[發明專利]基于分布式模型預測控制的大規模灌溉系統控制方法

有效

• 申請號: 201310561796.3
• 申請日: 2013-11-12
• 公開（公告）號: CN103651064A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 張文安;張榮超;劉安東;凌榮耀;俞立
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: A01G25/16
• 分類號: A01G25/16
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;黃美娟

技術領域

本發明涉及農業灌溉領域，尤其涉及的是面向大規模智能化農業灌溉系統的控制方法。

背景技術

中國是13億多人口的大國。為了解決人民的溫飽問題，農作物的收成以及如果農作物歉收了，任何國家都沒有能力幫助中國解決人民的吃穿問題。農業穩定發展對中國具有十分重要的意義。而中國的主要產糧地區是在北方，例如華北平原，但是華北平原的水資源缺乏，因此智能高效的農業灌溉系統顯得至關重要。并且在中國南方和東北地區，水稻的作為重要的糧食作物，從而人們對南方和東北的高效的農業灌溉系統提出了更高的要求。同時由于大范圍內農業規模化發展，使得對大規模灌溉系統進行有效的控制的難度也增加了很多。

在大規模灌溉系統中主要存在以下問題：1)隨著控制系統規模的逐漸增大，整個灌溉系統可能由上千段水渠構成，如果對這樣龐大的系統采用集中式控制，使用一個控制器（控制器通過控制水渠的閘門開關來控制水渠的進水速度）對所有水渠進行控制的話，計算量和控制難度將會非常巨大；2)大規模灌溉系統的分布范圍非常廣，集中式控制方式對通信量將會非常大；因此需要采用分布式控制方法來處理大規模灌溉系統的控制問題；3)在大規模灌溉系統中，每段相連的水渠之間具有較強的耦合關系，這導致分布式控制方法的運用遇到了很大的障礙，因此需要采用更為有效的分布式控制算法。

模型預測控制(Model?predictive?control,MPC)是被學術界和工業界廣泛認可和接受的新型智能控制方法。只要給出系統的狀態模型就可以預測系統在接下來時刻的狀態值，并利用系統的狀態預測值來設計出更為有效的控制策略，使得系統的性能最優。它能夠很有效的處理系統的各種硬約束和軟約束，并且控制思想簡單，算法簡單容易實現。分布式MPC通過預測系統在未來時刻的狀態值來處理大規模系統中的各個子系統間的狀態耦合和輸入耦合。所以利用分布式MPC的預測功能來處理每段水渠之間的耦合關系將是一個明智的選擇。

近些年來國內外也有很多的學者對大規模灌溉系統的控制方法進行了研究。R.R.Negenborn等在(Distributed?model?predictive?control?of?irrigation?canals)中提出了利用拉格朗日對偶法來處理系統間的輸入和狀態耦合關系，建立了子系統之間的關聯項的等式關系，并引入拉格朗日因子來松弛等式約束，接著利用對偶原理建立兩層算法來實現大規模灌溉系統的控制問題。但是此方法在最優控制率的計算方面較為復雜，求解較為繁瑣，并且不適用于一些非線性水渠模型。Michael?Cantoni等在(Control?of?large-scale?irrigation?networks)中提出前饋式控制方式來處理大規模灌溉系統的控制問題，但是下游擾動帶來的誤差引起上游水位更大誤差的問題并沒有得到很好的處理。Yuping?Li等在(Stability?and?performance?analysis?of?an?irrigation?channel?with?distributed?control)中通過設計前饋式補償控制器較好的解決下游擾動帶來的誤差引起上游水位更大誤差的問題。但是其算法設計繁瑣、不易移植并且受限制條件多。

發明內容

為了解決大規模灌溉系統中集中式控制的復雜度大，通信量大以及與相鄰水渠的耦合關系強等問題，本發明提供了一種較為簡明、易于實現并且具有較好的控制效果的分布式控制方法，用于控制大規模灌溉系統中每段水渠的進水速度。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

基于分布式模型預測控制的大規模灌溉系統控制方法包括以下步驟：

1)首先，建立灌溉系統中每段水渠的數學模型：

其中x_i(t)表示水渠i的水位高度，表示與水渠i相鄰的上游的水渠集合，表示與水渠i相鄰的下游的水渠集合；u_i,j(t)表示從水渠j流向水渠i的水流速度，并且有v_j,i(t)=u_i,j(t)；v_i,h(t)表示從水渠i流向水渠h的水流速度，并且有v_i,h(t)=u_h,i(t)；d_i(t)表示水渠i受到的擾動，α_i表示水渠i的面積，將水渠的數學模型離散化，采樣時間段為T，得到如下離散數學模型：