專利名稱：流體調節(jié)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在具有至少一個流體調節(jié)器的流體網(wǎng)絡中預測、校驗、測定和/或控制液面的方法，特別地涉及，但不局限于，一種在具有多個流體調節(jié)器的管道系統(tǒng)中預測、校驗、測定和/或控制水位的方法。
背景技術：
因為水是一種寶貴的資源，一個問題是如何精確地為最終用戶供水。此問題是使用(灌溉)管道的特性，例如在供水的制約下滿足最終用戶的供水需求。為此，水從蓄水池調度出來并沿管道傳送至最終用戶。操作上的制約典型地包括為了適當?shù)叵蛴脩艄┧璧乃黝~度和規(guī)定水位。(在某種意義上所述的水位代表服務措施的質量。)對調節(jié)器的其它限制和水位變化的速率也可以施加影響。這些限制是基于特殊的基礎設施并且根據(jù)管道的設計和操作經驗得出的。其目的是盡可能合理地按需要和很少的損失來供水，即，所調度的水滿足需求，但不過量供給。這一點很關鍵，因為在大多數(shù)的管道中未使用的所調度的水是不能回收的。
為了實現(xiàn)最小損失的運行，即，盡可能以“按需”的方式供水，管道必須視作非常象自來水的加壓水網(wǎng)絡來運行。當然，在任何水需求的條件下，管道的結構不允許這種運行方式。因為非常合理的條件依賴于管道的實際短期動態(tài)行為，因而這種運行方式不曾被應用過。
世界范圍內實際使用的典型的管道運行條件僅依賴于長期動態(tài)行為，即操作人員通過經驗可以評估和獲得的東西。這種運行方式不允許人們企圖實現(xiàn)按需供水。
對于灌溉渠和河流現(xiàn)已提出了各種模型。大多數(shù)的模型采用圣維南(Saint-Venant)公式并結合其它由基于在一個開放的管道中水的流動的質量和/或動量守恒的第一原理導出的模型?；谑ゾS南公式的模型提供了沿整個通道中心線水位的詳細表達，而本發(fā)明所考慮的模型只提供對那些水位被測量以及水位必須加以調節(jié)的結點處的水位的預測。

發(fā)明內容
在本發(fā)明中提出了一類模型，從該模型中可以選擇特定的表達式，其可以在計算機中計算，而且通過這種計算方法，該表達式能夠精確地再現(xiàn)特定的水池和調節(jié)器的組合的短期和長期的動態(tài)行為。從這類模型中選擇特定的表達式是基于已有的對水位和調節(jié)器隨時間的變動的觀察。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，通過引入水位傳感器和可控調節(jié)器閘門，通過收集水位和閘門的測量以及利用一種算法以確定它們之間的關系使得獲悉管道的短期動態(tài)行為變得可行。在本文中，“獲悉”意指從給定類型的模型中選擇表達式，因而使計算機能夠再現(xiàn)所做的測量，這好像它們是取自管道或水池。這種算法的結果是構建了管道行為模型。該模型的軟件執(zhí)行使得可以預測管道將來的行為。
本發(fā)明的一個目的是提供一種利用算法預測管道中的水位的方法，該算法使用管道系統(tǒng)中過去的和當前的水位測量結果以及當前的和將來的調節(jié)器閘門位置的信息。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種計算機程序，其包括稱為“模型”的算法，該算法可以描述任意水池的行為，而且通過擴展可以描述任意管道的行為。
考慮到這些目的，本發(fā)明的第一方面提供了一種在液流網(wǎng)絡中預測預定位置處的液面的方法，該液流網(wǎng)絡具有至少一個調節(jié)器以控制沿所述液流網(wǎng)絡的流體流動，所述方法包括收集所述至少一個調節(jié)器的上游液面、至少一個調節(jié)器的下游液面以及至少一個調節(jié)器的開放位置處的定時測量數(shù)據(jù)，和使用數(shù)據(jù)分析來構建基于所述數(shù)據(jù)的模型，由此基于所述至少一個調節(jié)器的上游液面和至少一個調節(jié)器的開放位置處的定時測量，所述模型可以提供所述預定位置處液面的所述的預測。
所述數(shù)據(jù)分析優(yōu)選地采用系統(tǒng)識別技術。所述液流網(wǎng)絡優(yōu)選地為管道系統(tǒng)或河流系統(tǒng)，而所述至少一個調節(jié)器為上射型(overshot)閘門。在一優(yōu)選實施例中，設置有多個調節(jié)器，每個調節(jié)器與所述模型的模塊相關聯(lián)，而每個模塊與各自的調節(jié)器的上游液面位置、各自的調節(jié)器的下游液面位置以及各自的調節(jié)器的開放位置相關聯(lián)。每個模塊優(yōu)選地與作為管道池的上游末端和下游末端的調節(jié)器相關聯(lián)。優(yōu)選地每個模塊彼此串聯(lián)以形成所述模型。
在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于預測液流網(wǎng)絡中預定位置處的液面的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有用于控制沿液流網(wǎng)絡方向的流體流動的至少一個調節(jié)器和用于收集所述至少一個調節(jié)器的上游液面、所述至少一個調節(jié)器的下游液面以及所述至少一個調節(jié)器的開放位置處的定時測量數(shù)據(jù)的至少一個計算裝置，所述至少一個計算裝置適合于使用系統(tǒng)識別分析以根據(jù)所述數(shù)據(jù)構建模型，由此基于所述至少一個調節(jié)器的上游液面和所述至少一個調節(jié)器的開放位置處的定時測量，所述模型可以提供所述預定位置處液面的所述的預測。
在本發(fā)明的再一個方面，提供了一種基于計算機的程序，由此，依據(jù)所述水池/管道的調節(jié)器位置和水位的已有測量結果可以確定用于水池/管道的可調(tuned)模型，根據(jù)已有的測量結果以及當前的和將來的調節(jié)器閘門位置所述程序還提供對將來的水位的預測，而且所述程序可以確定優(yōu)化的當前和將來的調節(jié)器位置/移動以利用可利用的水資源。


為了使本發(fā)明更易于理解和實施，現(xiàn)參考附圖，其中圖1示意地表示了沿包括流體調節(jié)器的河流或管道系統(tǒng)的中心線的剖面；圖2模塊化地表示了對圖1所示的河流或管道系統(tǒng)的模擬；圖3為一框圖，顯示了圖1和圖2所示系統(tǒng)的接口。
具體實施例方式
為了幫助理解本發(fā)明，在本說明書的結尾附有術語表。在整個說明書及附圖中，相似的整體采用了相同的參考標記，以避免贅述。
圖1示出了具有底板12的管道系統(tǒng)10，水14可以順著該管道沿箭頭15的方向流動。沿該管道系統(tǒng)分布有多個控制順著管道方向的水流的水調節(jié)器16和18。水調節(jié)器16和18最好為如我們的待審的澳大利亞專利申請第PQ 9554號和第PR 1217號(現(xiàn)在國際申請?zhí)枮镻CT/AU01/01036)中所示類型的上射型閘門，這里將上述專利申請的內容結合到本說明書中。典型的上射型閘門具有絞接在底部的閘門，如圖中20和22處所示。該些閘門可以繞樞軸旋離垂直位置至朝向底板12的任何角度位置，在垂直位置時閘門處于關閉且沒有水流動，在其它任何角度時由于水流過閘門的頂部，故而可通過調節(jié)閘門的角度來決定流速。在本優(yōu)選實施例中，示出了兩個閘門，但是本發(fā)明可以應用于單個或多于兩個閘門的情況。水位傳感器24、26、28和29被設置在管道10中以監(jiān)視從相同基準點算起的水位高度。傳感器24位于閘門16的上游方向，而傳感器26位于閘門16的下游方向。類似地，傳感器28位于閘門18的上游方向，這里不一而足。水位傳感器24、26、28和29應該具有高精度，水位絕對測量誤差小于1厘米。典型的傳感器可以為超聲型的或壓力型的。超聲型傳感器基于測量聲納波(sonarwave)經過安放在水面上方的傳感器并被從表面反射回傳感器所花費的時間。這種類型的傳感器例如為Milltronics公司制造的“探針(Probe)”系列和Hawk Measurement System公司制造的“LP”系列。壓力型傳感器測量表面下的水壓以獲得從水下傳感器至水面的距離。該些傳感器例如為Greenspan公司制造的“PS200”系列和Hawk Measurement System公司制造的“PCS”系列。每個閘門16和18具有一傳感器(未示出)以確定相同基準點上方各個閘門頂部的高度，如圖中30和32處所示。閘門位置通常通過將一傳感器安裝到閘門驅動裝置(未示出)上來確定，其使得閘門驅動裝置內軸的旋轉位置與閘門的實際位置相關。通常采用根據(jù)旋轉位置輸出數(shù)字信號的電位裝置或編碼器來確定旋轉位置。傳感器并不局限于所述的傳感器，視環(huán)境而定可以用其它類型傳感器替換。所有的傳感器最好連接到數(shù)據(jù)錄入設備、計算機或類似設備以允許實時收集傳感器的輸出。
從傳感器收集到的數(shù)據(jù)可以加以分析來產生一用于管道系統(tǒng)10的模型，以精確預測沿管道系統(tǒng)的水位。該軟件可分成模塊，通常每個模塊描述管道系統(tǒng)10的一段并連接一段下游管道的調節(jié)器/閘門至另一調節(jié)器/閘門，或液面?zhèn)鞲衅?。利用管道的實際拓撲結構，模塊串聯(lián)描述了完整的管道/河流系統(tǒng)。這是一個重要特征，使得模型可利用許多調節(jié)器/閘門而應用于各種具有不同復雜程度的管道/河流系統(tǒng)。這個特征在模型的軟件工程實現(xiàn)方面幫助很大。用于圖1所示的本實施例的兩個模塊34和36示出在圖2中。每個模型使用從水位傳感器24、26、28、29和閘門16、18的閘門位置傳感器獲得的可測量的數(shù)據(jù)。在本實施例中，模型僅利用沿管道/河流系統(tǒng)10方向的水位和調節(jié)器位置數(shù)據(jù)。在為了使用管道/河流的模型的構建(模型的確定)和模型的使用過程中，其僅使用水位傳感器和調節(jié)器位置。如果可以獲得可靠的流動數(shù)據(jù)，這種流動數(shù)據(jù)也可加入到模型中。
為了構建模型，收集大致在水位和閘門位置明顯變化的時刻獲得的來自水位和閘門位置傳感器的標記了時間的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以在“開環(huán)”條件下獲得，在“開環(huán)”條件下，閘門位置的變化提供激活作用而不再有其它命令信號用來操作閘門16和18。閘門位置的變化為該程序的積分步長，并且必須仔細規(guī)劃以在短的時間周期內取得有意義的數(shù)據(jù)序列?；蛘撸瑪?shù)據(jù)可以在“閉環(huán)”條件下獲得，在“閉環(huán)”條件下，控制器(未示出)主動地將水位向設定值調節(jié)。在這種情況下，通過小心地變化水位設定值來收集數(shù)據(jù)。該些變化為該程序的積分步長。在第一步驟中，采用系統(tǒng)識別原理并利用所收集的數(shù)據(jù)的時間范圍內的閘門位置及模型參數(shù)來處理數(shù)據(jù)，以形成可再現(xiàn)下游水位的模型。在第二步驟中，利用該模型預測水位，并隨后與測量數(shù)據(jù)進行比較。如果比較結果是可接受的，那么保留該些模型參數(shù)且該調整過程完成。如果比較結果表明預測和測量之間存在不可接受的偏差，則略微改變該些模型參數(shù)以減小該錯誤。隨后該模型可以進行該過程的第一步驟來精調該模型?；谠诠艿?河流的正常使用期間收集的測量結果，這個相同的程序可以用于模型的定期校準。在第二步驟中的改變參數(shù)以減小模型預測與數(shù)據(jù)之間的偏差的程序為數(shù)學的最優(yōu)化理論中的標準算法。這些在文獻中已被廣泛報道，且可以免費獲得。
采用系統(tǒng)識別原理，每個模塊34和36可以用數(shù)學公式描述河流/管道系統(tǒng)10的特定部分。一個推導出的數(shù)學公式的例子如下面的公式1公式1y^2(t+1)=θ1h13/2(t-τ1)+θ2h13/2(t-τ1-1)+θ3h13/2(t-τ1-2)+θ4(y^2(t)-p2(t))3/2]]>+θ5(y^2(t-1)-p2(t-1))3/2+θ6(y^2(t-2)-p2(t-2))3/2+y^2(t)+θ7(y^2(t)-y^2(t-1))]]>+θ8(y^2(t)-2y^2(t-1)+y^2(t-2))-v(t)]]>表達式的左側為基于現(xiàn)在及過去變量的動力學的簡略的數(shù)學表達方式，表達式的右側為單個時鐘(計算機的時間單位)內所做的預測。該些變量為t為計算機的當前時間， 為閘門16下游水位和緊鄰閘門18上游水位的預測值，
y2(t)為在時間t閘門16下游實際水位和緊鄰閘門18上游水位的預測值，hi(t)＝y(tǒng)i(t)-pi(t)為調節(jié)器i上方的水量，pi(t)為在時間t調節(jié)器i的位置，θii＝1...8為參數(shù)，被調整以反應實際的物理系統(tǒng)，τi表示延遲時間，即在一變量變?yōu)殛P聯(lián)的之前所經歷的時間，以及v(t)為閘門16和18之間該段河流/管道中的分流(off take).
在如上的公式1中，我們可以確認如下內容 (θii＝1...3)前三項與流入管道的特定部分的水的流入量有關。
(θii＝4...6)接下來的三項與所述部分末端處的流出量有關。
第7項為積分項，其表示河流/管道的該部分中的儲水量。以此形式，這一項表示可忽略的滲出量及蒸發(fā)量。
接下來的兩項(θii＝7，8)反應了河流/管道的該部分中的駐波現(xiàn)象。更相似項可包括復波現(xiàn)象，在該兩項中只考慮單波現(xiàn)象，對于每個要考慮的波現(xiàn)象要求兩個附加項。
最后一項v(t)表示該部分的分流。
公式1表示了一類模型，其中，為了從此類模型中選擇一個表達式，系數(shù)θi必須被賦以恰當?shù)臄?shù)值。這即為系統(tǒng)識別的目的?；趯σ郧八患罢{節(jié)器動作的觀測得以完成特定模型的選擇。以此方法，調整或校準特定水池與調節(jié)器集合的模型。如果一個模型可以如實地再現(xiàn)舊的測量結果和預測將來的測量結果，那么可以說該模型已被調整。
該模型在計算機軟件中易于執(zhí)行。它可以預測上、下游調節(jié)器位置處的下游水位及上游水位。其在以下兩方面描述了該部分的動力學i.水量的保持，在這部分中，通過上游調節(jié)器的供水而增加水量，而沿該段的分流、自然的蒸發(fā)和滲出現(xiàn)象以及更為重要的通過下游調節(jié)器造成的分流都減小水量。
ii.在該段中的水的流動導致的駐波。
通過一恰當?shù)年P系使水位及調節(jié)器位置與流動相聯(lián)系得以描述每個調節(jié)器結構。在每個模塊中，上射型閘門的閘門落差是重要變量，其可通過改變閘門位置加以控制，而且下游水位也是所要調節(jié)的重要變量。對于整個模型而言，這對于獲得模塊結構是很重要的。另外，這個特殊的選擇使得用于調節(jié)管道中水位的模型的使用更為容易。這是本發(fā)明的整體特征?？梢岳貌僮鬟^程中所獲得的數(shù)據(jù)來調整每個模塊以定量地表示河流/管道的一個特定部分。每個模塊具有一通用形式，其可以利用在所考察部分的操作期間該部分的測量數(shù)據(jù)加以區(qū)分。以這種方式，該模塊可如實地再現(xiàn)舊的測量數(shù)據(jù)，而且更為重要的是，可以預測未來的情況，精確地提前獲得尚未測量的數(shù)據(jù)。正是后一種可預測將來行為的能力使得可以自動使用管道/河流。在該模型中變量的具體選擇，即作為調節(jié)變量的水位和作為控制變量的閘門落差，是唯一的并且與現(xiàn)有技術解決方案相比易于執(zhí)行。這意味著控制器應該輸出(計算)所述的閘門落差。這特別是應用于比例積分(PI)控制器，也就是，根據(jù)設定值誤差與設定值誤差的積分的加權和的方式來計算閘門落差。
數(shù)據(jù)收集及隨后的數(shù)據(jù)分析使得該模型得以建立。一旦建立了模型，該模型便可用于檢驗用來構建模型的數(shù)據(jù)。因此，應該通過基于傳感器24及閘門16、18的閘門位置傳感器的測量結果的模型來預測傳感器28所探測的水位。當模型可以準確地預測其自身的數(shù)據(jù)時，該模型便可以用于在實時條件下監(jiān)測模型所基于的管道。該模型可提供一個極好的決策支持工具，用于預測擴展時間周期內管道/河流系統(tǒng)的行為并分析各種管道/河流系統(tǒng)使用的選擇。作為一個短期預測工具，該模型通過利用計算機控制從測量數(shù)據(jù)到調節(jié)器的遠程控制命令因而可以實現(xiàn)管道/河流系統(tǒng)的自動化使用。當模塊被用在監(jiān)督控制及數(shù)據(jù)采集(Supervisory Control and DataAcquisition，SCADA)軟件環(huán)境中時，管道/河流系統(tǒng)的用戶將能夠理解管道/河流系統(tǒng)對各種操作狀態(tài)的動態(tài)響應。
如圖3所示的界面40集成了圖1和圖2所示的系統(tǒng)，并具有計算機操作環(huán)境。物理界面42包括傳感器24、26、28和29及用于確定閘門位置的傳感器(未示出)。在計算機(未示出)中，物理界面42與SCADA模塊44交換信息。SCADA模塊44與主數(shù)據(jù)庫46、用戶界面48以及線性二次(LQ)控制器軟件模塊50交互作用。用戶界面48包括例如實用程序和網(wǎng)絡編輯器等對象。用戶界面48也與主數(shù)據(jù)庫46交互作用。網(wǎng)絡拓撲軟件模塊52維護網(wǎng)絡對象的邏輯軟件結構，并與主數(shù)據(jù)庫46和水池結構軟件模塊54交換信息。水池結構軟件模塊54與LQ控制器軟件模塊50交互作用，最后LQ控制器軟件模塊50與主數(shù)據(jù)庫46交互作用。
模型和控制軟件與主數(shù)據(jù)庫46相關聯(lián)。在網(wǎng)絡拓撲軟件模塊52中保存有有關所有傳感器及調節(jié)器位置和性質的信息、用于利用公式1描述所有水池的動態(tài)模型的特定數(shù)據(jù)、以及通過特定數(shù)據(jù)的彼此串聯(lián)而對整個管道/河流系統(tǒng)的動態(tài)行為所做的描述。該數(shù)據(jù)被用于水池結構軟件模塊54中，并隨后用于LQ控制器軟件模塊50中。另外，在相同的軟件環(huán)境中，在測量和控制動作中抑制波所需的所有數(shù)據(jù)也被加以存儲并用于物理界面42中。
LQ控制器軟件模塊50使用目前和剛剛過去的水位、模型及優(yōu)選的未來的水位來計算在未來較短的時間范圍里新的閘門位置，以在該時間范圍內最小化閘門運動和水資源的損耗，同時在該時間范圍內獲得未來理想水位可達到的最高的精度。LQ控制器50在管道的一段或多段執(zhí)行這一功能，以實現(xiàn)管道操作的最優(yōu)化。為此，可連接SCADA系統(tǒng)并由此連接用于水池/管道/河流的模型的計算設備執(zhí)行動態(tài)編程任務，該動態(tài)編程任務導致理想的控制動作。該控制動作考慮了目前的水位條件并糾正此時實際水位與理想水位之間的偏差。此為反饋作用。另外，該控制動作還考慮了模型預測的管道的未來行為以及由負責水池/管道/河流使用的當局指定的理想的未來水位。因為其根據(jù)特定的未來需求的要求及對未來行為的預測來進行當前的行動，所以此為前饋作用。
以固定的時間間隔重復所做的計算，每次使用水位、閘門位置、水量要求及理想的未來水位的最新的可用的測量結果。
本發(fā)明的特點為可以不依賴真實數(shù)據(jù)即可在計算機中執(zhí)行動態(tài)編程任務，以這種方式在特定條件下用公式表達模型和控制對象。隨后，計算結果被加以存儲并結合真實數(shù)據(jù)來計算和執(zhí)行必要的控制動作。
總之，該模型和控制執(zhí)行過程需要使用真實數(shù)據(jù)，并在實時地執(zhí)行?？紤]到典型的水池/管道動力學，采用本計算方法可以容易地實現(xiàn)這一點。
當控制對象發(fā)生變動或模型變化時，亦或在失效導致調節(jié)器結構損壞的情況下，動態(tài)編程任務可以采用新的條件重復，以重新計算修改后的操作調節(jié)下的最佳控制動作。本發(fā)明的一個特點是，甚至對于整個管道/河流系統(tǒng)而言，也可以容易地對這種改動加以執(zhí)行和計算。這一特點是模型模塊化以及選擇特殊的變量(閘門落差和水位)的直接結果。
在物理界面42中，信號被調整以抑制波的影響，并保證控制動作順利執(zhí)行，以免控制引起任何波。以此方法，水池/管道/河流中的波是由于調節(jié)器結構的控制能力之外的外部影響(如擾動)引起的。這種波的抑制稱為濾波作用。對于測量數(shù)據(jù)，該濾波作用分兩個階段完成。第一階段發(fā)生在傳感器位置處，且在實際測量結果被記錄并傳遞給SCADA系統(tǒng)44之前。該濾波作用消除了采樣過程自身引起的潛在的人為現(xiàn)象。濾波作用的下一個階段在數(shù)字化測量的軟件中完成。為此，使用SCADA系統(tǒng)44中的水池模型數(shù)據(jù)以確保依賴于特定水池/管道/河流的幾何形狀的駐波被徹底消除，而只記錄下與所關聯(lián)的水池中的水量變化相關的水位變化。(駐波具有改變水位的效應，而相關聯(lián)的水量變化可以忽略。)對于閘門位置變化，濾波作用可以通過用公式表示控制對象的方法實現(xiàn)，以避免閘門位置變化引起水池中駐波運動?；蛘?，濾波作用可以直接利用如控制算法所要求的消除閘門位置變化的方法來實現(xiàn)，以確保在管道中不引起波。
盡管精通控制技術的人熟悉模型化、校準、濾波、動態(tài)編程這些獨立概念中的每一個，但是通過將所有這些方面結合在單個框架中，并為了滿足控制和使用管道/河流的任務加以特殊的調整，因而本發(fā)明是獨特的。本發(fā)明的另一個獨特的特點在于對變量的選擇，其以水位和閘門落差作為模型化和控制的基本變量，這使得自然模塊結構能夠大規(guī)模的執(zhí)行。本發(fā)明的又一個獨特的特點是緊湊類型的模型，該模型經特殊調整用以通過調節(jié)器活動來處理水位控制。本發(fā)明的再一個獨特的特點是它既可處理單個水池/調節(jié)器環(huán)境也可處理多個水池和調節(jié)器的能力。始終可以實現(xiàn)水池/管道/河流的最優(yōu)利用。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有方法具有許多優(yōu)勢。第一，它具有可靠的定量模型，使得總體上改善了基礎設施和水資源的利用。第二，本模型能夠包含整個或部分的管道/河流系統(tǒng)。它使用分段(scalable)技術，該技術比現(xiàn)有解決方案更易于改進和使用。大多數(shù)目前使用的解決方案具有奇異對象，不是模型化就是控制過程，其適于考察隔離狀態(tài)下的單個水位/單個調節(jié)器結構。第三，本模型可以利用水位和調節(jié)器設定值的變化，從河流/管道正常使用期間收集的數(shù)據(jù)出發(fā)，加以調整。與現(xiàn)有模型對比，本發(fā)明是基于數(shù)據(jù)的，且能再現(xiàn)特定管道/河流系統(tǒng)的實際物理行為。本發(fā)明具有用于開發(fā)管道/河流系統(tǒng)的能力，以獲得最優(yōu)的操作目標。必須注意的是，在此，過去的和將來的調節(jié)器閘門位置是可得到的，因為調節(jié)器閘門位置可通過控制動作加以選擇和執(zhí)行。
本發(fā)明也可用于1.探測短期內不正確的水位測量結果。
2.探測和糾正來自水位傳感器的錯誤數(shù)據(jù)并在數(shù)據(jù)庫中對該數(shù)據(jù)加以調整。
3.驗證包括水位及調節(jié)器位置舊有測量結果的數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的一致性。
4.不能令人滿意的性能。
5.探測異常地從網(wǎng)絡中抽取流體。
本優(yōu)選實施例提出了一種模型化動態(tài)響應的方法，包括當通道處于正常操作狀態(tài)下時或當采用特定操作狀態(tài)以幫助通道的模型化時，從所獲得的調節(jié)器運動及水位變化的定時測量結果中獲取的短期通道行為。另外，本優(yōu)選實施例提出了一種關聯(lián)的方法，以控制基于該些模型的通道行為。
本優(yōu)選實施例使用該模型來處理從水位傳感器獲得的水位測量結果，以此抑制波現(xiàn)象，也就是表明緩慢的(平均)水位行為。這一特點使得控制器能夠實現(xiàn)它的目標，同時避免所有不必要的及不想要的閘門運動。特別是通過抑制數(shù)據(jù)中的波現(xiàn)象，控制動作可變得充分地平滑，以免因調節(jié)器運動引起任何波?？刂破魇褂眠^去的水位測量結果和理想的未來水位來調整閘門位置，以在水池和完整的管道中獲得理想的水位。該軟件使得可以利用水池/管道正常操作過程中所獲得的測量結果來最優(yōu)化/調整水池/管道的模型。這稱為模型調整和控制器校準。該軟件的特點是允許控制器及模型自動校準，這極大地簡化了管道系統(tǒng)中模型和控制器的準備工作和試運轉。
在另一實施例形式中，本發(fā)明涉及在流體網(wǎng)絡中通過使用多個流體調節(jié)器來控制流動或同時控制流動與液面。為了確定這些想法，液面在全文加以了討論，但是任何受過控制領域專門訓練的人都可以很容易地采用本討論，將其應用于流體控制的情況或液面和液流的混合體。
盡管已通過參照上射型(overshot)閘門描述了本優(yōu)選實施例，然而其可以很容易地應用于包括下射型(undershot)閘門的任何類型的調節(jié)器。
可理解的是，本發(fā)明接受許多進一步的改動，因為這些改動對本領域技術人員而言是非常明顯的，這些改動將被視為落入本發(fā)明范圍內，這里只闡明了本發(fā)明的特征以及通過示例的方式給出了某些特殊的實施例。
術語表閉環(huán)識別(Closed Loop Identification)可理解為對于系統(tǒng)進行系統(tǒng)識別實驗的過程，對于某些系統(tǒng)，強制(forcing)信號(系統(tǒng)輸入)至少部分地通過某些系統(tǒng)響應(系統(tǒng)輸出)來確定。閉環(huán)識別因而以反饋機制運行，由此使得系統(tǒng)輸出為一個或多個設定值，使得在正常操作條件期間系統(tǒng)識別任務在不干擾正常的系統(tǒng)操作的情況下得以進行。
控制算法(Control Algorithm)意指一種確定信號值或信息值的計算和排列方法，為了調整系統(tǒng)變量，我們可以在系統(tǒng)中控制所述信號值或信息值，使得系統(tǒng)變量接近理想的特性或數(shù)值。
控制單元(Controlling Element)、控制器(Controller)意指一個執(zhí)行控制算法的物理設備?？刂破髯陨砑礊橐粋€系統(tǒng)。為了使一個或多個系統(tǒng)輸出具有理想的性質或數(shù)值，控制器改變受控系統(tǒng)的一個或多個輸入。該控制器包括用于觀測某些信號、系統(tǒng)輸入及系統(tǒng)輸出的傳感器；所要求的設定值信息，即為某些系統(tǒng)信號的理想值；用于計算傳感器響應的計算機，以及一種激活該系統(tǒng)以迫使系統(tǒng)信號達到理想的設定值的手段。計算機計算傳感器的輸入以便確定一輸出，該輸出將使得系統(tǒng)信號接近它們的理想設定值。至于系統(tǒng)行為，控制器本身被選作為一個可排除受控系統(tǒng)行為的不利影響的系統(tǒng)。例如，在一個灌溉渠中，通過觀測過去的水位面及調節(jié)器的動作，調節(jié)器可以保持水位在一個可接受的范圍內。
離散時間(Discrete Time)意指一種表示對于有限樣本的持續(xù)時間的方法。
擾動(Disturbances)一局外變量，通常超過直接的用戶影響，但可以通過其對系統(tǒng)行為的影響而測定。例如，測量誤差、影響運河水位的降雨以及日照和風等引起的蒸發(fā)。
動態(tài)規(guī)劃法(Dynamic Programming)數(shù)學系統(tǒng)理論中的一種方法，是指在最優(yōu)化任務過程中控制設計。包含理想的系統(tǒng)行為的特定目標函數(shù)在一特定水平面上被最優(yōu)化。動態(tài)規(guī)劃法特別適用于采樣數(shù)據(jù)控制環(huán)境。
激活(Excite)可理解為改變系統(tǒng)輸入信號以在系統(tǒng)中產生一可觀測的響應。
流體網(wǎng)絡(Fluid Network)其定義為任何自然的或人工的流體傳輸媒介，例如灌溉渠、河流、湖泊、地下含水層、加壓或未加壓的流體傳輸管線。
全局(Global)可理解為是指整個所考察的流體系統(tǒng)，包括流體源、流動通路、流體存儲、控制結構以及流體供給點。
落差(Head)意指流體的壓力落差。在自由表面情況下，落差相當于流體表面層。對于有管的或密閉的流體傳輸媒介，其中不存在自由流體表面(自由流體表面定義為不受壁或者其它不透水的或無孔表面束縛的流體表面)，落差是指流體網(wǎng)絡中一點處的壓力。(其對應于網(wǎng)絡中的該點處自由表面條件。)閘門落差(Head Over Gate)意指上射型閘門頂部上方的流體深度。請參照圖1，閘門落差定義為閘門頂邊與正對的上游水位之間的差值，這些均相對同一基準面測量。
識別算法(Identification Algorithm)一種特殊的系統(tǒng)識別自動化技術。
局部(Local)意指流體網(wǎng)絡的直接受調節(jié)器控制且受相鄰調節(jié)器限制的部分。
LQ控制器(LQ Controller)線性二次(Linear Quadratic，LQ)控制器，其可以最小化二次目標函數(shù)，例如每個閘門上游的水位波動的加權平方和。也即，它們可以采用每個控制目標的相對加權來處理一個或多個控制目標。LQ控制器可以具有一個或多個輸入變量及一個或多個輸出變量。對于本發(fā)明采用LQ控制的情況下，目標函數(shù)的二次特征可以其它積極的標準代替。
模型(Model)其定義為一種服從于模擬系統(tǒng)行為的計算的數(shù)學表達式。模型本身為創(chuàng)建于計算機中的系統(tǒng)。
模型參數(shù)(Model Parameter)其為表示模型特征的常數(shù)，對于定義模型的行為是重要的。
開環(huán)識別(Open Loop Identification)可理解為針對系統(tǒng)進行系統(tǒng)識別實驗的過程，在該過程中任何系統(tǒng)強制信號(系統(tǒng)輸入)都不決定于(全部地或部分地)某些系統(tǒng)響應(系統(tǒng)輸出)。
比例積分控制器(PI Controller)比例積分(Proportional Integral)控制器以求解設定值的偏離與設定值的偏離的積分的加權和的方式來計算控制變量。
最優(yōu)值(Optimal)可理解為根據(jù)一特殊的用戶定義的標準所測得的最佳值；例如最佳模型可以是在特定的預測時間范圍內具有最小的預測誤差。
實時(Real Time)在物質世界中的測量時間，其區(qū)別于模擬時間，模擬時間代表計算機內部的時間，例如為了在計算機內部獲得系統(tǒng)行為而在模型模擬過程中所使用的時間。
實時數(shù)據(jù)(Real Time Data)意指以小的間隔從系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)，該間隔是指數(shù)據(jù)測量時間與記錄時間或數(shù)據(jù)使用有效性之間的時間間隔。在本發(fā)明中，該時間間隔相對于系統(tǒng)的響應時間較短，使得運行實現(xiàn)快速的控制動作以滿足控制目標。
調節(jié)器(Regulator)可理解為一能夠在流體網(wǎng)絡中改變所述落差或液體流動的物理裝置。調節(jié)器一般在一維或多維上限制流體的通道。在一維情況下，流體具有不受限制的‘自由表面’。在二維情況下，在調節(jié)器處不存在自由表面，更確切地說，調節(jié)器的操作維度決定了其對液流的影響。例如，二維情況下的閥門或滑動閘門/泄水閘門，一維情況下的上射型閘門、溢流堰閘門。
響應(Response)可理解為任何可測量的或可觀測的物理現(xiàn)象中的變化。
圣維南方程(Saint-Venant equations)利用質量守恒和動量守恒方程來描述水道中的水的流動及水波的傳播。質量守恒方程為∂A∂t+∂Q∂x=q---(E11)]]>式中，A為橫截面面積，t為時間，Q為流量，x為沿管道方向的距離，q為單位長度的流入量。采用面積和流量表示，動量守恒方程可以寫為∂Q∂t+(gAB-βQ2A2)∂A∂x+2βQA∂Q∂x=gA(S‾-Sf)-quq-Q2Adβdx---(E2)]]>式中，g為重力加速度，Sf為摩擦坡角，S為某部分處的河床的平均坡度，在混合前流入物具有加速度uq。系數(shù)β為布辛內斯克動量系數(shù)，其是必須采用的修正以按照流量和面積來模擬該部分的速度平方積分方程(E11)和方程(E2)組成一對偏微分方程，描述了水道中擾動隨時間的演變。它們是眾多的水力模型的核心部分，特別是對于要求計算快速變化的瞬態(tài)的情況，目前有幾個商業(yè)軟件可供使用。
采樣數(shù)據(jù)(Sample data)意指與連續(xù)測量相反，測量是在不連續(xù)的時間情況下進行的。因此控制動作也被局限于按照設定值在特定時間發(fā)生。這種系統(tǒng)環(huán)境稱為‘采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)’。
設定值(Set point)在特定信號的允許范圍內的特定目標值。設定值被輸入到控制器，控制器的任務是保持該設定值或在相對設定值的一定的偏差范圍內保持特定信號的性質。
信號(Signal)任何數(shù)據(jù)的定時序列，例如從系統(tǒng)獲得的定時測量序列，通常利用測試設備。
模擬(Simulation)其定義為使用系統(tǒng)模型以整體或部分地再現(xiàn)系統(tǒng)行為，例如預測特定測量的系統(tǒng)輸出的響應，或系統(tǒng)輸入的特性。
步長(Step)意指在兩個限定的設定值之間盡可能快地移動信號的過程。
系統(tǒng)(System)可理解為被模型化和/或控制的物理環(huán)境。對于本專利申請，其意指流體網(wǎng)絡和相關的調節(jié)器。廣義地來說，對于河流/管道的情況下系統(tǒng)由可觀測的信號來定義調節(jié)器位置和水位。
系統(tǒng)行為(System behaviour)或行為(behaviour)是指可從系統(tǒng)獲得的所有可能的定時測量(信號)的集合。其表示從觀察者的觀點來看系統(tǒng)中什么是可能的。模型應該盡可能精密地再現(xiàn)該行為，也就是在對實際測量的結果不增不減的情況下表示所有的可能性。模型的質量反映了該任務執(zhí)行得如何。
系統(tǒng)識別(System Identification)是指由實驗數(shù)據(jù)推導出系統(tǒng)模型的技術。其包括為所考察的系統(tǒng)模型提供一適合的計算機表達方法，以及隨后的一調整過程，在該調整過程中特定的表達方法被最優(yōu)化以使盡可能緊密地再現(xiàn)從系統(tǒng)中獲得的定時實驗觀測結果。該方法提供一種比較不同模型并根據(jù)它們再現(xiàn)系統(tǒng)行為的能力對其劃分等級的手段。系統(tǒng)識別是數(shù)學系統(tǒng)理論以及統(tǒng)計學中的一個特殊的子課題。
系統(tǒng)輸入(System Input)可以影響系統(tǒng)響應的變化的變量/信號。人們對例如調節(jié)器位置的用戶控制的輸入和例如降雨及蒸發(fā)的不受用戶控制的系統(tǒng)輸入加以區(qū)別。需要注意的是所述系統(tǒng)輸入為信號。
系統(tǒng)輸出(System Output)意指信號，通常區(qū)別于系統(tǒng)輸入，并受系統(tǒng)輸入的影響。
系統(tǒng)狀態(tài)(System state)是指在描述系統(tǒng)行為方面很重要的變量。系統(tǒng)狀態(tài)不一定可以測量，例如水位是一個局部測量信號，而沿網(wǎng)絡的整個長度其是不可測量的；水流是一個系統(tǒng)狀態(tài)，但不是總可以測量的。
權利要求
1.一種預測液流網(wǎng)絡中預定位置處的液面的方法，該液流網(wǎng)絡具有至少一個調節(jié)器，以控制流體沿所述液流網(wǎng)絡的流動，所述方法包括步驟如下收集基于所述至少一個調節(jié)器上游的液面、所述至少一個調節(jié)器下游的液面及所述至少一個調節(jié)器的開口位置的定時測量結果的數(shù)據(jù)，以及利用數(shù)據(jù)分析以提供基于所述數(shù)據(jù)的模型，由此通過定時測量所述至少一個調節(jié)器上游的液面及所述至少一個調節(jié)器的開口位置，所述模型可提供對所述預定位置處的液面的所述預測。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)分析采用系統(tǒng)識別技術。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中所述液流網(wǎng)絡為管道或河流系統(tǒng)，而所述至少一個調節(jié)器為上射型閘門。
4.如上述權利要求中任意一項所述的方法，其中設置有多個調節(jié)器，且每個調節(jié)器與所述模型的一模塊相關聯(lián)，而每個模塊與各自的調節(jié)器的上游液面位置、各自的調節(jié)器的下游液面位置以及各自的調節(jié)器的開口位置相關聯(lián)。
5.如權利要求4所述的方法，其中每個模塊與管道水池的上游和下游末端處的調節(jié)器相關聯(lián)。
6.如權利要求4或5所述的方法，其中每個模塊串聯(lián)形成所述模型。
7.如權利要求3所述的方法，其中所述液面為自相同基準點的水位的高度。
8.如權利要求3或7所述的方法，其中所述模型在所述數(shù)據(jù)分析中采用基于所述至少一個調節(jié)器的開口位置及所述至少一個調節(jié)器下游的所述液面的閘門落差(定義見下文)測定。
9.一種預測液流網(wǎng)絡中預定位置處的液面的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個調節(jié)器，以控制流體沿所述液流網(wǎng)絡的流動；至少一個計算裝置，用于收集基于所述至少一個調節(jié)器上游的液面、所述至少一個調節(jié)器下游的液面及所述至少一個調節(jié)器的開口位置的定時測量結果的數(shù)據(jù)，所述至少一個計算裝置適合于使用系統(tǒng)識別分析，以提供基于所述數(shù)據(jù)的模型，由此通過定時測量所述至少一個調節(jié)器上游的液面及所述至少一個調節(jié)器的開口位置，所述模型可提供對所述預定位置處的液面的所述預測。
10.一種計算機程序，據(jù)此由水池/管道的調節(jié)器位置及水位的過去的測量結果確定出用于所述水池/管道的經過調整的模型，所述程序基于所述的過去的測量結果以及現(xiàn)在和將來的調節(jié)器閘門位置還提供對將來的水位的預測，以及所述程序確定出最優(yōu)的現(xiàn)在和將來的調節(jié)器位置/運動以開發(fā)可得到的水資源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種預測液流網(wǎng)絡(10)中預定位置處的液面的方法，該液流網(wǎng)絡具有至少一個調節(jié)器(16，18)，以控制流體沿液流網(wǎng)絡(10)的流動。該方法包括以下步驟收集基于至少一個調節(jié)器(16，18)的上游(24，28)液面、至少一個調節(jié)器(16，18)的下游(26，29)液面及至少一個調節(jié)器(16，18)的開口位置(30，32)的定時測量結果的數(shù)據(jù)，以及利用數(shù)據(jù)分析(40)以提供基于該些數(shù)據(jù)的模型，由此通過定時測量至少一個調節(jié)器(16，18)的上游(24，28)液面及至少一個調節(jié)器(16，18)的開口位置(30，32)，該模型可提供對預定位置處的液面的預測。
文檔編號G05B13/04GK1509426SQ02807964
公開日2004年6月30日 申請日期2002年3月1日 優(yōu)先權日2001年3月2日
發(fā)明者戴維·奧頓, 艾文·M·Y·馬里爾斯, 埃里克·韋耶, 韋耶, M Y 馬里爾斯, 戴維 奧頓 申請人:魯比康研究有限公司