一种水务系统安全供水控制器设计方法技术方案

本发明专利技术公开了统安全供一种水务系统安全供水控制器设计方法。本发明专利技术通过数据采集、模型建立、优化等手段，确立了一种水务系统安全供水控制器设计方法，利用该方法可以有效解决系统输水管渠谁流量过大导致的阀门饱和问题，满负荷运转导致的阀门故障问题以及外部不确定的环境因素对流入阀门水流量的影响，保证系统在稳定的前提下具有良好的控制效果。

A Design Method of Safe Water Supply Controller for Water System

The invention discloses a design method of a safe water supply controller for a water system. By means of data acquisition, model establishment and optimization, the invention establishes a design method of a safe water supply controller for a water system. The method can effectively solve the valve saturation problem caused by the excessive flow in the water supply pipeline of the system, the valve failure problem caused by the full load operation and the influence of external uncertain environmental factors on the flow into the valve to ensure the system. On the premise of stability, it has good control effect.

【技术实现步骤摘要】
一种水务系统安全供水控制器设计方法
：本专利技术属于自动化
，涉及自动化技术中的非脆弱控制、切换控制等设计方法。
技术介绍
：随着世界经济的发展，人口不断增长，城市日渐增多和扩张，各地用水量不断增多。据联合国估计，1900年，全球用水量只有4000亿立方米/年，预计到2100年，需水量将增加到80000亿立方米/年。其中以亚洲用水量最多，达32000亿立方米/年。到2100年，中国全国需水量预计可到8814亿立方米。随着生产的发展，不少地区和国家水资源的供需矛盾正日益突出。城市给水系统，是城市公用事业的组成部分。城市给水系统规划是城市总体规划的组成部分。城市给水系统通常由水源、输水管渠、水厂和配水管网组成。即从水源取水后，经输水管渠送入水厂进行水质处理，处理过的水加压后通过配水管网送至用户。在城市给水上，目前全国已有300多个城市建起了供水系统，自来水日供水能力为4000万吨，年供水量100多亿立方米；城市工矿企业、事业单位自备水源的日供水能力总计为6000多万吨，年供水量170亿立方米；在7400多个建制镇中有28％建立了供水设备，日供水能力约800万吨，年供水量29亿立方米。城市用水紧张，已成为世界性的问题。可见，水资源的合理分配、保护水资源对城市发展至关重要，也逐渐成为城市发展密不可分的组成部分。在中国的很多城市，水资源短缺问题影响着人们的正常生活。对于缺水的北京来说，每天大概消耗190多万m3的自来水，到了用水高峰，每天消耗的自来水量会迅速增加到300万m3。供水系统要一整天满负荷运转使得输水管渠水流量过于饱和从而导致泵站阀门故障，导致阀门控制水量的精确度不够，这就是典型的执行器故障问题。在水务系统运行过程中，各种环境因素导致的外部扰动会影响系统的稳定运行。因此，对于带有外扰输入的正切换系统的稳定性研究非常必要。如果不采取合理的供水方案，缺水、停水现象会经常发生。以水务管网节点处水量为研究对象，一些学者建立了状态空间描述的供水和排水系统模型，系统的状态变量总是非负的。如果一个系统的状态在任意时刻都是非负的，那么这个系统被称为正系统。考虑网管节点的切换，用正切换系统来刻画水务过程中涉及切换过程非常必要。
技术实现思路
：本专利技术的目的是针对水务系统输水管渠水流量过大导致的阀门饱和问题，满负荷运转导致泵站阀门故障问题以及外部不确定环境因素对阀门的影响，通过数据采集、模型建立、优化等手段，提供了一种水务系统安全供水控制器设计方法。本专利技术方法的步骤包括：步骤1、建立水务系统的状态空间模型，具体方法是：1.1采集水务系统阀门的输入输出数据并对实际供水网络进行描述：我们考虑城市水务系统供水网络。一个供水网络通常包含一组供水管道、不同容积的水箱、以及用于管理水流量以向用户供水的多个泵站和阀门。图1(见说明书附图1)展示了这些元素之间的联系。图1中水箱为整个供水网络提供水存储容量，以确保用户的用水需求。我们考虑到在水资源的短缺的情况下，到了用水高峰，水压降低，这时不能满足同时向多个用户供水的需求，所以得采取分区分时段进行供水。比如当用水紧张时，在一个时段打开泵1关闭泵2和泵3只向用户1供水；下一个时段打开泵2或泵3只向用户2或用户3供水，这样就很好地解决了水源不足的问题。供水网络考虑了两种控制执行器：阀门和泵。假设阀门打开时，表示阀门开度值为负，阀门完全关闭代表阀门开度值为0。阀门对于流过它的水流量有一定的限度，当水流量达到一定的限度值时，阀门就处于一种饱和状态。节点表示水流在网络中汇聚或者分离的网络点，并且必须遵守质量守恒关系。考虑以上描述的元素，面向控制的模型可以通过加入这些元素以及相应的动态描述而获得。在一般形式下，考虑这些所有元素的水量动态表达式可以被写作其中表示系统状态，记作系统输入(即阀门和泵站的开度值)，g:Rn×Rm→Rn是一个任意的系统状态函数，k∈N+。1.2利用以上数据建立水务系统阀门的状态空间模型，在本专利技术考虑的供水网络中，一个连续时间状态空间模型可以被写作形式如下：y(t)＝Cσ(t)x(t),其中，x(t)＝[x1(t),x2(t),...,xn(t),]T为输水管流入阀门的水流量,n代表阀门的个数。y(t)为阀门控制输出，为阀门故障后的控制阀门开度，是不可测的影响控制阀门开度的外部扰动因素，函数sat(·)是向量值饱和函数，阀门故障后的控制阀门开度饱和函数满足sat(u)＝[sat(u1),sat(u2),…,sat(um)]T。函数σ(t)为切换信号表示从[0,∞)到有限集S＝{1,…,N}的映射，Aσ(t)为Metzler矩阵，对于每个σ(t)∈S有Bσ(t)≥0，Cσ(t)≥0，Dσ(t)≥0。步骤2、实际中，在用水的高峰期，输水管渠水流量过大会导致泵站阀门过于饱和，为了应对这种情况，我们给出如下饱和函数：其中，0≤ηs≤1，步骤3、为了使得水务系统输入管渠的水流量始终维持在一定的范围内，我们给出如下锥域：其中，c＞0，。我们给定矩阵且同时设计性能指标函数满足：Fis表示是Fi的第i行元素组成的行矩阵。步骤4、在系统阀门由于未知因素出现故障时，控制阀门开度可以被描述为：其中，Ldi≤Li≤Lui≤ρLdi，Ldi≥0,Lui≥0,ρ≥1。步骤5、设计水务系统状态反馈控制器，具体步骤是：5.1设计切换信号σ(t)且0≤t0≤t，满足如下条件：其中，Nσ(t0,t)为切换系统在(t0,t)内的切换次数,τ0＞0为切换信号的平均驻留时间(ADT)，N0≥0。5.2设计伴有水务系统阀门故障的非脆弱控制器如下：其中，是一般增益矩阵且ΔKi＝EiHi是增益扰动矩阵，是已知的非脆弱矩阵，满足条件(0＜δ1＜δ2＜1)。5.3设计是Metzler矩阵同时满足步骤2、步骤3的条件。考虑外部不确定扰动因素对阀门开度的影响，定义函数Ξ(t)＝||y(t)||1-γ||ω(t)||1。在t∈[tk,tk+1)下设计线性于正李亚普诺夫函数：Vi(x(t))＝x(t)Tυi,满足如下条件：5.4设计常数ρ≥1，μ＞0，λ＞1，γ，和向量使其满足以下条件：其中，是已知常数，Θis2＝ρBiGsLdi，Θis4＝ρBiGsLdiEi，是已知常向量。在平均驻留时间条件下满足5.5设计水务系统t∈[0,∞)在切换信号σ(t)下是全局一致指数稳定的，对任意初始状态x(t0)，设计常数ε和η使其系统状态响应满足如下条件：其中，ε＝1，η＝μ0。5.6由步骤5.5可将上式转化为：根据步骤5.1可得结合步骤5.6中的式子得：上式两边同除得：进一步得：由步骤5.4得：对以上不等式求导得：再结合步骤5.4得：5.7依据步骤4所设计的条件，可得如下结果：进一步可得：5.8结合步骤5.4中第7个条件和步骤5.6、5.7可以得到水务系统在阀门故障的情况下系统的水流量状态反馈为：本专利技术提出了一种水务系统安全供水控制器设计方法。该方法针对水务系统输水管渠水流量过大导致的阀门饱和问题，满负荷运转导致泵站阀门故障问题以及外部不确定环境因素对阀门的影响，建立了系统的状态空间模型。通过设计系统的李雅普诺夫函数来设计状态反馈控制器，保证了切换系统是稳定的。附图说明图1位本专利技术现有供水网络示意图。具体实施方式以水务系统输水管渠水流量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水务系统安全供水控制器设计方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、建立水务系统的状态空间模型，具体方法是：首先采集水务系统阀门的输入输出数据，利用该数据建立水务系统阀门的状态空间模型，形式如下：

【技术特征摘要】
1.一种水务系统安全供水控制器设计方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、建立水务系统的状态空间模型，具体方法是：首先采集水务系统阀门的输入输出数据，利用该数据建立水务系统阀门的状态空间模型，形式如下：y(t)＝Cσ(t)x(t),其中，x(t)为输水管流入阀门的水流量，y(t)为阀门控制输出，为阀门故障后的控制阀门开度，是不可测的影响控制阀门开度的外部扰动因素，函数sat(·)是向量值饱和函数，阀门故障后的控制阀门开度饱和函数满足sat(u)＝[sat(u1),sat(u2),…,sat(um)]T；函数σ(t)为切换信号表示从[0,∞)到有限集S＝{1,…,N}的映射，Aσ(t)为Metzler矩阵，对于每个σ(t)∈S有Bσ(t)≥0，Cσ(t)≥0，Dσ(t)≥0；步骤2、实际中，在用水的高峰期，输水管渠水流量过大导致泵站阀门过于饱和，为了应对这种情况，给出如下饱和函数：其中，0≤ηs≤1，步骤3、为了使得水务系统输入管渠的水流量始终维持在一定的预定范围，给出如下锥域：其中，c＞0，给定矩阵且同时设计性能指标函数满足：Fis表示是Fi的第i行元素组成的行矩阵；步骤4、当系统阀门由于未知因素出现故障时，控制阀门开度被描述为：其中，Ldi≤Li≤Lui≤ρLdi，Ldi≥0,Lui≥0,ρ≥1；步骤5、设计水务系统状态反馈控制器，具体步骤是：5.1设计切换信号σ(t)且0≤t...

【专利技术属性】
技术研发人员：李苗，张俊锋，杨浩月，邵宇，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33