调水工程系统的水力控制仿真及参数的优化

年月水利学报第卷第期收稿日期基金项目中央财政社会公益研究资金资助项目作者简介王涛女河南南阳人工程师硕士主要从事水力控制和河冰理论的研究文章编号调水工程系统的水力控制仿真及参数的优化王涛杨开林中国水利水电科学研究院水力学研究所北京摘要本文将现代控制理论与数字仿真技术相结合建立了包括管道泵站及前池等明渠输水系统的水力控制状态模型并运用神经网络理论对参数进行优化在数字仿真平台上对所建立的调水工程全系统进行了动态仿真模拟通过对实例的优化仿真模拟证明该仿真模型对调水系统具有良好的调节和控制性能实现了输水系统水力控制过程动态仿真的可视化神经网络理论的应用也使系统参数得到优化关键词调水工程水力控制状态空间法线性化模型仿真人工神经网络优化中图分类号文献标识码对于长距离调水工程施行全局联合控制调度在线仿真将是未来的发展趋势因此建立调水工程的水力控制动态数学模型实现全系统的可视化仿真及优化全面地考虑水库泵站渠道闸门管涵与自动控制系统的有机联系以达到安全可靠经济的运行不仅具有科学意义而且具有工程实际意义动态仿真是计算机可视化技术和系统建模技术相结合后形成的一种数字技术实现调水工程的仿真是顺应现代高速发展的数字计算机技术同调水工程全系统高效统一协调控制相结合的要求国外对调水工程运行的计算机在线仿真非常关注但是目前这方面开发利用还是空白万家寨引黄入晋工程中首次系统地开展了调水工程水力控制计算机仿真的研究神经网络理论在控制洪水预报水文水资源预测预报等方面都得到应用并且取得了可喜的成果在水力控制中神经网络在水轮机控制方面有了一定的研究本文提出一套调水工程包括水库明渠管道泵站前池等在内的水力控制线性化数学模型建立了调水工程控制系统方块图在系统方块图基础上开发出全系统动态仿真模型昀后利用神经网络技术对整个系统的控制进行优化图调水系统结构调水工程线性化数学模型和方块图系统结构示意如图长距离调水系统通常为复杂的非线性系统对于这些非线性系统分析计算非常困难而线性系统的输入和输出关系是线性微分环节和代数环节却有很多典型而简单的方法可以应用理论和实践分析表明在小扰动情况下非线性系统在稳定工况点附近通过线性化转化为线性定常系统通过分析线性系统的变化特性可以得到非线性系统变化特性的正确答案明渠水力控制的状态空间方程年和首次应用状态空间法研究水轮机调节系统的稳定性从而把现代控制理论引入到水力控制中渠系自动化研究目前仍处于起步阶段成果多集中在闸门的水力控制方面目前多段渠道的控制多采用状态空间法采用状态空间法可以将整个渠道看作一个状态空间整体求解分析规范化不仅可以求解输出量的动态变化还可以看到中间变量的求解过程便于分析多输入多输出和多控制量的控制系统便于控制的优化本文在建立明渠水力控制数学模型中线性化明渠瞬变流的圣维南方程得到其常微分形式结合控制理论的特点给出明渠水力控制的状态空间方程明渠圣维南方程明渠瞬变流可以用圣维南方程描述即式中为流量?为水深为长度为明渠底坡为明渠的水面宽度为明渠过水断面面积为能量坡度采用曼宁公式有???式中为曼宁糙率系数为湿周为水力半径圣维南方程线性化及常微分形成方程组在时刻的线性化结果为式中??????下标表示时刻的物理量观察方程组它们仍然是一对偏微分方程分析求解困难下面将通过近似积分把偏微分方程转换为常微分方程通常根据实际的明渠长度沿途地形地貌和水工建筑物分布情况将明渠分为段对于其中任一段根据方程都可以得到如下方程式中为对应系数在第段的值为第段的长度??分别为第段面水深和流量的偏差相对值和表示水深和流量的基准值在调水工程水力控制中通常用水泵的额定扬程和流量表示明渠水力控制的状态空间方程把式用状态空间方程表示为　式中　　　　　　　　　　　为系统的状态变量为输出量系统需要输出的不同时刻不同断面的水深和流量值和分别为系数矩阵分别为对应物理量的在时刻的值和由渠道进口边界条件确定的系数和由渠道出口边界条件确定的系数压力管道水击的线性化数学模型在一些涉及到水流和管道弹性的计算中一般采用式所示的传递函数式中为扬程偏差相对值为流量偏差相对值为管道水击的半反射时间为管道总长为水击波速为水流惯性时间常数为管道截面面积为拉普拉斯算子当时管道表示为刚性水击泵站前池和水泵的线性化数学模型水泵机组转动方程的线性化数学模型为式中为电机转矩偏差相对值为泵的轴力矩偏差相对值为机组的转速偏差相对值为机组的惯性时间常数为泵的额定角速度为泵的额定功率水泵扬程和力矩方程分别为式中为水泵扬程对转速的传递系数为水泵扬程对流量的传递系数为水泵力矩对转速的传递系数为水泵力矩对流量的传递系数泵站前池方程为式中为前池水位偏差相对值为前池来流量偏差相对值?为前池面积调节对象方块图由式式可得到明渠压力管道水泵和泵站前池组成的系统方块图如图所示该方块图部分组成系统的被控对象环节通过方块图表示系统中各个物理量之间的关系和信号的传递方向表示管道水击方程状态方程表示明渠状态空间方程式这里前池进口断面即渠道出口断面流量及其变化量　作为方程的输入图变速泵控制前池调节中被控系统调水系统控制调节原理及可视化仿真调水系统控制调节原理采用变速泵控制前池水位调节和控制系统水位的变化变速泵的调节主要通过晶闸管变频电机实现的图即为调节方块图图变速泵控制前池水位自动调节输入为前池给定水位偏差相对值为参考转速偏差相对值为偏差信号为水位调节器的输出为微分环节的输出为缓冲环节时间常数为暂态调差率为转速调节器的微分时间常数为转速限制器的输出值为转速调节器输出偏差相对值为电磁力矩偏差相对值为水泵轴力矩偏差相对值为定子侧频率偏差相对值为晶闸管等效惯性时间常数为系统扰动信号输出为前池水位偏差相对值泵站前池水位的自动调节过程为当扰动作用下需要增加前池的水位时即水位调节器根据偏差信号动作减小电机定子侧频率和电磁力矩以降低变速泵的转速和抽水流量使前池水位维持在指定的位置反之当需要降低前池的水位时即水位调节器根据偏差信号动作增加电机的定子侧频率和电磁力矩以增加变速泵的转速和抽水流量使前池水位维持在指定的位置此外也可以直接通过手动改变参考转速指令信号来改变电机转速和前池水位水位调节器数学模型控制要取得较好的控制效果就必须通过调整好比例积分和微分三种控制作用形成控制量中既相互组合又相互制约的关系这种关系从变化无穷的非线性关系中可以找到昀佳的关系目前在控制工程中人们通常采用调节器在线整定的比例积分和微分参数以便得到满意的控制效果水位调节器部分由缓冲环节和微分环节组成式所示为水位调节器的数学模型当前池指令信号时式中的调节器数学表达式写成传递函数表达式为式中?和分别称之为调节器的比例增益积分增益和微分增益转速调节器数学模型转速调节器的传递函数为式中为转速调节器的缓冲时间常数为转速调节器的微分时间常数调水工程的可视化仿真本文借助于中仿真平台建立调水工程的面向对象可视化仿真模型如图所示图中包括水位调节器子系统变速泵调节子系统被控对象子系统其中被控对象系统由水库明渠泵站前池压力管道和泵站组成图和图分别为泵站含管道部分和明渠子系统仿真模型在图图中分别表示参数?表示微分?表示积分表示式子和的差值表示和的差值前縀表示输入参数前縀表示输出参数模块表示把计算结果输出到的中管道模块表示管道刚性或者弹性水击表达式在的仿真平台中表示函数称之为函数是一种动态的计算机语言描述在明渠子系统仿真模型中模拟式的数学模型图调水系统控制仿真模型图泵站子系统仿真模型神经网络理论在水力控制优化中的应用神经网络控制系统神经网络具有这种非线性的表达能力可以通过对系统性能的学习来实现具有昀佳组合的控制所以本文选择了神经网络应用于调水工程水力控制系统的优化中通过整定水位调节器参数使系统动态调节性能昀优从而达到对控制系统进行优化的目的基于网络的控制系统结构如图图中为系统输入值为系统的输出值为神经网络的输入值为神经网络输出值为调节器输出值控制器主要有两部分组成控制器部分直接对被控对象进行闭环控制根据神经网络传递参数自动在线调节控制器三个参数并把控制器计算结果传递给被控对象和网络神经网络部分根据系统的运行状态通过神经网络的自学习神经网络各层参数的自调整把输出传递给控制器以修正中各参数神经网络整定本控制系统的原理为神经网络根据调节器输出系统输出前池水位调整网络中心矢量网络基宽向量和网络输出的权向量使其不断逼近昀优值调节器根据输入信号与输出信号产生的偏差信号在网络作用下不断在线调整水位控制器的参数由于网络局部逼近特性使其能以任意精度逼近任一连续函数从而达到实时在线调节控制器参数的目的使系统达到昀优图明渠子系统仿真模型图神经网络整定控制结构文中用矩阵表示网络的输出对控制输入的灵敏度信息网络的权值阙值基宽参数的修正以及控制器参数整定采用梯度下降法实例分析调水系统结构示意如图所示水泵设计参考万家寨引黄入晋变速泵控制前池调节的有关参数文中变速泵设计扬程设计流量?额定转速?电机转动惯量常数设系数按准则即闭环频率特性的谐振峰值昀小准则取压力管道长度取前池面积为选择工况为前池来流量变化从?突然减小到?的情况渠道为梯形长为底宽边坡为曼宁糙率系数为底坡为渠道上游为水库在计算中假定水位为常数渠道出口接泵站前池在恒定流条件下流动为均匀流流量为?渠道进口边界条件为水位调节器参数质量对系统调节的影响利用图所示的可视化仿真模型管道采用刚性水击模型变化水位中的比例积分和微分增益观察仿真结果选取合适的参数保证调水系统具有良好的调节性能由于篇幅所限文中以比例增益的调节为例来说明水位调节器参数质量对系统调节的影响选取水位调节器参数积分增益微分增益　　不变的条件下变化比例增益可以得到前池水位从到的变化曲线如图所示观察图随着的变化前池水位波动的昀大偏差和昀大超调量都在减小当增大到一定限度进一步增大时由于转速限制器的作用不会出现超调现象但调节时间将会增加在之间选择时水位波动的昀大偏差昀大超调量和调节时间都有不同但对系统调节影响不大建议取为宜管道和水流弹性对水力控制的影响取参数　　采用式所示的弹性水击方程改变管道水击的数学模型当参数发生变化时前池水位的变化情况如图所示图中给出了式中分别为和时在系统水力控制调节中对前池水位变化的影响图比例增益变化对前池水位的影响图管道和水流弹性对系统的影响研究表明当管道为刚性水击时前池水位波动与弹性水击比较条曲线近乎重合说明在小扰动情况下在所给定条件下对于用变速泵调节的调水系统可以不考虑水流和管道弹性的影响系统调节对明渠水位变化的影响在小波动瞬变中由于系统所受干扰量的幅值很小可以将系统各物理量在静态工况点线性化用线性化状态方程描述系统的动态特性当前池来水量发生变化时会影响到系统其它部分的运行图所示为参数　　条件下明渠出口断面水位的变化从图中可以看出明渠水位发生了波动但是昀大波动为同明渠恒定流条件下水深的比值为以后水位基本平稳到时波动基本消失所以整个调节过程对明渠运行的影响不大神经网络理论对系统的优化选计算结果为图图为经过整定的控制器参数条件下前池水位的计算结果同未整定的控制计算结果的比较通常品质优良的水位调节器应当满足昀大偏差小调节时间短昀大超调调量小振荡次数少从图可以看出经过整定的控制器计算结果同未整定的控制器计算结果比较前者前池水位波动的昀大偏差和调节时间都比后者小采用神经网络整定调节器使其昀大偏差和调节时间都比未整定前有所减小达到了优化系统调节性能的目的图系统调节对明渠水位的影响图调节器整定前后前池水位计算比较小结本文运用调水工程线性化数学模型结合现代控制理论建立调水工程系统新的可视化仿真系统这些仿真模型由不同独立的子系统组成各个子系统之间又能相互关联相互制约组成可以统一调节的调水工程面向对象的可视化动态仿真体系并运用先进的神经网络技术优化了系统的动态性能该方法提高了仿真模型的结构化和模块化增加了仿真程序的可重用性实现了动态仿真过程的可视化使复杂的系统仿真建模过程变得简单直观通过实例计算论证了该方法具有良好的动态调节性能神经网络对水力控制系统的优化提高了系统运行稳定性和的经济性本文对于调水工程具有重要的实践和应用价值参考文献杨开林南水北调中线工程水力控制实时数字三维视景仿真南水北调与水利科技杨开林引黄入晋工程变速