明渠输水控制系统耦合ID监控模型及谐振滤波算法研究

本项目的主要工作从2011年1月至2013年12月，共历时三年。项目按照项目计划书拟定的进度进行，主要开展了以下几方面的工作：（1）大型渠道系统时滞参数及水力学特性仿真测试；（2）渠池状态变量耦合算法；（3）耦合ID建模及鲁棒性分析；（4）渠池谐振机理分析及滤波算法。研究工作顺利实现了预期的研究目标，得到的主要研究成果有：（1）建立了大型渠系状态空间ID模型参数的模型辨识方法，可以基于水力学仿真程序求解ID模型关键的As和τ；（2）基于渠池间耦合特性，建立了耦合状态空间模型，采用相邻渠池间的控制目标水位差作为控制目标，提高了模型的鲁棒性以及控制的灵活性；（3）开发了渠池谐振滤波算法，可以过滤掉渠池间由于重力波往复弹射造成的非线性影响。项目发表学术论文8篇，其中SCI收录2篇、EI收录6篇，参加国际会议并做报告两人次；获得软件著作权3项，培养博士生三名、硕士生5名。

目前我国渠道调度以人工控制为主，效率低下且普遍存在运行性弃水，这与我国水资源短缺的国情和建设和谐社会的目标不符，亟待开展相应的理论与技术研究。控制明渠输水系统是由水流、节制闸、通信及控制系统组成，非恒定水流的滞后、节制闸产生的渠池间耦合作用以及水波干涉叠加而生的谐振使得该系统的控制建模异常复杂。本项目拟采用ID模型引入渠池时滞因素，并以渠池间的耦合关系作为控制变量，建立系统的线性状态空间模型。该线性模型能够反映系统控制变量的时-空变化规律，并可以直接用于实时控制器优化求解。渠道的水波干涉叠加是造成系统非线性特性的主要原因，本项目拟通过对滤波算法的研究，从复杂的水波信号中提取主要波动趋势，从而达到简化控制操作、减少闸门频繁动作的目的。本项目的成功实施将为我国诸多调水工程的运行调度提供理论和技术支持，也为其他非线性系统的控制提供思路，具有一定的科学意义以及实践应用价值。

内容简介

渠道输水控制需要通过特定的输水控制模型来实现给沿线及下游末端用水户配水，输水控制模型是保证输水、配水的关键，在调度运行过程中处于中心地位。本书作者根据近年来在长距离调水工程输水控制方面的研究成果、调度运行系统开发项目内容编写，包括8章，讲述了以输水成本最小为目标的大型明渠输水控制模型，二步法最优控制模型及应用，自动控制数字仿真模拟系统开发及应用等。

本书可供调水工程设计及渠道输水运行、管理等部门的工作人员学习和参考。 2100433B

内容简介

《长距离调水工程渠道输水控制及数学模型:原理·应用·仿真》内容简介：渠道输水控制需要通过特定的输水控制模型来实现给沿线及下游末端用水户配水，输水控制模型是保证输水、配水的关键，在调度运行过程中处于中心地位。《长距离调水工程渠道输水控制及数学模型:原理·应用·仿真》作者根据近年来在长距离调水工程输水控制方面的研究成果、调度运行系统开发项目内容编写，包括8章，讲述了以输水成本最小为目标的大型明渠输水控制模型，二步法最优控制模型及应用，自动控制数字仿真模拟系统开发及应用等。 《长距离调水工程渠道输水控制及数学模型:原理·应用·仿真》可供调水工程设计及渠道输水运行、管理等部门的工作人员学习和参考。2100433B

预测控制的算法有几十种，其中具有代表性的主要有模型算法控制(MAC)、动态矩阵控制(DMC)和广义预测控制(GPC)等。

(1)模型算法控制

模型算法控制的原理结构图与图8—7相似。模型算法控制的结构包括四个计算环节．即内部模型、反馈校正、滚动优化及参考轨迹。

这种算法的基本思想为：首先预测对象未来的输m状态．再以此来确定当前时刻的控制动作，即先预测再控制。由于它具有一定的预测性，使得它明显优于传统的先输出后反馈冉控制的PID控制系统。

模型算法控制的具体算法很多，有单步模型算法控制、多步模型算法控制、单值模型算法控制和增量型模型算法控制等，这里不再详述。

(2)动态矩阵控制

动态矩阵控制与模型算法控制的不同之处在于内部模型上。该算法采用的是工程上易于测取的对象阶跃响应做模型。其算法较简单，计算量少且鲁棒性强，在石化工业中得到了广泛的应用。

(3)广义预测控制

广义预测控制是在前面几种预测算法的基础上，引入了自适应控制的思想。一般的预测控制算法主要通过反馈来补偿系统误差，再加上滚动优化技术，使模型能对因时变、干扰等造成的影响及时进行补偿。但这种说法是相对的，如果内部模型的准确性很差．则仍会对系统的稳定性造成严重的影响。广义预测控制就是面向此类问题的解决方案。