一种水务供水系统的随机饱和控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种水务供水系统的随机饱和控制方法。本发明专利技术具体实现步骤如下：步骤1、建立城市水务供水网络的状态空间模型；步骤2、提出系统矩阵表示方法；步骤3、考虑模态转移概率，解决随机系统的描述问题；步骤4、构建水务系统的饱和状态空间模型；步骤5、设计水务供水系统供水罐中水量在饱和受限下的控制律。本发明专利技术通过数据采集、模型建立、饱和控制、控制器设计等手段，确立了一种城市水务供水系统随机饱和控制器设计方法，利用该方法可以有效控制供水系统水量及水阀饱和问题，保证水务系统安全运行且具有良好的性能指标。

A stochastic saturation control method for water supply system

The invention discloses a random saturation control method of a water supply system. The specific implementation steps of the invention are as follows: Step 1: establish the state space model of the urban water supply network; step 2: propose the system matrix representation method; step 3: consider the mode transfer probability to solve the description problem of the random system; step 4: build the saturated state space model of the water supply system; step 5: design the water volume in the water supply tank of the water supply system under the saturation limit Control law. By means of data acquisition, model establishment, saturation control, controller design, etc., the invention establishes a design method of random saturation controller for urban water supply system, which can effectively control the water quantity of water supply system and the saturation of water valve, ensure the safe operation of water supply system and have good performance index.

【技术实现步骤摘要】
一种水务供水系统的随机饱和控制方法
本专利技术属于自动化领域，涉及自动化技术中的饱和控制、状态反馈控制等方法，利用以上方法达到对城市水务系统的随机饱和控制，可用于城市水务的供水系统。
技术介绍
水是人们赖以生存的物质条件。进入21世纪，随着城市化进程的不断加快，资源过度消耗，环境受到污染，生态被破坏。城市建设过程中开始出现水资源短缺、供水困难、管网执行器饱和等问题。水资源的安全供给逐渐成为城市发展不可或缺的组成部分。现代城市的供水系统是城市总体规划的重要组成部分。城市的供水过程是从水源取水后，经供水管道送入水厂进行水质处理，然后经加压通过配送管网送至用户。但在中国的很多城市，由于不合理的管网供水技术经常导致供水困难等问题，居民的正常生活面临用水难问题。在夏季用水高峰，城市的用水量会迅速增加，供水系统中执行器要长时间超负荷工作，极易导致元器件故障，造成供水不安全问题。若不采取合理的供水方案，缺水、停水等问题会时常出现。因此既要保证用水的安全可靠，又要做到供水技术可行、经济合理、可持续发展，这给城市水务管理人员带来了巨大挑战。为了优化供水系统，考虑具有饱和输入的状态反馈控制可实现对供水罐水量、水管水阀开度的有效控制。众所周知，在实际中，有很多量是非负的，例如，物理学中的绝对温度、罐中液体的体积、密度等。正系统可以精确描述由非负量构成的系统。正系统要求系统状态始终是非负的。由于城市供水系统水罐中水的容积、水管谁发的开度都是非负的，因此，采用分析正系统的方法，可对供水系统进行有效分析与控制。专利
技术实现思路
本专利技术的目的是针对城市水务的供水罐中水量、阀门开度、流量分配过程中出现不稳定和饱和问题以及输送管道的随机性等问题，提出了一种水务系统的随机正系统建模及其饱和控制方法。本专利技术方法的具体步骤包括：步骤1、建立城市水务供水系统的状态空间模型，具体方法是：首先采集城市水务供水系统中供水罐中水量变化数据，利用这些数据建立城市水务供水系统的状态空间模型，形式如下：其中,x(t)＝[x1(t),x2(t),...,xn(t)]T表示t时刻供水水罐中的水量，n表示水罐的个数，u(t)∈Rm为t时刻水罐上或水管上水阀的开度，m表示水阀的个数，Rm为m维实数列向量。A,B是传感器采集到的数据而组成的加权矩阵。考虑实际系统的正性，即x(t),u(t)始终是非负的，这里假设供水系统是一种正系统模型，A是一个Metzler矩阵(非对角线元素都是非负)，，是针对B矩阵中的每个元素，即矩阵B的所有元素都是非负的。r(t)表示一个马尔可夫过程，并在一个有限集合S＝{1,2,...,N},N∈N+中取值。sat(u)＝[sat(u1),sat(u2),...sat(un)]T是饱和函数，其中步骤2、提出系统矩阵表示方法，具体为：在实际的供水过程中，当涉及的水罐或水阀个数过多时，利用传感器采集精确的A,B矩阵是非常困难的，这里假定A,B具有下列区间不确定性结构：其中，A是Metzler矩阵，。步骤3、在供水过程中，水阀打开后水流通往哪条管道是随机的，即子系统的相互跳转是随机的，由一个子系统跳转到另一个子系统有下列模态转移概率：其中，Δ＞0，对于i≠j，λij≥0和且步骤4、在实际中，水管容量是有限度的，会随着阀门打开程度而达到一定的饱和状态。在构建的系统中考虑饱和并将饱和部分进行化简，具体步骤是：进而，系统可以写成其中,Hi∈Rm×n，Rm×n表示m×n维实数矩阵。,表示矩阵的每个元素都大于或小于零。D是m×m维对角矩阵，其对角元素为0或1，且步骤5、设计城市水务供水系统储水罐中水量变化的饱和控制律，具体步骤是：5.1设计其中Fi是将被设计的控制器增益。同时构造一个线性余正Lyapunov函数为：V(x(t),r(t)＝i)＝x(t)Tv(i).然后计算其无穷小算子：5.2、设计相关参数使得对任意的i∈S,l＝1,2,...,2m成立，这里m为正整数并表示水阀个数，i表示水管个数，σ为大于零的常量，T表示向量或矩阵转置，η(i)表示一个n维实列向量且列中每个元素都大于零，v(i)表示一个n维实列向量且列中每个元素都大于零，κ＞1，0＜β＜1且β满足(表示向量或矩阵中的每个元素是大于，大于等于，小于，小于等于)。A,B的定义与上述步骤2中一致，Hi,D的定义与上述步骤4中一致。5.3、设计供水系统随机稳定的饱和控制器。无穷小算子满足如下条件：5.4、5.1的不等式关系可转化为下列不等式由于进一步可得：ΓV(x(t),i)＜-αV(x(t),i).5.5、由于所考虑的增益矩阵，即增益矩阵内每个元素都小于零，可得如下条件：5.6、利用Dynkin公式，可以导出：E{xT(t)v(i)}≤E{V(x(t),i)}≤exp-αtV(x0,i).进一步可得：5.7、结合步骤5.3至步骤5.6可得，在步骤5.2提出的线性规划问题有解的前提下，水务供水系统随机饱和控制器增益为：本专利技术的有益效果如下：本专利技术通过实际数据采集、模型构建、饱和控制器设计等手段，提供了一种城市水务随机系统供水饱和控制方法。该方法通过采集供水罐中水量，阀门开度参数，水管阀门开度，使用饱和控制方法实现对供水管网的有效控制。该方法具有较高的精确性，能很好的改善城市水务供水过程的饱和问题。本专利技术的技术方案是通过传感器数据采集、模型建立、饱和控制等手段，确立了一种城市水务系统供水随机饱和控制方法，利用该方法可有效解决供水管网水罐中水流量不稳定的难题，保证供水管网稳定安全运行前提下具有良好的供水效果。具体实施方式步骤1、建立城市水务供水系统的状态空间模型，具体方法是：首先采集城市水务供水系统中供水罐中水量变化数据，利用这些数据建立城市水务供水系统的状态空间模型，形式如下：其中,x(t)＝[x1(t),x2(t),...,xn(t)]T表示t时刻供水水罐中的水量，n表示水罐的个数，u(t)∈Rm为t时刻水罐上或水管上水阀的开度，m表示水阀的个数，Rm为m维实数列向量。A,B是传感器采集到的数据而组成的加权矩阵。考虑实际系统的正性，即x(t),u(t)始终是非负的，这里假设供水系统是一种正系统模型，A是一个Metzler矩阵(非对角线元素都是非负)，，是针对B矩阵中的每个元素，即矩阵B的所有元素都是非负的。r(t)表示一个马尔可夫过程，并在一个有限集合S＝{1,2,...,N},N∈N+中取值。sat(u)＝[sat(u1),sat(u2),...sat(un)]T是饱和函数，其中步骤2、提出系统矩阵表示方法，具体为：在实际的供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水务供水系统的随机饱和控制方法，其特征在于包括如下步骤：/n步骤1、建立城市水务供水管网的状态空间模型；/n步骤2、提出系统矩阵表示方法；/n步骤3、考虑模态转移概率，解决随机系统的描述问题；/n步骤4、建立饱和情况下的状态空间模型；/n步骤5、设计城市水务供水管网储水罐中水量变化的随机饱和控制律。/n

【技术特征摘要】
1.一种水务供水系统的随机饱和控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、建立城市水务供水管网的状态空间模型；
步骤2、提出系统矩阵表示方法；
步骤3、考虑模态转移概率，解决随机系统的描述问题；
步骤4、建立饱和情况下的状态空间模型；
步骤5、设计城市水务供水管网储水罐中水量变化的随机饱和控制律。


2.根据权利要求1所述的一种水务供水系统的随机饱和控制方法，其特征在于步骤1具体实现如下：
首先采集城市水务供水系统中供水罐中水量变化数据，利用这些数据建立城市水务供水系统的状态空间模型，形式如下：



其中,x(t)＝[x1(t),x2(t),...,xn(t)]T表示t时刻供水水罐中的水量，n表示水罐的个数，u(t)∈Rm为t时刻水罐上或水管上水阀的开度，m表示水阀的个数，Rm为m维实数列向量；A,B是传感器采集到的数据而组成的加权矩阵；考虑实际系统的正性，即x(t),u(t)始终是非负的，这里假设供水系统是一种正系统模型，A是一个Metzler矩阵，是针对B矩阵中的每个元素，即矩阵B的所有元素都是非负的；r(t)表示一个马尔可夫过程，并在一个有限集合
S＝{1,2,...,N},N∈N+中取值；sat(u)＝[sat(u1),sat(u2),...sat(un)]T是饱和函数，
其中


3.根据权利要求2所述的一种水务供水系统的随机饱和控制方法，其特征在于步骤2具体实现如下：
在实际的供水过程中，当涉及的水罐或水阀个数过多时，利用传感器采集精确的A,B矩阵是非常困难的，设定A,B具有下列区间不确定性结构：



其中，A是Metzler矩阵，


4.根据权利要求3所述的一种水务供水系统的随机饱和控制方法，其特征在于步骤3具体实现如下：
在供水过程中，水阀打开后水流通往哪条管道是随机的，即子系统的相互跳转是随机的，由一个子系统跳转到另一个子系统有下列模态转移概率：



其中，Δ＞0，对于i≠j，λij≥0和且


5.根据权利要求4所述的一种水务供水系统的随机饱和控制方法，其特征在于步骤4具体...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪佳浩，张俊锋，杨浩月，冯迎港，
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