JPH11202944A - 導水流量制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 導水路の流量制御を安定に行い、かつ経年変
化にも自動対応可能とする。 【解決手段】 制御部２０に導水設備のモデルを格納し
ておき、設定器２１でゲート９及び弁５からの流出量の
目標値が設定されると、制御部２０はポンプ６の回転数
を制御し、かつモデルに基づきゲート９と弁５の損失係
数を算出し、その値に対応する開度となるようにゲー
ト、弁を操作する。定常時にはゲート９と弁５の流量を
監視し、目標値からのずれが所定時間以上にわたって目
標値とずれたときは、制御部２０内のモデルを修正し、
そのモデルによって改めて上記のゲート、弁の操作を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導水流量制御方法
に係り、特に、長距離の導水路入口に設けられたポンプ
の流量、及び出口に設けられたゲート及び流量調節弁を
開閉制御するための導水流量制御方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、或る河川（または池等）と他
の河川（または池等）との間を導水路で連結し、一方の
河川を流れる水の一部を導水路を通して他方の河川に供
給できるようにした導水設備がある。このような導水設
備においては、ゲートの開閉及び流量調整弁の弁開度、
さらにポンプの回転数を自動制御する制御システムが採
用され、導水先の河川（または湖、池等）への導水量を
自動的に制御し、適量の導水が行えるようにしている。
そしてこの導水量の制御方法としては、実際の導水量を
導水路出口で検出して導水流量の超過・不足を検出し、
この超過・不足を検出した時点で導水路出口のゲート操
作量と流量調節弁の開度操作量、及び導水路入口ポンプ
の回転数の制御指令値を決定している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術では、
導水路出口付近で検出された流量に基づき導水路入口の
流量を制御するから、入口に於ける流入流量が変化して
からその変化が出口に現れるまでには、導水路の長さに
応じた時間がかかる。このため、導水路が長い場合に
は、例えば流入流量を増やしてもその増加がすぐには出
口には現れないので、制御系はさらに流入量を増やす制
御を繰り返す。そうすると、出口での流量はやがて制御
目標値をオーバーして、今度は逆方向の制御が行われる
が、そのときも目標値よりも少ない方へオーバー制御さ
れてしまう。このため、長距離輸送の場合には、フィー
ドバック制御が不安定気味になり、いつまでも流量が一
定にならず、導水流量が安定になるには時間を要すると
いう問題があった。更に、設備の経年変化によって、導
水路の管路損失、ゲート開度特性、弁特性、流入側のポ
ンプ特性等に影響が現れ、制御が更に複雑になるという
問題があった。なお、導水距離が近距離であれば、特に
制御指令に対する応答時間遅れを考慮する必要はない。

【０００４】そこで、本発明は、長い導水路の場合で
も、流量の安定な制御が可能で、かつ各種設備の特性が
経年変化により変わってもそれに自動的に対応できるよ
うにした導水流量制御方法を提供することを目的として
いる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、導水路の流量を制御するための導水流
量制御方法において、導水路出口に設けられた１ないし
複数のゲートもしくは弁の各々からの流出量に対する流
出目標値を設定し、前記ゲートもしくは弁の各々に対し
て設定された流出目標値の合計流量が得られるように、
導水路入口の取水用ポンプを制御するとともに、導水路
のモデルと前記設定された流出目標値とを用いて前記ゲ
ートもしくは弁の各々の損失係数を算出し、該算出した
損失係数からその損失係数と前記ゲートもしくは弁の開
度との関係を示す開度対損失係数特性を用いて前記ゲー
トもしくは弁の各々の所要開度を算出し、さらに該算出
した所要開度と現在の実際の開度とから前記ゲートもし
くは弁に対する開度操作量を求めて開度制御操作を行う
ようにしたことを特徴とする導水流量制御方法を開示す
る。

【０００６】さらに、本発明は、前記ゲートもしくは弁
からの流出量をあらかじめ定められた制御タイミングご
とに計測し、前記ゲートもしくは弁の少なくとも１つに
ついて前記計測した流出量と前記設定した設定目標値と
の偏差があらかじめ定められた許容値を超えている状態
が、前記制御タイミングのあらかじめ定められた回数を
超えて連続して続いたときには、前記導水路のモデルを
修正し、その修正したモデルを用いて改めて前記開度操
作量の決定とそれに基づく開度制御操作を行うことを特
徴とする導水流量制御方法を開示する。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明に係る導水流量制御
方法が適用された流量制御システム及び導水設備の概要
を示す構成図である。図１において、導水設備は、川１
と湖２の間に設けた導水路３ａを有し、この導水路３ａ
を介して川１から湖２へ水を導いている。導水路３ａは
数キロメートルに及ぶ長距離の輸送路であり、その途中
には、圧力調整用の立坑４ａ、４ｂ、４ｃが数キロ間隔
に設置されている。この立坑４ａ、４ｂ、４ｃは導水路
３ａに対し鉛直方向に立設されており、立坑４ａ、４
ｂ、４ｃ内には所定の水位に水が入っており、導水路３
ａ内の水圧の変動に応じて水が立坑内に流入または流出
し、負圧を生じさせないようにしている。

【０００８】導水路３ａの取水口の近傍にはポンプ６が
設置され、川１の水を汲み上げて導水路３ａに流入させ
る。ポンプ６の近傍には導水路３ａから流入流量ＱBを
検出するための流量計７が設置されている。導水路３ａ
には、立坑４ｃに連結された状態で導水路３ｂが分岐
し、湖２へ水を導いている。導水路３ｂの途中には開閉
可能な流量調節弁５が設けられ、湖２への水の供給及び
停止が行われおり、流量調節弁５の入り口近傍には導水
路３ｂから流出する流出流量ＱVを検出するための流量
計８が設置されている。更に、立坑４ｃの後部の導水路
３ａ内には、ゲート９とそこからの流出流量ＱGを検出
するための流量計１３が設置されていて、ゲート９の開
度は開度計１０により検出される。流量調節弁５の開度
は開度計１１により検出され、さらにゲート９を駆動す
るために、ゲート駆動装置１２が設けられている。

【０００９】制御装置２０は、上記の流量計７，８，１
３，開度計１０，１１の検出結果を取り込み、設定器２
１で設定された流量の目標値ＱV＝Ｑv0およびＱG＝ＱG0
が実現されるように、ポンプ６の回転数、ゲート９及び
弁５の開度を制御するもので、演算装置やメモリを備え
た電子計算機などで構成されている。

【００１０】次に、制御装置２０における制御方法につ
いて説明する。この制御方法が図２のフローチャートに
示されており、これは、本発明の導水流量制御方法の例
である。図２において、まず設定器２１より導水設備の
モデルが初期設定される（ステップ２０１）。このモデ
ルは、導水設備の構造寸法や水流に対する損失係数、流
量調節弁５やゲート９の特性などをパラメータとして、
各部の水位、流速、流量などの関係を表す数式モデル
で、導水路の各部サイズや損失係数、ゲート及び流量調
節弁の流出量目標値を与えると、ゲート及び流量調節弁
の損失係数ｆG、ｆVを算出することができる。このモデ
ルについての詳細は後述する。

【００１１】次に設定器２１により、流出量ＱG、ＱVの
目標値ＱG0、ＱV0を初期設定する（ステップ２０２）。
流入量ＱBと流出量ＱG、ＱVとの間には、定常状態では

【数１】 の関係が成立しているので、流出量の目標値ＱG0、ＱV0
が与えられると流入量の目標値ＱB0はそれらの和で与え
られる：

【数２】 設定器２１で目標値の設定（再設定を含む）を行ったと
きは、設定器２１から設定変更があったことを知らせる
ための信号を制御装置２０へ送り、制御装置２０内の変
更フラグをオンとしておくものとする。

【００１２】こうしてステップ２０１、２０２で初期設
定が終了すると、次に制御パラメータｊ、ｊmをそれぞ
れ０、ｊ1（正の整数）にセットし（ステップ２０
３）、前述の変更フラグをチェックする（ステップ２０
４）。流出量の目標値が初期設定された直後には、変更
フラグがオンになっているので、ステップ２０５へ進
み、まず変更フラグをオフにし、それから設定された流
出量の目標値ＱG0、ＱV0とそれらの和である流入量の目
標値ＱB0を用いてモデル計算を行い、その目標値の時の
ゲート９及び流量調節弁５の損失係数ｆG、ｆVを算出す
る（ステップ２０５）。次にゲート９，流量調節弁５の
開度を開度計１０，１１から取り込み（ステップ２０
６）、ゲート９，弁５の操作量を算出する（ステップ２
０７）。この操作量の算出は、ゲート９及び流量調節弁
５のそれぞれの「開度−損失係数」曲線があらかじめ制
御装置２０に格納されており、これを参照することによ
りステップ２０５で算出した損失係数に対応する開度を
算出し、さらにその算出した開度とステップ２０６で取
り込んだ現在の開度とから、ゲート９及び弁５の開度を
どれだけ操作すればよいかを算出するものである。

【００１３】ゲート及び弁の開度操作量が決定される
と、次にその求めた操作量に従ってゲート９及び流量調
節弁５を操作し、さらに、そのときの目標流量から（数
２）で求めた流入量を与えるように、ポンプ６の回転数
を制御する（ステップ２０８）。そして制御パラメータ
ｊ、ｊmをそれぞれ０，ｊ2にセットし（ステップ２０
９）、定常時の制御へ移行する。

【００１４】定常時の制御においては、流出量の監視を
周期的に行い、それが目標値に対して許容偏差以上の誤
差を生じたときにモデルの修正を行うものである。すな
わちまず、制御タイミングになったかを調べる（ステッ
プ２１０）。このタイミングはあらかじめ定めておき、
その周期をＴとする。制御タイミングになると、流量計
７，８，１３の検出した流量ＱB、ＱG、ＱVを取り込み
（ステップ２１１）、流出量ＱG、ＱVとその目標値ＱG
0、ＱV0との偏差がともにあらかじめ定められた許容偏
差以下かを調べる（ステップ２１２）。ここでもし許容
偏差を超えていれば、パラメータｊを＋１し（ステップ
２１３）、ｊ≧ｊmかを調べる（ステップ２１４）。こ
の条件が満たされていなければステップ２０４へ戻る
が、ここでは変更フラグはオフとされているのでステッ
プ２１０へ進み、以下、制御タイミングごとに検出流量
が許容偏差以下かのチェックが行われる。こうして許容
偏差以下、という条件が満たされない状態が続くと、上
記動作をくりかえしている内に、ｊ≧ｊmの条件が満た
されるから（ステップ２１４でYes）、そのときはモデ
ルを修正し（ステップ２１５、この内容は後述）、ステ
ップ２０５以下の処理により改めてゲート９，流量調節
弁５、及びポンプ６の操作を行う。また、ステップ２１
４の条件が満たされるまでの間に、流出量ＱG、ＱVがと
もに許容偏差以下になれば（ステップ２１２でYes）、
パラメータｊを改めて０にリセットする（ステップ２０
３）。また、上記の繰り返し制御の途中で、設定器２１
により目標値の変更が行われると、変更フラグがオンに
なるので、このときも初期設定時と同様に、ステップ２
０５以下のモデル計算、ゲート９，弁５，及びポンプ６
の操作が行われる。

【００１５】以上の処理によると、制御周期Ｔとパラメ
ータｊ1の積で与えられる時間ｊ1・Ｔ以上、続けて流出
量ＱG、ＱVの少なくとも一方がその設定値に対して許容
偏差以上の誤差を有している状態が続くと、それは経年
変化によるものとしてモデルの修正が行われる。また、
ゲート９，弁５，ポンプ６を操作した後、上記の周期Ｔ
とパラメータｊ2の積で与えられる時間ｊ2・Ｔ以上、続
けて流出量ＱG、ＱVの少なくとも一方がその設定値に対
して許容偏差以上の誤差を有している状態が続くと、や
はりモデル修正が行われることになる。従って、目標値
の変更時や、経年変化に基づくモデル修正時には、ゲー
トなどの操作が行われ、その操作による流量変化が流出
口で十分落ち着くかを時間ｊ2・Ｔの間観測することに
なる。以上より、パラメータｊ1、ｊ2、Ｔを導水路の長
さに応じて適切に定めておけば、目標値の変更時もモデ
ル修正時にも安定な制御を行うことができる。

【００１６】なお、操作量の決定後に、例えば流量調節
弁５に流れる流量が増加するように操作する場合、先に
流量調節弁５を開き、その後にゲート９のゲート操作を
行ってから流量調節弁５を閉めるようにする。つまり、
流量調節弁５とゲート９は同時には操作せず、開く操作
を優先させる。こうすると、立坑４の水位がオーバーフ
ローするのが防止される。また、ハンチング防止のた
め、操作を徐々に行うと共に、片方の操作の終了後に他
方の操作を行うようにする。

【００１７】次に、ステップ２１５に於けるモデルの修
正方法について説明する。これは、修正される前に算出
されていた損失係数をｆG、ｆVとすると、

【数３】 で求めた計数ｆG’、ｆV’を損失係数として、これに対
してステップ２０６に於ける操作量を決定するものであ
る。ここでＣG、ＣVの値としては、その大きさは一定と
し、その符号は実測流出量がその目標値よりも大きくて
許容偏差を超えていれば負、小さくて許容偏差を超えて
いれば正とし、許容偏差以内であれば０とする。

【００１８】次に、ステップ２０５において用いるモデ
ルの詳細を説明する。図３は、図１に示した導水設備を
より詳しく示したもので、図１と同一の設備などには同
一の符号が付されている。図１の導水設備は、上から見
た概略的な平面図（ただし立坑の部分は垂直断面図）で
あるが、図３は導水路３ａ、３ｂや立坑４ａ〜４ｄなど
に沿ってその垂直方向の断面でみた展開図である。ま
た、ゲート９から湖２への導水路部分は図１では簡略化
しているが、ここにも立坑４ｄが有り、この立坑４ｄを
介して地下の導水路３ａから湖２へ水が運ばれるものと
している。この図３にて、位置Ａ〜Ｋを表１のように

【表１】 選び、各位置αに於ける水位をＨα、管路の内径をＤ
α、流速をＶα、流量をＱαとし、また位置αから位置
βへの流速をＶαβ、位置α、β間の距離をＬαβとす
ると（α、βは表１のＡ〜Ｋの内の該当するもの）、以
下の（数４）〜（数１６）が成立する。

【数４】

【数５】

【数６】

【数７】

【数８】

【数９】

【数１０】

【数１１】

【数１２】

【数１３】

【数１４】

【数１５】

【数１６】 ここで定数ｎはマニングの式で与えられ、ｇは重力加速
度、ｆαβは位置α、β間の損失水頭係数でこれらはあ
らかじめ与えられた定数である。また、ｆG、ｆVはゲー
ト９及び流量調節弁５の損失係数である。（数４）、
（数７）、（数８）、（数１１）および（数１３）は位
置α、β間の摩擦による損失水頭の式を表し、（数
５）、（数６）、（数９）、及び（数１０）は分流によ
る損失水頭の式を表し、（数１２）は立坑４ｃから湖２
までの流量調節弁５による損失水頭の式を表し、（数１
４）は立坑４ｄから湖２までの水頭による損失水頭の式
を表し、さらに（数１５）（数１６）は分流に伴う流量
配分の式を表している。

【００１９】（数４）〜（数１６）と

【数１７】 の関係とを用いて損失係数ｆG、ｆVを求めると（数１
８）（数１９）が得られる。

【数１８】

【数１９】 従って、流入流量ＱB、流量調節弁５からの流出流量ＱV
の目標値ＱB0、ＱV0を用いて（数１８）から損失係数ｆ
Vを算出することができる。ただし（数１８）のＤIK、
ＱIKは立坑４ｃから導水路３ｂへ分岐した位置の管路の
直径と流量であり、ＱIK＝ＱVである。また（数１９）
から、定常状態ではＱC＝０、ＱD＝ＱBであることに注
目して、流入流量ＱB、流出流量ＱV、ＱGの目標値ＱB
0、ＱV0、ＱG0を用いて損失係数ｆGが算出できる。以上
が図２のステップ２０５で用いる数式モデルである。

【００２０】なお、以上に述べた実施の形態において
は、河川から池に導水を行うものとしたが、河川から河
川、池から河川、池から池等であってもよいことはいう
までもない。また、導水路は３ａと３ｂの２分岐の例を
示したが、本発明は２分岐に限定されるものではなく、
１出口でもよいし、２分岐以上であってもよく、また導
水路の長さに応じて立坑の個数が変わっても適用可能で
ある。

【００２１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の導水流量制
御方法によれば、流量の安定な制御が可能になり、ま
た、設備特性の経年変化にも自動的に対応できるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る導水流量制御方法が適用された流
量制御システム及び導水設備の概要を示す構成図であ
る。

【図２】本発明の導水流量制御方法を説明するフローチ
ャートである。

【図３】導水設備モデルの説明図である。

【符号の説明】

１ 川 ２ 湖 ３ａ、３ｂ 導水路 ４ａ、４ｂ、４ｃ 立坑 ５ 流量調節弁 ６ ポンプ ７、８、１３ 流量計 ９ ゲート １０、１１ 開度計 １２ ゲート駆動装置 ２０ 制御装置 ２１ 設定器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導水路の流量を制御するための導水流量
   制御方法において、 導水路出口に設けられた１ないし複数のゲートもしくは
   弁の各々からの流出量に対する流出目標値を設定し、 前記ゲートもしくは弁の各々に対して設定された流出目
   標値の合計流量が得られるように、導水路入口の取水用
   ポンプを制御するとともに、 導水路のモデルと前記設定された流出目標値とを用いて
   前記ゲートもしくは弁の各々の損失係数を算出し、該算
   出した損失係数からその損失係数と前記ゲートもしくは
   弁の開度との関係を示す開度対損失係数特性を用いて前
   記ゲートもしくは弁の各々の所要開度を算出し、さらに
   該算出した所要開度と現在の実際の開度とから前記ゲー
   トもしくは弁に対する開度操作量を求めて開度制御操作
   を行うようにしたことを特徴とする導水流量制御方法。
2. 【請求項２】 前記ゲートもしくは弁からの流出量をあ
   らかじめ定められた制御タイミングごとに計測し、前記
   ゲートもしくは弁の少なくとも１つについて前記計測し
   た流出量と前記設定した設定目標値との偏差があらかじ
   め定められた許容値を超えている状態が、前記制御タイ
   ミングのあらかじめ定められた回数を超えて連続して続
   いたときには、前記導水路のモデルを修正し、その修正
   したモデルを用いて改めて前記開度操作量の決定とそれ
   に基づく開度制御操作を行うことを特徴とする請求項１
   に記載の導水流量制御方法。