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水 利 学 报

２０２３年 ２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０２ － ０２３２ － １２

灌区输配水分段积分时滞模型及自适应预测控制方法

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刘晋龙 １，４ ，王忠静 １，２，３ ，杨志刚 ，张 腾 ，朱现坡 １
（１．清华大学 水利水电工程系，北京 １０００８４；２．清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 １０００８４；
３．宁夏大学 西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 ７５００２１；
４．北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 １０００８２）

摘要：大型灌区渠道长、流量大、取水口多且分散，积分时滞模型（ＩＤ）适用性不强、参数不易率定；以水联网灌
区的实时观测体系为基础，研究各取水口流量变化传播的时滞差异、非回水区蓄水量变化对回水区水位的影响，
提出分段积分时滞模型（ ＳＩＤ），建立在线自适应预测控制（ＡＰＣ）算法，在宁夏西干渠百万亩灌区调试验证。结果
显示，基于 ＩＤ的线性二次型控制（ＬＱ）和模型预测控制（ＭＰＣ）在水位目标不变时，可稳定水位，但超调量大，在
水位目标显著增加时，控制失效；基于 ＳＩＤ的模型预测控制（ＭＰＣ）和自适应预测控制（ＡＰＣ）可将超调量控制在较
小范围以内，且 ＡＰＣ误差更小、控制效果更优。
关键词：水联网；灌区；输配水系统；渠系自动控制；分段积分时滞模型；自适应控制
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２００６８
中图分类号：Ｓ２７５．２；ＴＶ９１

１ 研究背景

截至 ２０１９年，我国耕地灌溉面积 １０．３亿亩，居世界首位，３０万亩以上的大型灌区 ４６０处 ［１］ ，灌
区建设成就显著。然而，我国灌区仍旧面临诸多挑战，包括人多水少的水资源短缺形势依旧严峻，降
水不确定性增加与极端天气频发，地下水利用不合理，输水渠道长、用水户多、配水难度大、管理水
［５］
平低下等等 ［２ － ４］ 。２０２０年，全国农业用水占比 ６２．１％，而农田灌溉水有效利用系数仅为 ０．５６５ ，与水
资源高效利用目标差距明显。
水资源管理是以实现水资源的持续开发和永续利用为最终目标，利用法律、行政、经济与技术等
各类手段，开发水利并防治水害的系列措施，其中，水资源优化配置与调度离不开基于水循环过程规
律，对水流进行的监测、模拟、预测和控制等过程 ［６ － ９］ 。灌区水流过程呈现动态、关联、预期和不确
定性等特征，以 “实时感知、水信互联、过程跟踪、智能处理” 为技术标志的水联网理论，通过对水
资源系统全局风险控制和效益优化实现水资源高效利用。灌区输配水系统自动控制作为水联网管理链
路的重要环节，其控制水平对实现精量灌溉和优质服务至关重要 ［１０］ 。
输水渠道系统中各控制结构的动作互相关联，耦合性强，多输入多输出控制算法是其自动控制研
究的重点，主要有线性二次型（ ＬｉｎｅａｒＱｕａｄｒａｔｉｃ，ＬＱ）控制算法 ［１１ － １４］ 和模型预测控制（ＭｏｄｅｌＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅ
Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＭＰＣ）算法 ［１５ － １８］ ，两者均采用离散型状态空间方程形式的系统模型，通过建立二次型指标进
行优化求解。其主要区别在于 ＭＰＣ可将预测时域的已知扰动纳入系统模型，并针对整个预测时域进
行优化，属于前馈反馈耦合控制，算法性能一般优于仅含反馈的 ＬＱ控制，但设计与求解复杂，大型

收稿日期：２０２２ － ０１ － ２７；网络出版日期：２０２３ － ０２ － １４
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２１３．２０５５．００３．ｈｔｍｌ
基金项目：宁夏重点研发计划项目（２０２０ＢＣＦ０１００２）；国家重点研发计划项目（２０２１ＹＦＤ１９００６００）；青海省重大科技专项（２０１９ － ＳＦ － Ａ４）
作者简介：刘晋龙（ １９９５ － ），博士生，主要从事水资源管理研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｉｕｊｌ１６＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｏｒｇ．ｃｎ
通讯作者：王忠静（１９６３ － ），教授，主要从事水资源规划与管理研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｊ．ｗａｎｇ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
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