专利名称：一种城市排水系统蓄水池水位的控制方法
技术领域：
本发明属于工业自动控制领域，涉及到智能控制中的预测控制技术，具体是一种在分层控制原理的基础上，利用预测控制来控制蓄水池水位的方法。
背景技术：
城市排水系统的主要功能是收集城市污水和雨水，并通过下水管道排放到污水处理厂。但是，由于下水管道的蓄水能力、水泵排水能力、污水处理厂污水处理能力等多种因素的限制，在暴雨来临时，城市排水系统往往会发生溢流，从而带来了严重的环境污染问题。为了减少城市排水管道污水溢出情况的发生，一种方法是建设一些大的存储设备，诸如水库、储水池等。另一种方法是实时过程控制，它作为一种低耗高效的方法被广泛采用。在实时过程控制中，排水系统中的闸门、水泵等控制设备可以通过中央控制室受到控制，从而减少排水管道污水溢出情况的发生。但两者的不足之处在于
1.建设一些大的存储设备工程耗资大，设备很容易长期闲置，而且由于受到城市地区的水文、政府政策、经济等因素的影响，毫无限制地增加下水道容量使其不发生溢流也是不切实际的。2.在实时过程控制方面，多数还是采用传统的控制策略，较少涉及到智能控制方面，不能很好的解决污水溢出问题以及降低能耗。3.在国内，由于自动化水平低，在整个排水系统中，存在很多不确定因素。对于传统的控制方法，比如PID、PLC控制已不能满足工艺的要求。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种蓄水池水位控制方法，具体是利用预测控制技术控制蓄水池的水位的方法。该方法弥补了传统控制器的不足，保证闭环系统的稳定性，同时满足鲁棒稳定性能，使得性能指标不超过设定的水位值。该发明是在分析城市排水系统实际操作者的操作经验基础上，利用城市地理信息管理系统所建立的近似城市管网系统，将整个城市管网系统分成若干层，每个层又可以分成若干个典型的排水系统局部，每个局部系统运用预测控制解决好局部的污水溢出最小化问题，最后将使整个系统区域达到污水溢出最小化。通过选择输入输出变量，设计出预测控制器，在充分利用系统所有蓄水设备的前提下，使区域污水溢出污染最小化，提高了城市的防洪抗涝能力，并为城市排水系统的操作从手动向自动转化奠定了基础。该控制方法具有很强的智能性，能根据蓄水池的水位变化，提供最佳的间门开启情况，使蓄水池的水位同步变化，避免在一个特定的区域发生了污水溢出而剩余的蓄水系统却闲置的情况发生，最终达到区域污水溢出污染最小化。实现本发明的技术方案是通过数据采集、过程辨识、预测控制技术，确立了一种蓄水池水位的基于不确定水位模型的预测控制方法，利用该控制方法减小不确定因素对水位的影响。本发明方法的步骤包括
1.确定状态变量以及控制变量的初始值。具体方法是利用实际范例和在水位控制中闸门以及一些其他控制单元的参数情况，通过对范例数据的处理得到间门的初始开启情况，从而得到下水管道水流的初始流量值，即控制变量的初始值。然后，通过在线采集的水位值作为控制器的输入，由控制器校正水位。获得蓄水池初始水位值的方法通过推理算法实现，该方法是成熟技术，广泛使用在医疗、化工等领域。这里将推理算法应用在城市排水工程中。2.建立水位模型。为了控制蓄水池的水位在一个稳定的值范围内，我们需要根据实际的城市排水系统结构建立系统的数学模型，然后根据模型进行仿真分析。假设外部的污水流入量不发生突变(即外部流入量的变化是连续的)，我们以下水管道中的水位高度作为状态变量，外部的污水流入量作为影响水位高度的一个外部扰动。因为外部流入量的不确定性，这样我们就可以建立一个模型参数不确定的系统模型，通过引入像外部流入量这样的状态变量，从而可以得到一个线性时变的不确定性模型。具体方法是第一步，根据质量守恒定律，即流入和流出蓄水池的水流量保持平衡。可得蓄水区的方程式为
Kt+1)- km=OiQin m - Qm 伏)-Q體 m)(ι)
式(ι)中，Gfe㈦一 Λ时刻流出闸门的水流流量，Qmik) - k时刻流出闸门的水流流
量，—i时刻溢流流出蓄水区的水流量，Hk) —t时刻蓄水区的水位高度，即蓄水区的水位高度与流入蓄水区的水流量和流出蓄水区的水流量以及溢流量有关，Of是与蓄水池的特性有关的参数模型(例如蓄水池的横截面积)，且OSaSl。这个时候我们的控制目的主要是控制由于外部流入量的变化造成水流不稳定，对系统有一个干扰的情况，从而使管道中的水位维持在一个我们设定值的范围内，达到降低能耗的目的。设期望水位为~ ,并令
权利要求
1. 一种城市排水系统蓄水池水位的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤 步骤1.确定状态变量的初始值和控制变量的初始值，具体方法是利用实际范例、在水位控制中闸门以及下水管道的物理参数，对系统作阶跃响应，得到闸门的初始开启情况； 根据系统的变化曲线，得到下水管道水流的初始流量值和水位的初始值，即控制变量的初始值和状态变量的初始值；步骤2.建立水位模型，具体方法是 第一步，根据质量守恒定律，得蓄水区的方程式其中，aw表示是时刻流入闸门的水流流量，qj表示先时刻流出闸门的水流流量，q賺m表示免时刻溢流流出蓄水区的水流量，Hk)表示λ时刻蓄水区的水位高度，α 是与蓄水区的特性有关的参数，；然后引入变量
全文摘要
本发明涉及一种城市排水系统蓄水池水位的控制方法。现有的过程控制中多数还是采用传统的控制策略，较少涉及到智能控制方面，不能很好的解决污水溢出问题以及降低能耗。本发明在分析城市排水系统实际操作者的操作经验基础上，利用城市地理信息管理系统所建立的近似城市管网系统，将整个城市管网系统分成若干层，每个层又可以分成若干个典型的排水系统局部，每个局部系统运用预测控制解决好局部的污水溢出最小化问题，最后将使整个系统区域达到污水溢出最小化。本发明提出的控制技术可以有效减小不确定因素对水位的影响，弥补了传统控制器的不足，保证了闭环系统的稳定性，同时蓄水池的水位值不超过指定值。
文档编号E03F5/10GK102183972SQ20111007228
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者王建中, 薛安克, 袁刚, 邹洪波, 鲁仁全 申请人:杭州电子科技大学