【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于明渠調(diào)水工程自動(dòng)化調(diào)控領(lǐng)域，具體涉及一種基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法。
技術(shù)介紹
1、明渠輸水系統(tǒng)各建筑物之間水力聯(lián)系緊密，存在非線性、大時(shí)滯以及多擾動(dòng)的特性，輸水過程中伴隨著復(fù)雜的水力響應(yīng)過程,任何擾動(dòng)都可能會(huì)導(dǎo)致局部或整個(gè)輸水系統(tǒng)狀態(tài)的變化，給工程調(diào)控帶來巨大的挑戰(zhàn)。
2、盡管現(xiàn)有工程大多具有完備的遠(yuǎn)程閘控系統(tǒng)和實(shí)時(shí)水情監(jiān)測系統(tǒng)，但由于我國對于輸水渠道自動(dòng)化的研究起步較晚，渠道自動(dòng)化技術(shù)的工程應(yīng)用較少，關(guān)于渠道閘門自動(dòng)化控制技術(shù)暫不成熟，目前絕大多數(shù)工程仍然處于依靠人力主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡單邏輯控制的階段，工作強(qiáng)度大、決策效率低，可能會(huì)因?yàn)闆Q策不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)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(diào)水系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)面臨不同擾動(dòng)工況下，優(yōu)化閘門實(shí)時(shí)運(yùn)行調(diào)控次數(shù)的方法。
4、對于如何優(yōu)化明渠調(diào)水工程閘門實(shí)時(shí)運(yùn)行調(diào)控次數(shù)，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較為缺乏，已有的方法技術(shù)無法有效為優(yōu)化閘門實(shí)時(shí)運(yùn)行調(diào)控次數(shù)提供技術(shù)支撐。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的前述問題。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下：
3、一種基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，包括如下步驟，
4、s1、明渠調(diào)水系統(tǒng)一維水動(dòng)力模型構(gòu)建；
5、基于圣維南方程組，構(gòu)建明渠調(diào)水系統(tǒng)一維水動(dòng)力模型，采用追趕法求解模型，同時(shí)對
6、s2、渠道安全擾動(dòng)閾值函數(shù)關(guān)系提煉；
7、基于一維水動(dòng)力模型，將模型的內(nèi)外邊界范圍進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)不同的工況，施加不同的擾動(dòng)值。考慮渠道的自平衡特性，以工程運(yùn)行水位限制與變幅為約束條件篩選合理的安全擾動(dòng)閾值，并與初始流量以及閘門開度進(jìn)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(gòu)建；
9、基于傳統(tǒng)的pid控制方程進(jìn)行離散并生成增量式pid控制表達(dá)式，適用于渠道的閘前常水位控制。考慮渠道自平衡特性，以渠道安全擾動(dòng)閾值為觸發(fā)條件，構(gòu)建pi控制模型。
10、s4、基于粒子群算法的pi控制器參數(shù)優(yōu)化；
11、針對pi控制器中kp和ti參數(shù)在不同工況下表現(xiàn)不一致，采用粒子群算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使pi控制器在不同工況下達(dá)到最優(yōu)控制效果，生成擾動(dòng)工況下的閘門調(diào)控過程。
12、進(jìn)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(jìn)行概化來構(gòu)建明渠調(diào)水工程一維水動(dòng)力模型，同時(shí)對糙率和過閘流量系數(shù)等水力參數(shù)進(jìn)行率定，采用追趕法進(jìn)行求解。本專利技術(shù)不限制水力參數(shù)率定方法，常用的方法包括經(jīng)驗(yàn)公式法、參數(shù)反演法等。
14、進(jìn)一步地，步驟s2具體為，
15、s21、基于一維水動(dòng)力模型，以渠池下游設(shè)計(jì)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(nèi)邊界，并對內(nèi)外邊界的范圍進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)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(dòng)值，考慮渠道的自平衡特性并以工程設(shè)計(jì)運(yùn)行水位限制與變幅為約束條件，篩選合理安全擾動(dòng)閾值，水位運(yùn)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(shí)|≤15cm
21、|δh24小時(shí)|≤30cm
22、式中：zm為模擬穩(wěn)定水位，zmax為渠道最高運(yùn)行水位(根據(jù)初始穩(wěn)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(yùn)行水位(根據(jù)初始穩(wěn)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(shí)表示每小時(shí)的水位變化，δh24小時(shí)表示每24小時(shí)的水位變化。
23、s23、將渠道水力安全擾動(dòng)閾值與初始流量以及閘門開度進(jìn)行雙變量公式擬合，實(shí)現(xiàn)不同工況下安全擾動(dòng)閾值的快速計(jì)算；
24、進(jìn)一步地，步驟s3具體為，
25、s31、基于傳統(tǒng)的pid控制理論，建立適用明渠調(diào)水系統(tǒng)閘前常水位控制的增量式pid控制公式。經(jīng)典的pid控制方程公式如下：
26、
27、式中，u(t)為控制器在t時(shí)刻的輸出；kp為比例系數(shù)；ti為積分時(shí)間；td為微分時(shí)間；e(t)為誤差信號。
28、pid控制實(shí)際應(yīng)用是根據(jù)采樣的系統(tǒng)值和控制值的偏差來對系統(tǒng)進(jìn)行控制，在數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行pid算法控制，需要對上述算法進(jìn)行離散化，當(dāng)采樣周期t足夠小時(shí)，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(shí)間被控量與控制目標(biāo)的差值，用這種近似方法，可以得到數(shù)字pid控制算法離散后的表達(dá)式：
33、
34、將上述各項(xiàng)取增量，得到增量式pid控制表達(dá)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(dòng)閾值計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)一種控制模型的觸發(fā)機(jī)制：當(dāng)擾動(dòng)或一定時(shí)間內(nèi)的疊加擾動(dòng)處于安全調(diào)控閾值范圍內(nèi)，無需觸發(fā)模型對閘門進(jìn)行控制，此時(shí)閘前水位可以通過自平衡特性穩(wěn)定在水位安全限制以內(nèi)；當(dāng)擾動(dòng)或一定時(shí)間內(nèi)的疊加擾動(dòng)超出安全調(diào)控閾值范圍，則判斷為僅通過自平衡特性無法將水位穩(wěn)定在安全限制以內(nèi)，未來閘前水位將超限，此時(shí)需要觸發(fā)控制模型對閘門開度進(jìn)行調(diào)整，使水位重新回到目標(biāo)水位附近。
38、由于微分控制在時(shí)滯系統(tǒng)中的作用效果不佳，微分項(xiàng)的調(diào)控極易引起水位的頻繁波動(dòng),因此微分參數(shù)為0，則pi控制算法表達(dá)式為：
39、
40、式中，δu(k)為控制器在第k個(gè)時(shí)刻的控制輸出增量；e(k)當(dāng)前時(shí)刻誤差信號；δe(k)為誤差增量；kp為比例系數(shù)；ti為積分時(shí)間；t為采樣周期。
41、以模擬的節(jié)制閘閘前水位作為被控變量，閘門開度作為控制變量，構(gòu)建考慮渠道自平衡特性的pi控制模型。
42、進(jìn)一步地，步驟s4具體為，
43、在對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí),令種群中粒子數(shù)為s,以kp和ti,作為不同粒子的坐標(biāo)記為x(i,t),初始種群可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在允許范圍內(nèi)取值，同時(shí)每個(gè)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(shù)。首先在一個(gè)范圍內(nèi)隨機(jī)生成不同粒子的初始坐標(biāo)和初始速度。再使用模擬模型計(jì)算得到對應(yīng)工況下的自動(dòng)控制結(jié)果，通過構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)評價(jià)不同kp和ti,的優(yōu)劣。適應(yīng)度函數(shù)如下:
44、minδz＝max|zi-zt|
45、式中，δz為需要最小化的目標(biāo)函數(shù)，zi為每時(shí)刻的水位值，zt為目標(biāo)水位值。
46、對每個(gè)粒本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，所述S1具體為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，所述對不同水工建筑物水力參數(shù)進(jìn)行率定的方法包括經(jīng)驗(yàn)公式法和參數(shù)反演法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，所述S2具體為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，所述水位運(yùn)行限制約束公式如下：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，所述S3具體為：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，所述PI控制模型為：
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，所述S4具體為：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，所述s1具體為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，所述對不同水工建筑物水力參數(shù)進(jìn)行率定的方法包括經(jīng)驗(yàn)公式法和參數(shù)反演法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于渠道自平衡特性的閘門實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，所述s2具體為...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：雷曉輝，龍巖，謝新文，高偉，石鑫龍，張召，
申請(專利權(quán))人：河北工程大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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