重力给料灌溉系统优化方案

大多数公用事业公司，像电力生产配送，回收用过的水，大容量输配电和天然气分配是大型工程系统，需要精心控制，以便供给与需求匹配，满足使用的时间和地点。类似的控制问题也存在于运输网络的控制甚至是互联网或更一般的电信网络。这里具有挑战性的问题是地理尺度和时间尺度的变化，这在动态系统中十分重要。在这些应用中，控制系统在空间上总是分布式的，并且分层以处理许多不同的时间范畴。该示例中，我们讨论涉及灌溉网络的控制，那里分布式控制方案是最近才出现的。讨论将强调空间分布式控制特性在最快的时间尺度。监督控制问题负责调度，长期使用和（预防）维护以及报警处理，这些问题同样富有挑战而且十分重要，但不如过程控制应用中那样困难，如像瓷砖工厂。

在澳大利亚灌溉占所有淡水使用量的70%（联合国教科文组织2006年；澳大利亚技术科学与工程学院2002）。用于灌溉的主要民用基础设施由收获和储存水的水库和分配水的开放运河组成。水的分配是通过调节结构进行控制的，可以限制运河中水的流量在最小与最大流之间，这取决于运河的几何形状（斜度和截面）和可用水源（潜在的能量），由水库供给运河。在这里我们看看，在仅仅由重力驱动的情况下，多大规模水的分配可以被自动控制，这种控制比通常的手动操作具有很大的优越性。

当水的供应充足时，水是廉价的商品，在水的分配中没有有效的经济压力。操作运河基础设施的唯一方式就是确保最大流量，保证用户最佳水的可用性。于是水的分配就是一个纯粹的调度问题，不需要闭环控制。调度，一种监督控制的形式，无法避免地使得通过所有出水口输出到农田上的综合水流量，通常10倍于运河系统顶端入口的水流量。调度确保需求量平均低于运河系统的流通能力，这样，水以公平的方式分被配给所有用户。当有水供给过剩时，水只不过会返回到天然河流系统或地下水中，不能再用于灌溉（在同一季节）。虽然现在的手动操作并不运行在这个最大流量原理的基础上，按照这个原理会浪费大量的水，现在运河的利用情况据报道充其量达到55%到70%用水效率，在全世界有很多地方还不到50%。另外，在大多数灌溉地区提前四天的订水政策被强制执行，这并不有利于农场的高效灌溉，因为农民们不得不减少不确定灌溉时机带来的不利影响。通过渗漏和蒸发，大约10%到15%的水都被浪费掉了（当然再多的控制都无法改变这一现象），并且大约有20%到30%的水是通过排污口或其他未计量的方式被浪费掉（澳大利亚技术科学与工程学院2002）。

澳大利亚的政策制定者已经认识到，从长期环境和可持续发展的角度重新考虑现有水资源的实际情况是十分重要的。无论是运河利用率还是农场水资源的使用，他们为高效用水提供了明确的经济激励。气候变化、人口和工业增长压力加剧了这一持续性问题。

灌溉效率，同时保持其他水位调节目标（这是农场土地灌溉的潜在能量），理想的闭环控制目标是满足水的需求。满足需求和实现高效用水之间相互冲突的要求是一个有趣的挑战。

为了实现闭环控制，现有的民用基础设施必须升级，通过传感器的信息技术基础设施，和链接有监控和数据采集（SCADA）的通信网络的执行器。高效分配水资源的方法分为三个阶段：建设信息基础设施，提取数据建立控制模型和最终建立闭环回路。这个基础设施可以实现自动化决策来设置调节结构，如输送水，且只有这部分水是农民所需要的。这种项目大约1998年就在澳大利亚进行了，凭着运河操作运行在85%左右的效率，已取得了令人满意的结果，实现了高水平的按需供水（超过90%的供水订单不会改期），并且保持卓越的水位调节。此外，因为这个系统现在反应更积极迅速，农民都采用了更适合农作物需求的灌溉计划，同时获得了额外、显著的用水效率提升和来自农场更好的经济回报。

信息基础设施支撑整个控制方法，且可以支持所有时间尺度（几小时或几年）的决策：

●在最长的时间尺度上，主要的问题是可持续性：如何最好地使用有限的可再生水资源。这包括开发适当的基础设施、政策和价格机制。

●在一个年度和季度，水量的分配和农作物种植/处理取决于特定的经济和环保的要求。现有的基础设施应当被维护和升级。

●每周的灌溉要以满足需求来计划（在这个时间尺度上，当地的天气预报起到了重要的作用），且在这一时间点上安排总体分布。

●在每天的时间尺度中，水的安排主要针对下游，即运河系统的末端。

●在每小时的时间尺度中，运河的个别部分直接对控制有响应。

●在每分钟时间尺度中，调整水位和水流动态，同时监测硬件和感兴趣的变量，用于指导预防性维护，以确保当传感器、执行器，或是无线电网络开发失败时有一个合理的性能下降。

如图3-4所示提供了澳大利亚维多利亚的信息基础设施硬件和被取代的主要旧技术的图片。

图3-4 灌溉用无线电网络执行器/传感器（图3-4c），取代旧的人工 操作的基础设施（图3-4a、图3-4b）

在监管点，水位是测量的，水流是被推断出来的。通过和其他节点在整个网络中的通信，一个实时的水量平衡可以被推断出来的。除了这些主要变量，许多其他变量也被测量出来，为了维护和其他的操作目的（如电池水平、太阳辐射、传感器校准，等等）。无线网络允许点对点和广播模式，其原理图反映在如图3-5所示中。

任何带有与其相应的执行器和传感器的调节器都有一个互联网地址，可以通过无线网络与网络中任何其他调节器通信。大多数通信都是基于一个异常协议，只有当一些感兴趣的时间发生时才会发起通信。同时也执行常规的查询，查询整个（或部分）系统以建立正常检查。广播用于进行设备软件升级，协调和网络资源的综合管理。

图3-5 灌溉渠的信息设备和无线电网络图

数据来源于传感器，执行器的使用应当配合以适当的模型参数估计和系统辨识技术（Weyer2001；Eurén and Weyer2007）来得到简单的模型将控制动作（上下游调节器）和水位（和水流）联系起来，这以一个独立水池为基础，在两个调节结构间运河的延伸。重点是模型要简单，因为灌溉系统是大型的，因此模型必须能够随系统而增长。为了对规模有所了解，现考虑Goulburn Murray水域，包括长于6000km的灌溉渠，多于20000的客户和分布在沿岸68000km²以上的5000多个整治建筑物（还有更大的灌溉系统）。

为了聚焦这个思想，我们考虑最小时间尺度和简单的运河，这些运河带有一些连续蓄水池，如图3-6所示。非常简单的模型表示如下：

池中水量的变化=（进水流速-出水流速）*时间间隔

这只是刻画了水的贮存。这样有点太简单了，再看看Weyer（2001），Eurén和Weyer（2007）的例子中更具综合性的模型和讨论。然而，这足够对这个问题有所了解了。运河系统模型是所有水池模型和调节阀模型的集合，这些模型都是由测量得到的，被保存在中心数据库。

控制目标是保证水位控制在期望的水位，同时控制的输入要被限制在物理能力的范围内（开和关之间）。所有这些都不考虑重大干扰，这些干扰包括排水、蒸发和渗流。此外很重要的是无线电通信的需求是有限的，灌溉网络用来处理不可避免的通信错误，以及在传感器和/或执行机构的硬件故障。

控制目标（无损失，水位调节，需求满足）是通过使用一个两阶段的方法实现的。当一个用水订单产生时（例如，通过互联网），如果这份订单可以在系统内按照要求被传送，中央节点可以验证系统的全局模型。它需要检查价格和水量分配的权利，但这与控制过程无关。这里需求预测的应用，包括天气预报，可以用来更有利地管理灌区。如果水订单可以被交付，则中央节点可以通知该运河的调节器和订单所需的农田上的出水阀门。然后即刻产生水的流量，局部控制器可以维持水位不变，而不管施加的流量变化。

在一星期内的某个特定蓄水池的操作下，控制系统的典型响应，如图3-7所示。(www.xing528.com)

图3-6 内联运河系统，一系列的调节器和蓄水池（调节器和运河之间的部分）

图3-7 大雨事件的控制反应

这个图显示了设置值调节的质量（偏差测量以厘米为单位）。在手动操作下，如果水位在所需的水位上下25cm范围内，则认为距理想水位的偏离是足够的。下雨事件是严重的干扰，使系统中所有通道上的灌溉器停止灌溉。在简短的降雨后，主要的水订单会恢复。最后可以看到饱和效果，因为闸门都关闭了，由于下游没有需求。

类似的情况如图3-8所示，显示了一天的流量和水位差。可以注意到在一天时间内巨大的流量变化，这显示了自动化系统的灵活性。

图3-8 较大流量变化的控制响应

在若干季节的田间试验已经证明，自动控制系统，即所谓的全通道控制系统^TM是非常高效的（Cantoni等，2007；Mareels等，2005）。自动化系统带来一些不能低估的附加利益：

●更精确地计算水流和水容量（流量计量精度的数量级提高）；

●泄漏检测（每个水池可以维持水平衡，需要维护的水池很容易被识别）；

●数据和传感器硬件冗余可以用来重新配置控制动作，以防硬件故障，来确保硬件故障时，系统性能的缓慢下降；

●水订购的灵活性，这将导致农场上更高的水资源利用效率。

进一步发展包括：

●将天气预报整合到前馈控制，以提高对下雨事件的反应，以及管理系统大储量和水流条件；

●减轻洪水灾害（这是最基本的水库控制，使用运河系统分散过多的水）；

●整合运河控制，优化利用水资源。

最终的目标是对整个集水区域进行实时闭环的水资源管理（Mareels等，2005）。这似乎完全是可行的，并将对2003年联合国教科文组织提出的世界水资源报告中的管理难题大有挑战，这一问题在2006年和2009年版的报告也被提及（联合国教科文组织2006；2009），所有这些都谈论到世界上水资源管理危机。水的最佳用途水是一种有限的不可再生资源，为了（更好的）管理，要求：

●资源可用性的准确信息；

●清晰的管理政策，适当的优先化；

●实质性的民用基础设施（水库、运河、管道、阀门）。同时需要：

●实时水（水位和水流）测量；

●需求测量和/或预测，短期天气预报；

●无线通信网络；

●过程模型，这些可以通过测量得到；

●结合政策的控制设计，在物理上约束条件下，优化利用可用资源。