（水文学及水资源专业论文）区域防洪系统模拟模型及其控制运用研究.pdf

摘要 在遍及全球的各种自然灾害中，洪涝灾害是发生频率最大、危害也最大的一 种。人必须学会与洪水和平共处、和谐发展，在谋求社会经济发展的同时，尽量 减少洪水所造成的灾害损失，遵循洪水的自然规律，尽力保持其在自然生态环境 中所能发挥的洗涤净化地表与河流、补充地下水、维持湖沼及改良土壤等有益的 作用。防洪减灾，需工程与非工程措施并举，硬软件环境相配合，建立有效的防 汛指挥系统。 本研究以淮河入江水道和入海水道为研究对象，讨论入江水道和入海水道水 动力学洪水演进模拟及其控制运用问题。论文建立了其洪水演进模拟模型，模型 采用常用的一维非恒定流水动力学模拟模型，用追赶法求解按p r e i s s m a n n 四点 加权格式离散的s a i n t - v e n a n t 方程组所得的线性方程组。 论文采用最优控制中的鲁棒h o o 控制理论对防洪系统进行反馈控制。为便于 解决问题，首先将圣维南方程组离散化和线性化，在此基础上用现代控制理论的 概念建立了河道防洪模拟及控制系统的状态空间方程。论文运用鲁棒h o o 控制方 法对防洪控制系统进行了稳定性分析、权函数选取、增广矩阵计算及系统最优控 制器的设计，求解鲁棒h o o 反馈控制律实现对系统的反馈控制。以入海水道和入 江水道为例，验证了控制系统的可行性。应用中，采用塔姆勒的纯时延模型考虑 水流状态的时延。 鲁棒h o o 控制应用于河道防洪系统中是较前沿的课题，有不少人对此课题进 行了研究，但目前尚没有工程应用实例。本文作了初步探讨，希望对以后的相关 研究有所帮助。 关键词：洪水演进，防洪模拟模型，鲁棒h o o 控制，最优控制器 a b s t r a c t a m o n gv a r i o u sd i s a s t e r si nt h ew o r l d ，f l o o dd i s a s t e rh a p p e n s i nah i g hf r e q u e n c y a n dc a u s e sg r e a td a m a g et oh u m a ns o c i e t y s ow h e n 艇她f o rt h ev i g o r o u s s o c i oe c o n o m i cd e v e l o p m e n t , f l o o ds h o u l db ec o p e dw i t ht om i n i m i z et h el o s s e s c a u s e db yi t , t om a k ef u l lu s eo f t h ef l o o d , i e c l e a n i n gt h eg r o u n ds u r f a c ea n dr i v e r s ， s u p p l y i n gg r o u n dw a t e r , m a i n t a i n i n gl a k e sa n dm e l i o r a t es o i l e t c a l lt h ea p p r o a c h e s s h o u l db ed o n et h r o u g hf o l l o w i n gt h en a t l 枷r u l e so ff l o o d t h e r e f o r e ，f l o o dc o n t r o l s h o u l dc o n s i d e rb o t ht h ep r o j e c t - r e l a t e da p p r o a c h e sa n dn o n - p r o j e c tm e a s u r e ，t o g e t h e r w i t ht h eh a r d w a r ea n dt h es o r w a r ed e v e l o p m e n t o n l yb ya t t a i n i n gs o 。c a nt h e e f f i c i e n tf l o o dp r e v e n t i o nc o m m a n d i n gc e n t r eb er e a l i z e d t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h es i m u l a t i o na n dc o n t r o lo ff l o o di nr u j i a n gr i v e r a n dr u h a ir i v e rb a s e do nt h ef l o o ds i m u l a t i o nm o d e l s s a i n t - v e n a n te q u a t i o n s d e s c r i b et h ec h a n n e lf l o wm o v e m e n t , a n dt h es o l u t i o no ft h en o n l i n e a ra l g e b r a i c e q u a t i o n sw a so b t a i n e dt h r o u g hd i s c r e t i z a t i o n o fp r e s s m a nw e i g h t e di m p l i c i t f o u r - p o i n tg e n r e w i t ht h em a t c h i n gp u r s u i tm e t h o d t h ed i s s e r t a t i o nr e v e a l st h ea p p l i c a t i o no f r o b u s th 。c o n t r o lt h e o r y , o n eo f t h e o p t m a i z e dc o n l x o lt h e o r i e s ，t ot h ef l o o dc o n t r o lp r o c e s st os e e kf o ra ne a s i e rw a y t o e x p l a i nt h ea p p l i c a t i o no fr o b u s tc o n t r o lt h e o r yi nr e s o l v i n gt h ef l o o dc o n t r o li s s u e , t h es u b j e c tw a sd e m e n s t r a t e dw i t ht h es t a t es p a c em e t h o d o l o g yw h i c hi sf o l l o w e db y d i s c r e t i z i n ga n dl i n e n m n gt h es t v e n a n te q u a t i o nb a s e d o i lt h ef l o o ds i m u l a t i o na n d c o n l z o lm o d e l i no r d e rt oa p p l yt h er o b u s tc o n t r o lt h e o r yi n t ot h er i v e r , s y s t e m s t a b i l i t yw a sa n a l y z e d , w e i g h tf u n c t i o na n da u g m e n t e d m a l r i 】( ，a sw e l la st h ed e s i g no f o p t i m i z e dh 。c o n t r o ld e v i c e s , w e t es e l e c t e da n de a l c u l a t e d a n dt h e nt h ef e e d b a c k m a t r i x 锄b eo b t a i n e d t h ef l o o do fr u h a ir i v e ra n dr u j i a n gr i v e rw a st a k e na sa c a s es t u d yt ov a l i d a t et h em o d e l sf e a s i b i l i t y t a m u r a sm o d e lw a sa l s ou s e dt o c o n s i d e rt h et i m el a go f w a t e ri nt h et w or i v e r s t h ea p p l i c a t i o no fr o b u s th 。c o n t r o lt h e o r yt ot h ef l o o dp r e v e n t i o ns y s t e mi s s t i l li m m a t u r ew i t h o u tap r e c e d e n ti nr e a la p p l i c a t i o na f t e rag r e a tm a n yo f r e s e a r c h e r sh a r dw o r ka n dh e n c er e q u i r e sf u r t h e rr e s e a r c h ap r i m a r ye x p l o r a t i o no n t h es u b j e c tw a sm a d ei nt h i ss t u d y , h o p i n gi tc o u l db ei n s p i r i n gf o rt h ef u t u r er e s e a r c h k e yw o r d l $ ：f l o o de v o l v e m e n t , f l o o ds i m u l a t i o nm o d e l ，r o b u s th 。c o n t r o l ， o p t i m i z e dh 。c o n t r o ld e v i c e s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年占月多日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年z 月多日 第一章绪论 第一章绪论 从大禹治水到1 9 9 8 年抗洪，中国的水利史就是一部与洪水搏斗的篇章。历史 沉痛地记载着这样一些统计数据：从公元前2 0 6 年刘邦建立西汉至公元1 9 4 9 年中 华人民共和国成立的2 1 5 5 年问，发生了1 0 2 9 次大水灾，即平均每两年就有一次。 1 9 5 0 年至2 0 0 6 年间，每年受涝耕地面积1 5 亿亩，成灾面积1 2 亿亩，粮食损失达 2 0 0 亿斤左右，受灾人口数以百万计，造成经济损失平均每年达1 5 0 2 0 0 亿元。 由此可见江河防洪对我国社会经济发展的重要性。我国也素有“治国先治水”之 说。 1 1 问题的提出 在遍及全球的各种自然灾害中，洪涝灾害是发生频率最大、危害也最大的一 种。多少年来，人们一直在与洪涝灾害作着顽强的斗争，对防洪减灾工作的投入 也不断增加，但根治洪水的梦想依然是个梦想。洪涝灾害所造成的经济损失依然 与日俱增。2 0 世纪末，在“征服自然，改造自然”等口号的号召下，一系列大规 模的江河整治工程建设在我国轰轰烈烈地展开了。修筑水库，增高堤防，把洪水 挡在外面。然而，事实证明这样的做法并不能减轻洪涝灾害。人必须学会与洪水 和平共处、和谐发展，在谋求社会经济发展的同时，尽量减少洪水所造成的灾害 损失，遵循洪水的自然规律，尽力保持其在自然生态环境中所能发挥的洗涤净化 地表与河流、补充地下水、维持湖沼及改良土壤等有益的作用。防洪减灾，需工 程与非工程措施并举，硬软件环境相配合，建立有效的防汛指挥系统。 要防洪，首先必须了解洪水产生发展的规律。洪水演进【i 】就是通过计算描绘 河道中洪水波的传播速度、波形、波高等特征要素随时间的变化过程，简单地说， 就是根据上游某处已知( 或假定) 的数据，确定沿河道某次洪水诸特征要素。洪 水演进是防洪减灾的重要非工程措施之一。区域洪水演进模拟模型是防洪系统中 洪水预报、洪水调度、灾情评估等的重要组成部分。它可以模拟历史洪水、实时 洪水及未来洪水，把有限的实测水情信息推广，使防洪调度科学合理，顺应自然 规律，提高非工程措施防洪的效益。因此，精确地模拟洪水过程可以为我们的防 洪决策提供有力的依据，从而达到减少洪涝灾害损失的目的。 河海大学硕士学位论文区域防洪系统模拟模型及其控制运用研究 淮河系中国七大河流之一，全长约1 0 0 0 k m ，流域面积2 7 万k m 2 。黄河夺淮后， 留下中游梗阻、洪泽湖阻水、入海通道不畅三大恶果，淮河也因此成为中国灾害 最频繁的河流。淮河下游主要的泄洪河道就是入江水道，依赖现有工程，概率为 5 0 年一遏的大洪水仍无法抵御。原蓄积淮河来水的洪泽湖区由于湖床淤积抬升， 调节洪水功能逐年下降，为洪水寻求新的出路成了治淮的根本之举。 淮河入海水道的建成实现了淮河重新入海的夙愿，入海水道建成后，淮河下 游洪泽湖洪水出路由1 3 0 0 0 1 6 0 0 0 m 3 s 提高到1 5 2 7 0 1 8 2 7 0 m 3 s 。洪泽湖洪水主 要通过淮河入江水道、灌溉总渠、淮河入海水道与分淮入沂四条排洪河道入江、 入海。淮河下游地区的洪水调度运行十分复杂，每一条泄洪通道的启用都涉及到 一系列问题。如淮河入江水道启用涉及到运西地区排涝、区间洪水、江淮洪水并 涨，以及中低水位行洪能力不足、高水位泄洪效果才比较显著等问题；淮河入海 水道、灌溉总渠的启用直接影响着渠北地区排涝出路、入海水道内耕地行洪淹没 补偿问题；分淮入沂启用涉及到淮沂洪水遭遇、行洪耕地淹没补偿、淮西地区排 涝等问题。 针对以上问题，在现有工作的基础上，进一步研究淮河洪水特性，科学调度 淮河入海水道等现有水利工程，充分发挥水利工程体系的作用，对于确保淮河中 下游地区防洪安全，尽量减少洪泽湖周边地区滞洪机遇，最大限度地减轻江苏省 淮河下游及淮北部分地区洪涝灾害损失，具有十分重要的现实意义。本研究以淮 河入江水道和入海水道为研究对象，讨论入江水道和入海水道洪水演进的水动力 学模拟及其防洪系统的控制运用的问题，为淮河下游地区建立全面、科学的防洪 决策系统作贡献。 1 2 国内外研究历史和趋势 1 2 1 水动力模型研究现状 水动力学模型应用于洪水模拟和预报，主要是为了解决水文学方法无法解决 或者解决得不甚理想的一些课题【2 】，例如：分叉水系及分洪、溃口等对象的模拟 与预报；河道断面特征发生了明显变化处的水力模拟；另外，水动力学模型可以 模拟河道内任何断面任何时刻的水位和流量等要素，这对我们的防洪决策非常重 要，在这一点上，水动力学模型比水文模型优势的多。 2 第一章绪论 世界上公认的最早的水力学理论是公元前2 5 0 年左右古希腊人阿基米德 ( a r c h i m e d e s ) 论述的液体浮力和浮体的定律。伟大的科学家n e w t o n ( 1 6 8 7 ) ， l a p l a c e ( 1 7 7 6 ) ，p o i s s o n ( 1 8 1 6 ) ，b o u s s i n c s q ( 1 8 7 1 ) 等人开创性的研究工作为 水力学数学模型的发展奠定了理论基础。1 8 到1 9 世纪，液体运动的系统理论沿 着两条路径建立起来了。一是1 7 8 3 年伯努利( d i b e r n o u l l i ) 在水动力学一 书中给出了理想液体运动的能量方程，即伯努利方程；1 7 7 5 年欧拉( l e u l e r ) 首 次导出理想液体运动的微分方程组。再加上后来许多科学家的不懈努力，到1 9 世纪中叶，大体上建成了理想液体运动的系统理论，称之为“水动力学” ( h y d r o h y n a m i c s ) ，或者古典流体力学。其二，1 7 6 9 年谢才( a d ec h e z y ) 因生 产发展的需要建立了谢才公式，用来计算均匀流；1 8 5 6 年，法国工程师达西 ( h d a r c y ) 在供水实验中首次发现管道水流阻力与管道壁的粗糙度有关，提出 了计算线性渗流的达西定律等等。这些成果被总结成以实际液体为对象的重经验 重实用的“水力学”( h y d r a u l i c s ) 。 1 9 世纪中叶，1 8 2 1 1 8 4 5 年，纳维( c l m h n a v i e r ) 和斯托克斯 ( g g s t o k e s ) 等人成功的修正了理想流体运动方程，添加粘性项使之成为适用 于实际流体运动的维纳一斯托克斯方程。1 8 3 9 1 8 4 0 年间，德国工程师哈根 ( g h a g e n ) 和法国医生泊萧叶( p o i s e u i l l e ) 分别通过实验得出粘滞流动定律； 1 9 世纪末叶，雷诺( o r e y n o l d s ) 于1 8 8 3 年发表了关于层流、紊流两种流态的 系列试验结果，提出了动力相似律，后又于1 8 9 5 年导出了紊流运动的雷诺方程。 这两方面可以说是建立近代粘性流动理论的两大先驱性工作【3 j 。 圣维南( s t v e n a n t ) 在1 8 4 3 年发表的 流体动力学研究中列出粘性不可压 缩流体运动基本方程，是反映明渠非恒定流运动要素的控制方程 4 1 。1 8 7 1 年， 圣维南又提出了非恒定流偏微分方程。但由于圣维南方程组在数学上的复杂性， 在此后八十年时间里只能求解其各种形式的方程组，在实际问题中的使用受到了 很大的限制。到了最近约5 0 年，随着计算速度越来越快的计算机的出现，对完整 的圣维南方程组的求解变为现实。 1 9 5 3 年，斯托克( j j s t o k e r ) 首次尝试将完整的圣维南方程组用于o h i o 河 流的洪水计算 5 1 ，此后出现了大量的针对完整的圣维南方程组的数学模型( 动力 波模型) 。计算方法主要是差分法和有限元法，当前应用最为广泛的是差分方法。 根据其离散方法，又分成显式方法和隐式方法。 河海大学硕士学位论文 区域防洪系统模拟模型及其控制运用研究 显式格式计算方法的先行者就是斯托克( j j s t o k e r ) 。其后，6 0 年代后期 w b o l l l i s e r 和l i g g 呱1 9 6 7 ) 将运动波模型引入坡面水流研列6 】。此后，m a r t i n 和 d e f a z i o ( 1 9 6 9 ) 及s t r c l k o f f ( 1 9 7 0 ) 【7 】等人也对显式格式计算方法提出了自己 的方法。显式方法的优点在于对于每一计算时关于计算断面的未知量，显式方法 可直接从代数方程组中得出结果。 隐式格式方法的提出是i s a a c s o n 等建议的，其后在六、七十年代，普列斯 曼( p r e i s s m a a a ) ，v a s i l i e v 等人对隐式方法进行了诸多的研究工作【司。隐式方 法要求解代数方程组。代数方程组又分为线性和非线性两种，前者既可以用直接 法又可以用迭代法求解，而后者要用迭代法求解。在迭代法中，n e w t o n - r a p h o n 方 法应用较为普遍，该方法首先由a m e i n 和f a n g 应用于s a i n t - v e n a n t 方程组的数 值解t g 1 1 0 j 。其后，国内外都有将这一方法用于河网水力数值模拟中【1 l 】1 1 2 1 。 从线性化稳定性分析的角度，各种隐式差分格式都是无条件稳定的，因而应 用较广。在众多离散格式中，1 9 6 0 年发展起来的p r e i s s m a n n 【1 3 l 力权四点隐式格 式无疑是使用最为普遍的一种，该格式具有适用于非均匀空间步长、计算的稳定 性和收敛性易于更改及处理边界条件较为简单的优点。这些都是利用数学计算的 方法可以对河道单元水体的流速、流量、水位和断面面积等水利要素进行定量地 描述。 从动力波模型的解法上分类，又可以分为直接解法和分级解法两大类。 直接解法是早期河网计算中常用的方法，它是直接求解由关于河道内断面处 未知量的方程和由边界条件所对应的方程组成的河网方程组。由于所形成的线性 方程组的系数矩阵是一个大型极不规则，不对称的稀疏矩阵，求解时存在着存储 量多，计算量大的问题，因而当应用于大型，超大型河网时，该方法计算速度受 到了限制。1 9 7 7 年，由中山大学的李岳生等人从河网矩阵的特点出发，提出的河 网不恒定流隐式方程组稀疏矩阵解法【1 4 1 ，能够有效地节省计算机内存，提高计算 速度。 分级解法的基本思想是先将未知数集中到汉点上，待汉点未知数求出后，再 将各河段作为单一河段求解。实际使用中先求解关于节点未知数的方程组，然后 再求解节点间各断面的水位、流量。该方法首先由荷兰的水力学家d 咖k e 黯i ”】提 出，并应用与河流近海岸区和外海的潮汐计算。他的方法就是二级解法，他将求 解过程分节点及河道处理，节省了计算时的内存单元。在此基础上，以后许多学 第一章绪论 者不断改进，逐渐有三级解法、四级解法、汉点分组解法和树型河网分组解法【坷。 1 9 8 2 年，张二骏等人提出了河网非恒定流计算的三级联合解法【1 7 1 ；1 9 8 5 年吴寿红 提出了河网非恒定流的四级解法【1 嬲；1 9 9 0 年芮孝芳提出了以三级联合解法为指 导，提出了虚设单元河段法处理方程组的系数矩阵1 9 1 ；1 9 9 7 年，李义天提出的基 于分级解法的汉点分组解法1 2 0 1 ，还可以在节点水位法的基础上进一步降低线性方 程组的阶数。 法国的c u n g e 提出了单元划分法【2 1 】思想是针对河网地区的水利特性，将水体 水力特性相似、水位变化不大的某一片水体概化为一个单元，取单元的几何中心 的水位为该单元的代表水位，求出各单元的代表水位及各单元间的流量。单元划 分法对湖泊的及小型水库较多且水位、流量变化不大的平原大型河网情况具有一 定的优势，但不适用于计算区域内水位、流量变化较大的河网，如汛期洪水急涨 爆落、沿海感潮河网或是溃坝情况。国内的韩龙喜、张书全、金忠青曾应用过此 法。姚琪等将河网的水域区分为骨干河道和成片水域两类，对骨干河道采用分级 解法，对成片水域则用了单元划分法，同时引入当量河宽的概念，将其纳入分级 解法一并计算。 松弛迭代法是f 1 1 f r e a d l 2 2 1 于1 9 7 3 年提出的，其基本思想是将河网分解为一条 条河道，再对一条条河道分别进行求解。求解时对汇流点处支流的流量先给出预 估值，再用松弛迭代方法逐步校正，逼近其精确值。该方法主要是将复杂的大新 河网水力数值模拟问题转化为一系列简单的单一河道水力数值模拟问题。国内的 徐小明等】改进了松弛迭代法。 对于河道非恒定流演算问题，针对不同的研究对象，目前的数值模拟已经可 以进行一维、二维以及三维的计算。对于圣维南微分方程，已经发展了多种基于 迭代的数值解法，如特征线法、有限差分法等，这对于数学方法模拟河道水力学 模型提供了强大的技术支持。 1 2 2 控制理论的研究和发展 控制理论一般分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。所谓经典控制理 论是2 0 世纪5 0 年代之前发展起来的，成熟于5 0 年代中期。现代控制理论是5 0 年代 末6 0 年代初开始形成并迅速发展的，至今已形成多个分支，渗透到各个科技领域。 鲁棒控制理论属于最优控制的范畴，是现代控制理论发展的一个重要分支。 河海大学硕士学位论文 区域防洪系统模拟模型及其控制运用研究 关于鲁棒控制问题的最早研究可以追溯到1 9 2 7 年b l a c k 针对具有摄动的精确 系统的大增益反馈设计思想。由于当时无法知道反馈增益与控制系统稳定性之间 的关系，故基于这一设计思想的控制系统往往是动态不稳定的。直到1 9 3 2 年 n y q u i s t 提出基于n y q u i s t 曲线的频域稳定性判据之后，才使得反馈增益与控制系 统动态稳定性之间关系明朗化。b o d e 于1 9 4 5 年讨论了单输入单输入但输出反馈控 制系统的鲁棒性，提出利用幅值和相位稳定裕量来得到系统能容纳的不确定性范 围，并引入微分灵明度函数来衡量参数摄动下的系统性能。 6 0 年代初，c r u z 和p e r k i n s 2 4 j 将单输入单输出系统的灵敏性分析思想推广到多 输入多输出系统，并引入灵敏度比较矩阵来衡量闭环和开环系统性能。这些关于 鲁棒控制的早期研究主要局限于系统不确定性是微小参数摄动的情况，属于灵敏 性分析的范畴，离工程应用相差甚大。事实上，实际系统中的参数是不能被视为 不变或仅有微小摄动的，系统工作条件和环境的变化、建模的简化处理、降阶和 非线性系统的线性化等均可描述为参数的摄动。这些情况就导致了面向非微小有 界摄动不确定性的现代鲁棒控制问题。 6 0 年代以来，通过结合实际工程问题和数学理论，鲁棒控制理论取得了令人 瞩目的发展，并已逐步形成了具有代表性的三个主要研究方面【2 5 】，即：研究系统 传递函数( 矩阵) 的频率域方法，研究系统特征多项式族的多项式代数方法和研 究系统状态方程矩阵族的时域( 状态空间) 方法。 自动化控制理论应用于水利领域始于上个世纪6 0 年代。美国国家内务部垦务 局( u s d e p a r t m e n to f i n t e r i o r , b u r e a uo f r e c l a m a t i o n ) 于1 9 6 6 年即开始有关渠系 自动控制项目的研究，形成了比较完整的渠系运行理论，而且研究成果在许多渠 系上得到了成功的应用。日本自1 9 7 8 年开始执行“农业水利设施水管理系统化” 的国家级研究项目，历时7 年，其成果为日本农田水利的现代化奠定了技术基础。 在渠系运行决策方式( 方法) 的研究方面，成果相当丰富，如 b u r t ( 1 9 8 3 。1 9 8 4 ) 、z i m b e l m a n ( 1 9 8 1 ) 等提出的下游运行方式；m e r r i a n ( 1 9 7 7 ) 提出的 水平渠顶运行( 1 e v e l - t o pc a n a l ) 方式；r e y n o l d s 和m a d s e n ( 1 9 6 7 ) 提出的等蓄量控制 方式；w y l i e ( 1 9 6 9 ) 提出一种闸门运动模式的算法( g a t e m o k i n g ) ，该算法通过模拟 渠段中的水流瞬时状况从而直接给出闸门开度值；a m o r o e h oa n ds t r d k o f f ( 1 9 6 5 ) 则对给定的闸门开度模拟渠道中水流的瞬变过程；j m o h a nr e d 提出针对单一 渠段的局部最优控制技术，即在渠道运行时控制一个单独的闸门。他导出了渠道 6 第一章绪论 基于常水深运行时上游闸门开度的表达式。此外还有结合运筹学理论提出的算 法，如c l e m m e n s ( 1 9 7 9 ) 的动态规划模型( d y n a m i cp r o g r a m m i n gm o d e l ) 和b r i a nj b o m a n 等( 1 9 9 0 ) 的线性规划运行模型( 1 i n e a rp r o g r a m l i n go p e r a t i o nm o d e l ) 。 随着控制理论向着大系统理论、巨系统理论和智能控制方向发展以及对渠道 运行性能的要求不断提高，渠系自动化的发展趋势会随着渠道系统控制要求的提 高而相应发展。各种现代控制理论诸如系统分散递阶控制、鲁棒控制、模糊控制、 神经网络控制、专家控制等也会逐渐运用的渠道控制中来，使渠道控制理论日益 完善。总的趋势可总结为：在理论上，越来越趋向于现代控制理论和智能控制理 论；在控制策略上，趋向于向最优化、协调化和区域化发展。 1 2 3 鲁棒控制的意义 如上所述，在渠道运行控制方面，目前国内外已有了许多的研究。因目前 的许多算法都是基于精确的数学模型基础之上，而渠系或是河道中的水流状态是 复杂的，具有非线性和时滞性等特点，导致很难由此建立精确的数学模型。传统 控制理论难以准确模拟渠系运行状况，势必造成控制系统误差。这时候，鲁棒控 制解决了这一难题。 “鲁棒”一词来自英语单词“r o b u s t ”的音译。“r o b u s t n e s s ”即鲁棒性，它 的意思是稳健或强壮。在控制系统中，所谓的鲁棒性是指控制对象在一定的范围 内变化时，它能在某种程度上保持系统的稳定性与动态性能的能力。在单变量控 制系统中，系统的鲁棒性可以从系统的开环传递函数的幅频和相频特性中精确估 计出来。而对于多变量控制系统，由于系统中有众多不同的输入输出变量，使幅 值与相位的意义变得模糊了。因此在多变量控制系统中需引入状态空间向量来处 理。 鲁棒控制就是如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制 品质。解决鲁棒问题的一些算法不需要精确的模型，在其控制器的设计中考虑了 数学模型所具有的不确定性误差，假设模型参数与实际对象具有一定范围的偏 差，然后用解析的手段设计，使得系统对这一误差范围的所有被控对象均能满足 理想性能的要求。因此，鲁棒设计的且标就是：在模型不精确或存在其他变化因 素的条件下，系统仍能保持预期的性能。鉴于水流运动具有非线性和时滞性的特 7 河海大学硕士学位论文 区域防洪系统模拟模型及其控制运用研究 点，在渠道输水或河道的防洪控制系统中引进鲁棒控制方法是非常必要的。它可 以在保证系统稳定的前提下，充分保证系统控制的品质。 在研究鲁棒多变量控制的过程中，先后出现了参数空间法、状态空间法、日。 方法、l m i 方法以及方法。其中月。方法在工程中应用最多，它以协调灵敏度 函数的以，范数优化作为性能指标，旨在系统系统性能可能“扰动最大”的情况 下，使系统的误差在无穷范数意义下达到一定的范围，从而将干扰问题转化为使 闭环系统稳定，以及相应的置乙范数指标极小化而进行求解，并输出反馈控制器 的问题洲。 乒l 设计方法具有传统设计目标，它采用一种将模型不确定性溶进广义被控 对象的方法。以非结构型不确定性等效表示模型不确定性，这样模型的不确定性 可以用权函数限定：或者用结构型不确定性等效表示模型参数不确定性，用状态 空间形式间接反映广义被控对象，因此日。设计方法可用于设计中存在一定模型 不确定性和外部有界干扰，控制系统的稳定性等多种情况。 由于鲁棒控制出现的时间较短，目前国内外尚少有其在水利工程管理方面应 用的先例，武汉大学的尚涛、单毅等于2 0 0 5 年对渠系输水的鲁棒日。控制作了初 步研究，取得了较满意的成果，本文将在此基础上，初步探索鲁棒三乙控制理论 在防洪控制系统中的应用。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 在分析淮河入海水道、入江水道实际资料的基础上，对其河道断面进 行概化，尤其是入江水道，还进行了小河道的串联与并联概化，模拟入海水道上 的水利工程建筑物上水流的水动力学特征，模拟入江水道上的水利工程建筑物以 及大小湖泊的水流水力特性。建立入海水道和入江水道洪水演进的水动力模型， 并以实测行洪资料进行参数率定和模型验证，尽可能提高模型模拟的精确度。 ( 2 ) 在水动力模型模拟的基础上，利用现代控制理论，建立入海水道和入 江水道的防洪控制系统的状态空间方程，并用鲁捧雌制理论分析系统，考察 系统的稳定性，设计权函数，计算最优控制器，求解系统的反馈控制律，使系统 0 第一章绪论 能根据实测值与模拟值之间的误差自动反馈信息，并考虑水流状态的时滞性和不 确定性，使系统能在稳定状态下保证最优性能。同时，用典型年洪水实测资料检 验其可行性。 ( 3 ) 系统开发 在计算机上建立具有数据处理、预报计算、图像化显示等功能完整而实用的 防洪模拟及控制系统，为流域防洪调度服务。 1 3 2 主要技术路线 根据所研究的主要内容，采用一维圣维南水动力模型模拟入海水道和入江水 道的洪水演进。对圣维南方程组采用四点隐式差分格式离散，并做线性化处理， 最后用追赶法求解该线性方程组，从而对河道沿程各断面的水位z 、流量q 水力 要素进行定量地描述。 河道中有很多闸、涵等水利工程建筑物，概化和建立模型的过程中，根据具 体的水利工程及水流的运动特性正确模拟这些工程措施，同时还考虑其在系统的 控制运行中所起的作用。考虑入江水道中湖泊的调蓄作用。 河道防洪运行控制系统是一个多输入、多输出的动态控制系统，本文采用鲁 棒控制理论中的风，控制来控制防洪系统的运行。通过对离散后的圣维南方程组 泰勒展开，建立河道防洪控制的线性状态空间方程及反馈方程。根据系统的不确 定性及大时滞的特点，选择合适的权函数设计最优控制器，从而得出系统的最优 反馈控制规律。 本论文具体研究技术路线如下框架图1 - 1 所示。 9 河海大学硕士学位论文区域防洪系统模拟模型及其控制运用研究 资料分析 河道概化 + 水动力学分析 士 i 水动力学模型计算 士 蜡刑虑田 l 偎2 “ l i 典蛑洪麒测值ll 模辈出i i控制理论分析卜叫系统状态空闻方程 模型验证 士 选择权函数结果分析 士 设计最优控制器 i系统反馈 l 士 结果分析 + 系统软件开发f 1 4 研究区域概况 1 4 1 自然地理情况 图1 - 1 河道防洪模拟及控制技术路线图 淮河发源于河南省南部的桐柏山，总长1 0 0 0 公里，总落差约2 0 0 米，平均比 降0 2 。淮河源头至洪河1 3 为上游，长3 6 0 k i n ，地面落差1 7 8 m ，流域面积3 0 6 万k m 2 ；洪河口至洪泽湖出口中渡为中游，长4 9 0 k i n ，地面落差1 6 m ，中渡以上流 域面积1 5 8 1 f i k m ；中渡以下至三江营为下游入江水道，长1 5 0 k i n ，地面落差约7 m ， 三江营以上流域面积为1 6 4 6 万k m 2 。淮河从桐柏山主峰太白顶( 又称大复峰) 1 0 第一章绪论 起源，潜流入崖，穿谷越滩，迂回曲折地冲出峡谷，自此开始奔腾向东流。南北 两侧山地、丘陵和坡地上的众多河流顺势向淮河汇集。淮河包纳百川，接纳众多 支流，水量迅速增加，水位陡涨。特别是在穿过崇山峡谷、丘陵洼地之后，淮河 在安徽正阳关与颍河相会，骤然变为一条宽阔的主干流，形成了“七十二水归正 阳”的奇观。 淮河流域地处中国东部，介于长江和黄河两流域之间，位于东经1 1 2 度1 2 1 度、北纬3 1 度3 6 度，东西长约7 0 0 k i n ，南北平均宽约4 0 0 k i n ，流域面积2 7 万k i n 。 淮河流域西起桐柏山，东临黄海，南以大别山和皖山余脉与长江流域为界，北以 黄河南堤和沂蒙山与黄河流域分界，流域西部、西南部及东北部为山区、丘陵区， 其余为广阔的平原。淮河流域以废黄河为界，分淮河及沂沭泗河两大水系，其中 淮河水系流域面积为1 9 万k d ，沂沭泅水系流域面积为8 万k m 2 。淮河流域地处中国 南北气候过渡地带，自古以来，淮河与秦岭、白龙江的连线就作为中国南方与北 方的“地理分界线”。 淮河流域地处中国南北气候过渡地带，气候变化剧烈，是极易发生灾害的地 区。年降水量南部大别山区最大达1 3 0 0 1 4 0 0 m m ，北部黄河沿岸仅为6 0 0 7 0 0 m ， 每年6 9 月份为汛期，汛期雨量丰沛，降水量占年总量的6 0 7 0 。进入汛期， 淮河干流中上游山区产生暴雨洪水并迅速汇集到中游，由于中游河道比降的突然 平缓，下泄不畅，沿淮湖泊、洼地成为滞蓄洪水的场所。淮河下游襟江临海，地 势低平，河道坡度平缓，洪水宣泄时间长，常发生上中游洪水与当地降雨相遭遇， 洪涝夹击、洪水出路不足。大水之年上游洪水下泄，形成三面高水压境，下受海 潮顶托的险恶水情，如再遇上当地狂风暴雨，往往成灾。 淮河原本东注入海，是一条美丽富饶的河流。后因黄河南泛夺淮，淮河洪水 被迫逐步南泄长江。近7 0 0 多年的夺淮历史，使淮河原有水系混乱不堪，水灾不 断，居其下游的苏北地区灾难尤甚。淮河流域的洪水主要有两种类型： ( 1 ) 由连续一个月左右或更长时间的大面积暴雨形成的全流域性洪水，洪 水量大而集中。如1 9 2 1 、1 9 3 1 、1 9 5 4 、2 0 0 3 年型洪水。 ( 2 ) 是由一、二次局部暴雨形成的地区性洪水，暴雨中心地区的洪水往往 很大，但全流域的洪水量一般不大。如1 9 6 8 年淮河上游洪水，1 9 7 5 年洪汝河、沙 颖河洪水。 河海大学硕士学位论文区域防洪系统模拟模型及其控制运用研究 1 4 2 水利工程 图1 - 2 研究区墒| h p i n f o 格式地图 针对淮河流域的洪水特性，国家确立了“蓄泄兼筹”的治淮方针，在流域内兴 建了一系列的防洪工程。在山区修建水库，中游开辟行蓄洪区、整治加固堤防， 下游拓宽河道，开辟入海和入江水道，增大流域出流泄量等工程。经过5 0 多年的 治淮建设，淮河流域兴建了大量蓄洪、滞洪、泄洪、挡潮工程，使淮河洪水得到 了初步控制，基本形成了一套比较完整的防洪工程体系。主要防洪工程体系有蓄 洪、泄洪、排水滞涝、挡潮工程体系。 1 4 2 1 蓄洪工程体系一洪泽湖和水库 1 洪泽湖 洪泽湖是淮河中下游巨型平原水库、我国五大淡水湖之一，位于江苏省淮安 市西南部，水库总库容1 3 5 亿m 3 ，正常蓄水位1 3 0 m ，汛限水位1 2 5 m ，滨湖圩区破 圩蓄洪水位1 4 5 m 。目前洪泽湖的防洪标准仅达4 0 5 0 年一遇，相当于1 9 5 4 年型 洪水。洪泽湖及其周边圩区对淮河下游洪水起着重要的蓄洪调洪作用。 洪泽湖大堤上的主要建筑物有：三河闸、二河闸、高良涧闸、周桥洞、洪金 洞，还有三河( 蒋坝) 船闸、堆头涵洞等。 2 水库 1 2 第一章绪论 江苏省淮河流域内有大型水库3 座，总库容9 3 3 亿m 3 ，其中防洪库容5 3 4 亿 m 3 ；有中型水库1 8 座，总库容5 7 5 亿m 3 ，其中防洪库容3 2 8 亿m 3 ；小型水库3 9 5 座， 总库容4 5 2 亿皿3 ，其中防洪库容2 0 4 亿皿3 。 大型水库：石梁河水库，小塔山水库，安峰山水库。 中型水库：。河王坝水库，龙王山水库，化农水库，7 桂五水库，红旗水库，山 洪水库，云龙湖水库，庆安水库，阿湖水库，高塘水库，崔贺庄水库，贺庄水库， 大石埠水库，西双湖水库，房山水库，八条路水库，横沟水库，昌梨水库。 1 4 2 2 泄洪工程体系一河道工程 淮河下游泄洪工程体系主要包括入江水道、入海水道( 在建) 、淮沭河( 含 二河) 、苏北灌溉总渠、废黄河等。 1 入江水道 淮河入江水道是淮河下游最大的泄洪河道，自三河闸起至三江营止，全长1 5 8 k m 。流经淮安、扬州两市的洪泽、盱眙、金湖、宝应、高邮、江都、邗江、扬州 市郊区等8 个县( 市、区) ，两岸堤防总长4 2 1 4k m ，其中左堤长1 9 9 7k m ( 包括 里运河西堤6 6 2k m ) ，右堤2 2 1 7k m ( 不包括安徽省部分) 己建块石护坡工程总 长2 3 4 k m 。 主要堤防防洪标准已由8 0 0 0 m 3 s 提高到1 2 0 0 0 1 3 s ，湖西主要圩堤也能应对 8 0 0 0 一s 的洪水。同时建成三河闸控制、金湖控制、高邮湖控制和归江控制等四 级控制、五级水位的以排洪为主，结合发展灌溉、排涝、航运等综合开发利用工 程。 入江水道主要建筑物有三河闸、万福闸、太平闸、金湾闸、芒稻闸；其他主 要建筑物有东西漫水闸、石港船闸，大汕子闸，高邮湖控制线新庄台河闸、庄台 河闸、老王港闸、新王港闸、新港闸、毛港闸、杨庄河闸等漫水闸。 2 入海水道 1 9 9 8 年开始兴建的入海水道，最后在扁担港北注入黄海，全长1 6 3 5 k m 。紧 靠苏北灌溉总渠北侧( 两河三堤) ，5 年完成近期主体工程。近期设计行洪流量 2 2 7 0 m 3 s ，可使洪泽湖防洪标准提高j ! l j l 0 0 年一遇，同时可将渠北地区7 0 0 多k 2 的排涝标准由原来的3 年一遇提高到5 年一遇。2 0 0 7 年完成全部工程。远期设计行 河海大学硕士学位论文 区域防洪系统模拟模型及其控制运用研究 洪流量7 0 0 0 m 3 s ，可使洪泽湖防洪标准提高n 3 0 0 年一遇。入海水道采用河道行 洪方式，即开挖深槽筑堤行洪，尽量缩小堤距，适当降低启用水位，滩地上的居 民全部迁移安置。 入海水道建筑物工程。入海水道全线与二河、京杭运河、通榆河相交叉，切 断了宁淮、宁连、淮扬、淮阜、阜宁、2 0 4 国道与黄海等七条公路，并与渠北地 区众多排捞河渠相交汇。在其沿线布置了二河枢纽、淮安枢纽、滨海枢纽、海口 枢纽和淮阜控制：宁连公路桥、淮阜公路桥、阜宁公路桥、2 0 4 国道和黄海公路桥； 以及二十九座穿堤涵洞。地震设防：二河枢纽地震烈度为度，其余均为度。 3 苏北灌溉总渠 苏北灌溉总渠西起洪泽湖边的高良涧闸，横贯淮安、盐城两市的洪泽、清浦、 楚州、阜宁、滨海、射阳等六县( 区) ，至扁担港入海，全长1 6 8 1 m ，于