کاربرد الگوریتم کنترل کلاسیک PID در تنظیم سطح آب کانال اصلی شبکه آبیاری البرز

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته دکتری سازه‌های آبی- گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

2 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

3 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

چکیده

یکی از اهداف اصلی احداث شبکه­های آبیاری، انتقال و توزیع آب موردنیاز در بخش کشاورزی است. در این پژوهش از کنترل­گر کلاسیک PID برای تنظیم سطح آب به­منظور بهبود بهره­برداری از کانال اصلی شبکۀ آبیاری البرز استفاده شده­است. به ­این منظور کنترل­گر کلاسیک PID در دو جهت کنترل از بالادست و کنترل از پایین­دست در محیط نرم­افزار فرترن توسعه داده شد و با مدل هیدرودینامیک ICSS تلفیق شد که برای شبیه‏سازی شرایط هیدرولیکی، هیدرولوژیکی و بهره‏برداری سیستم‏های انتقال آب طراحی شده است. در این کنترل­گر سعی در حداقل کردنخطای سطح آب است.برای بررسی قابلیت­ کنترل­گر توسعه داده شده در ثابت نگه­داشتن تراز سطح آب در زمان کاهش و افزایش همزمان دبی ورودی به کانال و نیاز آبگیرهای کانال، گزینۀ بهره­برداری در نظر گرفته شد. در کنترل­گر پایین­دست خطای سطح آب در ابتدای زمان بهره­برداری، در مقایسه با شرایط موجود، برای هر یک از سازه­ها 5/87، 87 و 87 درصد و در زمان 18 ساعت 97، 5/99 و 7/99 درصد بهبود به­دست آمد. میزان بهبود خطای سطح آب نسبت به شرایط موجود در کنترل­گر بالادست در شروع شبیه­سازی 75، 93 و 92 درصد، برای زمان 12 ساعت 27، 97 و 96 درصد و برای زمان 18 ساعت 77، 94 و 98 درصد به­دست آمد. با توجه به نتایجپژوهش، خطای سطح آب در کنترل­گر کنترل از پایین­دست کمتر از خطای سطح آب درکنترل از بالادست به­دست آمد. زمان پاسخ سیستم در کنترل­گر کنترل از بالادست کمتر از کنترل از پایین­دست به­دست آمد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Application of PID Controller for Water Level Tuning (Case Study: Main Canal of Alborz Irrigation Network)

نویسندگان [English]

  • Saheleh Kakouei 1
  • A. R. Emadi 2
  • Mohammad Ali Gholami Sefidkouhi 3
1 Ph.D. Graduate of Water Structure, Dept. of Water Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University
2 Associate Professor, Sari University
3 Associate professor, Department of Water Engineering Department, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University
چکیده [English]

Distribution of required water for irrigation purposes in agricultural farms is one of the main objectives of irrigation networks construction. In this research, a PID controller was used to improve the operational capability of the main canal of Alborz Irrigation Network. For this purpose, a PID controller was developed in upstream and downstream directions in FORTRAN language and was combined with a ICSS hydrodynamic model designed in order to simulate the hydraulic and hydrological conditions and to operate water transfer systems. The PID controller can minimize errors between the actual and target depths. The operation option was considered in order to investigate the ability of the controller in keeping the level of the water constant at the time of the simultaneous decrease and increase of water flow entering the canal and the need of pond canals. Two scenarios were used to compare the mentioned controllers. Results indicated that the water surface error in downstream controller was lower than that in upstream controller. In downstream controller, the water level error at the beginning of opeartion, compared to the status quo, was 87.5%, 87%, and 87% for each structure, and within 18 hours, 97%, 99.5%, and 99.7% improvement rates were obtained. Furthermore, in upstream controller, the water level error, compared to the status quo, gained some improvement the rate of which differed according to the time; in other words, at the beginning of simulation, it was 75%, 93%, and 92%, within 12 hours was 27%, 97%, and 96%, and within 18 hours was 77%, 94%, and 98% Moreover, the system response time in the upstream controller was less than that in downstream controller. A comparison of existing conditions results with those of application of controllers proved acceptable ability of the controller designed to control the water level.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Control systems
  • Operation Improvement
  • Regulator Structures
  • Water Distribution
  • Water Level Fluctuations
Anon. 2009. Instruction for operation and maintenance of MC canal. Technical Report. MahabGhods Consulting Engineers Co. Tehran, Iran. (in Persian)

 

Clemmens, J. 2012. Water-level difference controller for main canals. J. Irrig. Drain. Eng. 138(1): 1-8.

 

Goudiaby, M. S., Sene, A. and Kreiss, G. 2013. A delayed feedback control for network of open canals. Int. J. Dyn. Control. 1, 316-329.

 

Hashemy-Shahdany, S. M., Sadeghi, S. and Kanooni, A. 2016a. Fairly water delivery in a centralized automatic control system of main irrigation canal using water level difference error strategy. Iran. J. Irrig. Drain. 6(9): 883-892. (in Persian)

 

Hashemy-Shahdany, S. M., Sadeghi, S. and Adibmajd, E. 2016b. Application of automatic regulating strucures in order to improving main irrigation canal operational performance suffering from severe inflow fluctuations; case study of Roodasht main irrigation canal. J. of Iran. Irrig. Water Eng. 26(6): 14-27. (in Persian)

 

Jamali, S. S. 2012. Development of optimization model for pid automatic control parameters in icss model using GA. M. Sc. Thesis. Faculty of Agriculture, Tarbiat-Modaress University, Tehran, Iran. (in Persian)

 

Joes, V. A., Pedro, L., Joes, R., Lorenzo, L. and Keloudia, H. 2016. Predictive control of irrigation canals-robust design and real-time implementation. J. Water Resour. Manage.
30, 3829-3843.

 

Kakouei, S., Emadi, A. and Gholami-Sefidkohi, M. 2017. Application of SCE algorithm to determination of PID controller coefficients. J. Water Soil Conserv. 24(2): 221-237.

 

Malaterre, P. O., Rogers, D. and Schuurmans, J. 1998. Classification of canal control algorithms. J. Irrig. Drain. Eng. ASCE. 124(1): 3-10.

 

Manz, D. H. 1985. System analysis of irrigation conveyance system. Ph. D. Thesis, Civil Engineering, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada.

 

Masah, A. 2001, Mathematical modeling of Neyrpic, Amil, Avis and P+PR control systems.
M. Sc. Thesis. Faculty of Agriculture, Tarbiat-Modaress University, Tehran, Iran. (in Persian)

 

Monem, M. J. 1996. Introducing the simulation model of irrigation networks and optimizing their Operations. 8th Seminar of Iranian National Committee on Irrigation and Drainage. Oct. 21. Tehran, Iran. (in Persian)

 

Monem, M. J. and Mamizadeh, J. 2005. Development of mathmatical model of BIVAL downstream control system in irrigation canals. 5th Iranian Hydroulic Conference. Nov. 8-10. Kerman, Iran (in Persian)

 

Montazer, A., Kochakzadeh, S., Ghaheri, A. and Van Overlop, P. 2007. Designing a central channel control algorithm and evaluating its performance "Case study: The main channel of Narmada". Int. J. Indust. Eng. Product. Manage. 18(2): 33-44. (in Persian)

 

Ooi, S. K. and Weyer, E. 2008. Control design for an irrigation channel from physical data. J. Control Eng. Pract. 16, 1132-1150.

 

Zamani, Sh., Parvaresh-Rizi, A. and Isapour, S. 2014. Effect of bottom slope on determining optimum coefficients and performance of PID controller in irrigation canals. J. Sci. Technol. Agric. Natur. Resour. (Water Soil Sci.) 66, 185-198. (in Persian)