基于分布式模型預(yù)測控制的大規(guī)模灌溉系統(tǒng)控制方法
【專利摘要】基于分布式模型預(yù)測控制的大規(guī)模灌溉系統(tǒng)控制方法，包括以下步驟：1)建立灌溉系統(tǒng)中每段水渠的數(shù)學(xué)模型，考慮實際情況中每段水渠可能有幾個水流輸入口和幾個泄水口；2)建立每個水渠系統(tǒng)的性能指標(biāo)，考慮在局部合作情況下每段水渠的性能指標(biāo)，這樣使得系統(tǒng)能夠更快的收斂，減少通信量，同時也能提高整體性能；3)提出分布式MPC算法，通過局部通信，每段水渠能夠算出當(dāng)前情況下的最優(yōu)輸入量，進(jìn)而基于納什博弈論的原理，不斷迭代使得系統(tǒng)最終收斂到納什均衡點，從而達(dá)到當(dāng)前時刻的最佳輸入量。
【專利說明】基于分布式模型預(yù)測控制的大規(guī)模灌溉系統(tǒng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域，尤其涉及的是面向大規(guī)模智能化農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]中國是13億多人口的大國。為了解決人民的溫飽問題，農(nóng)作物的收成以及如果農(nóng)作物歉收了，任何國家都沒有能力幫助中國解決人民的吃穿問題。農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展對中國具有十分重要的意義。而中國的主要產(chǎn)糧地區(qū)是在北方，例如華北平原，但是華北平原的水資源缺乏，因此智能高效的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。并且在中國南方和東北地區(qū)，水稻的作為重要的糧食作物，從而人們對南方和東北的高效的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)提出了更高的要求。同時由于大范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)規(guī)模化發(fā)展，使得對大規(guī)模灌溉系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制的難度也增加了很多。
[0003]在大規(guī)模灌溉系統(tǒng)中主要存在以下問題:1)隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的逐漸增大，整個灌溉系統(tǒng)可能由上千段水渠構(gòu)成，如果對這樣龐大的系統(tǒng)采用集中式控制，使用一個控制器(控制器通過控制水渠的閘門開關(guān)來控制水渠的進(jìn)水速度)對所有水渠進(jìn)行控制的話，計算量和控制難度將會非常巨大；2)大規(guī)模灌溉系統(tǒng)的分布范圍非常廣，集中式控制方式對通信量將會非常大；因此需要采用分布式控制方法來處理大規(guī)模灌溉系統(tǒng)的控制問題；3)在大規(guī)模灌溉系統(tǒng)中，每段相連的水 渠之間具有較強(qiáng)的耦合關(guān)系，這導(dǎo)致分布式控制方法的運用遇到了很大的障礙，因此需要采用更為有效的分布式控制算法。
[0004]模型預(yù)測控制(Model predictive control, MPC)是被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛認(rèn)可和接受的新型智能控制方法。只要給出系統(tǒng)的狀態(tài)模型就可以預(yù)測系統(tǒng)在接下來時刻的狀態(tài)值，并利用系統(tǒng)的狀態(tài)預(yù)測值來設(shè)計出更為有效的控制策略，使得系統(tǒng)的性能最優(yōu)。它能夠很有效的處理系統(tǒng)的各種硬約束和軟約束，并且控制思想簡單，算法簡單容易實現(xiàn)。分布式MPC通過預(yù)測系統(tǒng)在未來時刻的狀態(tài)值來處理大規(guī)模系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)間的狀態(tài)耦合和輸入耦合。所以利用分布式MPC的預(yù)測功能來處理每段水渠之間的耦合關(guān)系將是一個明智的選擇。
[0005]近些年來國內(nèi)外也有很多的學(xué)者對大規(guī)模灌溉系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行了研究。R.R.Negenborn 等在(Distributed model predictive control of irrigation canals)中提出了利用拉格朗日對偶法來處理系統(tǒng)間的輸入和狀態(tài)耦合關(guān)系，建立了子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)項的等式關(guān)系，并引入拉格朗日因子來松弛等式約束，接著利用對偶原理建立兩層算法來實現(xiàn)大規(guī)模灌溉系統(tǒng)的控制問題。但是此方法在最優(yōu)控制率的計算方面較為復(fù)雜，求解較為繁瑣，并且不適用于一些非線性水渠模型。Michael Cantoni等在(Control oflarge-scale irrigation networks)中提出前饋式控制方式來處理大規(guī)模灌溉系統(tǒng)的控制問題，但是下游擾動帶來的誤差引起上游水位更大誤差的問題并沒有得到很好的處理。Yuping Li 等在(Stability and performance analysis of an irrigation channel withdistributed control)中通過設(shè)計前饋式補(bǔ)償控制器較好的解決下游擾動帶來的誤差引起上游水位更大誤差的問題。但是其算法設(shè)計繁瑣、不易移植并且受限制條件多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決大規(guī)模灌溉系統(tǒng)中集中式控制的復(fù)雜度大，通信量大以及與相鄰水渠的耦合關(guān)系強(qiáng)等問題，本發(fā)明提供了一種較為簡明、易于實現(xiàn)并且具有較好的控制效果的分布式控制方法，用于控制大規(guī)模灌溉系統(tǒng)中每段水渠的進(jìn)水速度。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]基于分布式模型預(yù)測控制的大規(guī)模灌溉系統(tǒng)控制方法包括以下步驟:
[0009]I)首先，建立灌溉系統(tǒng)中每段水渠的數(shù)學(xué)模型:
[0010]
【權(quán)利要求】
1.基于分布式模型預(yù)測控制的大規(guī)模灌溉系統(tǒng)控制方法，包括以下步驟: 1)首先，建立灌溉系統(tǒng)中每段水渠的數(shù)學(xué)模型:
2.如權(quán)利要求1所述的基于分布式模型預(yù)測控制的大規(guī)模灌溉系統(tǒng)控制方法，其特征在于:在所述步驟I)中，本發(fā)明所建立的每段水渠都包括多個入水口和多個出水口:
3.如權(quán)利要求1所述的基于分布式模型預(yù)測控制的大規(guī)模灌溉系統(tǒng)控制方法，其特征在于:在所述步驟2)中，本發(fā)明在分布式MPC的每段水渠的性能指標(biāo)中不僅僅考慮它自身的性能還考慮到受它影響的上游水渠的性能，從而得到一個合作式的性能指標(biāo):
4.如權(quán)利要求1所述的基于分布式模型預(yù)測控制的大規(guī)模灌溉系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:在所述步驟3)中，給出了水渠i的輸入量計算公式(6)，并且利用基于合作式的納什博弈論的分布式MPC算法實現(xiàn)了大規(guī)模灌溉系統(tǒng)的智能化控制。
【文檔編號】A01G25/16GK103651064SQ201310561796
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】張文安, 張榮超, 劉安東, 凌榮耀, 俞立 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)