[发明专利]一种基于滑模控制的城市河道水位时变控制器设计方法

说明书

本发明公开了一种基于滑模控制的城市河道水位时变控制器设计方法，本发明包括：建立城市河道水位系统的状态空间模型、设计动态补偿器以及滑模面、设计时变控制器以及平均驻留时间。本发明基于切换系统、滑模控制、时变控制器设计，考虑到系统的执行器饱和、参数不确定性以及外部干扰，设计了一种城市河道水位控制系统的时变控制器，有效提高了城市河道水位控制系统的动态性能。

技术领域

本发明属于城市河道控制技术领域，设计了一种时变控制器来实现城市河道水位系统的有效控制，提高了系统的动态性能。通过设计基于滑模控制的时变控制器，实现了提高具有执行器饱和、系统不确定性以及外部干扰的城市河道水位控制系统动态性能的控制目标，适用于城市河道水位的控制。

背景技术

城市排水系统承担着城市污水的收集、运输、排放和处理等多重任务，对于一个城市来讲是十分重要的城市工程组成部分。处理好城市污水，才能达到环境保护的要求，这对整个城市的民生以及工农业发展来讲都是至关重要的。因此，合理的设计城市排水系统一直是规划设计中一个重要的研究课题。

城市河道是现代城市排水的一个至关重要的组成部分，无论是生活污水还是工业污水都会排入城市河道中，北方多雪，南方多雨最终也都将汇入城市河道中。随着人们生活水平的提高以及城市工业水平的发展，城市生活污水以及工业污水的排放量也随之增长。由于全球变暖，自然灾害的发生也在增加，暴雨暴雪等都增加了城市河道的排水压力。因此对城市河道水位进行有效、快速的控制对城市的发展以及人民的生活来讲都是十分重要的。

目前，现有的城市河道水位控制系统的控制方法，很少同时考虑到执行器饱和、系统的模型不确定性以及外部扰动，并且很难达到对城市河道水位进行快速、有效的控制。因此，设计一种控制器避免执行器饱和的发生，消除系统模型不确定性以及外部扰动对系统的影响，提高城市河道水位控制系统的动态性能具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对现有城市河道水位系统控制方法的不足，提出了一种基于滑模控制以及低增益反馈控制的时变控制器设计方法，来提高城市河道水位系统的动态性能。

本发明提出了一种城市河道水位系统时变控制器的设计方法，基于滑模控制以及低增益反馈控制，避免了执行器饱和的发生以及系统不确定性和外部扰动给系统带来的影响，根据水位的高低控制需求对系统进行切换，实现了对城市河道水位的有效控制，并且提高了城市河道水位控制系统的动态性能。

本发明一种基于滑模控制的城市河道水位时变控制器设计方法，具体步骤是：

步骤1、建立城市河道水位系统的状态空间模型

建立系统状态空间模型

其中，x表示河道水流状态向量，x＝[x₁ x₂ x₃]^T，其中x₁表示河道水流速度值，x₂表示河道水位高度值，x₃表示河道水压值，T表示矩阵的转置。y表示河道水位的控制输出向量。σ(t)表示切换信号，从集合中取值，其中σ(t)＝1表示子系统1被激活，河道水位被控制在较高水位；σ(t)＝2表示子系统2被激活，河道水位被控制在较低水位。u表示闸门开度值且河道闸门开度值是有限的，sat(·)表示饱和函数，定义如下

sat(u)＝[sat(u₁) sat(u₂) … sat(u_m)]^T

且

均为常数矩阵，所建立的系统模型使得开环系统极点均位于虚轴且满足可控,可观，其中i表示系统处于第i个子系统。κ(t)≤α表示河道水位控制系统可能存在的不确定性以及采样过程中可能出现的外部干扰。其中，