發(fā)布時(shí)間：2017-12-08 12:02

  本文關(guān)鍵詞：管線流動(dòng)最優(yōu)控制計(jì)算研究

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【摘要】：近年來,各種管道流體運(yùn)輸系統(tǒng)(石油化工管道、城市排水管道、自來水管道等)在人類生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著越來越重要的作用,相比與其它運(yùn)輸系統(tǒng),它具有高效、安全、經(jīng)濟(jì)等多方面優(yōu)勢(shì)。同時(shí),管道所運(yùn)輸?shù)牧黧w能源通常是決定經(jīng)濟(jì)安全的關(guān)鍵因素之一,直接關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)安全和人民生產(chǎn)生活。在管道運(yùn)行過程中,突然停泵等原因時(shí)常引起水錘效應(yīng)。此故障產(chǎn)生巨大的壓力波,引發(fā)管道流體系統(tǒng)大面積的癱瘓,對(duì)管道流體安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。本文從Saint-Venant方程出發(fā),采用控制序列參數(shù)化方法,研究管道水錘抑制的優(yōu)化與控制問題。主要內(nèi)容和研究成果包括以下三個(gè)方面:1.當(dāng)流體在管道中突然停止或改變方向時(shí),管內(nèi)的壓力會(huì)大幅度地增加而產(chǎn)生壓力波。這個(gè)現(xiàn)象叫做水錘效應(yīng),會(huì)對(duì)管道造成重大損害甚至是崩潰。因此,我們提出一個(gè)在閥門關(guān)閉過程中減輕水錘效應(yīng)的最優(yōu)邊界控制問題。管道流體的流動(dòng)方程用一組非線性雙曲偏微分方程(Partial Differential Equation,PDE)描述,管道末端的閥門一一邊界執(zhí)行器代表著系統(tǒng)實(shí)際的物理控制量。為了解決此邊界控制問題,我們首先對(duì)原始PDE系統(tǒng)采用半離散方法來得到一個(gè)有限維的常微分方程(Ordinary Differential Equation,ODE)。至于邊界控制器的設(shè)計(jì),我們采用控制變量參數(shù)化方法來獲得一個(gè)近似最優(yōu)參數(shù)選擇問題。該問題可以使用非線性優(yōu)化技術(shù)解決,比如序列二次規(guī)劃法(Sequential Quadratic Programming,SQP)方法。最后,我們用仿真結(jié)果來展示此最優(yōu)邊界控制策略對(duì)水錘抑制的可行性和有效性。2.針對(duì)閥門關(guān)閉過程中水錘抑制的問題,提出一種基于控制變量參數(shù)化方法的直接PDE優(yōu)化的方法。為了解決此最優(yōu)邊界控制問題,我們用控制變量參數(shù)化方法來近似時(shí)變的邊界控制曲線,且此控制曲線是由含有控制參數(shù)集的線性基函數(shù)組成。然后,針對(duì)這些控制參數(shù),我們利用變分原理推導(dǎo)出目標(biāo)函數(shù)的梯度公式。這些梯度公式取決于狀態(tài)方程及另一個(gè)輔助PDE的解,此輔助方程叫做協(xié)態(tài)方程。狀態(tài)方程和協(xié)態(tài)方程都可使用半離散方法數(shù)值求解。根據(jù)獲得的梯度公式,我們提出一個(gè)基于梯度的優(yōu)化方法求解最優(yōu)邊界控制問題。數(shù)值結(jié)果表明最優(yōu)邊界控制具有顯著降低壓力波動(dòng)的能力。3.針對(duì)Saint-Venant PDEs這類分布參數(shù)系統(tǒng),我們提出了 一種新的基于時(shí)間尺度變換方法的計(jì)算最優(yōu)控制方法。此新方法可以直接將Saint-Venant PDEs這類分布參數(shù)系統(tǒng)的均等控制子時(shí)間區(qū)間變換成非均勻的。在時(shí)間尺度變換方法處理后,半離散方法就可數(shù)值求解Saint-Venant PDEs和相應(yīng)的協(xié)態(tài)PDEs。最后,我們比較了時(shí)間尺度變換和無時(shí)間尺度變換這兩種方法的控制效果,仿真結(jié)果充分驗(yàn)證了所提算法的可行性和有效性。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O232

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本文編號(hào)：1266285