明渠引排水系統(tǒng)的控制與優(yōu)化.pdf

1、明渠引水系統(tǒng)和城市排水系統(tǒng)是明渠水系的兩類重要系統(tǒng)。明渠引水系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、跨流域調(diào)水和河道航運(yùn)有著深遠(yuǎn)意義,研究明渠引水系統(tǒng)的邊界控制問(wèn)題,保證渠道蓄水水位的穩(wěn)定性能夠有效提高渠道系統(tǒng)的用水效率,實(shí)現(xiàn)適時(shí)、適量供水,避免水資源的浪費(fèi)。然而,明渠引水系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、而且還存在著諸如降雨、用戶用水變化等各種干擾,這些外部不確定因素都會(huì)對(duì)渠道的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。如何設(shè)計(jì)有效的邊界控制方案保證蓄水水位的穩(wěn)定,成為解決明渠引水系統(tǒng)用水效率

2、問(wèn)題的關(guān)鍵。城市排水系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中不可缺少的部分,研究城市排水系統(tǒng)的溢流對(duì)于減少污水溢流造成的環(huán)境污染、保護(hù)水資源環(huán)境意義重大；而研究城市排水系統(tǒng)中的泵站節(jié)能問(wèn)題,則對(duì)于降低系統(tǒng)運(yùn)行成本,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有重要意義。由于渠道中水流動(dòng)態(tài)特性呈現(xiàn)強(qiáng)非線性、延時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn),難以用傳統(tǒng)控制方法得到理想的控制效果。因此,研究明渠水系中引、排水系統(tǒng)的控制和優(yōu)化問(wèn)題在理論上和實(shí)踐中都受到了廣泛關(guān)注。
　　 明渠非恒定流動(dòng)力學(xué)模型由Saint

3、-Venant方程描述。對(duì)于明渠引水系統(tǒng),本論文從Saint-Venant方程出發(fā),圍繞其邊界反饋控制問(wèn)題展開(kāi)研究,采用Lyapunov方法和Riemann不變方法重點(diǎn)研究了三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的明渠系統(tǒng):單渠道、串級(jí)多渠道和星形網(wǎng)絡(luò)明渠系統(tǒng),提出了其邊界反饋控制問(wèn)題的統(tǒng)一設(shè)計(jì)思路,給出了保證閉環(huán)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的邊界反饋控制律形式和參數(shù)選擇方法。對(duì)于大規(guī)模城市排水系統(tǒng),基于預(yù)測(cè)控制和大系統(tǒng)理論解決了其溢流控制與節(jié)能優(yōu)化問(wèn)題。主要內(nèi)容和研究成果包括

4、以下五個(gè)方面:
　　 ●針對(duì)具有矩形截面兩渠道構(gòu)成的串級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),設(shè)計(jì)了帶待定參數(shù)的非線性控制律,利用加權(quán)Lyapunov函數(shù),給出保證系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的的參數(shù)選擇方法,以及邊界反饋控制的形式。然后將此思想推廣到N渠道串級(jí)網(wǎng)絡(luò),對(duì)Lyapunov函數(shù)中的加權(quán)系數(shù)和控制律中待定參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì),獲得N渠道網(wǎng)絡(luò)的邊界反饋控制律。
　　 ●對(duì)具有任意截面形狀的水平單渠道系統(tǒng),通過(guò)將由Saint-Venant方程描述的原系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為等

5、價(jià)的Riemann不變系統(tǒng),提出了邊界條件線性化或二次線性化,設(shè)計(jì)了任意截面形狀單渠道的邊界反饋控制,其特點(diǎn)是該邊界反饋控制律是邊界處水位高度的初等函數(shù),且實(shí)現(xiàn)容易。隨后,將單渠道邊界反饋控制的設(shè)計(jì)思想推廣到多段渠道串級(jí)網(wǎng)絡(luò),獲得保證系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的邊界反饋控制設(shè)計(jì),并且給出了邊界反饋控制律中參數(shù)取值范圍的估計(jì)。
　　 ●研究了星形網(wǎng)絡(luò)明渠系統(tǒng)的邊界反饋控制問(wèn)題。給出星形網(wǎng)絡(luò)明渠系統(tǒng)的一個(gè)漸近穩(wěn)定性定理,根據(jù)該定理,并且結(jié)合單/多

6、渠道串級(jí)系統(tǒng)邊界反饋控制設(shè)計(jì)的思想,提出了保證星形系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的線性化的邊界條件,實(shí)現(xiàn)了星形網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的邊界反饋控制設(shè)計(jì),其優(yōu)點(diǎn)仍然是僅需要測(cè)量邊界處的水位高度作為反饋量。最后,對(duì)穩(wěn)定性定理和邊界條件中的參數(shù)給出了計(jì)算方法和取值范圍。
　　 ●針對(duì)大規(guī)模城市排水系統(tǒng)的溢流控制問(wèn)題,引入排水系統(tǒng)中各元件的模型,利用元件模型建立排水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型,并定義溢流優(yōu)化問(wèn)題。為了保證較快的獲得最優(yōu)解,設(shè)計(jì)了基于離散極大值原理的梯度求解算法,采

7、用分段集結(jié)策略的預(yù)測(cè)控制來(lái)降低在線計(jì)算量和抵抗降雨-徑流不確定性對(duì)系統(tǒng)溢流量的影響。通過(guò)對(duì)一個(gè)大規(guī)模城市排水系統(tǒng)的仿真結(jié)果,說(shuō)明了該集結(jié)預(yù)測(cè)控制算法不僅能大大降低計(jì)算復(fù)雜性,而且對(duì)降雨一徑流不確定性具有較強(qiáng)的魯棒性。
　　 ●研究了大規(guī)模排水系統(tǒng)中泵站節(jié)能優(yōu)化問(wèn)題。建立大規(guī)模排水管網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)流模型并給出泵站節(jié)能優(yōu)化問(wèn)題描述,針對(duì)大規(guī)模排水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,提出了基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)分割方法的分解-協(xié)調(diào)算法,并設(shè)計(jì)了兩層遞階優(yōu)化結(jié)構(gòu),仿