[发明专利]基于输入输出反馈和广义预测控制的明渠水位控制方法

权利要求书

1.一种基于输入输出反馈变换和广义预测控制的明渠系统水位控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于圣维南方程组描述明渠系统的动力学模型；

S2、对所述圣维南方程组进行空间离散化，并进一步得到所述圣维南方程组的时间连续空间离散差分模型；

S3、将所述差分模型看作仿射系统，采用基于输入输出的反馈变换和广义预测控制得到直接控制输入即闸门开度，实现明渠系统的精确水位控制；

所述明渠系统的动力学模型由圣维南方程组描述：

其中所述圣维南方程组中,上一个方程为连续方程,下一个方程为动量方程，其中，H为明渠系统液位高度，Q为水流流量，设A为过水面积，S₀为渠道坡降，S_f为水力坡降，g是地球重力常数；

所述步骤S2中，对圣维南方程组进行空间离散化具体包括：将明渠渠道按空间分为n-1段，得到n个采样点，并设Gate1为上游门，Gate2为下游闸门，H_u为上游闸门上游端液位值，假定所述上游端液位值为恒定不变量，H_d为下游闸门下游端液位值，假定所述下游端液位值为恒定不变量，设h₁，h₂，…h_n分别为渠道中各采样点的液位，ΔH_u，ΔH_d分别为上游闸门，下游闸门两端的液位差，q_i,i＝1,2,...,n分别为渠道各采样点处水流量，闸门处的流量和控制量U的关系为：

其中L为闸门宽度，U为闸门开度，C为水流常数，ΔH为闸门两端液位差，g是地球重力常数。

2.根据权利要求1所述的一种基于输入输出反馈变换和广义预测控制的明渠系统水位控制方法，其特征在于，对于所述圣维南方程组的时间连续空间离散差分模型中的连续方程，第1点采用一阶前向差分，即第2点对第1点差分得：

对于第2点采用一阶中心差分，利用的是第3点和第1点数据：

对于第3到第n-2点采用一阶中心差分：

对第n-1点采用一阶中心差分，采用的数据是第n-2点和第n点数据：

对第n点采用一阶后向差分，采用的数据是第n-1点和第n的数据：

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3.根据权利要求2所述的一种基于输入输出反馈变换和广义预测控制的明渠系统水位控制方法，其特征在于，对于所述圣维南方程组的时间连续空间离散差分模型中的动量方程，闸门处流量Q₁由闸门开度决定，对第Q₂做中心差分：

对Q₃到Q_n-2中心差分：

对Q_n-1做中心差分：

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4.根据权利要求2或3所述的一种基于输入输出反馈变换和广义预测控制的明渠系统水位控制方法，其特征在于，令(H₁,...H_n,Q₂...Q_n-1)＝(x₁,...x_n,x_n+1,...x_2n-2),则所述差分模型可以看作仿射系统：

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5.根据权利要求4所述的一种基于输入输出反馈变换和广义预测控制的明渠系统水位控制方法，其特征在于，所述仿射系统有两个输入和两个输出，所述输出可以根据控制明渠的水位需要选取，选择输出为渠道靠近上游闸门处和下游闸门处的两个点的水位，通过输入输出反馈变换，可以分别使中间控制量v₁、v₂分别和输出水位y₁、y₂及其导数构成线性常微分方程，对于中间变量和输出构成的线性系统所用到的控制方法是在线采集两个点的水位，分别采用广义预测控制方法得到v₁和v₂，再分别通过输入输出反馈变换得到直接控制输入即闸门开度u₁和u₂。