基于延迟微分方程的明渠输水预测控制方法研究

以明渠输水自动控制为背景，研究基于延迟微分方程的预测控制理论和方法，以提高控制系统响应时间和保持控制水位稳定为主要目标。通过研究建立明渠输水系统的基于延迟微分方程的多渠池过程控制模型，给出这种延迟微分方程的递归迭代求解方法，研究如何将预测控制中的动态优化问题转化为静态二次规划问题；对有约束条件下的明渠输水预测控制系统最优解的存在性，以及优化过程的稳定性进行研究，通过这些研究来增强预测控制系统运行的鲁棒性；利用明渠输水物理模型研究水力参数和控制参数的在线整定技术，研究考虑通讯信号延时、执行器和传感器响应时间等因素时，多渠池互相影响过程中模型参数的在线整定技术。在物理模型上验证基于延迟微分方程的多渠池预测控制算法的实际运行效果，并对各种约束的处理算法的实际运行效果进行试验验证。本项研究将为长距离明渠输水控制系统的应用提供理论基础、技术支持和模型验证。

本项目以明渠输水自动控制为背景，研究基于延迟微分方程（DDE模型）的预测控制理论和方法，以提高控制系统响应时间和保持控制水位稳定为主要目标。通过研究建立明渠输水系统的基于延迟微分方程的多渠池过程控制模型，给出这种延迟微分方程形式的渠池模型在多渠池情况下的前馈递归迭代求解方法，研究如何将前馈预测控制中的动态优化问题转化为简单的迭代问题。通过对各种反馈控制算法的研究，特别是单渠池预测控制算法的研究，在充分比较比例控制、比例积分控制和预测控制的基础上，给出各种反馈控制算法的参数整定规则。同时提出满足计算的快速性的明渠输水反馈控制算法。研究前馈控制算法与反馈控制算法的结合方式。研究两种算法结合后的参数整定方法，并给出参数整定的规程。在参数整定过程中，对有约束条件下的明渠输水预测控制系统最优解的存在性，以及优化过程的稳定性进行研究，通过这些研究来增强预测控制系统运行的鲁棒性；给出明渠输水物理模型研究水力参数和控制参数的整定技术，研究考虑通讯信号延时、执行器和传感器响应时间等因素时，多渠池互相影响过程中模型参数的整定技术。设计并建造用于明渠输水控制算法研究的物理模型和测控系统，在物理模型上验证基于延迟微分方程的多渠池预测控制算法的实际运行效果，并对模型参数扰动的处理算法的实际运行效果进行试验验证。本项研究将为长距离明渠输水控制系统的应用提供理论基础、技术支持和模型验证。. 项目成果为：首先，提出了基于延迟微分方程的明渠输水系统前馈控制算法，算法简明、便于编程应用，有实用化价值。其次，对各种反馈控制算法，包括比例反馈、PI反馈、预测控制反馈等，进行了研究。最后，对前馈和反馈的结合方法进行了重点研究，填补了这方面研究的空白。项目共发表EI收录文章4篇，国家发明专利3项。研究成果在国家重大水体污染控制与治理专项“水质水量联合调控与应急处置关键技术研究与运行示范”（2012ZX07205-005）中得到示范应用，并将应用到国家大型调水工程“南水北调中线”的运行管理系统中。