自動化灌溉水渠的監控的制作方法
【專利摘要】本發明提供通過計算機控制的流體網絡(100)將流體輸送至至少一個客戶(114)的方法。所述流體網絡(100)具有多個調節器，用于控制沿著所述流體網絡(100)的流體流以將預定量的流體輸送至至少一個客戶(114)。所述網絡(100)包括用于在計算機控制下打開和關閉所述調節器的第一控制系統(102)。所述第一控制系統(102)基于對各調節器上游和下游液位及各調節器開放位置的定時測量來收集數據，使用數據分析來提供用于預測在調節器之間各液位的各模型。作為監控層的第二控制系統(104)與所述第一控制系統(102)交互，以基于限制條件和未來流負載對由所述第一控制系統(102)對所述調節器的控制提供調整。第三控制系統與所述第一(102)和第二(104)控制系統交互。所述第三控制系統(106)處理來自所述至少一個客戶(114)的流體輸送需求，以基于所述流體網絡的水力容量來提供流負載輸送日程表(118)。
【專利說明】自動化灌溉水渠的監控

【技術領域】
[0001]本發明涉及用于流體網絡的監控系統和監控方法，具體而非排他地涉及用于開放水道(水渠網絡)和封閉水道(水管)。

【背景技術】
[0002]在其整體被包含于此的美國專利號7152001中，揭示了一個用于預測流體流網絡中流體液位的基于計算機的系統。所述系統非常成功，因為它能使用過去和現在的參數測量值來預測并控制流體液位和流。所述系統從定時的流體液位和調節器或閥門的開放位置中收集數據以提供模型，從所述流體模型中能夠實時確定液位和流。灌溉水渠是開放的水力系統，其用于將水從供應源頭傳輸至終端用戶。沿著水渠，憑借位于分散點的控制閘門來調節流和水位。美國專利號7152001的圖1示出通過上射式閘門來調節的典型水渠的側面視圖。閘門16和18之間的一段水渠標示為水池。在重力作用下，水從水源沿著水渠流到農場。鑒于此，沿著水渠的水位對應于可用于產生沿著水渠自身流進橫向分配系統和要灌溉土地的水流的勢能。因而將水位維持在滿足流需求的水位以上很重要。
[0003]使灌溉水渠自動化的目標是，關于取自水源和輸送至終端用戶的水，改善分配效率。這通過利用美國專利號7152001中所示類型的先進設備和控制系統來獲得，當沿著水渠系統的水位維持在由服務質量和安全考慮所規定的操作限制內時，其提供了在農戶預訂水量和沿水渠流動或流進水渠系統的水量之間更為接近的匹配。
[0004]美國專利號7152001包括傳感器24、26、28、29和通過監控和數據采集(SCADA)通信網絡44連接的執行器，以及先進的控制實施，它們相互協同工作以獲得高的分配效率，減少傳送損耗，并為客戶/農戶提供高水平的服務，從而從有限的水資源得到高的生產率。當水渠完全自動化時，水渠控制閘門16、18操作為使得它們滿足控制閘門16、18下游的需求并維持每個水池中的閘門或調節器的上游水位。在每個水池中，必須超過某個水位以提供將水進一步向下游推動進入第二級水渠和相鄰農場所需的勢能。流入水渠系統的水量在上游或頂端被控制。當在指定水池中檢測到水位下降時，流入水渠的水量增加，或者當水位上升以確保維持不變的水位時流入水渠的水量減少。
[0005]利用回應控制策略將水池中的水位維持在它們的設定點，即僅在受控變量(水池中的水位)偏離其設定點時才采取控制行動。這通常被稱作反饋控制。在水池中的下游調節器18和側面排水渠以及農場排水口(如果有)處所測量的流信息可被利用來增強反饋控制器并使得控制系統的響應性更好。上游閘門16立即發送所測量流出量的百分比，而不是等待流影響到水池中的水位和反饋控制器采取行動，這通常被稱作前饋控制。
[0006]上述回應控制架構限制了流負載的變化(即開始或停止流出)向上游的瞬時傳播。關于驅使水從上游源頭被釋放的對應要求，優點是，僅當存在因下游排水而產生的流出且該流出在排水停止時被切斷時，水才從頂端被釋放。然而，具體就響應于流負載增加而控制閘門流指令和水位偏離的瞬時峰值以及當流負載減少時的類似不期望的效果而言，可獲得的瞬時性能基本受內在的傳輸延遲限制。
[0007]圖1示出沿著使用美國專利號7152001操作的水渠的流峰值幅度圖表，其中來自水渠中底端控制閘門的流以55兆升/天為步長20增加。圖1所述控制策略的第一個而且是主要的限制是受限的瞬時流特性。隨著負載變化的效果向上游傳播，用于控制閘門16的瞬時流指令中的峰值被增大。如圖1所述的瞬時行為可導致執行器(即控制閘門)飽和，從而觸發不期望的行為。這是在美國專利號7152001中使用的現有策略的第二個限制。在控制行業中通常被稱作抗飽和的抵消飽和機制被設計為美國專利號7152001的補充，這可能不是很有效。在具有有限存儲容量的長水池(例如大于5公里)的情況下，流瞬時特性可能導致不可接受的水位偏移，其可能影響對客戶/農戶的服務或違反安全操作限制。這是現有策略的第三個限制。這第三個限制意味著現有控制策略不適用于其超高是非常有限的開放灌溉水渠。這是第四個限制。“超高”是指預期最高水位以上的渠岸高度。
[0008]發明目的
[0009]本發明的目的是提供通過灌溉網絡準確地將水輸送至客戶的方法和系統。
[0010]本發明進一步的目的是提供減少通過灌溉網絡送水的管理費用的方法或系統。


【發明內容】

[0011]一方面，本發明提供通過計算機控制的流體網絡將流體輸送至至少一個客戶的方法，所述流體網絡具有多個調節器來控制沿著所述流體網絡的流體流以將預定量的流體輸送至所述至少一個客戶，所述網絡包括用于在計算機控制下打開和關閉所述調節器的第一控制系統，所述第一控制系統基于對各調節器上游和下游液位及各調節器開放位置的定時測量來收集數據，使用數據分析來提供用于預測在調節器之間各液位的各模型，作為監控層的第二控制系統與所述第一控制系統交互以基于限制條件和未來流負載對由所述第一控制系統對所述調節器的控制提供調整，第三控制系統與所述第一和第二控制系統交互，所述第三控制系統處理來自所述至少一個客戶的流體輸送需求，以基于所述流體網絡的水力容量來提供流負載輸送日程表。
[0012]本發明還提供用于通過計算機控制的流體網絡將流體輸送至至少一個客戶的輸送系統，所述流體網絡具有多個調節器來控制沿著所述流體網絡的流體流以將預定量的流體輸送至所述至少一個客戶，所述網絡包括用于在計算機控制下打開和關閉所述調節器的第一控制系統，所述第一控制系統基于對各調節器上游和下游液位及各調節器開放位置的定時測量來收集數據，所述第一控制系統適配為使用數據分析來提供用于預測在調節器之間各液位的各模型，作為監控層的第二控制系統與所述第一控制系統交互以基于限制條件和未來流負載對由所述第一控制系統對所述調節器的控制提供調整，第三控制系統與所述第一和第二控制系統交互，所述第三控制系統處理來自所述至少一個客戶的流體輸送需求，以基于所述流體網絡的水力容量來提供流負載輸送日程表。
[0013]優選實施例中，所述第二控制系統使用模型預測控制來提供搶先控制。
[0014]優選的，來自SCADA接口的數據用于通過使用基于系統識別技術的管道網絡模型來校準并持續微調計算機控制的流體網絡。
[0015]本發明還提供通過計算機控制的流體網絡將流體輸送至至少一個客戶的方法，所述流體網絡具有多個調節器來控制沿著所述流體網絡的流體流以將預定量的流體輸送至所述至少一個客戶，所述網絡包括用于在計算機控制下打開和關閉所述調節器的第一控制系統，所述第一控制系統基于對各調節器上游和下游液位及各調節器開放位置的定時測量來收集數據，使用數據分析來提供用于預測在調節器之間各液位的各模型，作為監控層的第二控制系統與所述第一控制系統交互以基于限制條件和未來流負載對由所述第一控制系統對所述調節器的控制提供調整。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]本發明優選實施例的結構和功能特性在結合附圖的下列詳細描述中將表現得更加明顯，其中:
[0017]圖1示出沿著使用在美國專利號7152001中所述的系統操作的水渠的流峰值幅度的圖表，其中來自最底端調節器的流以每天55兆升的步長增加；
[0018]圖2是符合本發明概念的計算機控制的流體網絡的簡略流程圖；
[0019]圖3是與美國專利號7152001的圖3相類似的視圖，其包括符合本發明概念的特性。

【具體實施方式】
[0020]優選實施例是在美國專利號7152001和澳大利亞專利申請號2011903084、現在的國際專利申請號PCT/AU2012/000907和基于國際專利申請號PCT/AU2012/000907的任何專利申請中所揭示的發明的改進。為了減少重復描述，美國專利號7152001和國際專利申請號PCT/AU2012/000907的完整內容在這里合并入本說明書。
[0021]圖2是用于特別是用于灌溉的開放水道(即水渠網絡)的計算機控制的流體網絡系統100的簡略流程圖。所述系統具有3個子系統，即第一控制系統102，第二控制系統104和第三控制系統106。第一控制系統102是優選為美國專利號7152001中所揭示類型的流體調節器系統，在美國專利號7152001中它有更加完整的揭示并合并入本描述。第三控制系統106是優選為國際專利申請號PCT/AU2012/000907中所揭示類型的需求管理系統，在國際專利申請號PCT/AU2012/000907中它有更加完整的揭示并合并入本描述。第二控制系統104是馬上將會討論的監控系統。第一控制系統102提供控制方案，并在觀察到以水位偏移或測量到的水池排水為形式的擾動之后允許多個控制閘門(未顯示)的移動以設置本地流。第一控制系統102具有用于打開控制閘門(未顯示)的控制閘門流指令108。減少此類回應控制架構限制的途徑是利用關于未來流需求的可用信息。允許第二控制系統104對由第一控制系統102產生的控制閘門流指令108和在確定這些指令時使用的水位標記109進行調節，這為系統地利用排水渠流測量和這些流的未來日程表提供了空間。相應地，第二控制系統104對控制閘門流指令108和/或水位標記109進行調節107以基于測量信息和自動化水渠模型通過確保限制條件的滿足來改善瞬時性能，包括對未來流負載的表示，比如日程表。第二控制系統104是3層層次結構的中間層，水渠在最底層的第一控制系統102和在最高層的第三控制系統106 (即需求管理系統)下操作。第三控制系統106處理來自客戶或農戶114的訂單112以創建流負載日程表116。
[0022]可獲得上述目標的監控方案的優選實施例包含對第三控制系統106使用通常在文獻記載中被稱作模型預測控制(MPC)的滾動時域優化控制技術。它尤其適用于上面所提及類型的監控問題。具體地，MPC技術可直接合并在未來時域上對流負載(需求)的預測或日程表，以及對水位和標記將如何隨時間變化的限制。這些特性很好地適用于提供供應點服務質量保障，防洪操作以及避免可能導致非常不期望的動力學行為。也就是說，所述特性很好地適用于減少現有第一控制系統102 (即美國專利號7152001中所揭示的流體調節系統)的4個限制。
[0023]如在圖2中可看到的，第二控制系統104掌握未來流負載日程表116的信息，其憑借所測量的水位和流信息110來獲取第一控制系統102的狀態估值。在憑借滿足水位和流的限制的服務質量保障下，這為在預測到未來負載(需求)時采取搶先控制行動以獲得改善的瞬時性能提供了空間。
[0024]憑借基于反饋的控制行動，第一控制系統102的控制方案提供一定程度的穩健性以對抗不確定性，比如模型和設備不準確，傳輸損耗和客戶/農戶不遵守議定的流負載日程表。第二控制系統104還憑借測量的水位和流信息110來在決策中利用反饋。
[0025]3個控制系統102、104、106的層次架構為同時利用兩個層面的優點提供了空間，憑借第二控制系統104的搶先控制，第二控制系統104是監控層，它通過使用憑借MPC執行的優選控制，例如憑借第一控制系統102的回應控制，來利用未來流需求日程表的信息。這是本解決方案的第一獨特方面。通過調節水位標記109和改變第一控制系統102的流指令108，層次結構中第二控制系統104的附加監控層將使得能夠通過在預測到未來負載變化時使用可用存儲空間以使網絡過載來進一步充分利用流體網絡系統的容量。
[0026]按照利用關于在客戶114和第三控制系統106中的需求管理系統之間議定的負載日程表的信息來改善瞬時性能的觀點，對第一控制系統的較低位的回應水位調節控制器使用MPC技術來實現第二控制系統104中的監控層是本解決方案的第二獨特方面。
[0027]如先前所討論的，MPC是滾動時域最佳控制技術。在圖2的環境中，這意味著在每個更新時刻之前，對流指令或水位標記107的調節通過求解受限的最優化問題來確定。這在流指令和參考水位107每次將要被更新的時刻發生。在每個時間步長所解的最優化問題包含在第一控制系統102下操作的水渠模型，其包括在未來預測時域上的計劃負載的影響。所述模型使用基于觀察者的狀態估值來初始化，狀態估值提取自沿著水渠的水位和流的測量值。對于每個更新時刻所解的最優化問題包含成本函數以將解決方案導向理想的瞬時特性和水位及流限制，其避免執行器飽和的性能降低影響并形成服務質量和安全操作保障。產生這些保障的能力是本解決方案的第三獨特方面。
[0028]MPC的組成部分是水渠模型和控制器模型，它們支撐了如美國專利號7152001中所描述的第一控制系統的設計。水渠模型是具備良好預測能力的灰箱(一半基于物理一半基于數據)模型。灰箱模型的使用是本解決方案的第四獨特方面。自動化行業的慣例是使用基于步驟反應的黑箱模型。美國專利號7152001第8、9欄所討論的發明的所有功能也可應用于MPC，因為MPC是使用美國專利號7152001中描述的模型和控制器來構建的。
[0029]第二控制系統104的優選模型預測控制器將與美國專利號7152001第6欄所討論的SCADA和計算機環境無縫連接。本申請的圖3示出美國專利號7152001 “圖3”的拷貝，它被擴充，以便包括第二控制系統104的監控層的MPC實現。如圖3所示將MPC配置為監控層的架構是本解決方案的第五獨特方面。圖3使用與美國專利號7152001中圖3相同的附圖標記，對于附圖標記42至54的討論在美國專利號7152001中有完整的描述，不再需要重述。可以看到，第二控制系統104連接到水池建設模塊54、LQR控制器軟件模塊、SCADA模塊44、主數據庫46和第三控制系統106。類似地，第三控制系統106連接到網絡拓撲軟件52、第二控制系統102、主數據庫46和用戶接口 48。相對于美國專利號7152001的流體調節系統，第二和第三控制系統的集成提供了完整的灌溉控制系統。
[0030]術語表
[0031]“黑箱模型”一基于系統單純的輸入和輸出行為而沒有任何實際物理知識的模型。
[0032]“需求”一流體網絡系統上的流負載。
[0033]“灰箱模型”一基于系統的物理和實驗數據的模型。
[0034]“排水渠”——排水水渠。排水渠可以是農戶排水口或將水從主灌溉水渠中排走的二級灌溉水渠。
[0035]“瞬時響應”——控制系統針對其負載或設定點的變化的行為。
[0036]“設定點”——想要的位置/范圍，在其上/中受控變量將保持不變。
[0037]“步驟響應”——步驟響應是當系統輸入在非常短的時間內從O變化至非零值時系統輸出的時間行為。
[0038]本發明將被理解為包含許多進一步的修改，其對于本領域技術人員是顯而易見的，且被認為是屬于本發明的廣泛范圍和環境內，這里僅闡述本發明的廣泛性質，并舉例說明某些具體實施例。
【權利要求】
1.一種通過計算機控制的流體網絡將流體輸送至至少一個客戶的方法，所述流體網絡具有多個調節器，用于控制沿著所述流體網絡的流體流以將預定量的流體輸送至所述至少一個客戶，所述網絡包括用于在計算機控制下打開和關閉所述調節器的第一控制系統、作為監控層的第二控制系統，和與所述第一和第二控制系統交互的第三控制系統，其中所述第一控制系統基于對各調節器上游和下游的液位及各調節器開放位置的定時測量來收集數據，使用數據分析來提供用于預測在調節器之間的各液位的各模型，所述第二控制系統與所述第一控制系統交互，以基于限制條件和未來流負載對由所述第一控制系統對所述調節器的控制提供調整，所述第三控制系統處理來自所述至少一個客戶的流體輸送需求，以基于所述流體網絡的水力容量來提供流負載輸送日程表。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述第二控制系統使用模型預測控制來提供搶先控制。
3.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述第一控制系統包括SCADA接口，它收集所述數據，用于通過使用基于系統識別技術的管道網絡模型來校準和持續微調計算機控制的流體網絡。
4.一種用于通過計算機控制的流體網絡將流體輸送至至少一個客戶的輸送系統，所述流體網絡具有多個調節器，用于控制沿著所述流體網絡的流體流以將預定量的流體輸送至所述至少一個客戶，所述網絡包括用于在計算機控制下打開和關閉所述調節器的第一控制系統、作為監控層的第二控制系統，和與所述第一和第二控制系統交互的第三控制系統，其中所述第一控制系統基于對各調節器上游和下游的液位及各調節器開放位置的定時測量來收集數據，所述第一控制系統適配為使用數據分析來提供用于預測在調節器之間的各液位的各模型，所述第二控制系統與所述第一控制系統交互，以基于限制條件和未來流負載對由所述第一控制系統對所述調節器的控制提供調整，所述第三控制系統處理來自所述至少一個客戶的流體輸送需求，以基于所述流體網絡的水力容量來提供流負載輸送日程表。
5.如權利要求4所述的輸送系統，其中，所述第二控制系統使用模型預測控制來提供搶先控制。
6.如權利要求4或5所述的輸送系統，其中，所述第一控制系統包括SCADA接口，它收集所述數據，用于通過使用基于系統識別技術的管道網絡模型來校準和持續微調計算機控制的流體網絡。
7.—種通過計算機控制的流體網絡將流體輸送至至少一個客戶的方法，所述流體網絡具有多個調節器，用于控制沿著所述流體網絡的流體流以將預定量的流體輸送至所述至少一個客戶，所述網絡包括用于在計算機控制下打開和關閉所述調節器的第一控制系統和作為監控層的第二控制系統，其中所述第一控制系統基于對各調節器上游和下游的液位及各調節器開放位置的定時測量來收集數據，使用數據分析來提供用于預測在調節器之間的各液位的各模型，所述第二控制系統與所述第一控制系統交互，以基于限制條件和未來流負載對由所述第一控制系統對所述調節器的控制提供調整。
8.如權利要求7所述的方法，還包括與所述第一和第二控制系統交互的第三控制系統，所述第三控制系統處理來自所述至少一個客戶的流體輸送需求，以基于所述流體網絡的水力容量來提供流負載輸送日程表。
9.一種用于通過計算機控制的流體網絡將流體輸送至至少一個客戶的輸送系統，所述流體網絡具有多個調節器，用于控制沿著所述流體網絡的流體流以將預定量的流體輸送至所述至少一個客戶，所述網絡包括用于在計算機控制下打開和關閉所述調節器的第一控制系統和作為監控層的第二控制系統，其中所述第一控制系統基于對各調節器上游和下游的液位及各調節器開放位置的定時測量來收集數據，所述第一控制系統適配為使用數據分析來提供用于預測在調節器之間的各液位的各模型，所述第二控制系統與所述第一控制系統交互，以基于限制條件和未來流負載對由所述第一控制系統對所述調節器的控制提供調難iF.0
10.如權利要求9所述的輸送系統，還包括與第一和第二控制系統交互的第三控制系統，所述第三控制系統處理來自所述至少一個客戶的流體輸送需求，以基于所述流體網絡的水力容量來提供流負載輸送日程表。
【文檔編號】E03B11/00GK104321705SQ201380024825
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2013年4月5日 優先權日:2012年4月5日
【發明者】S.喬伊, M.W.坎托尼, P.M.道爾, M.P.卡尼 申請人:魯比康研究有限公司, 墨爾本大學