一种城市排水管网的安全运行控制方法技术

本发明专利技术公开了一种城市排水管网的安全运行控制方法。目前我国城市排水管网系统难以直接测量管道内水流水位、水压和流速等状态信息，而且从控制输入到水流状态变化需要经历较长的时延，给排水管道防止溢出的安全运行控制带来了很大困难，目前缺乏有效、及时的安全运行控制方法。本发明专利技术利用时延补偿比例积分观测器对排水管道的水流状态进行估计和重构，并进行基于观测器的反馈控制设计，利用分离原理和兰伯特(Lambert)W函数等方法，分别进行观测器和控制器增益求解。本发明专利技术解决了城市排水管道防止溢出的安全运行控制的困难，满足实际安全运行控制的准确性和实时性要求，有助于现代城市排水管网系统的安全可靠运行。

【技术实现步骤摘要】
一种城市排水管网的安全运行控制方法
本专利技术属于自动控制
，涉及一种利用时延补偿观测器进行排水管道水流状态估计、并基于该观测器实现排水管网防止溢出的安全运行控制方法，可用于城市排水行业。
技术介绍
城市排水管网系统是现代城市重要的基础设施，被称为“城市的生命线”。城市排水系统的任务是收集、输送和排放城市生活污水、工业废水、大气降水径流和其它弃水，排水管网系统的安全运行是现代城市生产和生活的前提和保障。我国城市污水溢出严重、城市内涝频发，已成为城市排水管网系统安全运行的主要问题。随着城市化的飞速发展，现代城市排水管网系统规模越来越大、结构越来越复杂。由于城市排水管渠通常运行在非满管状态，现有流量计难以准确测得水位和流量等数据，无法进行溢流的准确测量及定位，因而缺乏排水管道防止溢流的安全运行控制的有效方法，严重威胁着日常的安全健康和社会的可持续发展。虽然，近年来各种监测技术在城市排水系统中大量使用，为解决我国城市排水管网的溢流问题提供了信息化手段，但是通常仅限于排水泵站的提升流量和蓄水池的液位等少数指标和少量点的检测。当前技术还不能利用监测数据获知排水管网的水流状况，无法为排水管网防止溢流的安全控制提供信息。另一方面，通常排水管道水流状态控制只能通过调节流进和流出管道的水流量之差来实现。而且，从泵站和蓄水池等阀门开启到排水管道水流状态变化之间的控制输入时延较大，给排水管道防止溢出的安全运行控制的及时性、有效性增加了困难，急需应用新方法来改善这一现状。
技术实现思路
本专利技术针对目前我国城市排水管网系统无法进行及时准确的防止管道溢流控制方法的缺失，提供一种城市排水管网安全运行控制的新方法。本专利技术采用基于时延补偿观测器的控制方法，通过设计时延补偿比例积分(PI)观测器，进行排水管道水流状态的估计与重构，然后基于观测器和控制器设计的分离原理，分别利用极点配置和兰伯特(Lambert)W函数方法进行控制器和观测器的设计，从而为城市排水管网防止溢流的安全运行控制提供了及时有效的方法。本专利技术方法的具体步骤是：1.建立被控对象的线性状态空间模型。首先，基于管道的结构信息和水力学原理，建立排水管道水流状态的圣维南(Saint-Venant)方程。然后，根据实际排水管道的动态特性数据获得输入控制时延的估计，结合实际排水管道边界条件，将圣维南方程进行线性化，得到线性化的排水管道水流状态动态方程，y(t)＝Cx(t)其中x(t)＝[x1(t),x2(t),x3(t)]T表示t时刻排水管道内的水流状态向量，x1(t)、x2(t)、x3(t)分别表示t时刻的水位高度值、水压值和水流速度值，当x(t)的值大于预设的允许值时表示排水管发生了溢出；u(t)表示t时刻的控制输入量，为排水管道上游进入管道的水流量与排水管道下游流出管道的水流量之差；正标量d为控制输入时延，表示由泵站和蓄水池等阀门开启到排水管道水流状态变化之间的控制输入时延；系统的初始条件由已知向量函数ν(t)∈R3×1,t∈[-d,0]给定，其中Rn×m表示n×m维的实数空间，m,n为自然数；y(t)∈Rp×1为排水管道系统的测量输出向量，其中p为实际排水管网系统测量输出的维数；A、B和C为维数适当的已知定常矩阵。最后，利用实测数据和计算机仿真技术进行模型校验和修正。2.基于时延补偿观测器的反馈控制结构。第一步：引入时延补偿PI观测器根据实际被控对象的控制输入中存在时延d>0，引入时延补偿观测器，为了可以更加充分利用观测器信息，减小观测器的估计误差，且增加设计的自由度，引入比例积分(PI)类型的观测器。观测器动态方程为其中为观测器的状态向量，表示向量x(t)的估计值；向量γ(t)满足其中L1、L2为待求的观测器增益矩阵，具有适当的维数，向量α(t)和β(t)满足关系：因此，可建立观测器的动态方程定义观测器误差并定义向量则可得观测器误差的动态方程：第二步：基于时延补偿PI观测器的反馈控制利用前面设计的观测器可获得排水管道水流状态的重构值即水流状态向量x(t)的估计值，由此构造排水管网系统的反馈控制律其中K∈R1×3为待求的控制器增益矩阵。在进行反馈控制器设计时，参考输入为零，即r(t)＝0。选择增广向量ξ(t)＝[x(t)e(t)Φ(t)]T，可得增广系统动态方程其中式中I表示维数适当的单位矩阵。由此，将具有控制输入延时的原排水系统水流状态方程转化为上述具有状态时延的增广系统方程。下面将通过积分变换、极点配置和泛函微分方程理论等方法对控制器和观测器进行求解。3.控制器与观测器求解对式进行拉普拉斯变换，可得其特征方程即式中s为拉普拉斯算子。进一步利用对角矩阵特性，求解方程det(Γ(s))＝det{sI-(A+BK)}·det{sI-A+(L1+L2)Ce-sd}＝0其中det(Γ(s))为矩阵Γ(s)的行列式，可得待设计矩阵K、L1、L2的相应值。由于观测器和控制器设计遵循控制理论中著名的“分离原理”，即控制器增益矩阵K和观测器增益矩阵L1、L2可以分别设计，下面将进行分别求解。第一步：求解控制器增益矩阵K。由于控制器满足的特征方程det{sI-(A+BK)}＝0中只有一个未知矩阵K，所以利用现代控制理论中的极点配置标准方法，即可求解出满足要求的控制增益矩阵K，使闭环反馈控制系统的极点配置在给定值。第二步：求解观测器增益矩阵L1和L2。令det{sI-A+(L1+L2)Ce-sd}＝0，针对这个包含e-sd因子的无穷维方程，利用泛函微分方程理论中的兰伯特W函数(LambertWfunction)方法，可求解观测器矩阵L＝L1+L2的值，具体步骤如下。定义Wk(Hk)为矩阵兰伯特W函数的第k个分支，其中Hk＝LCdQk，k＝-∞，…，-1，0，1，…∞，且Wk(Hk)满足其中未知矩阵Qk和Sk满足通过设定Sk的极点确定对应的一个可行的Sk值，由上述第一式求得函数Wk(LCdQk)的值，代入上述第二式可计算出矩阵L＝L1+L2的值，再将求得的矩阵L分解为两个观测器增益矩阵L1和L2；对于实际城市排水管道，令k＝0，并按上述方法顺序求解出满足要求的观测器增益矩阵L1和L2的值，并使矩阵A-L1C和A-L2C均具有负实部。本专利技术是针对现代城市排水管网无法进行及时准确估计和难以安全控制的问题，提出了时延补偿观测器和基于观测器的反馈控制方法。本专利技术采用时延补偿比例积分(PI)观测器将输入时延系统转化为状态时延系统，对水流状态进行准确估计和重构，并提出了基于观测器的控制结构，最后利用分离原理和微分方程理论分别对控制器和观测器增益进行求解。利用本专利技术的方法，可以对城市排水管道中的水流状态进行准确估计，从而重构出系统的状态信息，并基于该观测器对污水溢出进行及时可靠的安全控制，提高了估计和控制的快速性和准确性，满足城市排水系统防止溢出的安全运行控制的实际需求。附图说明图1为时延补偿观测器。具体实施方法本专利技术的详细实施方法如下：1.建立城市排水管道的状态空间建模。1)基于管道、节点、蓄水池和泵站等拓扑结构和几何数据信息，利用质量、能量和动量方程等水力学原理，建立描述排水管道水流状态(包括水位、水压和流速)的圣维南(Saint-Venant)方程。2)根据实际排水管道特性，利用时延本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种城市排水管网的安全运行控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：步骤一：建立被控对象的线性状态空间模型；首先，基于管道的结构信息和水力学原理，建立排水管道水流状态的圣维南方程；然后，根据实际排水管道的动态特性数据获得输入控制时延的估计，结合实际排水管道边界条件，将圣维南方程进行线性化，得到线性化的排水管道水流状态动态方程，

【技术特征摘要】
1.一种城市排水管网的安全运行控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：步骤一：建立被控对象的线性状态空间模型；首先，基于管道的结构信息和水力学原理，建立排水管道水流状态的圣维南方程；然后，根据实际排水管道的动态特性数据获得输入控制时延的估计，结合实际排水管道边界条件，将圣维南方程进行线性化，得到线性化的排水管道水流状态动态方程，y(t)＝Cx(t)其中x(t)＝[x1(t),x2(t),x3(t)]T表示t时刻排水管道内的水流状态向量，x1(t)、x2(t)、x3(t)分别表示t时刻的水位高度值、水压值和水流速度值，当x(t)的值大于预设的允许值时表示排水管发生了溢出；u(t)表示t时刻的控制输入量，为排水管道上游进入管道的水流量与排水管道下游流出管道的水流量之差；正标量d为控制输入时延，表示由泵站和蓄水池的阀门开启到排水管道水流状态变化之间的控制输入时延；系统的初始条件由已知向量函数ν(t)∈R3×1,t∈[-d,0]给定，其中Rn×m表示n×m维的实数空间，m,n为自然数；y(t)∈Rp×1为排水管道系统的测量输出向量，其中p为实际排水管网系统测量输出的维数；A、B和C为维数适当的已知定常矩阵；利用实测数据和计算机仿真技术进行模型校验和修正；步骤二：基于时延补偿观测器的反馈控制结构；第一步：引入时延补偿PI观测器根据实际被控对象的控制输入中存在时延d>0，引入时延补偿观测器；为了可以更加充分利用观测器信息，减小观测器的估计误差，且增加设计的自由度，引入比例积分类型的观测器；观测器动态方程为其中为观测器的状态向量，表示向量x(t)的估计值；向量γ(t)满足其中L1、L2为待求的观测器增益矩阵，具有适当的维数，向量α(t)和β(t)满足关系：因此，可建立观测器的动态方程定义观测器误差并定义向量则可得观测器误差的动态方程：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈云，薛安克，王建中，徐哲，
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