Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh mức nước theo bậc trong các công trình thủy lợi

Với mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên nước và năng lượng dự trữ, bài báo trình bày phương pháp tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh mức nước theo bậc trong các công trình thủy lợi, thủy nông. Hệ thống điều khiển được thiết kế trên cơ sở sử dụng công cụ điều khiển thích nghi với mô hình trong cấu trúc Smith tự chỉnh, có cấu trúc đơn giản, dễ thể hiện kỹ thuật, đảm bảo chất lượng điều khiển.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH MỨC NƯỚC THEO BẬC TRONG CÁC CƠNG TRÌNH THỦY LỢI Nguyễn Hoa Lư1*, Lê Văn Chương1 Tóm tắt: Với mục đích nâng cao hiệu sử dụng nguồn tài nguyên nước lượng dự trữ, báo trình bày phương pháp tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh mức nước theo bậc cơng trình thủy lợi, thủy nơng Hệ thống điều khiển thiết kế sở sử dụng công cụ điều khiển thích nghi với mơ hình cấu trúc Smith tự chỉnh, có cấu trúc đơn giản, dễ thể kỹ thuật, đảm bảo chất lượng điều khiển Từ khóa: Kỹ thuật điều khiển, Điều khiển thích nghi, Cơng trình thủy lợi ĐẶT VẤN ĐỀ “Nước vấn đề cốt lõi phát triển bền vững”, phạm vi toàn cầu nguồn tài nguyên nước lượng dự trữ ngày trở nên khan hiếm, năm 2014-2015 khoảng nửa dân số giới thiếu nước dùng, Liên Hợp Quốc thống kê cảnh báo: vào năm 2030 giới thiếu hụt khoảng 40% nguồn nước Việt Nam quốc gia hàng năm bị thiếu thốn nguồn nước lượng dự trữ, đặc biệt mùa hạ, hầu hết khắp miền đất nước tất dòng sơng khát, hồ đập cạn kiệt Vấn đề nâng cao hiệu sử dụng nguồn tài nguyên nước lượng dự trữ đáp ứng nhu cầu tưới tiêu cho vùng đất canh tác, phục vụ cho sinh hoạt người, giảm thiểu tiêu hao lãng phí, đáp ứng yêu cầu thực tế toán phức tạp phương diện lí thuyết, phương diện thực tiễn Nhiều cơng trình nghiên cứu lĩnh vực cơng bố tạp chí khoa học ngồi nước [2,4-8,10-13] cho thấy vấn đề giải đưa lại hiệu cao kinh tế - kỹ thuật giải pháp ứng dụng công nghệ Tự động hóa hệ thống thủy lợi, thủy nông Vấn đề điều chỉnh lưu lượng nước hệ thống kênh thủy lợi, thủy nông nhà khoa học Viện Tự động hóa Viện hàn lâm khoa học Kirghizia quan tâm nghiên cứu đưa lại nhiều kết có ứng dụng thiết thực cho kinh tế nông nghiệp Kirghizia nhiều quốc gia khác [6-8] Trong [2,4,5], quan điểm điều khiển, đoạn kênh thủy nơng coi đối tượng có trễ, có tham số thay đổi, động học mơ tả phương trình vi phân đối số lệch, tác giả đề xuất phương pháp tổng hợp, phân tích hệ thống điều chỉnh mức nước đoạn kênh làm sở cho việc thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển đảm bảo chất lượng, đơn giản mặt thể kỹ thuật Kết giải toán điều chỉnh mức nước, phân bố nước đoạn kênh thủy nơng sở phương trình vi phân đạo hàm riêng Saint – Venant, phương pháp điều khiển dự báo theo mơ hình trình bày [10-13] Việc nghiên cứu ứng dụng thành tựu lí thuyết điều khiển đại vào toán tổng hợp, thiết kế hệ thống tự động đo điều khiển, đảm bảo chất lượng, dùng cơng trình thủy lợi, thủy nơng, phù hợp với điều kiện Việt Nam trở nên cấp bách có nhiều ý nghĩa thiết thực Nội dung báo đề cập vấn đề tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh mức nước theo bậc cơng trình thủy lợi, thủy nơng ĐẶT BÀI TỐN Trên hình mơ tả hệ thống kênh thủy lợi, thủy nông nhiều bậc có độ dài L1 L2 , Q0  t  - lưu lượng nước dẫn vào đoạn kênh L1 , Q0  t  điều khiển góc mở   t  cánh cửa P1 : Q0  t   k0  t    t  , k0  t  hệ số truyền; 90 N.H Lư, L.V Chương, “Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh… công trình thủy lợi.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Q1  t  - lưu lượng nước dẫn vào đoạn kênh L2 ; H1  t  - mức nước cuối đoạn kênh L1 ; Q2  t  , H  t  - lưu lượng dòng chảy mức nước cuối đoạn kênh L2 , nơi đặt thiết bị đo mức Hình Sơ đồ kênh thủy lợi, thủy nông nhiều bậc Trên quan điểm điều khiển, động học hệ thống kênh thủy lợi hình mơ tả hệ phương trình [1]: S1 H  t   k0  t    t     11 S H  t   11 g H1  t  ; H10 (1) g g H1  t   22 H t  , H10 H 20 S1 , S - thiết diện mặt thoáng nước giới hạn đoạn kênh; 1 , 2 - thiết diện mặt cắt ngang dòng chảy 1 , 2 - hệ số lưu lượng nước cuối phần kênh L1 , L2 tương ứng; H10 , H 20 - giá trị định mức mực nước đoạn kênh;  - thời gian trễ; g - gia tốc trọng trường Giải sử thiết diện mặt cắt ngang lòng dẫn đoạn kênh có dạng hình chữ nhật, thiết diện mặt thống nước giới hạn đoạn kênh thiết diện mặt cắt ngang dòng chảy cuối đoạn kênh có giá trị khơng đổi Ký hiệu u  t     t  , hệ phương trình (1) viết lại sau: H  t   k1 H1  t   k *  t  u  t    ; H  t   k H  t   k H  t  , đó: k1  11 S1 2 (2)  g ; k2  1 H10 S2  g ; k3  2 H10 S2 k0  t  g ; k * t   ; S1 H 20 u  t  - hàm liên tục, khả vi, bị chặn, u  t   t  Hệ phương trình (2) tương đương với phương trình:   t   a H  t   a H  t   k  t  u  t    , H 2 2 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 (3) 91 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử đó: a1  k1  k3 ; a2  k1k3 ; k  t   k2 k *  t  ; kmin  k  t   kmax Để điều khiển đối tượng (3) hiệu lực sử dụng hệ thống thích nghi với cấu trúc Smith tự hiệu chỉnh [3], thay đổi tham số k  t  đối tượng điều khiển bù trừ tham số tự chỉnh mơ hình cấu trúc Smith Đối với đối tượng điều khiển (3), phương trình mơ hình khơng có trễ M phương trình mơ hình có trễ M cấu trúc Smith có dạng:   t   a H  t   a H  t   k k u  t  ; H M1 M1 2 M1 c M   H t   a H t   a H t   k k u t   , 2M2 2M2 2M2 (4) (5) c M đó, H 2M1  t  - đại lượng mơ hình khơng có trễ; H 2M  t  - đại lượng mơ hình có trễ, k M - hệ số khơng đổi mơ hình; kc - tham số tự chỉnh mơ hình Vậy, tốn đặt phải tổng hợp thuật toán thay đổi tham số kc , đảm bảo cho hệ thống chuyển động ổn định TỔNG HỢP THUẬT TOÁN TỰ CHỈNH CHO CÁC MƠ HÌNH TRONG CẤU TRÚC SMITH Thuật tốn tự hiệu chỉnh tham số kc mơ hình M M cấu trúc Smith tổng hợp sở phương pháp Lyapunov-Krasovskii Ký hiệu   t  - sai số tọa độ đối tượng (3) tọa độ mơ hình có trễ M :   t   H  t   H 2M  t  Từ (3) (5) ta có phương trình:  t   a1  t   a2  t    k  t   kc kM  u  t      u  t    , (6) đó:   k  t   kc k M Đối với phương trình (6) ta chọn phiếm hàm Lyapunov-Krasovskii dạng: t V   t  ,  , u   , t   kM 1  t   k M 2 a2  t   3  k M 4  t   u   d , (7) t 1 , 2 , 3 , 4 số dương Từ biểu thức (7), rõ ràng phiếm hàm V   t  ,  , u   , t  xác định dương, thỏa mãn yêu cầu định lý II N.N Krasovskii [9] Vi phân toàn phần V   t  ,  , u   , t  theo t nghiệm (6) có dạng: t   V   t  ,  , u   , t   2k M 1a1  t   2k M a2 2  1  4  u   d    t    t   t    t   2 3  k M 1  t  u  t     k M 4u  t     u   d    t    t 2k M 4 a1  t   u   d  k M 4  t  u  t   k M 4  t  u  t    (8) t 92 N.H Lư, L.V Chương, “Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh… cơng trình thủy lợi.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tính ổn định q trình hiệu chỉnh tham số kc mơ hình M M cấu trúc Smith đảm bảo thỏa mãn điều kiện: V   t  ,  , u   , t   Từ biểu thức (8), ta thấy V   t  ,  , u   , t  xác định âm khắp miền bất đẳng thức sau thỏa mãn: t     2 3  k M 1  t  u  t     kM 4u  t     u   d    , t    t   2kM a2 2  1  4  u   d    t    t   , t    (9) (10) t 2k M 1a1  t   2k M 4 a1  t   u   d  k M 4  t  u  t   t  kM 4  t  u  t     2 (11) Từ bất đẳng thức (9) ta tìm    t  kM       u   d    t  u  t    3  t   (12) Hàm điều khiển u  t  khả vi, bị chặn:  u  t   umax , vậy, t 0  t u  d   t  u max d    umax t Bất đẳng thức (10) thỏa mãn t 2  1  4  u   d  ,  , từ chọn hay 2  1  4 umax t 2  1  4 u max (13) Bất đẳng thức (11) thỏa mãn nếu: k M 4  t  u  t   2k M 1a1  t   , hay 4umax  21a1  , ta chọn 4 2a1  1 umax (14) Trên thực tế chọn hệ số  1 , 2 , 4   để bất đẳng thức (13), (14) thỏa mãn Giải thiết tham số k  t  đối tượng điều khiển trình độ hiệu chỉnh thay đổi chậm, không đáng kể, nghĩa k  t   , từ (12) ta có thuật tốn hiệu chỉnh tham số kc mơ hình M , M cấu trúc Smith sau: t  1  kc   1  4  u   d     t  u  t    3  t   Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 (15) 93 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước theo bậc cho kênh thủy lợi, thủy nơng thể hình 2, đó: C - điều chỉnh; W0  p  - hàm truyền đối tượng điều khiển (3); WM  p  - hàm truyền mơ hình khơng có trễ; Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước theo bậc cho kênh thủy lợi, thủy nơng KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Để đánh giá hiệu thuật toán hiệu chỉnh tìm q trình giải tốn tổng hợp hệ thống điều chỉnh mức nước cho đoạn kênh thủy lợi, thủy nông, ta sử dụng phần mềm mô MATLAB, với liệu ban đầu cho trước: C  18 ; k1  0.0028 ; k2  0.0035 ; k3  0.0027 ; km  0.0286 ;   150 ; Trường hợp 1: Khi chưa sử dụng thuật toán hiệu chỉnh (15), C  18 ; k1  0.0028 ; k2  0.0035 ; k3  0.0027 ; k  0.0286 ;   150 ; Hình Đồ thị hàm H(t) 94 N.H Lư, L.V Chương, “Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh… công trình thủy lợi.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Trường hợp 2: Khi sử dụng thuật toán hiệu chỉnh (15), C  18 ; k1  0.0028 ; k2  0.0035 ; k3  0.0027 ; k  0.0286 ; km  0.0286 ;   150 ; Hình Đồ thị hàm H(t) Kết mô cho thấy thuật tốn (15) đảm bảo mục đích thích nghi, bù trừ thay đổi tham số động học đoạn kênh có trễ; tham số động học mơ hình đón trước Smith hội tụ nhanh tham số động học tương ứng đoạn kênh KẾT LUẬN Với mục đích nâng cao hiệu sử dụng nguồn tài nguyên nước lượng dự trữ, đảm bảo yêu cầu tưới tiêu cho diện tích canh tác, giảm thiểu tiêu hao lãng phí, đáp ứng nhu cầu thực tế sản xuất Bài báo đề xuất phương pháp tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh mức nước theo bậc dùng cho cơng trình thủy lợi, thủy nơng có tham số động học thay đổi, có trễ Thuật tốn tự hiệu chỉnh tham số mơ hình cấu trúc Smith có ưu điểm đơn giản, dễ thể kỹ thuật, đảm bảo khả thích nghi chất lượng điều khiển Kết nghiên cứu triển khai áp dụng cho lớp rộng đối tượng có trễ thường gặp q trình cơng nghệ nhiều lĩnh vực công nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoa Lư, “Động học kênh thuỷ lợi quan điểm điều khiển”, Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị tồn quốc lần thứ VI tự động hố, Hà Nội (2005), tr.351-356 [2] Nguyễn Hoa Lư, “Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi cho kênh thủy nơng” TC Nghiên cứu khoa học kỹ thuật công nghệ quân sự, số 16, (2006), tr.88-94 [3] Као Тиен Гуинь “Синтез адаптивных систем управления для объектов с запаздыванием” Автоматика ,No2,(1983),c.44-48 [4] Као Тиен Гуинь, Рауль Ривас Перес., “Анализ устойчивости импульсных систем управления уровнем воды в канале”, Вопросы рационального ислользования воды в мелиор системах Киев, (1983), c.91-98 [5] Као Тиен Гуинь, Рауль Ривас Перес, Е Д Пичугин А С 1095144 СССР, МКИ3 G05Д 9/12., “Устройство для регулирования уровня воды в канале”.Бюл.- No20, (1984), c 117 [6] Маковский Э Э., Волчкова В В., “Гидравлика бъефов при каскадном регулировании расходов воды” Гидравлические системы автоматизации Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 95 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ирригационных каналов Фрунзе., Илим, (1973), с 88-104 Рожнов В А., Тюменев Р.М., “Исследование динамики системы каскадного регулирования расходов воды с введением производной” Гидравлические системы автоматизации ирригационных каналов Фрунзе., Илим, (1973), с 37-43 [8] Маковский Э Э., Волчкова В В., “Управление процессами перерегулирования расходов воды в каналах с насосными станциями” Автоматическое регулирование расходов воды в каналах оросительных систем Фрунзе., Илим, (1972), с 3-18 [9] Элъсголъц Л Э , Норкин С Б “Введение в терию дифференциалъных уравнений с отклоняющимся аргументом” М Наука, (1971), 296c [10] J.M Igreja and J.M Lemos, “Nonlinear Model Predictive Control of a Water Distribution Canal Pool”, Lecture Notes in Control and Information Sciences, Volume 384 (2009), pp 521-529 [11] S Sawadogo , R M Faye & F Mora-Camino, “Decentralized adaptive predictive control of multireach irrigation canal”, International Journal of Systems Science, volume 32 (2000), number 10, pp 1287-1296 [12] Van Thang Pham, Clement Raăevsky, and Jean-Paul Jamont, “A Multiagent Approach Using Model-Based Predictive Control for an Irrigation Canal”, Trends in Practical Applications of Heterogeneous Multi-Agent Systems The PAAMS Collection Volume 293 of the series Advances in Intelligent Systems and Computing (2014), pp 87-94 [13] João M Lemos, Luís M Rato, F Machado, Nuno Nogueira, Pedro Salgueiro, Rui N Silva, Manuel Rijo, “Predictive Adaptive Control of water level in canal pools”, Conference: IEEE 16th International Conference on Systems Science, Wrocław, At Wrocław, Poland, Volume: (2007), pp 139-148 [7] ABSTRACT AUTOMATIC CONTROL SYSTEM DESIGN FOR WATER LEVEL OF THE HYDRAULIC INSTALLATION This paper presents the design method of automatic control system for water level of the hydraulic installation and irrigation Using an adaptive control tool with a models of the Smith predictor, based on Lyapunov-Krasovskii’s method, this paper proposes self-adjusted algorithm for the model’s parameters of the Smith predictor The found algorithm is formed as difference - differential equation which are plain and technically realizable The block diagram of the system is constructed Keywords: Control Engineering, Adaptive Control, Hydraulic Installation Nhận ngày 27 tháng 11 năm 2015 Hoàn thiện ngày 28 tháng 01 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 22 tháng 02 năm 2016 Địa chỉ: * 96 Trường Đại học Vinh Email : hoalunguyen@yahoo.com N.H Lư, L.V Chương, “Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh… cơng trình thủy lợi.” ... cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước theo bậc cho kênh thủy lợi, thủy nơng KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Để đánh giá hiệu thuật tốn hiệu chỉnh tìm q trình giải tốn tổng hợp hệ thống điều chỉnh mức nước cho... đề xuất phương pháp tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh mức nước theo bậc dùng cho cơng trình thủy lợi, thủy nơng có tham số động học thay đổi, có trễ Thuật tốn tự hiệu chỉnh tham số mơ hình... Chương, Tổng hợp hệ thống tự động điều chỉnh cơng trình thủy lợi. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tính ổn định q trình hiệu chỉnh tham số kc mơ hình M M cấu trúc Smith đảm bảo thỏa mãn điều kiện: