长距离调水工程渠道输水控制数学模型研究及非恒定流仿真模拟系统

摘要

在长距离调水工程中，渠系输水控制运行是最重要任务之一，特别是对复杂的大型长距离调水工程，其特点是距离长，控制站点多，分布不均，要求实行不间断供水，调度和控制十分复杂，任何调度运行的失误都可能造成严重的后果。研究新的、高效的输水控制新技术及非恒定流仿真模拟系统是非常必要的。 (1)对带有梯级泵站的大型长距离调水工程，电费是最大的运行成本之一，为了降低输水成本，本文利用电网峰荷期和基荷期不同的电价及最优化原理，提出了一种针对长距离复杂调水工程的最优输水控制模型。从仿真模拟结果看，优化控制方法不仅能有效的降低运行电费，也能有效控制水位的变化，而且可以以最少泵站开停机次数，有效控制整个渠道运行。 (2)针对大型自流型调水工程，根据控制蓄水量法的基本原理、最优化理论和多年调度运行的实践经验，提出了一种使渠道内水流在最短时间内恢复到目标水位的最优输水控制的二步法模型。较传统输水方法：一是可以在规定的时间内，以最快的速度使渠道水位恢复到目标水位，传统方法需要几天才时间完成调控的渠道，用本优化控制方法，可在几小时内使渠道水位达到目标水位；二是模型中对渠段的蓄水量变化速率、流量变化等进行了约束，因此能使渠道内水流平稳运行，也可避免由于水位降落速度过快产生的渠堤滑坡。 (3)根据明渠输水特点，提出了将传统渠道下游常水位输水PID控制和RBF人工神经网络控制方法结合的非线性输水控制模型，使输水控制具有自学习、自适应功能，容错性、鲁棒性强的特征。通过非恒定流仿真表明，基于RBF网络的PID输水控制方法，能够通过不断学习，自动调整控制参数，使输水控制过程超调量小，响应速度快，具有不需要特意选择或计算控制参数的优点。 (4)根据模糊控制的优点，结合PID控制结构简单、稳定的特点，建立了渠道输水控制参数自适应模糊控制输水模型。模型通过模糊推理，吸纳渠道输水自动控制的专家经验，实现参数的优化，使控制过程始终处于一个较优的状态。水力模拟结果表明，用模糊自适应控制渠道输水，能明显减少超调量，输水控制的动态特性也得以改善。 (5)根据渠道输水具有非线性的特点，提出了渠道输水控制的非线性PID数学模型；分析了渠道输水PID控制响应曲线，各个阶段控制参数对控制过程的影响，根据参数相对较优的变化趋势确定了比例、积分、微分参数的非线性函数曲线。进行了非线性PID控制的非恒定流模拟，仿真结果表明，应用实时调整增益参数的非线性模型较常规线性PID控制结构简单、响应速度快，超调量小。 (6)提出了步进式PID渠道输水控制模型。在步进式PID渠道输水控制过程中，目标水位不是一次设定的静态水位，而是动态的、多步的，使输入指令一步一步的逼近所要求的最终目标水位。步进式控制可使渠道输水更稳定，使水位下降速度可控，具有简单实用、可控性强的特点。仿真结果表明，较常规PID控制，步进式PID控制渠道输水，水位波动小，超调量小，较适合需要严格控制水位变化的明渠输水或冰期输水。 (7)研究并开发了专门针对长距离调水工程调度运行及自动控制过程的非恒定流仿真模拟系统，系统可用特征线法也可用隐格式法计算。可用于实际输水调度、输水控制模型研究、河网调度等。系统针对渠道输水控制，编写了常用的渠道输水自动控制模型及RBF神经网络法、模糊控制法、二步法、优化法及步进法的控制程序。用户也可自定义控制过程。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1问题的提出

1.1.1渠道输水控制技术

1.1.2长距离调水工程渠道输水调度运行及自动控制数字仿真模拟系统开发

1.2渠道输水控制数学模型研究现状

1.3渠道输水自动控制的基本概念

1.4本文的主要研究工作

第二章大型长距离调水工程以输水成本最小为目标的最优输水控制数学模型研究

2.1带梯级泵站的长距离调水工程最优控制数学模型

2.1.1控制蓄量法及控制变量的选择

2.1.2控制蓄量法的适用范围

2.2以输水成本最小为目标的最优控制数学模型

2.3约束条件

2.3.1水位约束

2.3.2渠段水位变化速度约束条件

2.3.3循环结束后水位应恢复到目标水位的约束

2.3.4总引水量约束条件

2.3.5过流能力约束条件

2.3.6渠段的流速约束条件

2.3.7沿线流量匹配约束条件

2.3.8开停机次数的限制

2.4数学模型求解

2.5模型应用

2.6本章小结

第三章长距离自流型渠道输水的二步法优化模型研究

3.1长距离自流型渠道输水控制运行的特点

3.2数学模型的构建及求解

3.2.1目标函数

3.2.2输水约束条件

3.3模型应用

3.4本章小结

第四章基于RBF人工神经网络的下游常水位自适应渠道输水控制研究

4.1渠道输水就地PID控制

4.2神经网络PID控制器

4.3 RBF神经网络PID控制器

4.3.1 RBF网络参数调整算法

4.3.2 RBF网络自整定PID输水控制器设计

4.4 RBF下游常水位渠道输水PID控制过程及模拟

4.4.1 RBF下游常水位渠道输水PID控制过程

4.4.2输水PID控制过程的水力学模拟

4.4.3特性指标

4.5输水PID控制过程的水力学模拟

4.6模型应用

4.7本章小结

第五章基于CMAC神经网络的自适应渠道输水自动控制研究

5.1问题的提出

5.2 CMAC神经网络

5.2.1 CMAC神经网络原理

5.2.2 CMAC复合PID控制算法

5.3渠道输水CMAC复合PID控制及仿真

5.3.1渠道输水CMAC控制

5.3.2输水自动控制过程模拟

5.4模型应用

5.5本章小结

第六章实时参数模糊自适应渠道输水控制器及应用

6.1.参数模糊自整定的渠道输水PID控制

6.2模糊自适应PID控制构造

6.2.1模糊自适应PID

6.2.2基于引黄济青工程渠道输水模糊控制规则表的建立

6.2.3基于模糊控制规则表的模糊推理

6.3明渠输水的实时模糊自整定控制过程及仿真

6.3.1明渠输水实时模糊自整定控制过程

6.3.2模糊自适应输水控制过程仿真模拟

6.4模型应用

6.5与RBF人工神经网络法的对比

6.6本章小结

第七章一种简易的渠道输水非线性PID控制方法研究

7.1问题的提出

7.2渠道输水非线性PID控制设计

7.2.1渠道输水非线性PID控制参数

7.2.2非线性PID控制

7.3渠道输水非线性PID控制过程的非恒定流模拟

7.4模型应用

7.5 几种非线性控制渠道输水控制方法对比

7.6本章小结

第八章对水位变化严格控制的明渠输水步进式就地自动控制模型

8.1渠道输水及冰期输水控制的稳定性特点

8.2步进式PID控制模型

8.2.1传统渠道输水PID控制模型

8.2.2步进式渠道PID输水控制模型

8.2.3步进式PID渠道输水控制

8.3步长△b对输水控制效果的影响

8.4模型应用

8.6本章小结

第九章长距离调水工程渠道输水调度运行及自动控制数字仿真模拟系统开发

9.1系统结构及总体设计

9.2系统的功能、特点及使用

9.3非恒定流偏微分方程及求解

9.4圣维南方程组的特征线方程和特征方程

9.4.1特征线法解法

9.4.2稳定条件

9.5隐格式法求解法

9.6外边界及内边界求解

9.6.1外边界

9.6.2内边界

9.6.3系统验证

9.7渠道输水自动控制仿真模拟子系统设计

9.7.1设计思路

9.7.2自定义自动控制过程

9.7.3自动控制模型的程序设计

9.8仿真模拟系统在引黄济青工程输水控制智能决策支持系统应用

第十章结论及展望

10.1结论

10.2展望

参考文献

发表论文和科研情况

致 谢