[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

本發明公開了一種水聯網灌區的全渠系自適應預測控制方法，涉及灌溉輸配水自動控制與水資源管理領域。本發明包括以下步驟：建立全渠道系統控制模型；根據全渠道系統控制模型對水位變化過程進行預測；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。本發明可有效適應灌溉過程中的多種未知擾動和灌溉輸配水系統的時變性質，顯著減小渠道運行中的水位波動，實現精量化、智能化灌溉，大幅降低灌區管理的人力成本，有效提高灌區的水資源利用效率和管理水平。

技術領域

本發明屬于灌溉輸配水自動控制與水資源管理領域，具體涉及一種水聯網灌區的全渠系自適應預測控制方法。

背景技術

全世界每年水資源利用總量的70％被用于農業灌溉，在未來人口增加和經濟增長的雙重壓力下，糧食安全將面臨前所未有的挑戰，而農業所依賴的灌溉用水總量有限，持續加大農業節水力度、提高水資源利用效率的重要意義不言而喻。

灌溉渠系輸配水過程對水資源利用效率影響顯著。在傳統的灌區管理模式下，渠系管理調度不合理、控制方式不精細等因素都會造成灌溉過程中水資源的浪費，根據美國墾務局的統計，這些因素導致的水量損失可占到灌溉過程水量總損失的20％～30％。傳統的人工控制模式下，信息傳遞緩慢，優化調度困難，水量控制不精準，過灌和欠灌現象時有發生，水資源利用效率偏低，而且操作過程繁瑣，人力成本、運行費用偏高。灌溉渠系自動化控制技術可以有效解決這些弊端，為灌區水資源優化配置提供技術保障。

渠道自動控制算法在設計時有分布式控制和集中式控制兩種類型，前者面向單輸入單輸出控制系統，后者面向多輸入多輸出控制系統，單輸入單輸出的典型控制算法有比例積分微分(Proportion-Integral-Derivative,PID)控制，由于渠系中各控制閘門間具有耦合效應，直接使用PID控制效果不佳；多輸入多輸出的典型控制算法有線性二次型(Linear?Quadratic,LQ)最優控制、模型預測控制(Model?Predictive?Control,MPC)，兩者相較而言，模型預測控制可以考慮系統未來已知的擾動，屬于前饋反饋耦合的類型，控制效果更優。

實際應用時，由于多輸入多輸出控制算法基本都采用積分時滯模型(IntegratorDelay?Model,IDM)對自動控制系統建模，該模型適用的工況范圍較窄，在水流擾動較復雜，系統時變性較強的情況下準確性欠佳，因而模型預測控制中的預測誤差會顯著增加，進而導致基于預測情形的控制偏差增加。而且，目前模型預測控制算法中對系統的約束條件描述還不夠充分，流量、水位約束未考慮取水口對閘前水位的需求、未考慮渠道的不沖不淤流速限制等。因此，在灌區輸配水系統的自動控制中，模型預測控制的理論效果理想，但實際應用卻比較受限。

綜上所述，目前用于全渠系控制效果較優的先進算法——模型預測控制對預測模型的準確性要求較高，不能很好地應對大中型灌區沿程取水口較多、未知擾動復雜、系統時變性強的特性。水聯網灌區的監測體系可以實時提供大量的系統狀態數據，為自適應控制算法的開發和應用提供了可能，然而，如何很好地利用實時觀測數據指導渠系自動控制的設計，相關研究尚不充分，更未有實際工程中的應用。

發明內容

本發明的目的是為克服目前已有控制算法不能很好地應對大中型灌區取水口較多、未知擾動復雜、系統時變性強的特性，提出一種水聯網灌區的全渠系自適應預測控制方法。本發明依據在線觀測的數據序列，結合智能優化算法，建立自適應預測控制模型，依據運行需求進行有約束的優化求解，可實際應用于灌區閘門的自動化控制設計，可有效適應灌溉過程中的多種未知擾動和灌溉輸配水系統的時變性質，顯著減小渠道運行中的水位波動，實現精量化、智能化灌溉，大幅降低灌區管理的人力成本，有效提高灌區的水資源利用效率和管理水平。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

本發明提出一種水聯網灌區的全渠系自適應預測控制方法，包括以下步驟：

建立全渠道系統控制模型；