بخشی از مقاله
خلاصه
عملکرد ضعیف شبکههای آبیاری و ضعف بهرهوری آب در بخش کشاورزی ضرورت ارائه روشهای مؤثر در بهرهبرداری بهینه از شبکههای آبیاری را ایجاد نموده است. بهمنظور ارتقاء عملکرد شبکهها، تأمین انعطافپذیری بالاتر و بهبود روشهای تحویل و توزیع، کارشناسان آبیاری استفاده از سیستمهای کنترل خودکار در شبکههای آبیاری را مطرح کردهاند. در این تحقیق، مدل ریاضی سرریز لولایی خودکار با منطق PID بهصورت تلفیقی با مدل هیدرودینامیک ICSS، جهت کنترل بالادست سطح آب در کانالهای آبیاری تهیه شد. مدل تهیهشده تحت گزینه تغییرات شدید بر روی کانال E1 - R1 از شبکه دز مورد آزمون قرار گرفت که نتایج حاصله نشان داد که حداکثر خطا % 6/1 بوده که از لحاظ کابردی مناسب است و این انحراف طی زمان کوتاهی - حدود چند دقیقه - اصلاح شده است.
1. مقدمه
هدف اصلی در شبکههای آبیاری ایجاد انعطافپذیری در تحویل آب از نظر زمانی، مقدار، تناوب و طول دوره آبیاری میباشد. در گذشته تنظیم یک سیستم تحویل آب به صورت دستی صورت میپذیرفت، اما شناخت رفتار تغییرات پیشبینیشده و لحاظکردن تغییرات پیشبینینشده و خطاهای اندازهگیری با استفاده از سیستمهای کنترل دستی امری پیچیده و زمانبر میباشد - . - 1 بنابراین بهمنظور افزایش راندمان بهرهبرداری، کاهش تلفات آب در سیستمهای انتقال و توزیع، تأمین انعطافپذیری بالاتر و بهبود روشهای تحویل و توزیع، استفاده از سیستمهای کنترل خودکار در شبکههای آبیاری بهعنوان یک راهحل استراتژیک در بین کارشناسان آبیاری مطرح شده است - . - 2
یک سیستم کنترل شامل دو بخش محاسبه میزان تنظیمات سازهها - الگوریتم سیستم کنترل - و اعمال تنظیمات محاسبهشده بر روی سازهها - سخت افزار سیستم کنترل - میباشد. موفقیت یک سیستم کنترل به توانایی الگوریتم کنترل در تنظیم عامل تحتکنترل در محدوده موردنظر بستگی دارد. یکی از الگوریتمهای مناسب و بسیار متداول در صنعت که در سیستمهای هیدرولیکی خودکارکانالهای آبیاری کاربرد دارد، الگوریتم PID - Proportional - Integral - Derivative - است. از آنجا که تاکنون در ایران خودکارسازی سرریز لولایی صورت نگرفته است، بنابراین در این تحقیق سعی شد که از الگوریتم PID که منطق آن شناختهشدهتر و سادهتر است، استفاده گردد.
مهمترین وظیفه سامانه کنترل در کانالهای آبیاری این است که آببندها ارتفاع آب را در یک عمق ثابت تنظیم کنند تا آبگیرهای جانبی بدون توجه به میزان دبی عبوری از کانال، آب موردنیاز خود را دریافت کنند. طبق روابط هیدرولیکی حاکم بر سازههای روگذر، تغییرات ارتفاع آب با تغییر دبی در این سازهها به مراتب کمتر از سازههای زیرگذر است. بنابراین سازههای روگذر به عنوان سازه کنترل سطح آب مناسبترند.
یکی از سازههایی که اخیرا بهطور گستردهای جهت کنترل سطح آب در کانالهای آبیاری به کار گرفته میشود، سازه سرریز لولایی است. این سازه سرریزی است که در کف لولا شده و زاویه آن با کف قابلتنظیم است - . - 3 دلیل توسعه سرریزهای لولایی، آسانی در بهرهبرداری، سادگی طراحی، روگذر بودن جریان و توانایی سرریزها در ثابت نگهداشتن عمق آب در شرایط مختلف و اتوماسیون آسان آن است. شکل 1 نمایی از یک سرریز لولایی را نشان میدهد.
نمایی از سرریز لولایی
اولین آزمایشات انجامشده در زمینه سرریزهای لولایی از سوی موسسه USBR در سال 1948 صورت گرفت. با استفاده از دادههای این آزمایشات مقدار دبی برای جریان آزاد با خطای 0/45 درصد و انحراف معیار 0/99درصد بیش از مقدار واقعی برآورد گردید - . - 4 واهلین1 و ریپلاگل2 با انجام آزمایشات بر روی سرریز لولایی نشان دادند که خطای روابط ارائهشده برای شرایط آزاد 6/4 درصد و برای شرایط مستغرق تا 10 درصد نیز میباشد . - 3 - همچنین در کانال اصلی Haughtan در یک شبکه آبیاری در استرالیا از سازههای سرریز لولایی و دریچههای روزنهای جهت کنترل سطح آب استفاده میشود. سازههای سررریز لولایی به صورت آزاد و مستغرق مورد بهرهبرداری قرار میگیرند که عملکرد مطلوبی داشتهاند - . - 5
از طرف دیگر، چون پیادهسازی سیستمهای کنترل بر روی مدل فیزیکی هزینهبر و وقتگیر است، تهیه مدل ریاضی این سیستمها میتواند یک روش بهینه و کارا جهت بررسی عملکرد این سیستمهای کنترل باشد. علاوه بر این به دلیل ماهیت غیرماندگار جریان در طول بهرهبرداری، بررسی عملکرد این سیستمها به تنهایی امکانپذیر نبوده و میبایست این سیستمها به صورت تلفیقی با مدلهای هیدرودینامیک مورد ارزیابی قرار گیرند.
یکی از مدلهای هیدرودینامیکی که میتواند شرایط هیدرولیکی و هیدرولوژیکی یک شبکه کانال آبیاری را به خوبی شبیهسازی کند، مدل ICSS است. مدل ICSS قادر است جریان ماندگار و غیرماندگار را برای شرایط مختلف بهرهبرداری از کانالهای آبیاری با انواع شکل مقطع کانال همراه با طیف قابلتوجهی از سازهها توأم با جریانات گسترده ورودی و خروجی شبیهسازی کند - . - 6 در این تحقیق، ابتدا سیستم کنترل سازه سرریز لولایی با الگوریتم PID تهیه گردید و سپس با مدل هیدرودینامیک ICSS تلفیق گردید. در نهایت جهت ارزیابی، مدل تهیه شده بر روی کانال E1 - R1 از شبکه دز مورد آزمون قرار گرفت.
.2 مواد و روشها
• الگوریتم PID
در کنترل PID سعی در حداقلکردن خطای بین متغیر اندازهگیریشده و مقدار هدف است. مقدار تناسبی - Proportional - متناسب با میزان انحراف عمق از محدوده مجاز، مقدار انتگرالی - Integral - متناسب با میزان تجمعی انحراف عمق از محدوده مجاز در طول دوره بهرهبرداری و مقدار دیفرانسیلی - Derivative - متناسب با نرخ تغییرات عمق آب میزان تنظیم سازه را تعیین میکنند که مجموعه آنها بهصورت رابطه - 1 - میزان تنظیم سازه را مشخص میکند.
که در آن u - t - میزان تنظیم سازه ، Kp ، Ki و Kd به ترتیب ضرایب تناسبی، انتگرالی، دیفرانسیلی، e - t - میزان انحراف متغیر کنترل - عمق جریان - از مقدارهدف، t بازه زمانی کنترل دیفرانسیلی و T بازه زمانی کنترل انتگرالی است. اویی1 و همکاران از الگوریتم PI جهت طراحی کنترلکنندههای غیرمتمرکز در کانالهای آبیاری استفاده کردند. سپس، مدل تهیهشده بهصورت فیزیکی بر روی کانال شماره 6 کولمبالی2 در استرالیا مورد آزمون قرار گرفت. نتایج آزمایشات حاکی از عملکرد مناسب کنترلکننده در آزمایشات صحرایی میباشد - . - 7 همچنین از این الگوریتم جهت نوسازی منطقه آبیاری EASET BENCH واقع در Dillon مونتانا از سازههای مجهز به کنترلکنندههایی با منطق PI استفاده شده است - . - 8
