[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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L_i、纵坡Sb_i、糙率n_i、设计流量Q_i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q_i、控制点设计运行水深h_spi、设计运行水位y_spi、系统输出参考值y_ri以及安全运行范围±r_i(r_i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，y_i为第i个渠池对应的下游控制点水位相对于y_spi的变化量，单位：m；t为时间，单位：s；A_si为第i个渠池对应的回水区面积，单位：m²；q_ini、q_outi和q_di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；τ_i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A_si和迟滞时间τ_i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q_i，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；