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。     

基于渠池蓄量平衡的闸前变目标水位算法

为了改善渠系下游常水位运行控制方式调节过程蓄量变化剧烈、增大水源供水压力的问题,保证渠系控制的安全、高效,提出了一种基于渠池蓄量平衡的闸前变目标水位的算法,该算法在蓄量变动小时采用下游常水位控制,蓄量变化超过阈值采用考虑约束条件的控制蓄量法.并以Natlab仿真验证法对南水北调中线输水渠道建立多渠段串联控制模型,分析比较控制效果.结果表明:基于渠池蓄量平衡的闸前变目标水位的算法运用效果良好,可实现下游常水位和控制蓄量运行方式的灵活、平稳转换;各渠池蓄量调节量显著减少,基本可以实现蓄量平衡,减小了对上游的需水压力;与下游常水位运行方式相比,其控制过程水位波动平缓闸门流量过程震荡较小,有效减小了闸门超调和回调操作,稳定时间有所延长但在总体调控过程中更为平稳.     

长距离输水管渠结合系统闸阀联合调控方式研究

输配水渠道系统在跨越河谷时往往采用倒虹吸管道,其弹性波波速较明渠重力波有数量级的差异,故探索闸阀这两种响应特性相差迥异的控制对象的控制逻辑差异和调控方式具有一定意义.在处理一维明满流数值计算时采用窄缝法将有压流和明流控制方程统一,选择前馈逻辑与反馈算法中的PI增益系数与动作频率几个要素进行研究对比.由于管道的响应速度较快,阀门无前馈时控制效果仍较为理想,阀门无反馈控制效果很差.选取了水位波动、闸门调整量及稳定时间等性能指标组合成综合指标GI,相较PI控制,阀门和闸门仅采用比例或积分控制时,GI分别变大了39％、17％和75％、55％.对于与算例类似的一般管渠结合系统,阀门可采用无前馈控制,但建议采用反馈控制.阀门可根据管道特性选择不同的控制方式,长管道可仅采用比例控制,避免流量震荡的管道可仅采用积分控制.主要研究方法、结果可用于输配水工程中无压-有压系统的控制器设计,有利于实现输配水系统的安全、高效及自动化运行.     

串联渠系多渠池蓄量平衡控制模式研究

【目的】解决渠道控制中以单个渠段蓄量为控制对象时,存在调蓄容量有限、相邻渠池间的蓄量变化无法相互调节的问题。【方法】提出一种等下游水深的多渠池蓄量平衡运行方式,并建立了基于蓄量变化的闸门目标流量计算方法,采用南水北调东线济平干渠为工程背景进行建模仿真验证。【结果】多渠池蓄量平衡模式下,对蓄量差乘以一定权重系数能有效降低闸门流量超调、缩短稳定时间;在正常运行工况下,该算法较常规下游常水位控制模式对渠首水库造成的调蓄压力更小,各无量纲性能指标整体较优,系统稳定时间最长缩短10 h;考虑流量变化较大的工况时,针对济平干渠渠池长度差异将近10倍的现状,发现增设节制闸减小单渠池长度后,该算法整体稳定时间进一步减小,各无量纲性能指标均不同程度提高。【结论】多渠池蓄量控制优于单个渠池蓄量控制,此算法为多渠池蓄量控制的进一步研究奠定基础。     

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。     

基于无量纲性能指标的渠系控制器参数优化

为研究性能指标对渠系控制器参数优化的效果,该文基于无量纲性能指标,利用MATLAB程序"渠系控制仿真系统"整定了PI控制器参数,同时进行了仿真对比分析。在梳理渠系控制指标领域现有研究成果的基础上,文章首先以渠池固有参数对现有渠系性能指标进行无量纲化处理及追加,并进一步衡量各水位、流量、时间指标的相关性和代表性建立了含权重的综合指标。在程序"渠系控制仿真系统"平台上,采用实例验证法结合2个设计流量约为170 m3/s、8 m3/s的不同规模渠系进行了分析验证。结果表明:无量纲性能指标能够比较不同渠系的控制优劣,并可确定其优化目标数量级;以综合指标在E-3数量级为控制器优化目标,可同时满足各单一无量纲性能指标的优化要求,较好地均衡系统逐项动态性能;流量指标和闸门开度指标存在高耦合关系,在2个实例中其相关度分别为0.995、0.993;控制器比例系数—流量指标变化曲线存在敏感与否的分区,时间积分常数对水位指标敏感,作用曲线呈"U"型。研究提出的无量纲性能指标及综合指标可比较不同规模渠系控制系统性能,也适用于渠系的控制器参数优化设计,对中国大量的调水工程渠道运行调度及灌区渠网调控具有一定的参考价值。     

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模型（Integrator Delay model，ID）和积分延迟零模型（Integrator Delay Zero model，IDZ）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达到了10-5级别，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。文章的主要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。     

等体积明渠H∞鲁棒控制

渠道是一个复杂的动态系统，具有非线性、时滞、无法建立精确数学模型的特点。应用H∞鲁棒控制设计原理及混合灵敏度分析方法设计H，鲁棒控制器。通过仿真可以看出，它能提高渠道系统的稳定性。     

一维圣维南方程差分数值算法中稀疏矩阵求解方法比较及优选研究

【目的】寻找高效、稳定的大型稀疏线性方程组求解算法以提高圣维南方程组求解速度。【方法】归纳了4种基于四点偏心格式的圣维南方程组求解算法并加以改进,并通过仿真试验,对比了不同算法的计算效率。【结果】计算断面数较少时(小于500),所有方法的运算时间基本一致;当计算断面数较大时(大于500),4种算法的速度较传统算法有了一定的提高,在计算断面数为1520时,4种算法的计算速度是传统算法的4倍,在计算断面数为3040时,计算速度更是达到了10倍以上。【结论】改进后的高斯消元法和PM算法在计算断面数较大时计算速度较快,计算效率较高。该方法可应用于MPC控制、LQR控制等渠系自动化控制技术中,以提高仿真程序运算速度。     

渠道运行系统中的模糊PID联合控制研究

鉴于模糊控制良好的暂态特性和 PID控制优良的稳态特性 ,首次提出将二者通过权函数结合起来应用于渠道运行系统 ,并且利用 Matlab语言实现了仿真。结果表明 ,系统诸多性能比单纯 PID控制或模糊控制更佳。