【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于明渠調水工程自動化調控領域，具體涉及一種基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法。
技術介紹
1、明渠輸水系統各建筑物之間水力聯系緊密，存在非線性、大時滯以及多擾動的特性，輸水過程中伴隨著復雜的水力響應過程,任何擾動都可能會導致局部或整個輸水系統狀態的變化，給工程調控帶來巨大的挑戰。
2、盡管現有工程大多具有完備的遠程閘控系統和實時水情監測系統，但由于我國對于輸水渠道自動化的研究起步較晚，渠道自動化技術的工程應用較少，關于渠道閘門自動化控制技術暫不成熟，目前絕大多數工程仍然處于依靠人力主觀經驗進行簡單邏輯控制的階段，工作強度大、決策效率低，可能會因為決策不當導致產生工程安全問題。
3、針對以上問題，我們提出了一種考慮明渠調水系統實時運行時面臨不同擾動工況下，優化閘門實時運行調控次數的方法。
4、對于如何優化明渠調水工程閘門實時運行調控次數，相關文獻報道較為缺乏，已有的方法技術無法有效為優化閘門實時運行調控次數提供技術支撐。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，從而解決現有技術中存在的前述問題。
2、為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案如下：
3、一種基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，包括如下步驟，
4、s1、明渠調水系統一維水動力模型構建；
5、基于圣維南方程組，構建明渠調水系統一維水動力模型，采用追趕法求解模型，同時對
6、s2、渠道安全擾動閾值函數關系提煉；
7、基于一維水動力模型，將模型的內外邊界范圍進行分區設計不同的工況，施加不同的擾動值。考慮渠道的自平衡特性，以工程運行水位限制與變幅為約束條件篩選合理的安全擾動閾值，并與初始流量以及閘門開度進行雙變量公式擬合。
8、s3、考慮渠道自平衡特性的pi控制模型構建；
9、基于傳統的pid控制方程進行離散并生成增量式pid控制表達式，適用于渠道的閘前常水位控制?？紤]渠道自平衡特性，以渠道安全擾動閾值為觸發條件，構建pi控制模型。
10、s4、基于粒子群算法的pi控制器參數優化；
11、針對pi控制器中kp和ti參數在不同工況下表現不一致，采用粒子群算法進行參數優化，使pi控制器在不同工況下達到最優控制效果，生成擾動工況下的閘門調控過程。
12、進一步地，步驟s1具體為，
13、基于圣維南方程組，并對典型建筑物進行概化來構建明渠調水工程一維水動力模型，同時對糙率和過閘流量系數等水力參數進行率定，采用追趕法進行求解。本專利技術不限制水力參數率定方法，常用的方法包括經驗公式法、參數反演法等。
14、進一步地，步驟s2具體為，
15、s21、基于一維水動力模型，以渠池下游設計水位、上游來水流量、分水口分水流量作為外邊界，以閘門的開度作為內邊界，并對內外邊界的范圍進行分區設計不同的工況；
16、s22、對渠道上游初始流量或分水口分水流量施加不同的擾動值，考慮渠道的自平衡特性并以工程設計運行水位限制與變幅為約束條件，篩選合理安全擾動閾值，水位運行限制約束公式如下：
17、|zmax-zm|≤0.03m
18、|zmin-zm|≤0.03m
19、水位變幅約束公式如下：
20、|δh1小時|≤15cm
21、|δh24小時|≤30cm
22、式中：zm為模擬穩定水位，zmax為渠道最高運行水位(根據初始穩定水位與水位允許變幅求得，且zmax＜水位上限)，zmin為渠道最低運行水位(根據初始穩定水位與水位允許變幅求得，zmin＞水位下限),0.03m視為模型模擬誤差允許范圍；δh1小時表示每小時的水位變化，δh24小時表示每24小時的水位變化。
23、s23、將渠道水力安全擾動閾值與初始流量以及閘門開度進行雙變量公式擬合，實現不同工況下安全擾動閾值的快速計算；
24、進一步地，步驟s3具體為，
25、s31、基于傳統的pid控制理論，建立適用明渠調水系統閘前常水位控制的增量式pid控制公式。經典的pid控制方程公式如下：
26、
27、式中，u(t)為控制器在t時刻的輸出；kp為比例系數；ti為積分時間；td為微分時間；e(t)為誤差信號。
28、pid控制實際應用是根據采樣的系統值和控制值的偏差來對系統進行控制，在數字系統中進行pid算法控制，需要對上述算法進行離散化，當采樣周期t足夠小時，可以做如下近似：
29、u(t)≈u(k
30、e(t)≈e(k)
31、
32、式中，t為采樣周期，k為采樣序號，e(k)-e(k-1)為不同時間被控量與控制目標的差值，用這種近似方法，可以得到數字pid控制算法離散后的表達式：
33、
34、將上述各項取增量，得到增量式pid控制表達式如下：
35、
36、式中，δu(k)＝u(k)-u(k-1)，δe(k)＝e(k)-e(k-1)，k為采樣序號。
37、s32、基于擾動閾值計算結果設計一種控制模型的觸發機制：當擾動或一定時間內的疊加擾動處于安全調控閾值范圍內，無需觸發模型對閘門進行控制，此時閘前水位可以通過自平衡特性穩定在水位安全限制以內；當擾動或一定時間內的疊加擾動超出安全調控閾值范圍，則判斷為僅通過自平衡特性無法將水位穩定在安全限制以內，未來閘前水位將超限，此時需要觸發控制模型對閘門開度進行調整，使水位重新回到目標水位附近。
38、由于微分控制在時滯系統中的作用效果不佳，微分項的調控極易引起水位的頻繁波動,因此微分參數為0，則pi控制算法表達式為：
39、
40、式中，δu(k)為控制器在第k個時刻的控制輸出增量；e(k)當前時刻誤差信號；δe(k)為誤差增量；kp為比例系數；ti為積分時間；t為采樣周期。
41、以模擬的節制閘閘前水位作為被控變量，閘門開度作為控制變量，構建考慮渠道自平衡特性的pi控制模型。
42、進一步地，步驟s4具體為，
43、在對參數進行優化時,令種群中粒子數為s,以kp和ti,作為不同粒子的坐標記為x(i,t),初始種群可以根據經驗在允許范圍內取值，同時每個粒子都存在一定的速度v(i,t)，其中i表示粒子編號，t表示迭代次數。首先在一個范圍內隨機生成不同粒子的初始坐標和初始速度。再使用模擬模型計算得到對應工況下的自動控制結果，通過構造適應度函數評價不同kp和ti,的優劣。適應度函數如下:
44、minδz＝max|zi-zt|
45、式中，δz為需要最小化的目標函數，zi為每時刻的水位值，zt為目標水位值。
46、對每個粒本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，其特征在于，所述S1具體為：
3.根據權利要求2所述的基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，其特征在于，所述對不同水工建筑物水力參數進行率定的方法包括經驗公式法和參數反演法。
4.根據權利要求1所述的基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，其特征在于，所述S2具體為：
5.根據權利要求4所述的基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，其特征在于，所述水位運行限制約束公式如下：
6.根據權利要求1所述的基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，其特征在于，所述S3具體為：
7.根據權利要求6所述的基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，其特征在于，所述PI控制模型為：
8.根據權利要求1所述的基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，其特征在于，所述S4具體為：
【技術特征摘要】
1.一種基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，其特征在于，所述s1具體為：
3.根據權利要求2所述的基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，其特征在于，所述對不同水工建筑物水力參數進行率定的方法包括經驗公式法和參數反演法。
4.根據權利要求1所述的基于渠道自平衡特性的閘門實時優化調控方法，其特征在于，所述s2具體為...
【專利技術屬性】
技術研發人員：雷曉輝，龍巖，謝新文，高偉，石鑫龍，張召，
申請(專利權)人：河北工程大學，
類型：發明
國別省市：
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