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专利号: 202411975632X
申请人: 河北工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种积分时滞零点模型参数辨识与水位滚动模拟方法,其特征在于,包括:基于圣维南方程组构建河道一维水动力模型;所述河道一维水动力模型用于模型曼宁系数率定、工况设计以及工况稳定运行状态获取;

当所述河道一维水动力模型处于稳定运行状态时,对稳定运行的水动力模型施加一个流量阶跃进行参数辨识,得到不同工况下的关键参数;

利用多变量拟合方法对各所述关键参数进行拟合,确定参数函数关系;

基于所述参数函数关系,引入积分时滞零点模型的时域表达式,计算相邻时刻的水位差;

根据设定的上下游流量、河道初始水位以及所述相邻时刻的水位差进行河道水位的滚动模拟;

对于多变量拟合方法,包括:积分时滞模型参数自适应函数关系拟合;

其中,积分时滞模型参数自适应函数关系拟合为对详细的参数辨识结果进行拟合,具体为:对详细的参数辨识结果进行拟合进行多变量拟合;

对于不同工况下的积分时滞零点模型的参数进行双变量关系拟合;所述双变量包括稳定水位和初始流量;拟合函数关系式如下:关系式1: ;

关系式2: ;

关系式3: ;

关系式4: ;

其中:x是下游稳定水位,m;y是初始流量,m³/s;

对于积分时滞零点模型时域函数引入,包括:

利用积分时滞零点模型的时域表达式计算水位差,并进行迭代计算水位;

引入积分时滞零点模型的时域表达式:

其中, 为模型输出量,是下游水深值相对于稳态值的偏差,m; 为河道上游入流流量相对于稳态值的变化量,m³/s; 为河道下游出流流量相对于稳态值的变化量,m³/s;

为回水区面积,㎡;为时滞时间,s; 和 常数系数;

通过四个特征参数,算出相邻时刻的水位差,将某一时刻的上游时滞流量减去出库流量,将当前上游流量和初始时刻的水位进行内插计算四个特征参数,将特征参数带入时域表达式中,计算水位差,拿上一时刻的水位加上水位差,得到当前时刻的水位。

2.根据权利要求1所述的积分时滞零点模型参数辨识与水位滚动模拟方法,其特征在于,所述河道一维水动力模型的表达式为:,

其中,B为过水断面表面宽度,单位为m;Z为水位,单位为m;t为时间,单位为s;Q为流量,单位为m³/s;x为沿主流向的渠道纵向距离,单位为m;α为动量校正系数;A为过水面积,单位为m²;g为重力加速度,单位为m/s²;Sf为摩阻比降;q为单位长度河道的侧向水量,正值表示2

流入,负值表示流出,零值表示无侧向交换,单位m/s。

3.根据权利要求1所述的积分时滞零点模型参数辨识与水位滚动模拟方法,其特征在于,所述模型曼宁系数率定的过程包括:利用粒子群优化算法对模型的曼宁系数进行自动率定,并以模型仿真结果与观测数据之间的误差最小作为目标函数进行迭代;所述目标函数具体为:,

其中: 为以误差最小为目标的目标函数;N表示观测数据的数量; 为模型仿真结果; 为观测数据;i表示第i个数据。

4.根据权利要求1所述的积分时滞零点模型参数辨识与水位滚动模拟方法,其特征在于,所述工况设计的过程包括:基于历史流量和水位数据进行参数分析,确定历史运行的区间范围,并根据所述历史运行的区间范围从低到高依次设置不同的工况。

5.根据权利要求1所述的积分时滞零点模型参数辨识与水位滚动模拟方法,其特征在于,所述工况稳定运行状态获取的过程包括:基于曼宁系数率定后的模型,对不同工况设置固定的上游流量,通过调节输出保持下游水位的稳定状态,得到不同工况下的稳定运行状态。

6.根据权利要求1所述的积分时滞零点模型参数辨识与水位滚动模拟方法,其特征在于,当所述河道一维水动力模型处于稳定运行状态时,对稳定运行的水动力模型施加一个流量阶跃进行参数辨识,得到不同工况下的关键参数,具体包括:在稳定运行状态下,对稳定运行的水动力模型施加一个流量阶跃,利用所述河道一维水动力模型计算下游的水位变化,并根据水位变化的模拟结果进行特性参数识别,得到不同工况下的关键参数;

其中,所述水位变化的模拟结果中包括回水区面积;所述回水区面积的计算为:设定滞后时间 、高频响应 和 ,并根据公式 计算回水区面积;所述滞后时间 为下游水位变化的时刻与上游流量脉冲扰动发生的时刻之间的时间间隔,所述高频响应 和为处理瞬时突变所带来的高频响应,由稳定运行的水动力模型给出不同工况下的常数;

所述回水区面积的计算公式为:

其中, 为施加上游流量阶跃后水位变化量,m³/s; 为变化持续时间,s; 为水位3

变化斜率,m/s; 为流量阶跃量,m/s。

7.根据权利要求6所述的积分时滞零点模型参数辨识与水位滚动模拟方法,其特征在于,所述在稳定运行状态下的参数设定包括:向上游固定给予5%的阶跃,下游输出固定不变,输出结果步长设定为1min。