بخشی از مقاله
چکیده
به دلیل پایین بودن عملکرد شبکه های آبیاری، بهبود روشهای تحویل و توزیع و تأمین انعطاف پذیری بالاتر مدنظر بهرهبرداران و محققین قرار گرفته است. یکی از این روشها برای شبکههای آبیاری روباز، خودکارسازی کانالهای آبیاری است که برای تطبیق مناسب توزیع آب در آبگیرها با شرایط بهرهبرداری انجام می شود. در مطالعه حاضر برای مقایسهی عملکرد کنترلکنندههای هوشمند با عملکرد سرریز نوک اردکی، طراحی الگوریتم کنترل با کنترلگر سراسری پاییندست با تکنیک تناسبی – انتگرالی برای کانال درجه یک EPC شبکه آبیاری دوستی در استان خراسان رضوی انجام شد.
شبیهسازی هیدرولیکی کانال با استفاده از دادههای وضعیت موجود و مدل هیدرودینامیک سوبک انجام شد. الگوریتم کنترل در نرمافزار متلب برنامهنویسی شده و با مدل سوبک تلفیق شد. ارزیابی الگوریتم کنترل و مقایسه آن با سرریز نوکاردکی با استفاده از شاخصهای بیشینه قدرمطلق خطا و انتگرال قدرمطلق بزرگی خطا برای گزینه بهره برداری کانالها در یک بازه زمانی یک ماهه صورت گرفت. نتایج حاصل برتری عملکرد کنترلگر طراحی شده را در شاخصهای مذکور و توزیع مناسب و به موقع آب در زیربازهها نشان می دهند.
مقدمه
تلفات آب در حین توزیع و انتقال آب در کانالهای آبیاری زیاد است. مطالعات نشان میدهد که می توان با بکارگیری سیستمهای کنترل هوشمند این تلفات را بطور اساسی کاهش داد. تعدیل یا انحلال سریع آشفتگی ناشی از وجود تغییرات در توزیع و تحویل آب با استفاده از سیستمهای کنترل هوشمند، عامل مهمی در بهبود و افزایش عملکرد شبکههای آبیاری است. خودکارسازی شبکههای آبیاری با استفاده از کنترلکننده قابل برنامهنویسی، امکان اجرای چندین روش کنترل را طبق سناریوهای مختلف تحویل آب فراهم می کند.
سیستمهای کنترل وظیفه تعیین میزان تنظیم سازهها و اعمال مانور آنها برای تنظیم سطح آب در کانالها را برعهده دارند. یک سیستم کنترل در کانالهای آبیاری شامل دو بخش محاسبه میزان تنظیمات سازهها - الگوریتم یا نرمافزار سیستم کنترل - و اعمال تنظیمات محاسبه شده برروی سازه ها - سختافزار سیستم کنترل - است. موفقیت یک سیستم کنترل به توانایی الگوریتم کنترل در تعیین پارامترهای کنترلی بستگی دارد.
خودکارسازی و اجرای سیستمهای کنترل در کانالهای آبیاری، از اوخر دهه 1970 نظر تعدادی از مهندسین آبیاری را به خود معطوف ساخت. کلمنس و همکاران در سال 1998 الگوریتمهای کنترل متعددی از نوع کنترل از پایین دست پیشخورد را مورد ارزیابی قرار دادند. راجو در سال 2003 به بررسی کنترل خودکار تناسبی-1انتگرالی - PI - 2 محلی با الگوریتم کنترل پسخورد در یک کانال آزمایشگاهی پرداخت. در سال 2005 منتظر و همکاران به ارزیابی کنترل کننده PI مرکزی با منطق کنترل پسخورد و پیشخورد با کاربرد دیکوپلینگ برای کنترل کانال اصلی نارمادا در هندوستان پرداختند. این تکنیک همچنین توسط منتظر و عیسیپور - 1389 - در ایران و برای کانال غربی شبکه آبیاری عقیلی انجام شد.
علاوه بر کنترل کنندههای تناسبی-انتگرالی کنترلکنندههای پیچیدهتری در شبکههای آبیاری توسعه یافته است. بلر - 2010 - ، یک کنترل کننده پاییندست را برای یک بازه از کانال آبیاری و با استفاده از تئوری کنترل پس خورد کمی - QFT - طراحی کرد. وی این کنترل کننده را در یک محدوده بهرهبرداری وسیع طراحی کرد، تا بتواند تغییرات جریان ناشی از انباشته شدن رسوب در کانال و نشت از کانال را تعدیل کند. ون اورلوپ و همکاران در سال2010 مدل کنترل پیشبینیشده - MPC - را در کانال WM منطقه آبیاری و زهکشی Maricopa-Stanfield مورد ارزیابی قرار دادند.
در این تحقیق پیشنهاد شد که قبل از استفاده از روش MPC، استفاده از ابزارهای شبیهسازی برای انتخاب روش مناسب خودکارسازی کانال های آبیاری، لازم است. بررسی تحقیقات گذشته نشان میدهد که تکنیک طراحی تناسبی-انتگرالی به دلیل سهولت کاربری و همچنین دقت مناسب در شبکههای آبیاری بیشتر مورد استقبال قرار گرفته است. با توجه به راندمان توزیع پایین در شبکههای آبیاری کشور، اجرای سیستمهای کنترل خودکار میتواند بعنوان یک رویکرد جدید در طرحهای آبی کشور مطرح باشد
هدف از انجام این تحقیق علاوه بر طراحی و ارزیابی کنترل کننده سراسری برای کانال EPC شبکه دوستی، مقایسه عملکرد کنترلکنندههای هوشمند با سازه های صلب متداول - سرریز نوک اردکی - است. در این راستا الگوریتم کنترل تناسبی انتگرالی سراسری پسخورد با دیکوپلینگ در جهت پایین دست طراحی گردید و عملکرد آن در بهبود فرآیند مدیریت و بهرهبرداری این کانال مورد ارزیابی قرار گرفت.
مواد و روشها مشخصات کانال مورد مطالعه
شبکه آبیاری دوستی در دشت سرخس در شمالشرق ایران واقع شده است. اولین کانال درجه یک منشعب شده از کانال اصلی به نام WPC1 است. از انتهای کانال اصلی، دو رشته کانال درجه یک با نامهای EPC و WPC2 منشعب شده است. مطالعه حاضر بر روی کانال درجه یک EPC انجام شد. دبی طراحی این کانال 4/43 مترمکعب بر ثانیه و طول آن 18/7 کیلومتر است و در طول آن 15 سازه تنظیم از نوع سرریز نوک اردکی وجود دارد. در طول کانال 10 عدد سازه تقاطعی از نوع سیفون معکوس وجود دارد.همچنین 14 آبگیر و کانال فرعی در طول کانال وظیفه توزیع آب بین بهرهبرداران محلی را بر عهده دارد.
با توجه به اینکه کانال EPC با شرایط هیدرولیکی موجود با سازههای تنظیم سطح آب صلب - سازه سرریز نوک اردکی - طراحی شده است با فرض اینکه کنترلکننده های هوشمند از کارایی مناسبتری نسبت به روشهای خودکار هیدرولیکی برخوردارند، سرریزهای نوکاردکی موجود در کانال با طراحی الگوریتم کنترل با دریچههای کشویی جایگزین شده و عملکرد توزیع آب در شبکه در هر دو حالت برای بازه های مختلف بررسی شده است. شکل - 1 - مسیر پروفیل طولی کانال را از ابتدا تا انتها در محیط مدل سوبک1 به اتفاق سازه های موجود در مسیر آن را نشان میدهد.
معرفی الگوریتم کنترل طراحی شده
کنترلکننده تناسبی- انتگرالی سادهترین تکنیکی است که کاربرد بسیار زیادی در صنعت و کنترل شبکههای آبیاری دارد. در این تکنیک، با استفاده از انحراف متغیر کنترل شده و انحراف تجمعی آن، سعی در حداقل کردن خطای بین مقدار اندازهگیری شده و مقدار هدف برای متغیر کنترل شده است - پیربائم و همکاران، . - 1999 به تعبیر دیگر متغیر کنترل معادل است با مجموعی از نسبتهای تناسبی با ضریب Kp، و انتگرالی با ضریب Ki
در این رابطه u مقدار متغیر خروجی کنترل در زمان t، e مقدار انحراف متغیر اندازهگیری شده از متغیر هدف در زمان t، Kp ضریب اثر نسبت تناسبی و Ki ضریب اثر نسبت انتگرالی است.
شکل : - 1 - پروفیل طولی کانال EPC شبکه دوستی
ضرایب کنترل Kp - و - Ki نسبت مستقیمی با پایداری عمل کنترل در جهت کاهش زمان کنترل و میزان دقت آن دارد، که میزان دقت آن قابل تغییر و تنظیم است. طراحی و اجرای موفق کنترلکنندههای تناسبی- انتگرالی به تنظیم - Tuning - پارامترهای کنترلکننده وابسته است.این پارامترها بعلّت اثر متقابل بین بازهای و تغییر شرایط جریان به سختی تعیین میشوند. پارامتر تناسبی کنترلکننده - Kp - و پارامتر انتگرالی کنترلکننده - Ki - باید طوری محاسبه گردند که الگوریتم کنترل بتواند در کمترین زمان ممکن و با دقّت مناسب متغیر کنترل را به مقدار هدف برساند.
علاوه بر این کنترلکننده باید بتواند متغیر کنترل را در مقدار هدف با کمترین نوسان ممکن کنترل نموده و پایداری جریان را تامین کند. در عمل، الگوریتم کنترل برای بدترین سناریوی بهره برداری کانال طراحی می شود. در این مطالعه پارامترهای کنترل برای تمام بازه های کانال با شبیهسازی %10، %50 و %80 ظرفیت بهرهبرداری کانال مورد مطالعه تعیین میشوند. اگر کنترلکننده بتواند در گستره وسیعی از تغییرات شدید بصورت پایدار عمل کند، الگوریتم آن از کارایی بالایی برخوردار است.
برای کاهش اثر حرکت رزونانسی آب در بین دو سازه تنظیم در تعامل با متغیر کنترل اعمال شده به سازه ها، اعمال فیلتر به ساختار الگوریتم در جهت انحلال حرکت رزونانسی آب ضروری است. در این مطالعه برای طراحی الگوریتم کنترل، از فیلتر پایین گذر مرتبه اول1 برای تمام متغیرهای اندازهگیری شده بازه های این کانال که امواج رزونانسی آب نقش غالب دارند، استفاده شده است. بنابراین الگوریتم های طراحی شده از نوع تناسبی انتگرالی با اعمال فیلتر پایین گذر مرتبه اول2 است.
فیلتر اعمال شده نیز دارای پارامتر ثابتی است که علاوه بر تنظیم پارامترهای کنترل، این پارامتر نیز باید تنظیم شود تا بتواند حرکت نوسانی آب را فیلتر نماید. در کانالهای آبیاری با بازههای متعدد نظیر کانال EPC، اثر متقابل بین بازهای در نتیجه اعمال متغیر کنترل به سازههای تنظیم، به دو جهت بالادست و پاییندست منتقل میشود. در سیستم کنترل سراسری با کوپل کردن 3 بازهها این اثرات برای انجام اصلاح، به بالادست یا پاییندست منتقل می شوند. با توجه به اینکه اثرات متقابل بین بازهای در سیستمهای کنترل موضعی بطور مستقیم در نظر گرفته نمیشوند، کارایی کمتری در مقایسه با سیستمهای کنترل سراسری دارند. در این تحقیق یک الگوریتم کنترل سراسری تناسبی انتگرالی برای کانال مورد مطالعه طراحی شد. شکل - 2 - شکل شماتیک کنترلکننده طراحی شده را نشان میدهد.
