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水 利 学 报

2022年5月 SHUILI XUEBAO 第 53卷 第5期

文章编号：0559-9350（2022）05-0598-10

含多分水口的渠道广义积分时滞（ID）控制建模及验证

管光华，朱哲立，王 康
（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

摘要：积分时滞（ID）模型是应用最广泛的输水明渠控制模型之一，建模时常假定分水口均位于渠池的下游尾端。
然而对于我国灌区渠系而言，分水口位置可能位于渠池沿线任意位置，此时直接应用 ID 模型将会导致控制效果
较差甚至出现系统失稳的可能。针对这种情况，本文首先分析了分水口位置对 ID 模型预测精度的影响，在考虑
分水扰动的滞后时间后提出了广义 ID 模型，并分别以传统 ID 模型和广义 ID 模型为基础进行模型预测控制（MPC）
算法开发及仿真验证。仿真结果显示，对于分水口位于上游段的渠池，本文所提出的广义 ID模型预测精度更高，
且控制效果的改善程度可达 65%。同时在控制器调试过程中，控制器参数的可选域增大约 1.4 倍，表明更容易获
取合适的控制器，试错成本显著降低。
关键词：积分时滞模型；分水口；模型预测控制
中图分类号：TV133 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210825

1 研究背景

［1］
我国是世界上相对缺水的国家，水资源时空分布不均已成为部分地区经济发展的制约因素 。
［2］
特别是在 2013 年“一带一路”战略提出后，对沿线地区水资源的支撑能力提出了新的挑战 。修建长
距离输配水系统，是解决水资源时空分布不均匀和缓解水资源供需矛盾的主要途径之一，对发展灌
［3］
区农业、保障我国粮食安全、农村社会经济发展和农民增收具有十分重大的意义 。但传统依靠人
力经验控制的方法会造成大量的输水损失，为此需要采用先进的明渠控制算法进行自动控制 。
［4］
渠道自动化控制算法一般包括前馈控制和反馈控制。由于水流传播到下游通常需要数小时甚至
数天时间，在用水需求发生之前就拟定好沿线闸门的控制规则并提前执行即为前馈控制 。反馈控
［5］
制器与前馈控制器相互独立，根据实时水位偏差进行渠系建筑物的控制。其中PID控制器实际应用最
［6］
为广泛，但存在参数整定复杂、环境敏感度高等问题 。随着技术发展，各种针对多输入、多输出
［8］
系统的控制算法逐渐应用开来，如线性二次型控制（LQR） 、模型预测控制（MPC） 、模糊控制 、
［4］
［7］
鲁棒控制 、神经网络控制 ［10］ 等。
［9］
控制器的设计一般离不开控制模型。当前使用最为广泛的是荷兰学者Schuurmans在1995年提出的
［11］
积分时滞模型（ID模型） ，并取得了较好的控制效果 ［4，12-13］ 。Schuurmans对圣维南方程在初始稳定状
态附近进行线性化假设和拉氏变换，将单个渠池概化为时间滞后特性为主的均匀流区和积分特性为主
的回水区。ID模型的推导过程中有许多假定和简化处理，其中认为分水口均位于渠池下游尾端 ［14］ 。对
于欧美发达国家大多数渠道，分水口一般靠近渠池下游，此时分水口的实际分布与 ID 模型假设基本
吻合。但对于我国灌溉渠道，分水口的布置更为复杂，所受影响因素较多，如地形、种植结构、直
灌口门设置、行政区划分、水权管理模式、用水需求新增、历史原因等，实际上沿程分水口的布置

收稿日期：2021-09-08；网络首发时间：2022-01-28
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网络首发地址：https：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220126.1627.001.html
基金项目：国家自然科学基金项目（51979202，51439006，51009108）；“十三五”国家重点研发项目（2016YFC0401810）
作者简介：管光华（1979-），副教授，主要从事灌排自动化及量水理论研究。E-mail：GGH@whu.edu.cn
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