بخشی از مقاله
خلاصه
کنترلکننده پیشبین یک روش شناخته شده برای مدیریت و کنترل جریان از منابع عرضه به مصرف کنندهها برای تامین مصارف آینده و همچنین بهینهسازی اهداف موجود در شبکه میباشد. در دهههای اخیر، تطبیق پذیری کنترلکننده پیشبین مبتنی بر مدل با شرایط متغیر سیستم، در زمینههای مختلف صنعت به ویژه مهندسی مکانیک و مهندسی برق مورد توجه بسیاری قرار گرفته، ولی مطالعات کافی در زمینه مدیریت سیستمهای منابع آبی به خصوص در ایران انجام نشدهاست. لذا این تحقیق به بررسی کارایی کنترلکننده پیشبین مبتنی بر مدل، به جهت بهبود مدیریت و کنترل سیستمهای آبی با مقیاس بزرگ پرداخته است.
همچنین یک مدل کنترلکننده پیشبین برای کنترل و مدیریت خط انتقال آب طراحی گردید. در ادامه نتایج شبیهسازی بر روی خط انتقال زرینه رود به تبریز بررسی شده و مقایسه ای بین نتایج حاصله از مدل با دادههای مشاهداتی انجام شده است. این خط به طول 180 کیلومتر، شامل 24 انشعاب بوده و به عنوان بزرگترین خط انتقال آب در خاورمیانه مطرح می باشد.
نتایج نشان میدهندکه کنترلکننده پیشبین به خوبی توانسته ضمن برآورد همه قیود موجود در سامانه، نوسان پمپاژ را به طور متوسط به میزان 33% کاهش داده، ضمن اینکه حجم آب در مخازن را با کمترین خطا در مجاورت حجم مطلوب حفظ کند.
1. مقدمه
درکشورهایی مانند ایران پراکندگی زمانی و مکانی بارندگیها نامناسب است و ریزشهای جوی در فصولی صورت میگیرد که شاید نیازکمتری به آب باشد، تنها راه چاره ومقابله با این مساله ایجاد مخازن است. احداث مخازن و سدها برای تامین تقاضای جوامع بشری بدون فعالیتهای مدیریتی و کنترلی نتیجه بخش نبوده و باعث خسارات جبران ناپذیر محیط زیستی در آینده میشود. از دیرباز که جوامع بشری برای تامین نیازهای آبی خود دست به ساخت انواع سازههای کنترلی کردهاند، همواره مدیریت و کنترل این سازهها جزوه چالشهای اصلی بودهاست.
تامین، انتقال و توزیع آب اغلب به طور جداگانه و با روشهای مختلف توسط مسئولین کنترل میشود. شبکههای انتقال آب دارای وظایفی هستند که مهمترین آنها میتوان به تامین آب آشامیدنی، تامین آب مورد نیاز کارخانههای کوچک و بزرگ و تامین آب لازم مراکز صنعتی اشاره کرد. یک شبکه انتقال آب باید قادر باشد وظایف و نیازهای آبی نامبرده را از نظر کیفی - خواص فیزیکی و شیمیایی آب - و از نظر کمی - دبی و فشار آب - برابر استاندارد های موجود به خوبی انجام دهد.
مدیریت و برنامه ریزی برای این سیستمهای انتقال آب اهداف متفاوت با مقیاس زمانی مختلف دارد. در بیشتر سیستم-های خط انتقال، کنترل بر اساس مشاهدات تجربی و قضاوت متخصصین انجام میگیرد، این کار در سیستمهای با مقیاس بزرگ کاری بسیار پیچیده و سخت میباشد. در سالهای اخیر با رشد علم و فناوری، سازمانهای کنترلکننده سعی در استفاده از مدلهای ریاضی جهت مدیریت و کنترل بهینه سازه-های کنترلی کردهاند.
مدل کنترل پیشبین یک روش کنترل بهینه ترکیبی از سه الگوریتم کنترل حلقه باز، کنترل حلقه بسته و کنترل بهینه است. الگوریتم کنترل پیش بین علی رغم سادگی طراحی و اجرای الگوریتم قادر به کنترل سیستمهایی با مقیاس بزرگ و متغیرهای مختلف است.
الگوریتم کنترل پیشبین مبتنی بر مدل قادر است اغتشاشات بزرگ وارد بر سیستمهای کنترل را مد نظر قرار دهد. همچنین مهمترین ویژگی الگوریتم کنترل پیشبین قابلیت در نظر گرفتن محدودیتها بر روی ورودیها و حالتهای سیستم و تعیین پاسخ بهینه برای رساندن پاسخ سیستم به اهداف تعیین شده میباشد
از جمله مطالعات انجام شده در این زمینه میتوان به موارد زیر اشاره کرد: مارتینز و همکارن - 2009 - از الگوریتم کنترل پیشبین برای مدیریت و کنترل شبکه آب شرب شهر بارسلونا استفاده کرد و کارایی این روش را در بهبود مدیریت سیستم مورد نظر با اهداف معین نشان دادند
بلانسو و همکارن - 2010 - برای اولین بار کنترلکننده پیشبینی به جهت کنترل سیلاب رودخانه دمر ارائه کردند و نتایج حاصل از مدل را با سایر روشهای کنترل سیلاب مقایسه و انعطاف پذیری کنترلکننده پیشبین را نسبت به سایر کنترلکنندهها نشان دادند .[3] پویگ و همکاران - 2012 - یک مدل کنترلپیش به منظور تعیین استراتژی کنترل حجم آب در سدها و جریان پایدار در دریچهها و پمپها برای مدیریت شبکه ترکیبی از آبیاری و سیستم تامین آب ارائه کردند. در نهایت برای صحت سنجی، مدل ارائه شده را بر روی رودخانه ای در هلند اعمال کرده و نتایج را بررسی کردند
هان وهمکاران - 2014 - یک کنترلکننده پیش بین چند هدفه غیر خطی برای فرآیند تصفیه فاضلاب ارائه کردند. مدل کنترل پیشبین ارائه شده شامل پیش بینی شبکه عصبی و بهینه سازی چند هدفه میباشد. شبیه سازی نشان می دهد که روش کنترلی ارائه شده به خوبی قادر به بهبود عملکرد فرآیند تصفیه فاضلاب در طی اختشاشات وارد به سیستم است
همچنین ژانگ و همکارن - 2015 - یک کنترل پیش بین غیر تعاونی برای سیستم آبیاری بزرگ که تحت تاثیر اغتشاشات عظیم محیطی و تاثیرات هیدرولوژیکی منطقه است، ارائه کردند. استراتژی ارائه شده، یک راهکار مناسب برای تنظیم سیستم آبیاری با توجه به اهداف مورد نظر در زمان تغییرات جوی ناگهانی میباشد
سان و همکاران - 2015 - از مدل خطی ترکیبی شامل کنترل-کننده پیش بین و مدل ارضاسازی قیود و روش تجمیع شبکه برای کنترل عملکرد پمپاژ آب استفاده کردند. روش ارائه شده یک استراتژی بهینه برای پمپاژ بهینه در زمان مصرف ارائه میکند .[7] وانجیرو و همکارن - 2016 - کنترل پیشبینی جهت مدیریت انرژی آب در مصارف شهری ارائه کردند. در این تحقیق دو روش مدل کنترل بهینه با حلقه باز و مدل کنترل پیش بین حلقه بسته مورد مطالعه قرار داده و تاثیر هر یک را در رسیدن به پاسخ مطلوب مقایسه کردند
جدیدا لی و همکاران - 2016 - یک مدل کنترل پیشبین برای کاهش سولفاید در شبکههای فاضلاب ارائه کردند. در ابتدا با استفاده از یک مدل فضای حالت غلظت مواد شیمیایی موجود در شبکه فاضلاب را پیشبینی کرده سپس با استفاده از الگوریتم مدل کنترل پیشبین غلظت مناسب مواد شیمیایی در شبکه تصفیه مشخص کردند. آنها مدل ارائه شده را بر روی یک شبکه واقعی تصفیه اعمال کرده و نشان دادند، این مدل به خوبی قادر به کاهش قابل توجه میزان سولفاید شبکه ضمن برآورد اهداف شبکه است
لذا با توجه به پیشینه گفته شده و اهمیت توجه به راهکارهای مدیریتی و کنترلی که در تامین و انتقال آب شرب شهری وجود دارد، تاکنون مطالعات موثری بر روی شبکه تولید و انتقال آب برای شرب شهری با مقیاس کلان انجام نشده است. بنابرین در این تحقیق یک کنترلکننده پیشبین برای خط انتقال آب فاز اول زرینه رود که مطالعه موردی در این تحقیق میباشد، طراحی شده و نتایج حاصل از آن تحلیل و بررسی شدهاست.
2. مواد و روش
کنترلکننده مغز متفکر یک پردازش صنعتی است. تمامی فرامینی را که یک متخصص در نظر دارد اعمال کند تا پروسه، جریان استاندارد خود را در پیش گیرد و نهایتا پاسخ مطلوب حاصل شود از طریق کنترلکننده به سیستم فهمانده میشود. کنترلکننده پیشبین مبتنی بر مدل یکی از ابزارهای بسیار مهم و قابل اعتماد برای طراحی استراتژی کنترل بهینه در سیستمهای آبی با مقیاس بزرگ میباشد
-1-2 ساختار کنترلکننده پیشبین
کنترلکننده پیش بین، تکنیکی است، به ما اجازه میدهد تا یک مدیریت جامع چند متغیره به همراه محدودیتهایی که در ورودی و حالت سیستم مورد نظر وجود دارد، انجام دهیم. در این روش متغیرهای ورودی و خروجی و حالت سیستم با استفاده از یک مدل ریاضی در افق مشخص پیش بینی می-شوند. به طور کلی کنترلکننده پیش بین دارای سه بخش اصلی پیش بینی، بهینه سازی و افق کاهشی است که هر یک از اجزای ذکر شده به طور مختصر در ذیل توضیح داده خواهد شد.
-1-1-2 پیش بینی: پیشبینی پاسخ آینده سیستم، با استفاده از یک مدل دینامیکی انجام میشود، در بیشتر موارد از یک مدل فضای حالت خطی که به صورت زمانی گسسته شده است برای پیشبینی استفاده میکنند .[10]
در معادله - 1 - ، d - k - , u - k - , x - k - به ترتیب حالت سیستم، ورودی سیستم و اغتشاشات وارده بر سیستم در هر گام زمانی بوده و همچنین در معادله - 2 - ، C , B , A ماتریسهای سیستم با ضرایب مناسب با توجه به ماهیت مسئله میباشند.
-2-1-2 بهینهسازی: یکی دیگر از قسمتهای اساسی استراتژی است. چرا که اعمال کنترلی را ممکن میسازد. اگر تابع هزینه درجه دو باشد، مینیمم آن به عنوان تابعی صریح از ورودی و خروجیهای پیشین و هدف در نظر گرفته میشود. در صورت وجود محدودیتهای نامساوی، به دست آوردن راه حل، نیازمند استفاده از الگوریتمهای عددی با انجام محاسبات بیشتر است
در رابطه J - 3 - تابع هدف را نشان میدهد که باید حداقل شود. X متغیرهای حالت، U اعمال کنترلی،Q ماتریس وزن برای متغیر حالت و R ماتریس وزن برای اعمال کنترلی میباشد.
افق کاهشی: اصل افق کاهشی در کنترل پیشبین به کار رفته است. افق کاهشی به این معناست که در کنترل پیشبین مبتنی بر مدل در هر تکرار به تعداد گام زمانی افق پیشبینی، تلاش کنترلی محاسبه میشود ولی فقط اولین المان به عنوان ورودی به سیستم در تکرار بعدی انتخاب میشود. همین سبب شده است که این شیوه از بهینه سازی به بهینه سازی آنلاین مشهور شود. اینکار سبب پیشبینی بسیار نزدیک به واقعیت و بهینه سازی با کمترین خطای ممکن است
-2-2 مدلسازی خط انتقال آب
خط انتقال آب، شامل گروهی از ایستگاههای پمپاژ، مخازن ذخیره آب و دریچههای کنترلی به منظور تامین آب مصرف کننده میباشد. خط انتقال آب را میتوان یک مجموعه پیوسته از اجزای مختلف دانست که در شکل 1 به مختصر شرح داده میشود
شکل - 1 نمونه شماتیک یک شبکه توزیع آب
-1-2-2 مخازن ذخیره: مخازن ذخیره، به منظور ذخیره آب در یک تراز مناسب برای تامین تقاضای مصرف کنندهها میباشند، برای هر مخزن ذخیره میتوان معادله حالت پیوستگی را به شکل زمان گسسته زیر تعریف کرد.
که در معادله - 5 - ، qout ,q in ,V - k - به ترتیب حجم مخزن n ام، دبی ورودی به مخزن n ام و دبی خروجی از مخزن n ام در هر گام زمانی k و t گام زمانی است.
-2-2-2 ایستگاههای پمپاژ - کنترل کنندهها - : دبی خروجی قابل تنظیم از ایستگاههای پمپاژ همان متغیرهای کنترلی در مدل کنترل پیشبین میباشند، هر بخش از این کنترل کنندهها دارای ظرفیت بیشینه و کمینه میباشند و باید به صورت قیود در معادلات در نظر گرفته شوند.
