[發明專利]一種水庫水位的時變狀態反饋控制方法

有效

• 申請號: 202010188869.9
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111459024B
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 張志強;王茜;林慶霞
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 楊舟濤

本發明公開了一種水庫水位的時變狀態反饋控制方法，本發明是針對現代水庫水位控制方法無法進行有效控制水位而且未考慮到改善系統動態性能的問題，給出了一種基于低增益反饋的時變狀態反饋控制方法。本發明考慮到系統執行器飽和影響，通過低增益反饋，避免了執行器飽和的發生，同是考慮到對系統動態性能的影響，設計了時變狀態反饋控制，提高了系統的動態性能。所提方法實現了對水庫水位的有效控制且改善了系統動態性能。利用本發明的方法，可以實現對現代水庫水位進行準確控制，滿足在水庫閘門開度有限的情況下對水位進行有效控制的實際需求。

技術領域

本發明屬于現代控制技術領域，針對水庫水位，研究了一種時變狀態反饋控制方法。通過設計輸入飽和線性系統的時變狀態反饋控制器，實現了對水庫水位的有效控制，該方法適用于現代水庫水位控制。

背景技術：

現代水庫擔負著水力發電、農業灌溉、河道防洪、城市供水等重要作用，是現代水利工程的重要建筑。因此，研究水庫水位系統的有效控制方法對現代城市化建設和農業生產是至關重要的。

考慮到現實情況，城市的排水匯入河道，部分河道水流又會匯入到水庫儲存，儲存的水會被用來發電或者灌溉。隨著人們生活水平地提高和城市現代化地發展，城市的需水量和排水量都會越來越大。并且，由于全球氣候變化，頻發的暴雨等極端天氣情況，這些都加重了對水庫蓄水和排水的負擔。水庫水位控制系統是現代水利供電系統，供水系統，以及河道防澇系統中的一個重要組成部分。因此，研究水庫水位系統的快速且有效地控制方法顯得尤為重要。

現有的水庫水位控制方法大部分都是采用簡單的反饋控制方法，這些控制方法很少考慮到執行器飽和對水庫水位控制的影響和系統動態性能的改善。在水庫蓄水量較多的情況下，考慮到水庫閘門開度是有限的，如果不能及時有效的使水庫水位系統穩定，那么或許會造成水庫決口、漫溢垮壩。為此，需要設計一種新方法，可以對水庫水位進行有效的控制。

發明內容：

本發明的目的是針對現有控制方法的不足，提出一種時變狀態反饋控制方法，來實現對水庫水位的有效控制。

本發明基于低增益反饋、參量Lypunov方法，設計了一種時變狀態反饋控制器。考慮到執行器飽和的影響，本發明建立了水庫水位控制系統模型，實現了對水庫水位的有效控制。

本發明的具體步驟是：

步驟1、建立水庫水位系統狀態空間模型

首先，根據水力學原理，建立如下系統模型：

y＝Cx，

其中，A∈R^4×4、B∈R^4×1、C∈R^1×4都是常數矩陣，開環系統的極點都在閉的左半平面且(A,B)是能控的，(A,C)是能觀的。x∈R⁴表示t時刻水庫排水口的水流狀態向量，x＝[x₁,x₂x₃,x₄]^T，x₁、x₂、x₃和x₄分別表示t時刻水庫排水口水流速度值，水庫的水位高度值，水庫水面的水壓值以及排水口的水壓值，上標T表示矩陣的轉置。u∈R¹表示t時刻的控制輸入向量，即排水口的閘門開度。sat(·)表示飽和函數，y∈R¹表示t時刻水庫水位系統的排水輸出向量。符號R表示歐幾里德空間。

步驟2、系統模型轉換

選取一個非奇異矩陣T，使得

其中，表示特征值在開的左半平面的系統矩陣，