明渠输水控制系统耦合ID监控模型及谐振滤波算法研究

目前我国渠道调度以人工控制为主，效率低下且普遍存在运行性弃水，这与我国水资源短缺的国情和建设和谐社会的目标不符，亟待开展相应的理论与技术研究。控制明渠输水系统是由水流、节制闸、通信及控制系统组成，非恒定水流的滞后、节制闸产生的渠池间耦合作用以及水波干涉叠加而生的谐振使得该系统的控制建模异常复杂。本项目拟采用ID模型引入渠池时滞因素，并以渠池间的耦合关系作为控制变量，建立系统的线性状态空间模型。该线性模型能够反映系统控制变量的时-空变化规律，并可以直接用于实时控制器优化求解。渠道的水波干涉叠加是造成系统非线性特性的主要原因，本项目拟通过对滤波算法的研究，从复杂的水波信号中提取主要波动趋势，从而达到简化控制操作、减少闸门频繁动作的目的。本项目的成功实施将为我国诸多调水工程的运行调度提供理论和技术支持，也为其他非线性系统的控制提供思路，具有一定的科学意义以及实践应用价值。

本项目的主要工作从2011年1月至2013年12月，共历时三年。项目按照项目计划书拟定的进度进行，主要开展了以下几方面的工作：（1）大型渠道系统时滞参数及水力学特性仿真测试；（2）渠池状态变量耦合算法；（3）耦合ID建模及鲁棒性分析；（4）渠池谐振机理分析及滤波算法。研究工作顺利实现了预期的研究目标，得到的主要研究成果有：（1）建立了大型渠系状态空间ID模型参数的模型辨识方法，可以基于水力学仿真程序求解ID模型关键的As和τ；（2）基于渠池间耦合特性，建立了耦合状态空间模型，采用相邻渠池间的控制目标水位差作为控制目标，提高了模型的鲁棒性以及控制的灵活性；（3）开发了渠池谐振滤波算法，可以过滤掉渠池间由于重力波往复弹射造成的非线性影响。项目发表学术论文8篇，其中SCI收录2篇、EI收录6篇，参加国际会议并做报告两人次；获得软件著作权3项，培养博士生三名、硕士生5名。