城市分布式泵站排水系统综合节能与协调优化控制研究

摘要

城市排水系统属多输入、多目标的广地域分布复杂非线性耦合系统，不合理的排放控制方式易造成泵站高能耗及污水溢出污染。针对城市分布式泵站排水系统综合节能与协调优化控制问题，本论文主要研究内容和成果如下：
　　 (1)建立了基于机泵群控制、具有时滞和相互链级关系的分布式泵站排水控制系统模型。依据机泵相似律推导出调速特性模型通式，以及基于指数律的机泵调速特性数值模型。探讨了一种基于机泵调速特性模型的实时流量优化测算方法，通过实验检验了该方法的有效性。
　　 (2)以分布式泵站的节能运行为目标，分析了降低静扬程和动扬程的综合节能机理，并给出了适用于不同工况的两种机泵调速节能优化方法：1)针对扬程变化幅度大且不易控制、或扬程与机泵效率比值不满足递减规律的工况，推导了机泵保持等效运行的充要条件，从而得到一种跟随静扬程变化的自适应高效控制法；2)对于静扬程易自主调节且扬程效率比可满足递减规律的一类工况，综合考虑机泵功率与效率，可得依据扬程效率比的节能法。通过实验比较了两种节能控制法的节能效果。
　　 (3)针对广地域城市排水系统的协调优化需求，以及引入网络控制后带来的控制品质下降问题，构造了城市排水系统的分层协调控制结构。推导求证了区域泵站控制系统可控和可观测的充要条件。给出了一种初值匹配参数自适应辨识方法，以及结合该方法的多模型预测函数控制(PFC)法；仿真结果表明，将该方法用于区域泵站的闭环控制，系统辨识效果优于采用ARMAX模型的参数辨识方法，且具有较好的控制鲁棒性。
　　 (4)为改善广地域分布系统工况差异性带来的合流制溢流/分流制溢流(CSO/SSO)问题，提出了一种适用于分布式泵站排水系统的流量协调优化调度方法。引入相互作用预测法，结合流量协调优化调度法，将最优控制转化为最优控制和协调优化调度的多目标综合协调优化。仿真结果表明，当入流量不超过各级泵站的排水能力之和时，综合协调优化能根据工况差异有效利用各分布泵站排水能力，确保全局无溢流，不受时滞和决策变量变化的影响。
　　 (5)设计了一个基于开放标准以太网和Internet的多回路并行C/S网络结构，实现了城市分布式泵站排水网络控制系统中多类型、多回路控制器的网络协调优化调度，为基于分层控制结构的分布式泵站排水系统综合协调优化控制提供了软件平台。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1绪论

1.1引言

1.2城市排水系统研究现状

1.2.1城市排水系统模型及相关应用

1.2.2城市排水系统溢流控制

1.2.3城市排水系统节能与优化控制

1.3网络控制及其在城市分布式泵站排水系统中的应用

1.3.1网络控制概述

1.3.2网络控制的通信协议

1.3.3网络控制在分布式泵站排水系统中的应用

1.4论文的主要工作

1.4.1研究重点及关键技术

1.4.2论文的组织结构

2城市排水控制系统数学模型及相关应用

2.1引言

2.2城市分布式泵站排水控制系统数学模型

2.2.1串联时滞排水控制系统模型

2.2.2城市分布式泵站排水控制系统模型

2.2.3能耗性能指标

2.2.4溢流指标

2.2.5约束条件

2.3排水控制系统机泵调速特性数值模型

2.3.1机泵调速特性数值模型通式

2.3.2基于指数形式的机泵调速特性优化模型

2.3.3参数寻优

2.3.4实例研究

2.4调速机泵群流量优化计量新方法

2.4.1流量计量方法

2.4.2实验及应用

2.5基于ARMAX模型类的区域泵站系统辨识

2.6本章小结

3分布式泵站综合节能机理与方法

3.1引言

3.2降低扬程节能机理

3.2.1降低静扬程节能机理

3.2.2机组组合优化

3.3时变静扬程泵站系统的高效节能

3.3.1机泵等效运行条件

3.3.2扬程自适应(SAH)控制

3.3.3实验及应用

3.4功率与效率综合优化节能

3.4.1优化机理

3.4.2实验及应用

3.5本章小结

4基于分层分散控制的城市排水系统

4.1引言

4.2基于分层协调控制结构的城市排水系统

4.3区域泵站控制系统的可控性与可观测性

4.3.1可控性分析

4.3.2可观测性分析

4.4区域泵站内环分散自适应预测控制

4.4.1预测控制

4.4.2基于多模型的预测函数控制算法

4.4.3多模型参数实时自适应辨识

4.4.4系统辨识与控制仿真

4.5本章小结

5分布式泵站排水系统综合协调优化控制

5.1引言

5.2分布式泵站排水系统最优控制综合性能指标

5.3分布式泵站排水系统全局最优控制

5.4分布式泵站排水系统协调优化调度

5.5排水系统最优控制与协调优化调度综合

5.6本章小结

6分布式泵站排水系统网络协调优化调度

6.1引言

6.2分布式泵站排水系统的多路分层C/S网络架构

6.3分布式泵站排水系统的分层网络协调优化调度模式

6.3.1融合网络反馈控制环和网络监管控制环的协调优化调度模式

6.3.2双路并行网络监管控制环的协调优化调度模式

6.3.3双路并行网络反馈控制环的协调优化调度模式

6.4分布式泵站排水系统的控制器协调功能分析与实例

6.4.1中央协调控制器功能分析与实例

6.4.2区域泵站的局域控制器功能分析与实例

6.4.3网络监管控制器功能分析与实例

6.5本章小结

7工作总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

在校期间发表学术论文与科研成果