含多分水口的渠道廣義積分時滯（ID）控制建模及驗證

管光華，朱哲立，王 康

（武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072）

1 研究背景

我國是世界上相對缺水的國家，水資源時空分布不均已成為部分地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的制約因素［1］。特別是在2013年“一帶一路”戰(zhàn)略提出后，對沿線地區(qū)水資源的支撐能力提出了新的挑戰(zhàn)［2］。修建長距離輸配水系統(tǒng)，是解決水資源時空分布不均勻和緩解水資源供需矛盾的主要途徑之一，對發(fā)展灌區(qū)農(nóng)業(yè)、保障我國糧食安全、農(nóng)村社會經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)民增收具有十分重大的意義［3］。但傳統(tǒng)依靠人力經(jīng)驗控制的方法會造成大量的輸水損失，為此需要采用先進的明渠控制算法進行自動控制［4］。

渠道自動化控制算法一般包括前饋控制和反饋控制。由于水流傳播到下游通常需要數(shù)小時甚至數(shù)天時間，在用水需求發(fā)生之前就擬定好沿線閘門的控制規(guī)則并提前執(zhí)行即為前饋控制［5］。反饋控制器與前饋控制器相互獨立，根據(jù)實時水位偏差進行渠系建筑物的控制。其中PID控制器實際應用最為廣泛，但存在參數(shù)整定復雜、環(huán)境敏感度高等問題［6］。隨著技術(shù)發(fā)展，各種針對多輸入、多輸出系統(tǒng)的控制算法逐漸應用開來，如線性二次型控制（LQR）［7］、模型預測控制（MPC）［4］、模糊控制［8］、魯棒控制［9］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制［10］等。

控制器的設(shè)計一般離不開控制模型。當前使用最為廣泛的是荷蘭學者Schuurmans在1995年提出的積分時滯模型（ID模型）［11］，并取得了較好的控制效果［4，12-13］。Schuurmans對圣維南方程在初始穩(wěn)定狀態(tài)附近進行線性化假設(shè)和拉氏變換，將單個渠池概化為時間滯后特性為主的均勻流區(qū)和積分特性為主的回水區(qū)。……