專利名稱：基于城市排水雨污混流管網(wǎng)的溢出最小控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及到自動化技術(shù)，特別是涉及一種城市排水系統(tǒng)雨污混流管網(wǎng)污水溢出最小化的控制方法。
背景技術(shù)：
隨著城市的飛速發(fā)展，城市排水已成為制約城市快速發(fā)展的瓶頸之一。城市排水主要針對城市現(xiàn)有排水設(shè)施，通過排水系統(tǒng)管網(wǎng)模型和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，整體優(yōu)化排水系統(tǒng)運(yùn)行，避免污水溢出造成環(huán)境污染，提高泵站網(wǎng)絡(luò)的綜合運(yùn)行效率、節(jié)能降耗，提高城市的預(yù)洪、防洪能力。
然而城市排水工程中污水處理廠日處理污水能力有限，單位時(shí)間內(nèi)雨污混流管網(wǎng)通過的污水容量以及泵站提升污水的能力有限，同時(shí)區(qū)域泵站管網(wǎng)間還有污水鏈級制約影響，用常規(guī)的控制方法控制這些問題即便在枯水期也會造成局部區(qū)域污水溢出污染或污水未經(jīng)處理直接排放轉(zhuǎn)移性污染。國內(nèi)城市排水一般采用排水管網(wǎng)的形式，而管網(wǎng)的管徑比較狹小，容易造成污水溢出。目前尚無有效的方法對雨污混流管網(wǎng)的溢出進(jìn)行控制。申請?zhí)枮?00510061524.4的發(fā)明專利申請公開了一種城市排水系統(tǒng)不確定水力學(xué)模型建模方法，但該方法只能對城市排水管網(wǎng)的水力學(xué)特性進(jìn)行描述，不能解決雨污混流管網(wǎng)的溢出的控制問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種城市排水系統(tǒng)雨污混流管道的溢出最小控制方法，可以有效減小城市排水雨污混流管網(wǎng)的溢出。
本發(fā)明運(yùn)用Kalman預(yù)測估計(jì)遞推方程計(jì)算狀態(tài)增益陣，計(jì)算雨污混流管網(wǎng)的污水儲量增值，未加測量噪聲干擾的儲量值和不可測擾動三個(gè)狀態(tài)變量，建立預(yù)測模型，預(yù)測將來某個(gè)時(shí)刻的污水儲量值，經(jīng)過用模型輸出誤差(預(yù)測模型儲量值輸出與觀測觀測污水儲量值之間的誤差)進(jìn)行反饋校正以后，再與參考軌跡(雨污混流管網(wǎng)的儲量值)進(jìn)行比較，應(yīng)用二次型性能指標(biāo)進(jìn)行在線的滾動優(yōu)化，計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)加于系統(tǒng)的控制動作(最優(yōu)流量)，完成整個(gè)控制循環(huán)。
本發(fā)明提出的控制技術(shù)可以有效控制城市排水系統(tǒng)中雨污混流管道的溢出問題，實(shí)例演示系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)辨識、數(shù)據(jù)挖掘、預(yù)測控制技術(shù)，Kalman預(yù)測估計(jì)，確立了基于城市排水雨污混流管網(wǎng)的溢出最小控制技術(shù)，利用該技術(shù)計(jì)算得出的當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)加于系統(tǒng)的控制動作(最優(yōu)流量)，用戶可以通過底層PLC控制技術(shù)有效控制泵站的運(yùn)行，既節(jié)能又很好地解決了雨污混流管的污水溢出問題。
本發(fā)明方法的步驟包括1.建立城市排水系統(tǒng)不確定水力學(xué)模型。
2.建立城市排水系統(tǒng)水力學(xué)離散狀態(tài)空間模型，具體方法是將采集到的城市管網(wǎng)的泵站、人孔、管道、蓄水池及溢水區(qū)的地理信息的數(shù)據(jù)作為初始化模型變量，通過非奇異線性變換將城市排水系統(tǒng)不確定水力學(xué)模型轉(zhuǎn)換成離散狀態(tài)空間模型xa(k+1)＝Φaxa(k)+ГuaΔu(k)+ГvaΔv(k)+Гwaw(k)y(k)＝Caxa(k)+z(k)xa(k)=Δx(k)y‾(k)ω(k)]]>其中y(k)表示污水儲量，xa(k)表示狀態(tài)變量，Δu(k)表示污水流量的增值，Δv(k)表示測量擾動增值，w(k)表示白噪聲，z(k)表示測量噪聲，Δx(k)表示污水儲量增值， 表示未加測量噪聲干擾的儲量值，ω(k)表示不可測擾動，k表示整數(shù)采樣時(shí)刻，Φa、Гua、Гva、Гwa、Ca表示具有合適尺寸的常系數(shù)矩陣，取自基于實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。
建成的離散狀態(tài)空間模型取每一采樣時(shí)刻雨污混流管網(wǎng)的污水儲量增值，未加測量噪聲干擾的儲量值和不可測擾動為狀態(tài)變量，以相鄰采樣時(shí)刻的污水流量增值為控制變量，管網(wǎng)的污水儲量值為輸出變量。
3.建立城市排水系統(tǒng)預(yù)測模型，具體方法是首先，根據(jù)城市排水系統(tǒng)水力學(xué)離散狀態(tài)空間模型建立狀態(tài)估計(jì)方程x^a(k+1|k)=Φax^a(k|k-1)+ΓuaΔu(k)+ΓvaΔv(k)+K[y(k)-y^(k|k-1)]]]>用Kalman預(yù)測估計(jì)遞推方程的計(jì)算增益矩陣K，K＝[ΦaP(k|k-1)CaT+ГwaSk]×[CaP(k|k-1)CaT+Rk]-1其中P(k|k-1)=E[x~a(k|k-1)x~aT(k|k-1)],]]>x~a(k|k-1)=xa(k)-x^a(k|k-1)]]>Sk＝E[w(k)zT(k)]，Rk＝E[z(k)zT(k)]計(jì)算增益矩陣K按如下步驟進(jìn)行①給定初始條件x^a(0|0-)=x^a(0)=E[xa(0)]]]>P(0|0-)=P(0)=E{[xa(0)-x^a(0)][xa(0)-x^a(0)]T}]]>②計(jì)算初始時(shí)刻的最優(yōu)增益陣K(0)③計(jì)算 ④計(jì)算P(1|0)⑤根據(jù)已知的P(1|0)計(jì)算K(1)⑥根據(jù)K(1)計(jì)算 重復(fù)上述步驟，可得任意時(shí)刻的模型狀態(tài)變量 繼而得到增益陣K；其次，根據(jù)模型狀態(tài)變量 建立預(yù)測模型，預(yù)測未來時(shí)刻的輸出(污水儲量值)y^(k|k-1)=Cax^a(k|k-1)]]>4.根據(jù)建立的預(yù)測模型預(yù)測將來某個(gè)時(shí)刻的輸出(污水儲量值)，經(jīng)過用模型輸出誤差(預(yù)測污水儲量輸出與觀測污水儲量之間的誤差)進(jìn)行反饋校正以后，再與參考軌跡(污水儲量的參考值)進(jìn)行比較，應(yīng)用二次型性能指標(biāo)進(jìn)行在線的滾動優(yōu)化，算出當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)加于系統(tǒng)的最佳流量。根據(jù)最佳流量，合理地開啟和運(yùn)行泵站，實(shí)現(xiàn)城市排水系統(tǒng)中雨污混流管網(wǎng)的污水溢出最小化。包括確立目標(biāo)函數(shù)和最優(yōu)控制率求解，確立目標(biāo)函數(shù)的方法minJ=12ϵTy(k)Qryϵy(k)+Qyym(k)+12ϵTu(k)Qruϵu(k)+Quu(k)+Δu(k)TRΔu(k)]]>S.t.
umin(k)≤u(k)≤umax(k)|Δu(k)|≤Δumax(k)ymmin(k)≤ym(k)≤ymmax(k)其中u(k)＝RΔΔu(k)+δ(k)εy(k)＝ry(k)-ym(k)，εu(k)＝ru(k)-u(k)ry(k)和ru(k)分別為期望的預(yù)測時(shí)域內(nèi)輸出和輸入值。權(quán)重Qry，Qy，Qru，Qu，R皆為對角陣。
RΔ=I0000II000III00IIII0IIIII,]]>δK=u(k-1)u(k-1)u(k-1)Mu(k-1)]]>Qry為保證整個(gè)管網(wǎng)中水流的充滿度一致并盡可能地減少污水的儲量的權(quán)重，R為使調(diào)節(jié)水流量平穩(wěn)的變化的權(quán)重，Qru、Qu、R可以補(bǔ)償流量，Qru，Qu中對應(yīng)為0，R中對應(yīng)的元素為調(diào)整參量。
最優(yōu)控制率求解的方法預(yù)測模型在長度為P的預(yù)測時(shí)域的估計(jì)輸出有如下形式y(tǒng)m(k)=Sxx^a(k|k-1)+SuΔu(k)+SvΔv(k)+Sy[y(k)-y^(k|k-1)]]]>其中KT＝KT1KT2KT3、Sx、Su、Sv、Sy皆為從以上兩個(gè)模型的系數(shù)矩陣和增益陣K演化而來。假定未來測量擾動Δv(k)為常量，在求解最優(yōu)控制率時(shí)，每一步只執(zhí)行當(dāng)前時(shí)刻的控制增量Δu(k)，(k+1)時(shí)刻及以后時(shí)刻的控制量在新的采樣時(shí)刻重新計(jì)算。
根據(jù)以上求得的最優(yōu)控制率(相鄰采樣時(shí)刻的流量增值)，結(jié)合流量的歷史數(shù)據(jù)，就可以方便的求出未來預(yù)測時(shí)域內(nèi)的各最佳流量值，用戶根據(jù)能量守恒原理，通過PLC控制系統(tǒng)合理地開啟和運(yùn)行泵站系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)了污水溢出的最小化，有最大限度的節(jié)省了泵站運(yùn)行的能耗。
本發(fā)明方法步驟1的建立城市排水系統(tǒng)不確定水力學(xué)模型方法采用現(xiàn)有方法，如申請?zhí)枮?00510061524.4的發(fā)明專利所公開的一種城市排水系統(tǒng)不確定水力學(xué)模型建模方法，本發(fā)明提供的基于城市排水雨污混流管網(wǎng)的溢出最小控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為1.基于城市排水雨污混流管網(wǎng)的溢出最小控制技術(shù)可以預(yù)測每個(gè)節(jié)點(diǎn)的污水儲量值，通過與指定節(jié)點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)對比，根據(jù)預(yù)測誤差進(jìn)行滾動優(yōu)化，計(jì)算最優(yōu)控制率，使得模型誤差最小。
2.由專利申請?zhí)枮?00510061524.4(城市排水系統(tǒng)不確定水利學(xué)模型建模方法)提出的城市排水系統(tǒng)不確定水力學(xué)模型轉(zhuǎn)化而成離散的水利學(xué)狀態(tài)空間模型具有自動學(xué)習(xí)和自補(bǔ)償功能，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。
3.減小不確定因素對系統(tǒng)性能的影響，可以快速響應(yīng)系統(tǒng)擾動，提高了系統(tǒng)的魯棒性與可靠性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制辦法的不足。引入預(yù)測控制的基本原理，首先預(yù)測系統(tǒng)未來的輸出狀態(tài)，再去確定當(dāng)前時(shí)刻的控制動作，即先預(yù)測后控制，整個(gè)系統(tǒng)具有預(yù)見性，明顯優(yōu)于先有反饋信息，再產(chǎn)生控制動作的經(jīng)典反饋控制系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案，詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
以杭州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)排水系統(tǒng)為例子，該系統(tǒng)有五個(gè)泵站，每個(gè)泵站有若干機(jī)組，每臺機(jī)組有不同的功率，五個(gè)蓄水池，若干個(gè)排水人孔，若干條排水管道。為了使得每個(gè)泵站，每臺機(jī)組最大地發(fā)揮效率、節(jié)能降耗，并防止局部區(qū)域污水溢出，造成周邊環(huán)境污染，所以引入城市排水系統(tǒng)雨污混流管道的溢出最小控制技術(shù)。其步驟如下
1.分析單個(gè)節(jié)點(diǎn)的基本數(shù)據(jù)，例如人孔直徑、底部高層、頂部高層等，輸入專利申請?zhí)枮?00510061524.4(城市排水系統(tǒng)不確定水利學(xué)模型建模方法)提出的城市排水系統(tǒng)不確定水力學(xué)模型，計(jì)算水流量等的歷史數(shù)據(jù)；2.將第一步中的水力學(xué)模型轉(zhuǎn)換成離散的狀態(tài)空間模型，取每一采樣時(shí)刻雨污混流管網(wǎng)的污水儲量增值，未加測量噪聲干擾的儲量值和不可測擾動為狀態(tài)變量，以相鄰采樣時(shí)刻的污水流量增值為控制變量，管網(wǎng)的污水儲量值為輸出變量；3.運(yùn)用Kalman濾波理論計(jì)算第二步建立的模型中的狀態(tài)增益陣K，繼而求得各狀態(tài)變量值；4.建立預(yù)測模型，將第三步求得的狀態(tài)變量值代入預(yù)測模型，求得未來時(shí)刻的預(yù)測輸出(管網(wǎng)污水儲量值)；5.經(jīng)過用模型輸出誤差(預(yù)測污水儲量輸出與觀測污水儲量之間的誤差)進(jìn)行反饋校正以后，再與參考軌跡(污水儲量的參考值)進(jìn)行比較，應(yīng)用二次型性能指標(biāo)進(jìn)行在線的滾動優(yōu)化，計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)加于系統(tǒng)的控制動作(最優(yōu)控制律)；6.第五步求得的最優(yōu)控制動作即為杭州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)排水系統(tǒng)中雨污混流管道中流向各泵站的最佳流量值增值(相鄰采樣時(shí)刻)；7.結(jié)合第一步計(jì)算所得的污水流量值歷史數(shù)據(jù)和第六步中的最佳流量值增值，逐步求得未來各時(shí)刻的最佳流量值；8.根據(jù)能量守恒原理，在各時(shí)刻合理的運(yùn)行五個(gè)泵站，比如開啟多少機(jī)組，變頻換多少頻率等。
權(quán)利要求
1.基于城市排水雨污混流管網(wǎng)的溢出最小控制方法，其特征在于該方法的步驟包括(1)建立城市排水系統(tǒng)不確定水力學(xué)模型；(2)建立城市排水系統(tǒng)水力學(xué)離散狀態(tài)空間模型，具體方法是將采集到的城市管網(wǎng)的泵站、人孔、管道、蓄水池及溢水區(qū)的地理信息的數(shù)據(jù)作為初始化模型變量，通過非奇異線性變換將城市排水系統(tǒng)不確定水力學(xué)模型轉(zhuǎn)換成離散狀態(tài)空間模型xa(k+1)=Φaxa(k)+ΓuaΔu(k)+ΓvaΔv(k)+Γwaw(k)y(k)=Caxa(k)+z(k)xa(k)=Δx(k)y‾(k)ω(k)]]>其中y(k)表示污水儲量，xa(k)表示狀態(tài)變量，Δu(k)表示污水流量的增值，Δv(k)表示測量擾動增值，w(k)表示白噪聲，z(k)表示測量噪聲，Δx(k)表示污水儲量增值， (k)表示未加測量噪聲干擾的儲量值，ω(k)表示不可測擾動，k表示整數(shù)采樣時(shí)刻，Φa、Γua、Γva、Γwa、Ca表示具有合適尺寸的常系數(shù)矩陣，取自基于實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，建成的離散狀態(tài)空間模型取每一采樣時(shí)刻雨污混流管網(wǎng)的污水儲量增值，未加測量噪聲干擾的儲量值和不可測擾動為狀態(tài)變量，以相鄰采樣時(shí)刻的污水流量增值為控制變量，管網(wǎng)的污水儲量值為輸出變量；(3)建立城市排水系統(tǒng)預(yù)測模型，具體方法是首先，根據(jù)城市排水系統(tǒng)水力學(xué)離散狀態(tài)空間模型建立狀態(tài)估計(jì)方程x^a(k+1|k)=Φax^a(k|k-1)+ΓuaΔu(k)+ΓvaΔv(k)+K[y(k)-y^(k|k-1)]]]>用Kalman預(yù)測估計(jì)遞推方程的計(jì)算增益矩陣K，K＝[ΦaP(k|k-1)CaT+ΓwaSk]×[CaP(k|k-1)CaT+Rk]-1其中P(k|k-1)=E[x~a(k|k-1)x~aT(k|k-1)],x~a(k|k-1)=xa(k)-x^a(k|k-1)]]>Sk＝E[w(k)zT(k)]，Rk＝E[z(k)zT(k)]計(jì)算增益矩陣K按如下步驟進(jìn)行①給定初始條件x^a(0|0_)=x^a(0)=E[xa(0)]]]>P(0|0_)=P(0)=E{[xa(0)-x^a(0)][xa(0)-x^a(0)]T}]]>②計(jì)算初始時(shí)刻的最優(yōu)增益陣K(0)③計(jì)算 ④計(jì)算P(1|0)⑤根據(jù)已知的P(1|0)計(jì)算K(1)⑥根據(jù)K(1)計(jì)算 重復(fù)上述步驟，可得任意時(shí)刻的模型狀態(tài)變量 繼而得到增益陣K；其次，根據(jù)模型狀態(tài)變量 建立預(yù)測模型，預(yù)測未來時(shí)刻的輸出(污水儲量值)y^(k|k-1)=Cax^a(k|k-1)]]>(4)根據(jù)建立的預(yù)測模型預(yù)測將來某個(gè)時(shí)刻的輸出，經(jīng)過用模型輸出誤差進(jìn)行反饋校正以后，再與參考軌跡進(jìn)行比較，應(yīng)用二次型性能指標(biāo)進(jìn)行在線的滾動優(yōu)化，算出當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)加于系統(tǒng)的最佳流量；根據(jù)最佳流量，合理地開啟和運(yùn)行泵站，實(shí)現(xiàn)城市排水系統(tǒng)中雨污混流管網(wǎng)的污水溢出最小化；具體包括包括確立目標(biāo)函數(shù)和最優(yōu)控制率求解；確立目標(biāo)函數(shù)的方法minJ=12ϵTy(k)Qryϵy(k)+Qyym(k)+12ϵTu(k)Qruϵu(k)+Qku(k)+Δu(k)TRΔu(k)]]>S.t.umin(k)≤u(k)≤umax(k)|Δu(k)|≤Δumax(k)ymmin(k)≤ym(k)≤ymmax(k)其中u(k)＝RΔΔu(k)+δ(k)εy(k)＝ry(k)-ym(k)，εu(k)＝ru(k)-u(k)ry(k)和ru(k)分別為期望的預(yù)測時(shí)域內(nèi)輸出和輸入值，權(quán)重Qry、Qy、Qru、Qu、R皆為對角陣，RΔ=I0000II000III00IIII0IIIII,δk=u(k-1)u(k-1)u(k-1)Mu(k-1)]]>Qry為保證整個(gè)管網(wǎng)中水流的充滿度一致并盡可能地減少污水的儲量的權(quán)重，R為使調(diào)節(jié)水流量平穩(wěn)的變化的權(quán)重，Qru、Qu、R可以補(bǔ)償流量，Qru，Qu中對應(yīng)為0，R中對應(yīng)的元素為調(diào)整參量；最優(yōu)控制率求解的方法預(yù)測模型在長度為P的預(yù)測時(shí)域的估計(jì)輸出有如下形式y(tǒng)m(k)=Sxx^a(k|k-1)+SuΔu(k)+SvΔv(k)+Sv[y(k)-y^(k|k-1)]]]>其中KT＝KT1KT2KT3、Sx、Su、Sv、Sy皆為從以上兩個(gè)模型的系數(shù)矩陣和增益陣K演化而來，假定未來測量擾動Δv(k)為常量，在求解最優(yōu)控制率時(shí)，每一步只執(zhí)行當(dāng)前時(shí)刻的控制增量Δu(k)，(k+1)時(shí)刻及以后時(shí)刻的控制量在新的采樣時(shí)刻重新計(jì)算。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種城市排水系統(tǒng)雨污混流管網(wǎng)污水溢出最小化的控制方法。目前還沒有有效方法解決雨污混流管網(wǎng)的溢出的控制問題。本發(fā)明通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)辨識、數(shù)據(jù)挖掘、預(yù)測控制技術(shù)，Kalman預(yù)測估計(jì)，確立了基于城市排水雨污混流管網(wǎng)的溢出最小控制技術(shù)，利用該技術(shù)計(jì)算得出的當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)加于系統(tǒng)的控制動作(最優(yōu)流量)，用戶可以通過底層PLC控制技術(shù)有效控制泵站的運(yùn)行，既節(jié)能又很好地解決了雨污混流管的污水溢出問題。
文檔編號E03F1/00GK1995566SQ200610155180
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月12日
發(fā)明者薛安克, 王建中, 魯仁全, 楊成忠, 陸曉峰 申請人:杭州電子科技大學(xué)