كاربرد الگوريتم بهينه‌سازي SCE در تعيين ضرايب كنترل‌گر كلاسيك PID

Application of SCE Algorithm to determination of PID controller coefficients

سابقه و هدف: با توجه به كمبود منابع آب در كشور، بهبود مديريت توزيع آب براي افزايش عملكرد شبكه‌هاي توزيع آبياري يك امر اجتناب ناپذير است. سيستم‌هاي كنترل نقش مهمي در توزيع آب در شبكه‌ها دارند و ميزان موفقيت شبكه بستگي به چگونگي عملكرد آن‌ها دارد. طراحي و اجراي موفق آن‌ها به تنظيم ضرايب كنترلي وابسته است. هدف از اين پژوهش تعيين ضرايب بهينه سيستم كنترل با استفاده از روش تكامل تصادفي تدريجي مي‌باشد. مواد و روش‌ها: در اين مطالعه سيستم كنترل تناسبي- انتگرالي- ديفرانسيلي كنترل از بالادست و كنترل از پايين‌دست براي سازه تنظيم دريچه كشويي در مدل هيدروديناميك ICSS توسعه داده شد. براي تنظيم ضرايب اين سيستم هاي كنترل، از الگوريتم بهينه‌سازي تكامل تصادفي تدريجي در گزينه بهره‌برداري افزايشي و كاهشي در مدت زمان بهره‌برداري 5 ساعت در كانال اصلي شبكه آبياري البرز به‌طول 6/12 كيلومتر استفاده شده است. براي ارزيابي ضرايب كنترل‌گرها، تابع هدف شامل شاخص‌هاي ماكزيمم قدرمطلق خطا، انتگرال قدرمطلق بزرگي خطا و زمان پاسخگويي سيستم در نظر گرفته شد. همچنين از شاخص‌هاي مولدن و گيتس براي ارزيابي عملكرد كانال استفاده شد. يافته‌ها: در گزينه بهره‌برداري افزايشي و كاهشي ضرايب بهينه در هر يك از كنترل‌گرها بدست آمد. با استفاده از ضرايب بدست آمده، مدل در مدت زمان كم در هر يك از مراحل افزايشي و كاهشي قادر خواهد بود عمق را در عمق هدف تنظيم نمايد. بيشترين مقدار خطا (انحراف از عمق هدف) در كنترل‌گرهاي كنترل از بالادست و پايين‌دست به ترتيب در سازه C1 با مقدار 10 سانتيمتر و در سازه C3 با مقدار 6 سانتيمتر مي‌باشد. كنترل‌گر كنترل از بالادست قادر به تنظيم سطح آب در پايين دست خود نمي‌باشد بنابراين تامين نياز آبگيرهاي TO14 و TO16 به علت قرار گرفتن در پايين‌دست سازه تنظيم C3، دچار اختلالاتي شده است كه مقدار شاخص كفايت در تحويل در اين سازه‌ها به ترتيب در محدوده عملكرد متوسط و ضعيف قرار مي‌گيرد. در كنترل‌گر كنترل از پايين‌دست مقادير اين شاخص نسبت به كنترل‌گر كنترل از بالادست بهبود يافته است. شاخص‌هاي كفايت، راندمان، پايداري در تحويل در هر دو كنترل‌گر در كل كانال در محدوده عملكرد خوب و عدالت در تحويل در محدوده متوسط قرار دارند. نتيجه‌گيري: نتايج نشان مي‌دهد ضرايب بهينه بدست آمده از مدل توسعه داده شده در هر دو كنترل‌گر كنترل از بالادست و كنترل از پايين-دست پاسخگوي تغييرات در بهره‌برداري در مدت زمان كوتاه مي‌باشد

Background and Objectives: Due to water resources shortage in our country, improvement of water distribution management is unavoidable matter for increase irrigation network performance. Control systems have an important role in water distribution irrigation network and network succesful depends on performance. Succesful modelling and running depends on tuning of control coefficients. Regarding the control, in general, the water level deviation from a pre-defined target level should be kept as small as possible. Aim of this study is determination of optimal control coefficients using SCE method. Materials and Methods: In this study, PID controller (upstream control and downstream control) is developed for slide gate on the ICSS model. PID is the most commonly applied type of controller in control engineering. An error value is calculated as the difference between a measured water level and a desired target level. The controller attempts to minimize the error by adjusting the flow passing under the gates. The PID algorithm consists of three control terms: the proportional term (P) which depends on the present error; the integral term (I) which is based on accumulated errors; and the derivative term (D) which is based on rate of change of errors. For tuning PID coefficients, SCE algorithm is used for increment and decrement operation scenario in Mc canal of Alborz irrigation network with 12.6km length at 5hr time operation. The objective function consists of three performance indexes of MAE (Maximum Absolute Error), IAE (Integral of Absolute Error) and dimensionless form of SRT (System Response Time). Also Molden and gates indexes is used for performance assessment canal. Results: Optimal coefficients controller are gained in operation scenario. Using gained coefficients, model will be able to tune water level in target level in increment and decrement process at short time. Maximum errors are related to C1 structure with 10cm in upstream controller and C3 structure with 6cm in downstream controller. Upstream controller are not able to tuning water level in downstream, so water supply in TO14 and TO16 is disturbed and MPA index is fair and poor performance classes Respectively for TO14 and TO16. The MPA index have been improved in downstream controller Compared to upstream controller. MPA, MPF, MPD indexes are good performance classes in both controller and MPE index is fair. Conclusion: Results show gained optimal coefficients of the developed model to the upstream and downstream controllers is Responsive to changes in operation in a short time.