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基于预测控制方法的城市排水系统建模与控制研究

作　者: 袁刚
导　师: 王建中；鲁仁全
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 城市排水系统水力学模型稳定性预测控制泵站节能优化控制
分类号: TU992
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着中国经济的发展,国家工业化程度及人民生活水平迅速提高,不可避免伴随着工业废水和生活污水量的增加,城市排水系统突显其重要性。但是在我国,城市普遍存在排水设施不完善、管网配套建设滞后、排放的能力不够、管网老化严重、部分地下管网未知等问题,引起了严重的环境污染,并阻碍了城市的发展。本文针对杭州市排水系统中管网、泵站及相关设施综合自动化程度低,尤其是智能化程度低这一重大问题,对管网及泵站系统的优化控制策略做了深入的研究。在研究预测控制方法的基础上,将其应用于城市排水系统中,提出一种整体的节能与优化控制策略。首先,根据城市排水管道基本水力学计算公式及其水力学模型,建立以排水管网水流为对象,以流量或水位为状态的城市排水水力学状态空间模型;然后将外部流入量的不确定性和管网之间的耦合关系转化为模型参数的不确定性,建立城市排水管网水流的离散时间不确定性系统模型;并结合污水处理厂对水流的工艺要求进行稳定性分析。其次,在水力学模型建立和结合污水处理厂对水流的工艺要求进行稳定性分析的基础上,提出排水管网控制系统的设计。进行控制器的具体设计,并通过计算机仿真进行验证。该控制系统能够在充分利用系统所有蓄水设备的前提下,使区域污水溢出污染最小化,有效降低水泵站能耗,并为合流制排水系统的操作从手动向自动转化奠定了基础。最后,讨论了城市排水泵站的节能问题。从分析管网流量的入手,以一维自由水流面圣维南方程为基础,论证了排水管网节点之间的联系。分析研究管网流量与时间之间的函数关系,详细推导了泵站耗能与流量以及时间的函数关系。以水力学模型计算得到的在某个时刻的各功能节点的水流量作为输入数据,以节点的水位作为输出数据,根据城市排水系统的历史运行数据,建立预测模型,以预测泵站的输出来控制泵站运行,同时结合反馈校正使泵站达到最佳节能状态。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 论文的背景和意义  10-11
  1.2 城市排水系统  11-12
    1.2.1 城市排水系统概述  11
    1.2.2 城市排水常见问题  11-12
  1.3 国内外研究现状  12-14
    1.3.1 城市排水管网控制技术的研究现状  12-14
    1.3.2 泵站优化控制技术研究现状  14
  1.4 研究目的和意义  14-15
  1.5 论文主要工作和内容安排  15-17
第2章基础知识  17-26
  2.1 预测控制的基本理论  17-19
    2.1.1 预测模型  17-18
    2.1.2 滚动优化  18
    2.1.3 反馈校正  18-19
    2.1.4 预测控制的特点  19
  2.2 圣维南方程  19-21
  2.3 泵站理论基础  21-23
    2.3.1 排水泵站的选择  22
    2.3.2 一般排水泵站节能理论  22-23
  2.4 线性矩阵不等式理论  23-24
  2.5 GIS 系统及DHI 软件介绍  24-25
  2.6 小结  25-26
第3章城市排水管网水力学建模与稳定性分析  26-37
  3.1 引言  26-27
  3.2 城市排水管道基本水力计算  27-29
  3.3 城市排水管网水力学模型及其构成  29-33
    3.3.1 下水管道  30-31
    3.3.2 蓄水池  31
    3.3.3 流量控制单元  31
    3.3.4 其它单元  31-33
  3.4 城市排水系统水位模型  33-36
    3.4.1 城市排水系统水位模型的建立  33-35
    3.4.2 系统稳定性分析  35-36
  3.5 本章小结  36-37
第4章污水管网水流控制  37-45
  4.1 引言  37
  4.2 问题描述  37-38
  4.3 状态反馈控制  38-41
    4.3.1 状态反馈控制器设计  38-40
    4.3.2 实例分析  40-41
  4.4 输出反馈控制  41-44
    4.4.1 输出反馈控制器设计  41-43
    4.4.2 实例分析  43-44
  4.5 本章小结  44-45
第5章排水系统泵站节能研究  45-56
  5.1 引言  45
  5.2 管网模型分析  45-48
    5.2.1 节点间的水力学计算公式  45-46
    5.2.2 节点间的流量关系  46-47
    5.2.3 流量和能耗关系  47-48
  5.3 泵站的预测控制技术  48-52
    5.3.1 建立节点预测模型  48-50
    5.3.2 滚动优化  50-51
    5.3.3 在线辨识与校正  51-52
  5.4 实例仿真  52-54
  5.5 基于预测控制的泵站管网控制系统的设计方案  54-55
  5.6 小结  55-56
第6章总结与展望  56-58
  6.1 本文工作总结  56
  6.2 展望  56-58
致谢  58-59
参考文献  59-62
附录  62-63
详细摘要  63-65

基于预测控制方法的城市排水系统建模与控制研究

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