基于城市排水水力学系统的建模与控制研究.pdfVIP

第30卷第4期 杭州电子科技大学学报 Vd．30。No．4 ∞10年∞月 Jaazel0f H邮咖DimziUl面神 ^l譬．2010 基于城市排水水力学系统的建模与控制研究 衷刚，王建中，鲁仁全 (杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州31001S) 摘要：该文研究了城市排水系统的水力学模型建模与控制问题，主要解决污水进入污水处理厂之 前水流不稳定的状况，实现污水处理厂对污水水流平稳的要求。首先，通过城市排水实际系统分 析，建立以两节点之间管道为对象的离散状态空间模型。充分考虑实际系统中各重要参量之间的 关系，合理选择输入，输出，及状态变量。再次，对该系统进行稳定性分析和控制器设计。采取现 场输出数据，利用控制器估计当前时刻系统的状态。提出主要以实现污水输出稳定的性能指标， 求解满足性能指标的参数，返回给底层控制，得到一个良好的循环状态。 关键词：水力学模型；稳定性；状态空间 中图分类号：四29 文献标识码：A 文章编号：1001—9146(2010)04一0008一04 0引言 污水处理系统的日处理污水量巨大，进水量波动也大，并存在诸多干扰，使得污水处理系统的控制实现起 来非常困难，而“抗干扰”是其主要控制目标，因此加上控制，从而维持系统稳定运行…1。20世纪中叶，国内外 相继提出了一系列重要的水文水力数学模型(也包括一些水模型)，奠定了城市水文水力学发展的理论基础。 虽然我国的排水管网模型研究起步较晚，但在消化吸收国外研究成果的基础之上，近年来也有一些结合我国 国情的试验性研究成果出现。该文以污水管网为对象，进一步分析管网中各变量的关系，充分考虑各重要参 量，以系统稳定性为系统控制目标，对管网进行流量控制，使水流最终达到—个平稳状态【2J。 1 问题描述 水力模型是排水管网运行的数学仿真工具，主要为城市排水工程提供一个近似的计算机仿真算法。 一般情况下水力模型的输人为排水设施的结构数据和城市的人口分布数据等，输出为管网运行的水力 学数据。整个城市排水系统控制的流程图如图1所示： 茎恻曩笋H蓁蓁H攀倒警 图l排水系统的实时控制过程 图1中兄(髫)代表管道中水流储量是水位及流量的函数，在预测控制系统中对应于，，(J})，选择管 道中的污水流量或溢出流量作为控制系统的控制变量，Fl(茗)代表系统要求以何种流量流出一段管道 与闸门的位置以及泵站的运行状况之间的关系…3。 水流为本文所研究的对象。管网中的水流不是一个恒定流过程，而是一个非恒定流过程，即水在管 网中流动的过程中并不是始终保持同一水平面高度，而是上下有起伏、有波动。为了便于对该过程系统 收稿日期：2010～0B一31 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60f74058)，浙江省自然科学基金资助项目(Y106471) 作者简介：袁刚(1986一)。男，湖北荆州人，在读研究生，生产综合自动化． 第4期 袁刚等：基于城市排水水力学系统的建模与控制研究 9 进行分析，需对该系统进行水力学建模，对水流在管网中这种随机起伏变化的不平稳过程进行波段划 分，可以将管网分成n段，然后对每段进行建模分析研究。 对城市排水管网水力学建模的研究，选取城市排水污水管网系统中两个节点问一段管道为建模对 象，假定把该段管网分成n段垂直于水流方向的过水断面，对于第i个断面的水力学特性，考虑如下的 城市排水系统，一段管道中的污水储量有以下等式表示： (1) 善f(后)=舅‘(k—I)+T(si(蠡一1)nf(屉一1)一sf(_|}一1)) 式中，毛(后)为管道i的污水储量；t：i(露)为管道i的污水输入(包括暴雨时期的雨水)；地(詹)为污水 输出；矗(后)为管道i的污水溢出部分；T为采样周期；ui和8i为控制变量。 假设不考虑排水管网破损等方面