بخشی از مقاله
خلاصه
محدوديت منابع آب و ضعف عملكرد شبكه هاي آبياري، استفاده بهينه از منابع موجود را با بكارگيري فنآوريهاي كنترلي مناسبتر ضروري ميسازد. در اين تحقيق، خودكارسازي سرريز لولايي با استفاده از الگوريتم فازي صورت پذيرفت، سامانه كنترل خودكار سرريز لولايي در مقياس آزمايشگاهي ساخته شد و براي بررسي سامانه گزينه هاي مختلف تغييرات ناگهاني جريان اجرا شد. نتايج حاصله نشان ميدهد كه بيشترين مقدار براي شاخصهاي MAE و IAE به ترتيب ٢/٩ و ٨٢/٠ درصد بوده و اين انحرافات طي زمان كوتاهي - كمتر از ٢ دقيقه - اصلاح شده است. با در نظر گرفتن اين مقادير و با توجه به شدت تغييرات دبي، عملكرد سامانه كنترل خودكار فازي در كنترل سطح آب مطلوب ارزيابي ميشود.
كلمات كليدي: سيستم كنترل فازي، كانالهاي آبياري، كنترل بالادست، سرريز لولايي، سامانه كنترل خودكار
١. مقدمه
عملكرد ضعيف شبكههاي آبياري و تأثير آن در كاهش بهره وري آب در بخش كشاورزي ضرورت ارائه روشهاي مؤثر در بهره برداري مناسب از شبكه هاي آبياري را ايجاد نموده است . - Gomez et al., 2002 - به منظور افزايش راندمان بهرهبرداري، كاهش تلفات آب در سيستمهاي انتقال و توزيع، تأمين انعطافپذيري بالاتر و بهبود روشهاي تحويل و توزيع، استفاده از سيستمهاي كنترل خودكار در شبكه هاي آبياري به عنوان يك راهحل مهم و موثر در بين كارشناسان آبياري مطرح شده است . - Stamm, 1973 - يك سيست م كنترل كانال شامل دو بخش محاسبه ميزان تنظيمات سازه ها - الگوريتم سيستم كنترل - و اعمال تنظيمات محاسبه شده بر روي سازهها - سختافزار سيستم كنترل - ميباشد. موفقيت يك سيستم كنترل به توانايي الگوريتم كنترل در تنظيم عامل تحت كنترل در محدوده مورد نظر بستگي دارد.
با توجه به اهميت و مزاياي سيستمهاي كنترل خودكار در مديريت و بهرهوري بهينه از آب در شبكهها و توسعه سيستمهاي الكترونيك و الكترومكانيك در چند دهه اخير سعي بر اين بوده است كه سيستم كنترلي ارائه گردد كه بتواند به بهترين نحو مديريت بهرهبرداري از شبكه را بعهده گيرد . - Loof et al, 1994 - از اين رو تكنيكها و الگوريتمهاي زيادي ابداع گرديدهاند كه هر كدام از اين الگوريتمها روش و منطق خاصي را براي كنترل شبكه در نظر گرفتهاند. بررسي سير تكاملي الگوريتمهاي كنترل نشان مي-دهد كه عليرغم پيشرفت تكنيكها و الگوريتمهاي كنترل، به دليل وجود برخي از مشكلات نظير نياز سيستم هاي كنترل ابداع شده به امكانات سخت-افزاري پيچيده، خطا در جمع آوري داده ها از سطح شبكه، عدم قطعيت در برآورد زمان انتقال، ميزان دبي، تقاضاي واقعي و پيش بيني شده و همچنين پيچيدگي روابط رياضي حاكم بر سيستمهاي كنترل در شبكهها، عملكرد برخي از الگوريتمهاي كنترل كاملاً موفقيتآميز نبوده و ابداع الگوريتمهاي جديد همچنان موضوع تحقيق محققان اين رشته ميباشد.
استفاده از تكنيك فازي با توجه به خصوصيات آن مي تواند به عنوان يك كنترل كننده توانا، بخش عمدهاي از نواقص ذكر شده را برطرف سازد - منعم و كياپاشا، ١٣٨٨ - . از خصوصيات مهم اين تئوري توانايي كنترل فرايندهايي است كه داراي روابط رياضي پيچيده ميباشند. همچنين اين تكنيك اغتشاش در متغيرهاي ورودي و خروجي كنترل و فرايند محاسبات را در نظر ميگيرد و مسئله عدم قطعيت را در نظر ميگيرد. مزيت ديگر اين سيستم كنترل، هزينه ي كمتر قطعات الكترونيكي بكار رفته در اين روش در مقايسه با سيستمهاي كنترل خودكار كلاسيك است.وظيفه كنترل كننده خودكار سيستم كانال، كنترل و باز گرداندن يك كميت خاص از جريان به مقدار ايدهال است. اغلب به دليل سهولت اندازهگيري سطوح آب در كانالهاي آّبياري، از اين پارامتر جهت كنترل استفاده ميشود . - Malaterre, 1998 -
طبق روابط هيدروليكي حاكم برسازه هاي روگذر، تغييرات ارتفاع آب با تغيير دبي در اين سازهها به مراتب كمتر از سازههاي زير گذر است، بنابراين سازههاي روگذر به عنوان سازه كنترل سطح آب مناسبترند. يكي از سازههايي كهاخيراً به طور گستردهاي جهت كنترل سطح آب در كانال هاي آبياري به كار گرفته ميشود، سازه سرريز لولايي است. اين سازه سرريزي است كه در كف لولا شده و زاويه آن با كف قابلتنظيم است . - Wahlin and Replogle ,1994 - دليل توسعه سرريز هاي لولايي، آساني در بهره برداري، سادگي طراحي، روگذر بودن جريان و توانايي سرريزها در ثابت نگه داشتن عمق آب در شرايط مختلف و خودكارسازي آسان آن است.
عمده اقدامات صورت گرفته در مورد سامانه كنترل خودكار فازي به صورت مدلهاي رياضي بوده و مدل رياضي كنترل فازي براي كنترل سازههاي آببند در كانالهاي آبياري توسعه يافته است - منعم و كياپاشا، ١٣٨٨، - اما بخصوص در ايران تا كنون اين سامانه عملاً مورد آزمون وارزيابي قرار نگرفته است. به منظور كاربرد عملي اين سامانه در كانالهاي آبياري لازم است ابتدا سامانه مورد نظر ساخته شده و به صورت نمونه آزمايشگاهي مورد بررسي قرار گيرد تا پس از تاييد عملكرد آزمايشگاهي، بتوان كاربرد آن در كانالهاي آبياري را توسعه داد . در اين تحقيق، خودكارسازي سرريز لولايي - - Pivot Weir با استفاده از الگوريتم فازي صورت پذيرفت، سامانه كنترل خودكار سرريز لولايي در مقياس آزمايشگاهي ساخته شد و عملكرد آن تحت شرايط مختلف مورد ارزيابي قرار گرفت.
٢. مواد و روشها
٢.١. مشخصات سيستم كنترل فازي توسعه يافته
سيستم هاي كنترل جريان در شبكه هاي آبياري، با استفاده از دو بخش سختافزاري - تجهيزات - و نرمافزاري - الگوريتم يا منطق كنترل - به كنترل جريان ميپردازند. اين سيستمها با استفاده از اطلاعات كسب شده در سطح شبكه و تجزيه و تحليل آنها طبق منطق كنترل، سازه هاي موجود را تنظيم مي نمايند. ساختار اصلي هر سيستم كنترل بوسيله متغيرهاي سيستم كنترل، ساختار ورودي و خروجي و نوع كنترل كننده مشخص ميشود.در هر سيستم كنترل سه نوع متغير كنترل شونده - مورد كنترل - ، متغير اندازهگيري شونده و متغير خروجي عمل كنترل وجود دارد. با توجه به آنكه در شبكههاي آبياري غالباً هدف استفاده از سيستم كنترل تنظيم رقوم سطح آب ميباشد، در سيستم كنترل تدوين شده عمق جريان در بالادست سازه تنظيم به عنوان متغير مورد كنترل در نظر گرفته شد. تنظيم عمق جريان در كانالهاي آبياري نيازمند آگاهي از ميزان تنظيم سازه كنترل و عمق آب موجود در كانال است.
بنابراين دو متغير رقوم سطح آب و زاويه سرريز به عنوان متغيرهاي مورد اندازه گيري انتخاب شدند. در شبكه هاي آبييار معمولاً پس از مشاهده عمق موجود و ميزان تنظيم سازه ها ي آببند با تغيير تنظيمات سازههاي آببند، عمق جريان كنترل ميشود. لذا در سيستم كنترل فازي تدوين شده ميزان تغيير در زاويه سرريز به عنوان متغير خروجي عمل كنترل در نظر گرفته شده است. اين متغير توسط الگوريتم فازي كنترل كننده با توجه به مقدار متغير هاي اندازه گيري شونده - رقوم سطح آب و زاويه سرريز - به نحوي تعيين ميشود كه متغير مورد كنترل - رقوم سطح آب در كانال - را در رقوم هدف تثبيت نمايد. همچنين ساختار ورودي و خروجي اين سيستم كنترل با دو متغير ورودي و يك متغير خروجي به صورت 2ISO ميباشد. نوع سيستم كنترل در كنترلكننده فازي تهيه شده از نوع پسخورد در نظر گرفته شده است.
٢.٢. ساختار كنترلكننده فازي
ساختار كنترلكننده تدوين شده در اين تحقيق مانند ساختار معمول ساير كنترلكننده هاي فازي داراي سه بخش اصلي شامل فازي سازورودي، موتور استنتاج و غيرفازيساز خروجي ميباشد.يك فازي ساز نگاشتي است كه مقادير قطعي متغيرهاي ورودي را به مجموعه هاي فازي تبديل مي نمايد. در سيستم كنترل فازي طراحي شده فازي ساز ورودي از نوع منفرد انتخاب شد. انتخاب اين فازيساز سبب ساده سازي روند محاسبات در موتور استنتاج مي گردد. در تئوري فازي انواع مختلفي از موتورهاي استنتاج با خواص گوناگون وجود دارد . يكي از انواع موتورهاي استنتاج كه در سيستمهاي فازي به وفور مورد استفاده قرار مي گيرد موتور استنتاج حاصلضرب ميباشد. اين موتور استنتاج يكي از كاربرديترين موتورهاي استنتاج در سيستم هاي فازي بوده و مهمترين مزيت آن سهولت محاسباتي آن ميباشد كه در اين تحقيق از آن استفاده شده است - تشنهلب و همكاران، ١٣٧٨ - .غيرفازي سازها نگاشت هايي مي باشند كه مجموعه فازي خروجي موتور استنتاج كنترل كننده فازي را به يك مقدار قطعي مينگارند. در اين تحقيق از غيرفازي ساز ميانگين مراكز كه يكي از رايجترين غيرفازي سازهاي مورد استفاده در سيستمهاي فازي ميباشد، استفاده شده است.
٢.٣. استخراج پايگاه قواعد فازي
پايگاه قواعد فازي بخش اصلي كنترلكننده فازي مي باشد كه دستورهاي خروجي از كنترل كننده بوسيله آن توليد ميشود. براي استخراج پايگاه قواعد دو روش وجود دارد. در روش اول با استفاده از مدل فيزيكي مجهز به سيستم كنترل دستي، به ازاي تنظيم دبيهاي مختلف و عمقهاي متفاوت جريان در كانال، ميزان تغيير در بازشدگي سازه تنظيم به گونهاي تعيين ميشود كه عمق جريان در عمق هدف تثبيت گردد. در روش دوم با استفاده از مدل رياضي و شبيهسازي جريان پايگاه قواعد فازي استخراج ميگردد. استفاده از روش دوم كم هزينه بوده و در زماني كوتاه انجام ميشود. لذا در اين تحقيق از روش دوم براي استخراج پايگاه قواعد استفاده شده است.
مراحل طي شده براي استخراج پايگاه قواعد فازي به اين شرح ميباشد: متغير ورودي اول كه زاويه سرريز است در دامنه تغيير اين متغير به شش مجموعه فازي تقسيم شده است. دومين متغير ورودي اختلاف رقوم سطح آب با رقوم هدف است كه به دليل مثبت و منفي بودن آن علاوه بر يك مجموعه به مركز صفر، به چهارده مجموعه مثبت و چهارده مجموعه في،من جمعاً بيستونه مجموعه در محدوده ي محتمل تقسيم شده است. مدل رياضي فلوم و سازه آببند با امكان بهرهبرداري دستي تهيه شده است. زاويه اوليه سرريز در هر يك از مراكز مجموعه هاي شش گانه تنظيم شده است . با تنظيم جريان در كانال عمق آب در بالادست سازه در عمق هدف تنظيم شده است.
سپس با اعمال چهارده تغيير افزايشي و چهارده تغيير كاهشي در زاويه سرريز، ميزان تغيير حاصله در رقوم سطح جريان در محدوده دامنه متغير دوم ثبت شده است. مقادير استخراج شده براي تغييرات رقوم جريان، مراكز مجموعه هاي فازي مربوط به متغير ورودي دوم را نشان ميدهند. اين فرآيند براي هر يك از شش مركز مجموعه هاي زاويه سرريز تكرار شده است. بدين ترتيب براي شش مجموعه متغير اول با اعمال بيستونه تغيير در ميزان زاويه، كه نشاندهنده متغير مورد نظر در بخش آنگاه قواعد فازي است، بيستونه مجموعه فازي در دامنه متغير ورودي دوم استخراج ميگردد، كه مجموعاً ١٧٤ قاعده فازي استخراج شده است. قوانين موجود در پايگاه قواعدسيستم كنترل تدوين شده با توجه به متغيرهاي ورودي و خروجي به صورت زير بدست آمده است:
٢.٤. روابط كنترلي سيستم كنترل فازي
روابط كنترلي در كنترل كننده فازي با ادغام نمودن نگاشتهاي فازي ساز ورودي، موتور استنتاج و غيرفازي ساز خروجي استخراج ميگردد. در كنترل كننده فازي طراحي شده فازي ساز ورودي از نوع منفرد و تابع تعلق پايگاه قواعد فازي از نوع مثلثي ميباشد. استخراج رابطه كنترلي در اين حالت با استفاده از رابطه نگاشت فازي ساز منفرد، موتور استنتاج حاصلضرب، غيرفازي ساز ميانگين مراكز و ادغام نمودن اين نگاشتها انجام ميشود. رابطه كنترلي حاصله در اين حالت بصورت رابطه ١ ميباشد:
