[發明專利]一種基于自矯正遺傳算法的城市明渠排水系統控制方法

有效

• 申請號: 201610024660.2
• 申請日: 2016-01-14
• 公開（公告）號: CN105569165B
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發明（設計）人: 楊秦敏;歐陽宇軒;鮑雨濃;王帥威;陳積明;盧建剛
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: E03F3/04
• 分類號: E03F3/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種基于自矯正遺傳算法的城市明渠排水系統控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)建立城市明渠排水系統模型

系統狀態轉移方程為：

$h(k+1)=h\left(k\right)+\[\left(d\right(k)-u(k)\]T/S-\underset{i=0}{\overset{23-k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\γ}(i+k)e\left(i\right),k=0,1,2,...,23$

約束條件為：

h_min≤h(k)≤h_max

u_min≤u(k)≤u_max

目標函數為：

$J=min\underset{k=0}{\overset{23}{\mathrm{\Σ}}}J\left(k\right)=min\underset{k=0}{\overset{23}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}\left(k\right){\left(h\right(k+1)-\tilde{h})}^2+\mathrm{\β}\left(k\right)p\left(k\right)E\left(k\right)$

其中：

E(k)＝A(u(k))²+Bu(k)+C

系統各參數的解釋如下：

a.明渠水面面積S：被監控的城市明渠水面面積S根據實測得到；

b.階段總數k：取1天作為一個排水周期進行規劃，將1天分為24個階段，每個階段持續一小時，階段總數為24，設k為階段變量；

c.狀態變量h(k)：當前水位用h(0)表示，通過實地檢測獲得；將k個階段之后的預期規劃水位記為h(k)，k＝1，2，3…23，24；

d.決策變量u(k)：城市泵站通過排水泵的排水量來控制明渠的水位，設水泵在階段k的排水量為u(k)；

e.預測降水排放量d(k)：城市的未來24小時預測降水排放量每小時更新一次，記未來時刻k的預測降水排放量為d(k)；

f.狀態誤差反饋量e(k)：設e(k)表示k個階段之前，預期水位與實際水位的誤差值；

g.權重系數γ(k)：γ(k)為e(k)的影響權重系數，它代表了k個階段之前的狀態誤差反饋量對未來狀態預測的影響；0<γ(k)<1，且γ(k)單調遞減；

h.約束條件：h_min，h_max分別表示水位的下限和上限；u_min，u_max分別表示最小排水量和最大排水量；

i.目標函數：本系統以跟蹤目標水位和節省總費為控制目標，J(k)表示k時刻總代價，它包含與水位相關的代價與電費相關的代價兩部分；其中，α(k)與β(k)分別為k時刻的水位代價權重與電費代價權重；為目標跟蹤水位；p(k)為時刻k的預測電價；E(k)為時刻k的用電量；E(k)可近似為一個關于u(k)的二次函數；A、B、C為電機相關參數，可根據系統辨識實測得到；

(2)對系統參數進行初始化，具體步驟如下：

(2.1)實測得到明渠底面積S；

(2.2)通過系統辨識得到電機用電量參數A、B、C；

(2.3)設置目標跟蹤水位

(2.4)初始化狀態誤差反饋量e(k)，令e(k)＝0,k＝0,1,...,23；

(2.5)設置權重系數α(k)，β(k)和γ(k)；

(2.6)檢測當前水位，并將其值賦給h(0)；

(3)更新d(k)：獲取最新的城市未來24小時預測降水排放量，并將其值賦給d(k)；

(4)更新p(k)：獲取最新的城市未來24小時的預測電價，并將其值賦給p(k)；

(5)利用遺傳算法進行最優控制序列求解，具體為：

從一個階段的水位h(k)轉向下一個階段的水位h(k+1)時，根據步驟(1)中的系統狀態轉移方程求得u(k)的值；將h(k+1)和u(k)帶入步驟(1)中的目標函數，則可求得總代價J(k)；把J(k)看作階段k到階段k+1的路徑長度，則該控制問題轉化為了一個從階段0到階段24的最短路徑問題；采用經典遺傳算法可求得一條最優路徑，從而得出預期最佳狀態變量序列h(k),k＝1，2，3…23，24,進而得出最優控制序列u(k),k＝0，1，2…22，23；

(6)輸出u(0)：控制水泵電機輸出第一個控制量u(0)，直到下一個階段開始；

(7)采集當前水位h(0)：當下一個階段開始后，檢測當前水位，并將其值賦給h(0)；

(8)滾動更新狀態誤差反饋量e(k)，具體包括以下步驟：

(8.1)將所有e(k)往后推移一位，舍棄原有的e(23)，即：

e(23)＝e(22)；

e(22)＝e(21)；

……；

e(1)＝e(0)；

(8.2)根據步驟(5)中得到的h(1)和步驟(7)中得到的h(0)，更新e(0)的值：e(0)＝h(1)‐h(0)；

(9)循環迭代：重復執行步驟(3)至步驟(8)直到結束控制，關閉系統，跳出循環。