明渠模型预测控制快速优化计算方法

针对基于圣维南方程使用启发式算法进行渠道预测控制时,现有优化计算方法生成调控方案时间过长、无法满足实时控制需求的问题,提出了一种基于多目标优化算法的快速优化方法.以一处试验渠道的数值模型作为控制对象,应用此方法构建了预测控制模型以生成调控方案,并构建了一维水动力模型对调控方案进行验证.研究发现在闸门控制系统中,超出水位控制范围的最大值最小、超出水位控制范围的平均值最小、闸门动作次数最少、闸门开度总变化量最小4个目标间能够相互诱导,加速优化计算过程4倍以上.在该试验渠道的流量计划调整工况中,验证了此种方法的有效性,将单次计算时间缩短至1 s内.验证效果表明,该方法在提高了水位控制效果的同时,能够减少由单独设置超出水位控制范围的最大值最小目标导致的非必要闸门调控,总计减少69%的闸门调控次数.

横排头枢纽工程坝上旱警水位确定分析

基于淠河灌区水资源调度及抗旱应急响应科学决策的需要,文章用量化分析的方法,通过对横排头水利枢纽工程上游水文特征、下游需水量做深入分析,确定了坝上库区相应的旱警水位,为水资源调度及抗旱应急响应提供了理论依据。

基于RBF人工神经网络的下游常水位自适应渠道输水控制研究

针对传统渠道输水PID控制方法响应速度慢、超调量大、参数不能在线自调整的不足,根据RBF神经网络和渠道输水特点,提出了将传统渠道下游常水位输水PID控制和RBF人工神经网络结合的输水控制方法,使输水控制具有自学习、自适应、容错性和鲁棒性。推导了RBF网络整定PID输水控制调节器的算法。仿真结果表明,基于RBF网络的PID输水控制方法,能够通过不断学习自动调整控制参数,使输水控制过程超调量小、响应速度快,具有不需要特意选择或计算控制参数的特点。因此,基于RBF神经网络的参数非线性PID控制更适合进行渠道输水这样高度非线性系统的实时控制过程。

基于实测水位和流量数据的渠道控制模型参数辨识与验证

针对传统渠道控制模型推导求解复杂,难以在实际工程中应用的问题,该研究以渠道积分延迟(Integrator Delay,ID)模型和积分延迟零(Integrator Delay Zero,IDZ)模型为研究对象,利用递推最小二乘法对2种渠道控制模型进行了参数辨识和分析。结果表明,参数辨识方法可以简单、有效地获取渠道系统的控制模型;在模型试验中,辨识误差基本分布在(−1,1)cm之间,在南水北调原型工程中,辨识误差基本分布在(−2,2)cm之间;2种辨识模型的均方误差均小于7.675×10^(-5) m^(2),且针对水流变化复杂的大型渠道工程,IDZ模型的辨识精度和稳定性整体高于ID模型。该研究结论对于渠道控制建模理论及控制器设计方法具有一定的参考价值,可应用于灌区或调水工程的输配水渠道系统建模。

水力自动溢流堰在自动调控渠系中的应用

分析了渠系自动化的发展现状,介绍了水力自动溢流堰及其恒定水位的工作原理,并根据该装置良好的恒定水位性能,研究其在渠系自动化流量调控的应用条件和实现方法,其中对在取水口处应用和渠道中的联合运用两种方法作了进一步探讨。在渠道自动化上游控制中,能有条件地取代常用的水力自动闸门,可以实现真正恒定水位的目的,使得渠系自动调控方法简便,精度高。

渠首水位实时调控模型——以船行灌区一支渠为例

很多大中型灌区在输配水过程中存在水位衔接不当的问题,加之田面高程存在起伏,使得灌溉时往往存在部分田面不能上水或受淹等问题。本文提出了空间灌溉率的概念,并利用GIS的三维分析功能研究了其与渠道渠首水位之间的关系。分析表明,空间灌溉率与渠首水位之间的关系符合Logistic曲线;针对船行灌区一支渠,得到该Logistic曲线的参数,并确定了一支渠渠首和干渠渠首不同空间灌溉率所需的水位,为灌区水位实时调控提供基础数据。

江南运河洪涝分析及治理对策探讨

近年江南运河苏南段连续出现历史高水位,洪涝问题突出,成为流域防洪的重点,本文梳理了这一区段的治理过程,对治理方案、效益和影响进行了说明,对发生问题的原因从降雨特征、城市大包围建设等方面进行了分析,对治理的对策进行了探讨。

渠系前馈蓄量补偿控制时滞参数算法比较与改进

输水明渠系统控制算法主要由前馈及反馈模块组成,其中前馈模块较大程度上影响了系统控制性能。基于蓄量主动补偿的前馈控制算法受时滞参数影响较大,为比较现有多种算法实际控制性能优劣,并寻求不依赖复杂数值计算的简化时滞参数算法,该文进行了横向的算法比较与优化开发。文章基于蓄量阶跃补偿及蓄量二次补偿2类算法,结合改进比例-积分(proportional-integral,PI)反馈控制器,对典型测试渠系及实际工程渠系建模仿真,选取稳定时间、最大超调流量、绝对值误差积分(integral of absolute magnitude of error,IAE)和绝对流量变化积分(integrated absolute discharge change,IAQ)指标分析了蓄量阶跃补偿、动力波原理、水量平衡模型3种时滞参数算法的控制效果。结果显示,在实际工程渠系中,小流量工况下,蓄量阶跃补偿算法的稳定时间比水量平衡模型算法的稳定时间减小40.42%;大流量工况下,蓄量阶跃补偿算法的最大超调流量最小,仅比目标流量高3%,该算法的稳定时间比水量平衡模型算法的稳定时间减少25.45%。结果表明蓄量阶跃补偿算法控制效果较好,但该算法在推求渠池所需蓄量补偿值时需进行水面线推求,文章依据渠道蓄量变化与流量变化间的线性关系,提出简化的时滞参数显式算法。较传统数值算法,时滞参数显式算法与蓄量阶跃补偿算法的时滞参数差值百分比小于8%,在满足实际工程需求的同时,可明显减少推求所需蓄量补偿值的计算量。文章的比较结论及所提出的简化算法对输配水渠道系统,尤其是大型渠道系统调度具有一定的理论价值和应用前景。

串联输水渠系控制解耦算法优化与仿真

串联输水渠系耦合特性表现为针对单一渠池设计的控制器串联使用后控制性能较差。解耦算法可在一定程度上增强渠池的独立控制性能。该研究针对基于比例-积分-微分(Proportional-Integral-Differential,PID)反馈控制的上游方向解耦算法提出优化方案,首先对控制解耦算法中的解耦系数的选取范围进行验证;其次针对相邻渠池长度差异较大的情况,在算法中引入放大系数以提升解耦效果;最后通过对不同取水流量规模、渠道上下游运行流量减半的算例进行仿真分析,验证优化方案的控制性能。结果表明:1)解耦系数的合理取值范围为0.8~1.0;2)放大系数可选用相邻渠池水面面积之比;3)当串联渠系上下游设计过流能力差异较大时,放大系数的修正能显著提升控制效果。该研究提出的优化解耦算法可应用于不同规模复杂渠道系统的解耦控制器设计,对于灌区及引调水工程输水系统的智能化调度有一定参考价值,工程应用时建议结合具体渠道的特点,根据渠道的特性和用途综合考虑系数的取值。

大型输水渠系蓄量非叠加非充分补偿优化算法

针对推算大型输水渠道系统前馈控制规则时,蓄量叠加补偿算法使闸门提前较长时间开启,过渡过程时间较长的问题,提出蓄量非叠加当地补偿算法,对两个规模相差近15倍的渠系建模进行验证.结果表明:渠系规模较大时,蓄量非叠加当地补偿算法有效减小了渠首闸提前开启时间.在大型实际渠系一般取水工况下,该算法渠首闸提前开启时间、过渡过程时间较蓄量叠加补偿算法分别缩短了81.95%和48.88%,渠系控制动态性能有所优化.考虑用水所需变化流量较大的工况,进一步提出蓄量非叠加非充分补偿优化算法,达到更好地减小渠首闸提前开启时间,提高渠系控制性能的目的.在大型实际渠系用水需求流量变化较大的工况下,该算法渠首闸提前开启时间较蓄量非叠加当地补偿算法减小68.55%,过渡过程时间较短,动态性能相对最优.在蓄量补偿比例β选择合适的前提下,蓄量非叠加非充分补偿优化算法可在满足供水需求的同时有较好的渠系控制效果.