[發明專利]一種新型的排水管網水力學系統建模與控制方法

有效

• 申請號: 201110072284.1
• 申請日: 2011-03-24
• 公開（公告）號: CN102183895A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 王建中;魯仁全;薛安克;徐哲;何楊
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02;E03F1/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

1.一種新型的排水管網水力學系統建模與控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

1)建立圣維南方程組：

?????通過分析我國城市排水管道中水流的水力學特性，再結合質量守恒定律和動量守恒定律得到適用于排水管道水流特性圣維南方程組

其中，表示在管道中的污水的高度,?表示污水流量,?表示水流方向的距離；?A表示垂直于方向的管道的橫截面積；表示地面坡度；表示摩阻坡度，表示流體的統一速度，表示曼林粗糙系數，T表示排水管道的直徑,i表示旁側流量，t表示時間，g?表示重力加速度；

2)線性化圣維南方程組：

方程組采用泰勒級數展開的方法進行線性化；將排水管道的入口處，即x=0處的水流流速和水位高度作為初始條件；線性化后方程組如下：

???????????????????????其中：，，

表示排水管道的直徑；表示水波的初始速度；表示管道周長，代表入口處水流的橫截面積；

3)對線性化后的方程組進行拉斯變換及矩陣求解：

首先對方程組中兩個方程分別進行拉斯變換，其中和分別代表和的拉普拉斯變換變量；然后通過轉化把方程組表示為如下的矩陣形式；

上述矩陣在均勻流條件下的解是通過轉移矩陣獲得，滿足矩陣微分方程；為系數矩陣，所述的矩陣微分方程的解可以通過Picard迭代計算，其解形式為，為了獲得該解，需要對系數矩陣進行對角化；

通過重新整理和應用上游和下游邊界條件，圣維南的轉移矩陣表示如下:

其中，??

，

計算即可獲得最終應用于排水管道的水力學傳遞函數模型，利用管道的輸入流量和閥門前的流量；即可利用該模型計算出管道中處的水深；

4)確定矩陣系數：

對圣維南的轉移矩陣通過低頻近似簡化,計算出本來的增益和極點；和，、?、和通過處求極限獲得；通過相似的方法可知和；其中和

和，將和利用泰勒級數展開，等式變為：和，其中:?和，表示排水管道的長度；

5)調節閥門，控制水位高度：???????????????????????????????????????

增加了閥門控制的排水管道水力學計算模型如下：

通過相應的閥門控制，得出通過閥門后的流量模型如下：；???????????????????

-閥門隨時間的開度，B-閥門的寬度，-流量系數,g-重力加速度，?-閥門前的水位高度，L-管道的長度。