[发明专利]一种城市排水管网的安全运行控制方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明方法的具体步骤是：

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)