技术与应用：反馈控制与PID算法

反馈控制又称闭环控制,它通过测量被控对象的状态与目标状态的偏差,调整被控对象的输入量,并使得被控对象的状态满足实际需求。反馈控制算法设计时需要深入分析被控对象的动力响应特性,在此基础上设计控制算法、率定控制参数,以尽可能提高控制器的控制性能,如在可能的情况下缩短被控对象的响应过程、减小被控变量的波动幅度、提高被控对象的稳定性等。

在渠道控制领域,应用最多的是PID类反馈控制算法,该类算法具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点。PID类控制算法的动态响应特性与控制算法的控制参数密切相关。由于渠道的糙率、断面尺寸、闸门过流系数等参数均存在不确定性,且随着泥沙淤积、水草生长等原因,这些参数会随着时间而不断变化。因此,控制器的参数整定对于输水系统的控制性能和运行安全十分关键。控制器参数整定工作量较大,目前常用的方法有理论分析法、经验试算法和在线整定法3类。

为了减小控制器的整定工作量,本研究提出了一种基于蓄量动态修正思想的反馈控制算法,该算法的核心是实时动态修正各渠池的蓄量,使渠池的蓄量与目标水位时的蓄量保持一致,原理见图6.12。蓄量动态反馈修正的具体实施过程为:

图6.12　事故段上游应急反馈控制示意图

(1)实时监测闸前目标水位Zup(i,t),如水位相对于目标值的偏离大于水位死区,则触发修正渠池蓄量的反馈控制算法。

(2)计算实时蓄量偏差ΔV,计算方法是根据当前闸前水位值和闸前水位目标值,分别计算恒定流水面线,并积分确定当前渠池蓄量与目标蓄量,相减得实时蓄量偏差ΔV。

(3)计算蓄量修正过程参数,包括蓄量修正历时Δτ和对应的修正流量ΔQ蓄,见式(6.42)。ΔQ蓄的确定需考虑多个约束条件,包括对应的过闸流量需大于0,且小于渠道设计流量条件等。(www.xing528.com)

式中:i=1～N,N为渠池数目;ΔQ蓄为蓄量补偿流量;ΔV为蓄量补偿过程的蓄量变化量;Δτ(i)表示第i渠池蓄量补偿过程所用时间。

(4)节制闸执行蓄量修正动作。按照修正后的节制闸控制流量Qgate(i,t)[式(6.43)],使用节制闸过流公式反算闸门开度Gate(i,t)[式(6.44)],式中Zup(i,t)、Zdown(i,t)分别为闸前水位和闸后水位,并与闸门运动死区DB比较,确定是否输出闸门动作[式(6.45)和式(6.46)]。

(5)本次蓄量修正完成后,重新进入第(1)步,实现动态滚动修正。

需要说明的是,为了加快蓄量反馈调节的过渡过程,各节制闸的蓄量修正动作(指ΔQ蓄)均要向上游各闸门传递,使得上游各闸门同步动作,共同完成蓄量反馈调节。