具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明实施例中，一种一体化闸门过闸流量自动控制方法，具体步骤包括：

S1、获取闸门的实时水情检测信息；

具体的，通过在一体化闸门设置相关水位、闸门开度，以及闸口流量的传感器采集相关数据。

S2、根据实时水情检测信息，建立不同流态下的闸门流量水位开度模型，具体步骤包括：

采集一体化闸门现场的闸前水位、闸后水位、闸门开度，以及闸口流量的数据信息；

具体实施方式中，对于底坎为宽顶堰的矩形平板闸门，闸孔出流分为两种流态为：自由出流和淹没出流。

当自由出流时，满足其中μ与闸门的相对开度成反比例关系。

当淹没出流时，满足其中σ_Sμ与闸门闸前水位和闸后水位之比呈反比例关系。

为了得到有效的流量系数，根据数据信息确定闸门开度与闸门流量之间的函数关系，并采用最小二乘法进行多项式拟合，建立闸门流量水位开度模型。

具体步骤包括：

首先在闸前蓄水池进行蓄水，使得闸前水位达到预设高度；

预设闸门开度后开始放水，并测得实时闸前水位H、闸门开度e、闸后水位h_t，以及闸口流量的数据Q，同时不断调整闸门开度[0～e_max]，保持闸前水位获得多组数据；

根据得到多组数据后判断需要获取流态数据类型，若获取自由出流数据，则保持闸后水位畅通，若获取淹没出流的数据，则将闸门后排水口关闭，进行蓄水使得满足闸后水位大于水跃高度后采集数据；

根据流态数据类型，若是自由出流态，则进行Q与的多项式拟合，得到闸门流量水位开度模型为：

若是淹没出流态，则进行Q与的多项式拟合，得到闸门流量水位开度模型为：

式中，b为闸门宽度，μ(e,H)为闸门开度与闸门水位多项式拟合结果，f(H,h_t)为闸门淹没出流系数与闸前闸后水位比多项式拟合结果；

根据具体的数据点分布情况尝试用不同的最高次数进行拟合，得到拟合程度最优化的多项式类型。

获取闸门的实时水情检测信息；

根据实时水情检测信息，建立不同流态下的闸门流量水位开度模型；

S3、根据闸门流量水位开度模型以及对闸门未来运行状态的规划，预测闸门未来排水体积；

S4、根据闸门未来排水体积的预测值，规划闸门当前运行方式，达到在预期时间内排出期望体积的水量的效果。

具体实时方式中，以自由出流为例子，通过上述步骤的流量系数拟合后，得到闸门流量水位开度模型为：

得到排水体积与流量关系为：

闸门开度与闸门运行速率的关系为：其中闸门运行速率满足约束：v∈{-v_r,0,v_r}，即分别表示闸门状态包括以额定速率上升、保持当前开度，以及以额定速率下降三种运行状态。

此处采用滚动优化的方式，实现控制器的输出为闸门运行速率，通过控制闸门的开度变化来间接控制排出水量。

考虑到闸门本身运行速率慢，整个系统的运行时间耗时较长，在三种运行状态之间切换本身会存在一定的延时，因此控制器采样时间T_s不宜设置过短，那么从当前采样时刻的排水体积V(k)到下一采样时刻的排水体积V(k+1)的过渡如下：

由于控制目标存在着预期运行时间的约束，因此需要在每一采样周期对于闸门从当前时刻到结束运行的轨迹进行规划以确保闸门满足时间约束条件。

计算以额定速率下降闸门从当前开度下降至开度为零所需时间并令闸门在t_keep＝t_res-t_des时段保持当前闸门开度，计算闸门按照从当前时刻开始t_now～t_keep的时间段内排水体积以及始t_keep～t_exp以额定速率下降对应的闸门排水体积，二者之和V_predict作为系统当前的预测输出值。如图3所示，图示为预测时长内控制器增量规划的方法示意图。

已知模型闸门最大开度为e_max，闸门宽度为b，闸门额定运行速率v_r，为防止系统出现堰流状态，需要使闸前水位保持同时设置可调参数τ，表示对闸门运行过程中体积偏差E＝|V_res-V_predict|的容忍度，即当E>τ时闸门才会发生上行下行的运行状态切换，否则保持当前开度。增大τ的值可以减小闸门状态切换过于频繁所导致的误差。

所述控制算法的具体设计步骤包括：

如图4和图5所示，分别为一体化闸门过闸流量自动控制系统的控制流程和数据处理流程图。

S41、预设采样周期T_s，以及可调参数τ，将闸门开度及可调参数初始化为零；

S42、采集每个采样周期的当前闸门开度e_now(k)、闸前水位H_now(k)、闸后水位h_t(k)、需排水体积V_res(k)，以及剩余时间t_res(k)；

具体的，其中e_now(k)，H_now(k)可从传感器中获取，通过对闸口流量进行累积后计算得到。t_res(k)＝t_exp-t_past(k)。

判断若V_res(k)≤0且e_now(k)>0，则闸门以预设额定速率下降，直至e_now(k)＝0结束；

判断若V_res(k)>0，则计算当前闸门开度下将至零所需时间t_des(k)，以及所预估的排水体积V_close(k)，如t_res(k)>t_des(k)，则计算从当前闸门开度进入保持状态下的排水体积为V_keep(k)+V_close(k)，二者之和V_predict作为系统当前的预测输出值。

S43、对闸门运行状态进行判断，若实际剩余水量减总预测排水量大于τ，且闸门没有达到最大开度，则闸门以额定速率上升；

若预测排水量减实际剩余排水量大于τ，或者闸门从当前开度到关闭时所预估的排水体积大于实际剩余排水量，且闸门当前开度大于0，则闸门以额定速率下降；

若实际剩余水量和预测排水量的差值的绝对值小于等于τ，或闸门到达了极限位置，则闸门保持在当前开度；

S44、进入下一采样周期采集数据，循环规划，直至排出期望体积的水量。

如图2所示，一种包括如上所述的一种一体化闸门过闸流量自动控制方法的系统，包括：

传感器模块1，用于采集闸门排水流量，闸前闸后水位，以及闸门开度的数据信息；

闸门控制器模块2，用于接收传感器模块1的数据信息，并输出控制指令；

执行器模块，用于接收闸门控制器模块2的控制指令，对闸门进行自动控制。

在一些具体的实施例中，所述传感器模块1包括流量传感器11、水位传感器12，以及电机编码器13。

在一些具体的实施例中，所述闸门控制器模块2包括串口通信接口模块21、脉冲量输入接口模块22、用于无线通信和接受遥测中心的指令的无线通信模块23，以及控制算法模块24。所述控制算法模块24用于对采集的传感器数据以及遥测中心下发的控制指令进行数据处理并生成控制指令

在一些具体的实施例中，所述执行器模块3包括电机驱动板31和电机32。具体的，电机驱动板31根据闸门控制器模块2输出的电源通、断控制信号来打开或关闭设置于闸门处的电机32，完成闸门起、降动作的自动控制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，均应包含在本发明的保护范围之内。