[發明專利]一種基于模型預測控制算法的灌溉多級渠道自動控制方法

有效

• 申請號: 201811250103.8
• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN109197539B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 鄭志磊;王忠靜;徐國印;蔣光昱;張子雄;劉晉龍;索瀅
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: A01G25/16
• 分類號: A01G25/16
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明提出一種基于模型預測控制算法的灌溉多級渠道自動控制方法，屬于灌溉輸配水自動控制與農業水資源管理領域。本發明首先獲取灌溉多級渠道的設計數據和運行條件數據，建立渠道控制模型并轉化為狀態空間方程形式；然后對灌溉渠道輸配水系統未來的輸出量進行預測，并根據運行條件建立模型預測控制算法目標函數、識別約束條件；最后通過優化求解得到最優控制量，實現對灌溉多級渠道安全有效的自動控制。本發明基于灌溉多級渠道設計數據和運行條件設計模型預測控制算法，能夠有效應對灌溉多級渠道運行中的已知取水變化和約束條件，可用于灌溉多級渠道的自動控制設計，能夠保障安全可靠的供水服務，有效實現灌區水資源的高效管理與利用。

技術領域

本發明屬于灌溉輸配水自動控制與農業水資源管理領域，具體涉及一種基于模型預測控制算法的灌溉多級渠道自動控制方法。

背景技術

在當前水資源利用結構中，農業用水占比最大，世界范圍內農業用水約占到用水總量的70％，然而由于農業灌溉用水模式粗獷、管理調度不科學及控制方式的落后，造成了水資源的大量浪費，同時也導致無法為用水戶提供高效可靠的供水服務，致使水資源配置低效、利用率低，其中約有20％～30％的水量損失是在灌溉渠道輸水過程中由于調度運行不合理造成的。灌溉渠道輸配水自動控制通過對渠道水力信息的實時監測與綜合調度管理，能夠使渠道輸水過程安全可靠進行，按需供水，有效減少渠系水量損失浪費，提高渠系的運行管理和服務水平，是現代農業灌溉發展的必然趨勢。

灌溉渠道的運行目標是實現向農業用水戶適時適量供水。灌溉渠道固有的時滯、耦合及多擾動特性，使得人工運行方式很難滿足用水戶對供水服務可靠性和靈活性的要求，需要開展灌溉輸水渠道的自動控制。其中PID類反饋控制算法最為經典，但基于單輸入單輸出的PID類算法在多級聯輸水渠道的控制效果不夠理想，需要發展多輸入多輸出的優化控制算法，線性二次型(LQR)作為優化控制算法之一有較多成果。采用線性二次型優化控制算法進行灌溉多級渠道自動控制需要采用如下步驟：

1)建立灌溉多級渠道控制模型；具體步驟如下：

1-1)確定待控制渠道，收集該渠道的設計數據和運行條件數據；

灌區灌溉多級渠道系統包括渠道和受人工調節的控制結構。假定待控制的多級渠道由f個渠池組成，需要收集的渠道設計數據包括每個渠池的長度L_i、縱坡Sb_i、糙率n_i、設計流量Q_i和斷面形式數據等，需要收集的運行條件數據包括各渠池取水流量q_i、控制點設計運行水深h_spi、設計運行水位y_spi、系統輸出參考值y_ri以及安全運行范圍±r_i(r_i代表第i個渠池對應的控制點水位運行過程允許波動的最大值)等。

1-2)利用步驟1-1)收集的數據建立渠道控制模型；表達式如下：

式中，y_i為第i個渠池對應的下游控制點水位相對于y_spi的變化量，單位：m；t為時間，單位：s；A_si為第i個渠池對應的回水區面積，單位：m²；q_ini、q_outi和q_di分別為第i個渠池對應的渠池入流量、出流量和取水流量相應于初始穩定狀態的變化量，單位：m³/s；τ_i為第i個渠池對應的遲滯時間，單位：s。

在設計流量條件下通過理論公式計算或數值模擬識別方法得到每個渠池的回水區面積A_si和遲滯時間τ_i兩個參數，從而確定灌溉多級渠道各渠池的水力特性，結合各渠池取水流量q_i，能夠得到渠道控制模型式(1-1)。

2)將步驟1)建立的渠道控制模型轉化為狀態空間方程形式；