[发明专利]一种基于滚动粒子群算法的城市明渠排水系统控制方法

说明书

技术领域

本发明属于工业自动控制领域，面向城市明渠排水系统，涉及一种基于滚动粒子群算法的城市明渠排水系统控制方法。

背景技术

城市明渠排水系统的作用是收集居民生产生活废水和降雨径流，并将之排放到污水处理厂或者下一级渠道。

在实际操作中，城市明渠排水系统中的泵站通过排水电机抽排水来调节明渠的水位，在这个过程中会消耗大量的电能。目前国内城市明渠系统的排水泵站多采用人工24小时值守的方式，这种方式主要有一下三个缺点：

1.面对突发暴雨、城市居民用水高峰等情况，缺乏科学的控制决策机制，容易引发引排水系统溢流，造成严重的财产损失和环境污染问题。

2.缺乏适当的节能算法，造成电能的大量浪费。

3.耗费大量人力物力。

所以，人们迫切的需要对现有城市明渠引排水系统进行技术改造。例如，浙江省委十三届四次全会提出了“五水共治”的理念，吹响了浙江大规模治水行动的新号角。“五水共治”，意思是要以治污水、防洪水、排涝水、保供水、抓节水为突破口对现有排水系统进行转型升级。

为改善现状，有学者提出用粒子群算法(Genetic Algorithm)对城市明渠排水系统进行控制。粒子群算法算法属于进化算法的一种，和模拟退火算法相似，它也是从随机解出发，通过迭代寻找最优解，它也是通过适应度来评价解的品质，但它比遗传算法规则更为简单，它没有遗传算法的“交叉”(Crossover)和“变异”(Mutation)操作，它通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。

然而，传统的粒子群算法在城市明渠排水系统难以得到应用，因为它存在以下几个问题：

1.实际城市明渠系统相对复杂，难以提出精确的系统水力学模型，从而产生系统误差。

2.现有技术无法对城市降水进行精确预测，从而产生预测误差。

3.传统粒子群算法是一种开环算法，系统产生扰动时，缺乏自动反馈矫正机制。

4.传统粒子群算法应用到多级决策问题时，即使是极小的系统误差也会被逐级放大，从而对系统的可靠性和稳定性造成严重影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有城市明渠排水系统粒子群算法的不足，提出一种改进方法。在传统粒子群算法的基础上引入状态反馈与滚动优化算法，减小系统误差，增强系统的实时性和鲁棒性，达到跟踪目标水位、节约电费和减小污水溢出量的目的。

具体地，引入状态反馈的目的是为了减小由模型不精确、外界扰动产生的系统误差。其基本思想是：首先利用传统粒子群算法算出一系列阶段的控制量，一个阶段的控制量作用结束后，采集并监测当前状态量，并与前一步粒子群算法中预测的状态量进行比较，将两者的差值反馈到原系统，从而影响到之后的一系列预测量。这样，能极大地减小系统误差。

引入滚动优化的目的是增强系统的实时性和鲁棒性。其基本思想是：首先利用粒子群算法得到一系列阶段的最优解，但只对实际系统实施第一个阶段的控制量。第一个阶段结束后，根据当前实际状态量、更新的预测扰动量以及上一段所提的反馈矫正量重新进行一次粒子群算法求解。接着又对系统实施最新最优解中第一个阶段的控制量，以此类推。这样便提高了控制系统的实时性和鲁棒性。

具体地，本发明提出的一种基于滚动粒子群算法的城市明渠排水系统控制方法，包括以下步骤：

(1)建立城市明渠排水系统模型

系统状态转移方程为：

约束条件为：

h_min≤h(k)≤h_max

u_min≤u(k)≤u_max

目标函数为：

其中：

E(k)＝A(u(k))²+Bu(k)+C

以下是系统各个参数的解释：

a.明渠水面面积S

被监控的城市明渠水面面积S可根据实测得到，忽略水位变化时水面面积S的变化。

b.阶段总数k

城市明渠排水系统为连续的时间过程，取1天作为一个排水周期进行规划，可将1天分为24个阶段，每个阶段持续一小时，阶段总数为24。设k为阶段变量。

c.状态变量h(k)

当前水位用h(0)表示，通过实地检测获得。

将k个阶段之后的预期规划水位记为h(k)，k＝1，2，3…23，24。

d.决策变量u(k)

城市泵站通过排水泵的排水量来控制明渠的水位，设水泵在阶段k的排水量为u(k)。