渠道运行系统中的PID控制数值模拟研究

【摘要】： 随着调水工程的兴建,渠道作为主要的输水方式,肩负着将水从水源地输送到用水地的重要任务。在渠系运行过程中,由于客观或者主观的干扰,渠池水面会出现波动,这种波动会影响渠道的安全运行以及各分水口的取水稳定。如何减小这种水面波动以确保渠道的安全运行,保证各分水口的稳定取水,同时在操作过程中减少闸门的损耗,充分利用渠道的蓄水量,这些都是渠系自动控制需要解决的问题,必须对其做出全面的分析和研究。 本文以明渠输水系统为研究对象,以明渠非恒定流水力数值模拟为基础,引入自动控制理论,针对引发输水系统过渡过程的需水流量变化,构建了渠系输水运行自动控制数学模型,研究了明渠输水系统在不同控制器、不同运行方式、不同的流量变化条件下的非恒定流水力特性。本文主要内容概括如下: (1)对于下游常水位和上游常水位运行方式,基于Ziegler-Nichols参数整定法则的PID控制容易造成系统不稳定。本文提出了改进的Ziegler-Nichols参数整定法则。 (2)将现代控制理论中基于遗传算法整定的PID控制引入渠道控制系统,以便通过最少的闸门动作获得最优的控制效果。 (3)在渠系运行中,渠池水位下降速率如果大到一定的程度就会造成渠道衬砌的破坏,而渠池水位下降速率和需水流量变化速度及渠池长度有关。本文通过具体实例的数值模拟得出了满足安全运行需要的流量变化速度及渠池长度。 (4)在多渠段串联PID控制系统中,为了得到最优的控制效果,本文通过遗传算法寻优给出了各个闸门不同的控制参数。 (5)传统的PID控制属于线性控制,它的各个控制参数在具体控制过程中是固定不变的,这就限制了控制效果。本文第四章介绍了一类非线性PID控制算法,仿真结果表明,该算法有效地提高了控制效果。