[发明专利]一种水务供水系统的随机饱和控制方法

说明书

本发明公开了一种水务供水系统的随机饱和控制方法。本发明具体实现步骤如下：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。

技术领域

本发明属于自动化领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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),...,x_n(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)∈R^m为t时刻水罐上或水管上水阀的开度，m表示水阀的个数，R^m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(u_n)]^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：