in water level control. First, in a water level measuring step 4, the water level immediately upstream of the floodgate is measured. Next, in the reference trajectory setting step 5, when the measured water level deviates from the predetermined target water level, the water level history up to the target water level is given as a reference trajectory.
[0025]
Then, in an evaluation function setting step 6, an evaluation function relating to an error between the reference trajectory and the predicted water level or / and a gate opening which is an operation amount is determined for a predetermined section in the future. Further, in the optimization calculation step 7, the gate opening from the current time to a specific time in the future, which minimizes the evaluation function, is calculated. In the final gate operation step 8, the gate is opened and closed using only the current gate opening among the gate openings. Then, the steps 4 to 8 are cyclically repeated at a predetermined control cycle. In the case of the guidance, the point that the gate operation step 8 is replaced with a step of instructing and displaying the gate opening degree up to a specific time in the future obtained in the optimization calculation step 7 in the preceding step is different.
[0026]
Next, another embodiment of the present invention will be described in detail using mathematical expressions. Now, it is assumed that the opening degree and the water level change of a gate installed in a certain river are described by a step response model shown in FIG. 4 (for a step input of size 1, the output at each sample time is represented by ai. However, for i ≧ s, ai = as, that is, converge to a constant value as). At this time, the output _y M at time t + j when step input Delta] u (t) was the time t (t + j) can be described by equation (1).
[0027]
(Equation 1)

[0028]
The input deviation Δu (k) at a certain time k is expressed by equation (2).
[0029]
(Equation 2)

[0030]
FIG. 5 shows output prediction using a step response model. An output at a certain time can be expressed as a superposition of a step response to an input deviation at each past time, and an output y _M (t + j) at a time t + j can be described as in equation (3).
[0031]
[Equation 3]

[0032]
Based on this step response model, output prediction in the matching section (t + L to t + L + P-1) can be described as in equation (4).
[0033]
(Equation 4)

[0034]
Also, if a matrix expression as shown in equation (6) is used for each element, equation (4) can be rewritten as equation (5).
[0035]
(Equation 5)

[0036]
(Equation 6)

[0037]
Next, the reference trajectory y _R (t + j) at time t + j is given as in equation (7) using the result y (t) at time t, the set value r (t + j) at time t + j, and the constant α. .
[0038]
(Equation 7)

[0039]
The reference trajectory in the coincidence section (t + L to t + L + P-1) is determined as in equation (8) using a matrix expression as in equation (9).
[0040]
(Equation 8)

[0041]
(Equation 9)

[0042]
Further, the prediction equation y _P (t + j) at time t + j can be expressed as in equation (10) if the error is corrected with the result y (t) at time t.
[0043]
(Equation 10)

[0044]
As a result, the prediction equation in the matching section (t + L to t + L + P-1) is expressed as in equation (11) using a matrix notation as in equation (12).
[0045]
[Equation 11]

[0046]
(Equation 12)

[0047]
Next, for example, an evaluation function J as shown in Expression (13) is determined. This is an evaluation function relating to the error between the reference trajectory and the water level and the magnitude of the operation amount.
[0048]
(Equation 13)

[0049]
Optimization calculation is performed so that the evaluation function J is minimized, and the operation amounts Δu (t),..., Δu (t + M−1) at this time are operation amounts to be obtained. When performing the optimization calculation, it is also possible to determine upper and lower limits and the like for the manipulated variable and the output y, and to perform the optimization calculation with restrictions. As a method of the optimization calculation, a Lemke method, a dual method, or the like, which is a method of solving a quadratic programming problem, is used.
[0050]
In the above description, since the step response model is used, the calculated operation amount is Δu (t), which is the difference from the previous input. However, u (t) can be directly calculated by changing the model to an impulse response model or the like.
[0051]
It is also possible to calculate the discharge from the floodgate from the floodgate opening, which is the manipulated variable, and to give the upper limit as a constraint on the optimization problem. This corresponds to the actual operation in which the discharge amount from the floodgate is limited in the case of the normal operation in which the inflow into the river does not exceed the upper limit.
[0052]
Further, generally, the water level to be maintained in a river is determined with a range. If the water level is within a predetermined range, there is no need to perform any particular operation, and there is an economic effect. In such a case, a dead zone for control may be provided, and automatic control may be activated when the water level deviates from the dead zone.
[0053]
【Example】
FIG. 6 shows a configuration of a river weir and a gate to be controlled. A weir is provided in the river, one lifting gate and five undulating gates are provided, and means for measuring the water level is provided immediately upstream of the weir. FIG. 7 is a diagram schematically showing the structure of the pull-up gate 9. This is a gate capable of controlling the amount of water discharge by adjusting the gap between the gate provided at the upper part of the weir and capable of moving up and down. FIG. 8 is a diagram schematically showing the structure of the undulating gate 10. As shown in FIG. The gate is rotated about the lower part of the gate so that the gate can be raised and lowered, so that the overflow from the upper part of the gate can be adjusted.
[0054]
At this time, since the water level change characteristics vary depending on the type of gate, a dynamic characteristic model is provided for each type of gate. That is, the step response model described by the equation (1) is a two-input model shown in the equation (14) in which the model at the time of the lifting gate operation and the model at the time of the undulating gate operation are superimposed.
[0055]
[Equation 14]

[0056]
In this embodiment, there are five undulating gates, but they are of the same type. Therefore, there is only one type of water level change model using undulating gates. Normally, when a plurality of sluice gates are used, the sluice gates are used one by one except in an emergency. Therefore, one gate is always used for water level control until the operation limit of the gate is reached, so that the prediction calculation by the model can be calculated in substantially the same manner as the one-input model prediction algorithm described above.
[0057]
Next, a procedure for calculating the manipulated variable using the model predictive control will be described in a specific example. Now, it is assumed that the measurement value of the water level meter upstream of the weir shown in FIG. 6 is given as 19.64 m. At this time, the calculation of the manipulated variable using the model predictive control is performed in the future until the water level reaches the target water level (assumed to be 19.64 m) as shown in FIG. Of water level, that is, a reference trajectory is calculated. At this time, a matching section for evaluating whether or not the targets match is considered in 1 to 30 steps (120 minutes with one step being 4 minutes).
[0058]
It is also assumed that the first five steps (up to 20 minutes after the future) of the future operation amounts for realizing the water level trajectory reaching the target water level are calculated. FIG. 9B shows the calculated amount of operation based on the above-described model prediction control. This means that an operation as shown in FIG. 9B may be performed in the future to make the current water level reach the target value according to the trajectory shown in FIG. 9A.
[0059]
In reality, since the water level is fluctuated by various disturbances, such an operation amount estimation for the future is calculated every step (in this case, every four minutes), so that there may be disturbance or the like. . Further, it is also possible to give guidance to the operator by displaying the operation amount for each step in the future without performing the automatic control using the operation amount obtained here.
[0060]
FIG. 10 shows a simulation result of performing model predictive control while switching the used gate at the operation limit of each gate, using the measured value of the water level meter upstream of the weir shown in FIG. 6 as the observed value. This simulates the water level control of the river when the change in the inflow from the upstream shown in FIG. 11 is given as a disturbance, and gives 20 cm as a dead zone of the water level control. The diagram in FIG. 10A shows a change in water level, and the diagram below FIG. 10B shows the operation history of each gate by the model predictive control. Here, 20 cm is given as the dead zone of the water level control, and it can be seen that the water level control can be realized so that the water level stays in the dead zone even if a disturbance such as a change in inflow enters. (FIG. 10 (a)) FIGS. 12 (a) and 12 (b) simulate river level control by conventional sequence control under the same conditions.
[0061]
Comparing the two, in the case of the present invention, the water level control can be realized so that the water level stays within the dead zone of 20 cm even if a disturbance such as a change in inflow enters (FIG. 10A). In the case of the sequence control, it can be seen that the water level fluctuation is as large as 80 cm or more (FIG. 12A). In the case of the present invention, the gate operation is a slow and smooth operation, but in the case of the sequence control, the speed is high, the operation is fluttering, and the pulling width is as large as 8 m.
[0062]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, individual parameter adjustment is not required, and a practical and sufficient effect of suppressing the water level can be realized by setting the restriction of the operation amount and setting the dead zone of the target water level. In addition, since the manipulated variable up to a few steps in the future is indicated and displayed for each control cycle, it is possible for a supervisor to grasp how automatic control is performed, so that it can be used when sudden weather changes or changes in flow conditions occur. It is possible to determine whether manual intervention is required.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 illustrates an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration of a control system for implementing the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating the concept of model predictive control.
FIG. 4 is a diagram illustrating a step response model.
FIG. 5 is a diagram showing output prediction by a step response model.
FIG. 6 is a diagram showing a river weir and a gate configuration to be controlled.
FIG. 7 is a diagram schematically showing the structure of a pull-up gate.
FIG. 8 is a diagram schematically showing the structure of an undulating gate.
FIG. 9 is a diagram illustrating a calculation procedure of an operation amount using model predictive control.
FIG. 10 is a diagram showing a simulation result of water level control according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a change in the amount of inflow from upstream.
FIG. 12 is a diagram showing a water level control simulation result by a conventional sequence control.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Water level gauge 2 Water level control device 3 Water level adjustment gate 4 Water level measurement process 5 Reference trajectory setting process 6 Evaluation function setting process 7 Optimization calculation process 8 Gate operation process 9 Lifting gate 10 Undulating gate

Claims

河川水門の開閉動作可能なゲートの開閉により、水門直上流の水位を制御する方法において、
前記水門直上流の水位を計測する水位計測手段により、水位計測を行う水位計測工程と、
該計測された水位が予め定めた目標水位から外れているときには、目標水位になるまでの水位履歴を参照軌道として与える参照軌道設定工程と、
将来の所定区間を対象に、前記参照軌道と水位予測値との誤差または／および操作量であるゲート開度に関する評価関数を定める評価関数設定工程と、
該評価関数を最小にする、現在時刻から将来の特定時刻までのゲート開度を算出する最適化計算工程と、
前記ゲート開度のうち、現在のゲート開度のみを用いてゲート開閉を行なうゲート操作工程とを有することを特徴とする水位制御方法。In the method of controlling the water level immediately upstream of the floodgate by opening and closing the gate that can open and close the river floodgate,
A water level measurement step of performing a water level measurement by a water level measurement unit that measures a water level immediately upstream of the floodgate,
When the measured water level is out of the predetermined target water level, a reference trajectory setting step of giving a water level history up to the target water level as a reference trajectory,
An evaluation function setting step of determining an evaluation function relating to a gate opening which is an error between the reference trajectory and the predicted water level and / or an operation amount for a predetermined section in the future;
An optimization calculation step of calculating the gate opening from the current time to a future specific time to minimize the evaluation function;
A gate operation step of performing gate opening / closing using only the current gate opening degree among the gate opening degrees.

前記水位計測工程からゲート操作工程までを、予め定めた制御周期ごとに毎回実施することを特徴とする請求項１記載の水位制御方法。2. The water level control method according to claim 1, wherein the steps from the water level measurement step to the gate operation step are performed every predetermined control cycle.

前記最適化計算工程において、水門からの放流量が放流量上限値以下であるように前記ゲート開度に制約を設けることを特徴とする請求項１および２記載の水位制御方法。3. The water level control method according to claim 1, wherein, in the optimization calculation step, the gate opening is restricted so that a discharge rate from the floodgate is equal to or less than an upper limit value of the discharge rate.

前記目標水位の上下に範囲を設けて、目標水位に不感帯を設けることを特徴とする請求項１ないし３記載の水位制御方法。4. The water level control method according to claim 1, wherein a range is provided above and below the target water level, and a dead zone is provided at the target water level.

河川水門の直上流の水位を制御するための、開閉動作可能なゲートの開閉操作を指示する水位制御支援方法において、
前記水門直上流の水位を計測する水位計測手段により、水位計測を行う水位計測工程と、
該計測された水位が予め定めた目標水位から外れているときには、目標水位になるまでの水位履歴を参照軌道として与える参照軌道設定工程と、
将来の所定区間を対象に、前記参照軌道と水位予測値との誤差または／および操作量であるゲート開度に関する評価関数を定める評価関数設定工程と、
該評価関数を最小にする、現在時刻から将来の特定時刻までのゲート開度を算出する最適化計算工程と、
該算出された将来の特定時刻までのゲート開度を指示するゲート操作指示工程とを有することを特徴とする水位制御支援方法。In a water level control support method for instructing an opening and closing operation of an openable and closable gate for controlling a water level immediately upstream of a river floodgate,
A water level measurement step of performing a water level measurement by a water level measurement unit that measures a water level immediately upstream of the floodgate,
When the measured water level is out of the predetermined target water level, a reference trajectory setting step of giving a water level history up to the target water level as a reference trajectory,
An evaluation function setting step of determining an evaluation function relating to a gate opening which is an error between the reference trajectory and the predicted water level and / or an operation amount for a predetermined section in the future;
An optimization calculation step of calculating the gate opening from the current time to a future specific time to minimize the evaluation function;
A gate operation instructing step of instructing the calculated gate opening degree up to a specific time in the future in the future.

前記水位計測工程からゲート操作工程までを、予め定めた制御周期ごとに毎回実施することを特徴とする請求項５記載の水位制御支援方法。6. The water level control support method according to claim 5, wherein the steps from the water level measurement step to the gate operation step are performed every predetermined control cycle.

前記最適化計算工程において、水門からの放流量が放流量上限値以下であるように前記ゲート開度に制約を設けることを特徴とする請求項５および６記載の水位制御支援方法。7. The water level control support method according to claim 5, wherein in the optimization calculation step, a restriction is provided on the gate opening so that a discharge rate from the floodgate is equal to or less than an upper limit value of the discharge rate.

前記目標水位の上下に範囲を設けて、目標水位に不感帯を設けることを特徴とする請求項５ないし７記載の水位制御支援方法。8. The water level control support method according to claim 5, wherein ranges are provided above and below the target water level, and a dead zone is provided at the target water level.