CC BY
14
УДК 626.824:004
ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ НА ОСНОВЕ СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ
© 2007 г. В.И. Коржов
Большинство существующих оросительных систем у нас в стране построены так, что регулирование воды на них осуществляется с использованием схемы регулирования по уровням верхнего бьефа. К достоинствам этой схемы относят надежное и точное водо-распределение в соответствии с планом водопользования, наличие простых и надежных регуляторов уровней верхнего бьефа, простоту эксплуатации, обеспечение защиты каналов от переливов. Среди недостатков отмечают невозможность автоматического управления водозабором из-за отсутствия гидравлической обратной связи, возникновение дефицита у нижележащих потребителей при увеличении потребности у вышележащих, неизбежность непроизводительных сбросов при несанкционированных отказах потребителей от воды, большую продолжительность переходных процессов при изменении расходов. Анализ этих недостатков позволяет сделать вывод о том, что большинство из них связаны со сложностью прогнозирования режимов движения воды в каналах оросительных систем, низкой оперативностью расчета вариантов принимаемых решений, связанных с управлением водораспределением.
Применение в контуре управления водораспреде-лением средств информационно-технологической поддержки позволяет значительным образом повысить точность и оперативность расчетов, и, за счет этого, применять более точные алгоритмы управления водораспределением.
Логика совершенствования алгоритмов управления водораспределением может быть показана на примере одного бьефа системы, в котором осуществляется регулирование распределения воды с использованием схемы регулирования по верхнему бьефу. Схема взаимодействия возмущающих и управляющих воздействий показана на рисунке.
Точка нанесения управляющего воздействия (ТУ)
Точка контроля (ТК)
упе_
Ч
Точка нанесения возмущающего воздействия (ТВ)
34т
Qtk ->
ПС
бвозм
Схема взаимодействия управляющих и возмущающих воздействий
В соответствии с принятой схемой регулирования, для стабилизации заданного уровня воды в точке контроля для каждого момента времени должно обеспечиваться условие:
е ТК«=е в! с),
ТК тк
где еупр (?) и е возм (/) - соответственно значения
управляющего еупр (/) и возмущающих е В03м (/)
расходов, приведенных к точке контроля (ТК).
Однако на практике достичь такого состояния управления практически невозможно. Это связано с наличием времен добегания расходов и емкостных свойств бьефов каналов на участках: «точка нанесения управляющего воздействия - точка контроля» («ТУ -ТК») и «точка нанесения возмущающего воздействия - точка контроля» («ТВ - ТК»). С их учетом значения
е ™ (/) и е в^ (?) могут быть описаны следующим образом соответственно:
еупр = I(еуТУ (0; / ТУ™; ш ТУ-ТК);
Q возм = f (б возм (t); t
доб
W
ТУ-ТК ТУ-ТК
где /доб и /доб - времена добегания расходов на участках «ТУ - ТК» и «ТВ - ТК» соответственно;
ТУ-ТК ТУ-ТК
Ш и Ш - передаточные характеристики, описывающие емкостные свойства участков «ТУ -ТК» и «ТВ - ТК» соответственно.
ТК ТК
Отсутствие равенства между е упр (?) и е возм (?) будет определять появление в точке контроля расхода:
е Тк с)=е Тр с) - е воз^м с).
Если учесть, что на действующих оросительных системах контроль за состоянием объектов водорас-пределения осуществляется через установленные интервалы управления А/ = / к - /н (где /н и /к -начало и конец времени интервала управления соответственно), то это будет способствовать появлению в течение этих интервалов либо дефицитов воды, либо появлению избыточных объемов:
' к
ау = I (е ТК (/) - е втокм (/))*.
/ н
Ликвидация этих объемов производится с помощью регулирующего перегораживающего сооружения (ПС) путем изменения подачи воды в нижележащий бьеф. При этом, из-за отсутствия в настоящее время у
диспетчерских служб оросительных систем эффективных средств моделирования динамики происходящих на системе процессов, алгоритм управления ПС, как правило, сводится к определению значений этих объемов и их последующей компенсации (без конкретизации закона, по которому он должен производиться). Отметим, что такой алгоритм таит в себе возможность появления ошибок в определении истинной реакции системы на такие действия, так как в этом случае «за кадром» остается закон изменения расхода Q тк (?) в течение всего интервала управления. Вероятность появления этих ошибок связана с возможными комбинациями действия в точке контроля времен добегания расходов и емкостных свойств участков каналов «ТУ - ТК» и «ТВ - ТК».
Можно выделить следующие наиболее характерные комбинации изменения Qтк (/) в течение интервала управления А/:
- уменьшение в течение всего интервала;
- увеличение в течение всего интервала;
- уменьшение в начале интервала и увеличение в конце;
- увеличение в начале интервала и уменьшение в конце.
Несмотря на кажущуюся простоту и взаимообрат-ность предложенных комбинаций, они не являются равноценными с точки зрения дальнейшей реакции системы на их проявление. Это связано с особенностями движения воды как физической субстанции -невозможности приостановления или инвертирования ее течения от более высоких отметок к более низким. При этом появление избытков воды (если нет возможности аккумулирования за счет резервных объемов регулирования в бьефе) ведет к неизбежности их сброса в нижедежащие бьефы, т.е., по сути, для данного бьефа ситуация становится неуправляемой. Возникновение же дефицитов может быть компенсировано за счет подачи в этот бьеф дополнительных расходов, т.е. можно говорить о сохранении управляемости. Проявление вышеуказанных особенностей позволяет сделать вывод о том, что, с точки зрения управления процессами водораспределения, они не могут рассматриваться как одна и та же, но противоположная по знаку величина.
Уменьшение значений Qтк (/) в течение всего интервала управления свидетельствует о накоплении в управляемом бьефе дефицита воды. При таком развитии событий задача алгоритмических средств должна состоять в реализации такого алгоритма управления системой, чтобы, во-первых, не допустить опорожнения исходного бьефа до нерабочих (аварийных) уровней, и, во-вторых, обеспечить своевременную подачу в бьеф дополнительного объема воды, ликвидирующего этот дефицит.
Ситуация, когда Q тк (/) возрастает в течение всего интервала управления приводит к необходимости сброса воды в нижележащие бьефы. В этом случае, несмотря на то, что применительно к рассматриваемому бьефу ситуация может считаться неуправляемой, алгоритмом управления должна максимально предусматриваться возможность ее использования в нижележащих бьефах (например, для восполнения дефицитов, которые могут там образовываться аналогично рассмотренному выше варианту).
Вариант, когда в течение интервала управления наблюдается сначала уменьшение, а затем повышение значений Qтк (?) ведет к возникновению сначала дефицита, а затем появлению в бьефе избыточных объемов. Искусство построения алгоритма управления в этом случае должно заключаться в прогнозировании значений образующихся вначале дефицитов (при условии недопущения их критических значений) и их дальнейшей компенсации за счет образующихся в конце интервала управления дополнительных объемов воды.
И, наконец, ситуация, когда сначала следует увеличение, а затем уменьшение значений Qтк (/) является самой неблагоприятной, так как приводит к двойным потерям воды: сбросу ее из бьефа при нарастании значений Q тк (/) и, затем, - необходимости компенсации возникших дефицитов воды. В этом случае алгоритм управления должен включать в себя прогнозирование возникновения подобных ситуаций и реализацию мер по их предотвращению (например, путем превентивной подачи управляющих расходов в исходный бьеф на основе прогноза работы водотреби-телей, согласования времен добегания управляющих и возмущающих расходов путем введения соответствующих задержек их подачи т. п.).
Использование в контуре управления водораспре-делением средств информационно-технологической поддержки позволяет предусмотреть возможность сравнения расчетных и фактических результатов работы системы и осуществлять оперативную корректировку параметров управления путем введения в их значения соответствующих поправок (например, времен добегания, коэффициентов, определяющих динамические характеристики системы и т. п.).
В заключение отметим, что, несмотря на необходимость решения оперативных задач локального регулирования в каждом из бьефов (при выбранной схеме регулирования по верхнему бьефу), в задачи общего алгоритма управления водораспределением должно входить подчинение одной главной задаче -обеспечению эффективной работы всей оросительной системы в целом. Поэтому, в ряде случаев, алгоритмы управления на отдельных участках системы могут носить специализированный характер.
Новочеркасская государственная мелиоративная академия 15 декабря 2006 г.
