[發明專利]一種水聯網灌區的全渠系自適應預測控制方法

有效

• 申請號: 202210094133.4
• 申請日: 2022-01-26
• 公開（公告）號: CN114415520B
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 劉晉龍;王忠靜;朱現坡;楊志剛;王瑤;張騰
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 白淑君

1.一種水聯網灌區的全渠系自適應預測控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

建立全渠道系統控制模型：輸配水系統過程控制的對象為下游節制閘閘前水位與設定水位目標的差值y_i，下標i表示第i個渠池；在下游節制閘的控制作用下，渠池被分為偽均勻流區和回水區兩個部分，在偽均勻流區選取N_i個取水閘的樁號位置作為分段點，系統變量的變化規律由下式描述：

式中，為回水區的蓄水面積；_i,0為渠首的流量變化傳播至回水區的遲滯時間；τ_i,j為第j個渠段的流量變化傳播至回水區的遲滯時間；為渠首的輸入流量；為渠尾的下泄流量；為回水區的總取水流量；為第j個渠段的總取水流量；

根據全渠道系統控制模型對水位變化過程進行預測：預測偽均勻流區的蓄水量變化：第i個渠池中第j個渠段的蓄水量的變化，影響控制點水位的變化，影響過程等效為該渠段內取水流量的變化，計算式如下：

式中，為對應渠段的蓄水面積；Δt是離散化的時間步長；Δh_i,j由取水閘閘前水位的實時觀測數據得到；建立預測模型如下：

式中，f表示神經網絡模型；

預測控制點水位的變化：采用修正后的替換式(1)中的根據優化后的系統控制模型對控制點的水位變化過程進行預測，設定預測時域為p，離散形式的計算可表達為如下形式：

式中，x(k)為系統的狀態變量；M_x、M_u、M_d為系數矩陣；U(k)、D(k)為預測時域內系統變量的并集，即：

式中，y(k)、u(k)、d(k)依次為系統的輸出變量、控制變量、擾動變量；表示在k時刻對k+p時刻系統輸出的預測值；

依據全渠道系統的實時運行需求，設定自動控制的時間間隔，并明確渠道內水流的約束條件；

在渠道運行約束條件的限定下，聯合求解控制時域內全渠道系統所有閘門的開度動作。

2.根據權利要求1所述的一種水聯網灌區的全渠系自適應預測控制方法，其特征在于，建立全渠道系統控制模型的具體步驟如下：

識別灌區內全部閘門的控制模式；

根據灌區內全部閘門的控制模式，建立狀態空間方程形式的系統控制模型。

3.根據權利要求2所述的一種水聯網灌區的全渠系自適應預測控制方法，其特征在于，建立狀態空間方程形式的系統控制模型具體如下：

根據遲滯時間的大小，選擇組成狀態變量x(k)和擾動變量d(k)的歷史長度范圍，以節制閘調控動作為控制變量u(k)，水位偏差為輸出變量y(k)，建立如下狀態空間方程形式的系統控制模型：

x(k+1)＝Gx(k)+Hu(k)+Zd(k)；

y(k)＝Cx(k)；

式中，G為狀態矩陣，H為控制矩陣，Z為擾動矩陣，C為輸出矩陣。

4.根據權利要求2或3所述的一種水聯網灌區的全渠系自適應預測控制方法，其特征在于，還包括利用優化算法，對自動控制模型的參數進行在線尋優。

5.根據權利要求1所述的一種水聯網灌區的全渠系自適應預測控制方法，其特征在于，根據全渠道系統控制模型對水位變化過程進行預測包括：

預測偽均勻流區的蓄水量變化；

預測控制點水位的變化。

6.根據權利要求1所述的一種水聯網灌區的全渠系自適應預測控制方法，其特征在于，依據全渠道系統的實時運行需求，設定自動控制的時間間隔，并明確渠道內水流的約束條件，包括：

設定自動控制的時間間隔；

分析系統變量的約束條件，其中，一是水位控制約束，二是水位變速控制約束，三是流速控制約束。