一种基于模型预测控制算法的灌溉多级渠道自动控制方法技术

本发明专利技术提出一种基于模型预测控制算法的灌溉多级渠道自动控制方法，属于灌溉输配水自动控制与农业水资源管理领域。本发明专利技术首先获取灌溉多级渠道的设计数据和运行条件数据，建立渠道控制模型并转化为状态空间方程形式；然后对灌溉渠道输配水系统未来的输出量进行预测，并根据运行条件建立模型预测控制算法目标函数、识别约束条件；最后通过优化求解得到最优控制量，实现对灌溉多级渠道安全有效的自动控制。本发明专利技术基于灌溉多级渠道设计数据和运行条件设计模型预测控制算法，能够有效应对灌溉多级渠道运行中的已知取水变化和约束条件，可用于灌溉多级渠道的自动控制设计，能够保障安全可靠的供水服务，有效实现灌区水资源的高效管理与利用。

An Automatic Control Method for Irrigation Multistage Channels Based on Model Predictive Control Algorithms

The invention provides an automatic control method of irrigation multi-level channel based on model predictive control algorithm, which belongs to the field of automatic control of irrigation water transmission and distribution and management of agricultural water resources. The invention firstly obtains the design data and operation condition data of irrigation multi-level channel, establishes the channel control model and transforms it into the form of state space equation, then predicts the future output of irrigation channel water delivery and distribution system, establishes the objective function of model prediction control algorithm and identifies the constraint conditions according to the operation conditions, and finally obtains the optimal control quantity by optimizing the solution. Now it is a safe and effective automatic control for multi-level irrigation channels. The model predictive control algorithm based on the design data and operation conditions of irrigation multi-level channels can effectively cope with the known water intake changes and constraints in the operation of irrigation multi-level channels, can be used for the automatic control design of irrigation multi-level channels, can guarantee safe and reliable water supply services, and effectively realize the efficient management and utilization of water resources in irrigation areas.

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型预测控制算法的灌溉多级渠道自动控制方法
本专利技术属于灌溉输配水自动控制与农业水资源管理领域，具体涉及一种基于模型预测控制算法的灌溉多级渠道自动控制方法。
技术介绍
在当前水资源利用结构中，农业用水占比最大，世界范围内农业用水约占到用水总量的70％，然而由于农业灌溉用水模式粗犷、管理调度不科学及控制方式的落后，造成了水资源的大量浪费，同时也导致无法为用水户提供高效可靠的供水服务，致使水资源配置低效、利用率低，其中约有20％～30％的水量损失是在灌溉渠道输水过程中由于调度运行不合理造成的。灌溉渠道输配水自动控制通过对渠道水力信息的实时监测与综合调度管理，能够使渠道输水过程安全可靠进行，按需供水，有效减少渠系水量损失浪费，提高渠系的运行管理和服务水平，是现代农业灌溉发展的必然趋势。灌溉渠道的运行目标是实现向农业用水户适时适量供水。灌溉渠道固有的时滞、耦合及多扰动特性，使得人工运行方式很难满足用水户对供水服务可靠性和灵活性的要求，需要开展灌溉输水渠道的自动控制。其中PID类反馈控制算法最为经典，但基于单输入单输出的PID类算法在多级联输水渠道的控制效果不够理想，需要发展多输入多输出的优化控制算法，线性二次型(LQR)作为优化控制算法之一有较多成果。采用线性二次型优化控制算法进行灌溉多级渠道自动控制需要采用如下步骤：1)建立灌溉多级渠道控制模型；具体步骤如下：1-1)确定待控制渠道，收集该渠道的设计数据和运行条件数据；灌区灌溉多级渠道系统包括渠道和受人工调节的控制结构。假定待控制的多级渠道由f个渠池组成，需要收集的渠道设计数据包括每个渠池的长度Li、纵坡Sbi、糙率ni、设计流量Qi和断面形式数据等，需要收集的运行条件数据包括各渠池取水流量qi、控制点设计运行水深hspi、设计运行水位yspi、系统输出参考值yri以及安全运行范围±ri(ri代表第i个渠池对应的控制点水位运行过程允许波动的最大值)等。1-2)利用步骤1-1)收集的数据建立渠道控制模型；表达式如下：式中，yi为第i个渠池对应的下游控制点水位相对于yspi的变化量，单位：m；t为时间，单位：s；Asi为第i个渠池对应的回水区面积，单位：m2；qini、qouti和qdi分别为第i个渠池对应的渠池入流量、出流量和取水流量相应于初始稳定状态的变化量，单位：m3/s；τi为第i个渠池对应的迟滞时间，单位：s。在设计流量条件下通过理论公式计算或数值模拟识别方法得到每个渠池的回水区面积Asi和迟滞时间τi两个参数，从而确定灌溉多级渠道各渠池的水力特性，结合各渠池取水流量qi，能够得到渠道控制模型式(1-1)。2)将步骤1)建立的渠道控制模型转化为状态空间方程形式；根据步骤1)中建立的渠道控制模型式(1-1)，构建多级渠道的离散状态空间方程，假设灌溉渠道为定常系统，其离散形式状态空间方程如式(1-2)所示：x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+Dd(k)(1-2)式中，k为离散形式下的时间；x为状态变量；u为控制变量；d为扰动变量；A为系统矩阵；B为控制矩阵；D为扰动矩阵。3)构建线性二次型算法的目标函数并求解最优控制量；3-1)将式(1-2)中状态变量与控制变量的平方和设置为渠道运行的目标函数式(1-3)。在渠道运行控制过程中，通过适度调节改变控制结构的流量来实现控制水位最终稳定在设定值的目标，渠道运行的目标函数表达式如下：式中，J为目标函数，Q为n×n维状态加权矩阵(n为状态变量维度)，为对称正定(或半正定)矩阵；R为f×f维控制加权矩阵(f为控制变量维度，等于渠池的数目)，为对称正定矩阵。目标函数式(1-3)等式右边的第一项为衡量系统动态偏差的函数，第二项用来衡量控制能量消耗。线性二次型最优控制可以理解为通过不大的控制量来保持较小的输出偏差，从而达到被控系统动态偏差和能量消耗的综合最优。3-2)线性二次型最优控制问题即为在式(1-2)的约束下寻找最优控制变量u*(k)，使得式(1-3)达到最小。由控制理论可知，在状态空间方程约束下，当性能指标取最小时，最优控制变量满足式(1-4)形式：u*(k)＝-Kx(k)(1-4)式中，K＝(BTPB+R)-1BTPA，称为最优反馈矩阵；P为如式(1-5)所示的代数黎卡提方程的解：P＝ATPA-ATPB(BTPB+R)-1BTPA+Q(1-5)式(1-5)可通过数值方法进行求解，其中在MATLAB中可调用函数dlqr根据系统矩阵A、控制矩阵B、状态加权矩阵Q和控制加权矩阵R求解得到K和P。由线性二次型最优控制量公式(1-4)可知，控制变量是状态变量的线性组合，由最优反馈矩阵K确定，线性二次型反馈控制算法根据系统当前状态进行实时反馈控制，因而无法有效应对计划内取水和运行约束条件。模型预测控制算法(MPC)同时具备反馈和前馈功能，是目前过程控制领域研究与应用的热点，算法基于线性控制模型设计，通过线性控制模型对系统未来输出进行预测，并通过建立的有限时域目标函数进行优化控制，MPC能够有效应对确定或可预测的外界扰动，同时能够考虑系统受到的约束条件。然而目前约束条件下的模型预测控制算法设计与求解尚不充分，限制了MPC在实际工程中的有效应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于模型预测控制算法的灌溉多级渠道自动控制方法。本专利技术能够有效应对渠道运行中已知取水变化和约束条件，可用于多级灌溉渠道的自动控制系统设计，能够实现安全可靠的供水服务，有效实现灌区水资源的高效管理与利用。本专利技术提出一种基于模型预测控制算法的灌溉多级渠道自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立灌溉多级渠道控制模型，具体步骤如下：1-1)确定待控制渠道，收集该渠道的设计数据和运行条件数据；选定任一灌区的灌溉多级渠道系统为待控制渠道，假定该渠道系统由f个渠池组成，渠道设计数据包括f个渠池每个渠池的长度Li、纵坡Sbi、糙率ni、设计流量Qi和断面形式数据，运行条件数据包括各渠池取水流量qi、控制点设计运行水深hspi、设计运行水位yspi、系统输出参考量yri以及安全运行范围±ri，，其中ri代表第i个渠池对应的控制点水位运行过程允许波动的最大值；1-2)利用步骤1-1)收集的数据建立渠道控制模型；表达式如下：式中，yi为第i个渠池对应的下游控制点水位相对于设计运行水位yspi的变化量，单位：m；t为时间，单位：s；Asi为第i个渠池对应的回水区面积，单位：m2；qini、qouti和qdi分别为第i个渠池对应的渠池入流量、出流量和取水流量相应于初始稳定状态的变化量，单位：m3/s；τi为第i个渠池对应的迟滞时间，单位：s；2)将步骤1)建立的渠道控制模型转化为状态空间方程形式；根据式(1)，构建多级渠道的离散状态空间方程如式(2)和式(3)所示：x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+Dd(k)(2)y(k)＝Cx(k)(3)式中，k为离散形式下的时间；x为状态变量；u为控制变量；d为扰动变量；y为输出变量；A为系统矩阵；B为控制矩阵；C为输出矩阵；D为扰动矩阵；3)对灌溉多级渠道系统未来的输出量进行预测，并构建模型预测控制算法的目标函数；具体步骤如下：3-1)根据系统运行控制要求确定预测时域p和控制时域c，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模型预测控制算法的灌溉多级渠道自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立灌溉多级渠道控制模型，具体步骤如下：1‑1)确定待控制渠道，收集该渠道的设计数据和运行条件数据；选定任一灌区的灌溉多级渠道系统为待控制渠道，假定该渠道系统由f个渠池组成，渠道设计数据包括f个渠池每个渠池的长度Li、纵坡Sbi、糙率ni、设计流量Qi和断面形式数据，运行条件数据包括各渠池取水流量qi、控制点设计运行水深hspi、设计运行水位yspi、系统输出参考量yri以及安全运行范围±ri，，其中ri代表第i个渠池对应的控制点水位运行过程允许波动的最大值；1‑2)利用步骤1‑1)收集的数据建立渠道控制模型；表达式如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制算法的灌溉多级渠道自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立灌溉多级渠道控制模型，具体步骤如下：1-1)确定待控制渠道，收集该渠道的设计数据和运行条件数据；选定任一灌区的灌溉多级渠道系统为待控制渠道，假定该渠道系统由f个渠池组成，渠道设计数据包括f个渠池每个渠池的长度Li、纵坡Sbi、糙率ni、设计流量Qi和断面形式数据，运行条件数据包括各渠池取水流量qi、控制点设计运行水深hspi、设计运行水位yspi、系统输出参考量yri以及安全运行范围±ri，，其中ri代表第i个渠池对应的控制点水位运行过程允许波动的最大值；1-2)利用步骤1-1)收集的数据建立渠道控制模型；表达式如下：式中，yi为第i个渠池对应的下游控制点水位相对于设计运行水位yspi的变化量，单位：m；t为时间，单位：s；Asi为第i个渠池对应的回水区面积，单位：m2；qini、qouti和qdi分别为第i个渠池对应的渠池入流量、出流量和取水流量相应于初始稳定状态的变化量，单位：m3/s；τi为第i个渠池对应的迟滞时间，单位：s；2)将步骤1)建立的渠道控制模型转化为状态空间方程形式；根据式(1)，构建多级渠道的离散状态空间方程如式(2)和式(3)所示：x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+Dd(k)(2)y(k)＝Cx(k)(3)式中，k为离散形式下的时间；x为状态变量；u为控制变量；d为扰动变量；y为输出变量；A为系统矩阵；B为控制矩阵；C为输出矩阵；D为扰动矩阵；3)对灌溉多级渠道系统未来的输出量进行预测，并构建模型预测控制算法的目标函数；具体步骤如下：3-1)根据系统运行控制要求确定预测时域p和控制时域c，利用式(2)和式(3)，逐时段对系统状态变量和输出变量进行滚动预测，得到系统在预测时域末端的输出结果；在控制时域c，渠道系统的状态变量与输出变量预测值分别为：当控制时域结束后预测时域p内剩余部分的响应均为自由响应；系统输出预测值整理为如下矩阵形式表达：Y(k+1|k)＝Sxx(k)+SuU(k)+SdD(k)(19)3-2)将步骤3-1)得到的式(18)与参考量yr的偏差和控制变量u进行二次型求和，得到模型预测控制算法的目标函数；式中，为系统预测输出量，yr为系统输出参考量，u为控制变量，Qj为第j个水位偏差的加权惩罚矩阵，Rj为第j个控制变量的加权惩罚矩阵；将输出参考量和加权矩阵表达为如下矩阵形式，Yr(k+1|k)＝[yr(k+1)；yr(k+2)；…；yr(k+p)](23)Q＝diag(Q1,Q2,...,Qp)，R＝diag(R1,R2,...,Rc)(24)结合式(23)和式(24)对系统输出预测和控制变量的矩阵形式，目标函数式(22)表示为如下矩阵简化形式：J＝[Q(Y(k+1|k)-Yr(k+1))]2+[RU(k)]2(25)4)基于步骤3)的结果，识别系统约束条件，并通过优化求解计算得到最优控制量；具体步骤如下：4-1)识别系统约束条件；具体如下：控制结构流量幅值约束；Qlb≤Q...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑志磊，王忠静，徐国印，蒋光昱，张子雄，刘晋龙，索滢，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11