灌区输配水分段积分时滞模型及自适应预测控制方法

大型灌区渠道长、流量大、取水口多且分散,积分时滞模型(ID)适用性不强、参数不易率定;以水联网灌区的实时观测体系为基础,研究各取水口流量变化传播的时滞差异、非回水区蓄水量变化对回水区水位的影响,提出分段积分时滞模型(SID),建立在线自适应预测控制(APC)算法,在宁夏西干渠百万亩灌区调试验证。结果显示,基于ID的线性二次型控制(LQ)和模型预测控制(MPC)在水位目标不变时,可稳定水位,但超调量大,在水位目标显著增加时,控制失效;基于SID的模型预测控制(MPC)和自适应预测控制(APC)可将超调量控制在较小范围以内,且APC误差更小、控制效果更优。

含多分水口的渠道广义积分时滞(ID)控制建模及验证

积分时滞(ID)模型是应用最广泛的输水明渠控制模型之一,建模时常假定分水口均位于渠池的下游尾端。然而对于我国灌区渠系而言,分水口位置可能位于渠池沿线任意位置,此时直接应用ID模型将会导致控制效果较差甚至出现系统失稳的可能。针对这种情况,本文首先分析了分水口位置对ID模型预测精度的影响,在考虑分水扰动的滞后时间后提出了广义ID模型,并分别以传统ID模型和广义ID模型为基础进行模型预测控制(MPC)算法开发及仿真验证。仿真结果显示,对于分水口位于上游段的渠池,本文所提出的广义ID模型预测精度更高,且控制效果的改善程度可达65%。同时在控制器调试过程中,控制器参数的可选域增大约1.4倍,表明更容易获取合适的控制器,试错成本显著降低。

大水位变幅下多级闸控河渠自适应控制方法研究

【目的】提高多级闸控河渠水位变幅较大时的河渠水位控制精度,减小河渠水位振荡,提升控制算法的收敛效率。【方法】利用河渠实时水位动态修正ID模型参数并调整闸坝启闭频率,提出自适应预测控制(APC)算法,对比分析6种工况下不同控制算法的精度与效率。【结果】与基于ID模型的线性二次型控制(LQR)算法与模型预测控制(MPC)算法相比,APC算法可分别缩短19%~32%和8%~40%的调控时长,可减少47%~97%和14%~93%的河渠水位累计波动,可减小24%~77%和5%~59%的河渠水位平均绝对偏差。【结论】APC算法提高了多级闸控河渠水位的控制精度和算法的收敛性,可在不同的河渠水位变幅下保持良好的控制性能,能够为多级闸控河渠的智慧水利建设提供技术支持。

多级串联明渠调水工程多目标水位预测控制模型研究

针对传统的明渠水位预测控制模型无法考虑闸门调控次数限制的问题,本文在以往的预测控制目标中加入了流量调整惩罚量,构造了多目标渠池水位预测控制模型;并采用带有精英排序策略的遗传算法来进行复杂优化问题的求解。将此模型应用于南水北调中线干线工程最后6级渠池的虚拟仿真模型中对模型可靠性进行分析,结果表明在两种测试工况中,本文的多目标预测控制模型相比于传统预测控制模型,能在保持相似的水位控制效果同时使得闸控次数降低43%和52%;而且采用遗传算法求解能考虑闸门死区带来的流量最小变幅约束问题,在需要提前进行流量微调的情况下生成更加合理的调控方案。本文结果也表明,基于水位状态预测模型构造多目标预测控制模型,并采用启发式算法进行优化问题求解,这一思路具有一定可行性。

基于线性二次型的多级联输水渠道最优控制

灌溉输配水是水联网链路的重要环节,其自动控制水平直接影响着水联网效率和风险控制能力,对实现水资源高效管理与利用有重要意义。通过变化输水渠道线性积分时滞控制模型,建立了多级联渠道离散时间状态空间方程,基于线性二次型理论设计最优状态反馈控制器,利用MATLAB求解和SOBEK模拟进行了验证。在甘肃省昌马南灌区多级联渠道运行过程优化控制的模拟结果显示,线性二次型算法能够使控制点水位较快恢复并稳定在设定值,控制过程动作与水位波动次数少、幅度小,效果远优于常规分布式PI反馈控制。线性二次型算法能够应对多级联渠道时滞、耦合特性和一般未知取水扰动,实现可靠供水服务和有效运行控制。目前算法仅采用反馈控制,尚无法应对过大未知取水扰动,还有进一步改进空间。

水联网渠道可控性判别指标研究

渠道是调水和输配水的主要工程型式,渠道可控性是渠道水联网控制安全与高效运行的重要前提。本文根据一阶时滞系统的一般可控性原理,提出了基于积分时滞模型参数的渠道可控性概念及其判别指标,建立了渠道可控性与自动控制方法选择的判别关系。以疏勒河昌马南灌区二分干渠为例,模拟验证了上述可控性指标及算法选择合理性。研究表明,案例渠道可控性指标为0.2~0.3,比例积分算法对此系统无法有效控制,线性二次型算法控制效果受扰动幅度影响较大,而模型预测算法能有效控制。这一结论进一步说明了渠道控制效果是渠道可控性与控制算法的综合结果,可控性判别指标可用于判断渠道可控性并合理选择控制算法以及指导渠道设计。

耦合前馈控制策略的明渠线性最优控制方法

针对线性最优控制算法无法根据分水变化信息提前制定调控策略的问题,本文基于明渠简化积分时滞模型提出了计划分水情况下的前馈策略和耦合此策略的线性最优控制方法。将方法应用于由南水北调中线干线工程的最后6段明渠组成的案例渠池的仿真模型中对方法有效性进行分析,研究结果表明方法中的前馈策略能在仅引起较小水位变幅的情况下快速调整节制闸流量到合理范围,且方法中的最优反馈控制能合理地逐步消除水位偏差。相比于单独使用线性最优控制算法,此方法能达到提前并快速进行流量响应,达到缩小由于流量不平衡引起的水位偏差的效果。

扰动可预知算法在实际渠道上的应用

简要介绍了积分-时滞模型及其参数率定过程,对积分-时滞模型进行离散化处理构造出全状态空间模型,利用状态空间模型对扰动可预知算法进行设计。最后,将该算法应用在美国亚利桑那州Maricopa Stanfield灌溉输水区W-M支渠,并和当前使用的线性二次型(LQR)算法进行比较和分析,得出一些应用性结论,这些结论对于渠道运行控制系统设计及算法选择均具参考价值。