توسعه كاربرد مدل كنترل پيش بين براي بهبود مدل هاي شبيه سازي- بهينه سازي در مديريت سامانه هاي انتقال آب: مطالعه موردي خط انتقال آب زرينه‌رود به تبريز

Utilization of Model Predictive Control to Improve Optimization – Simulation Models for Managing Water Transfer Systems: Case Study of Zarinehrood Water Transfer Line to Tabriz

اين مقاله به بررسي استفاده از روش كنترل پيش‌بين به‌منظور بهبود مديريت حجم آب ذخيره‌شده در مخازن خطوط انتقال آب مي‌پردازد. كنترل پيش‌بين از مدل‌هاي كنترل مدرن است كه به دليل عملكرد مناسب آن نسبت به تغييرات ناگهاني مدل، در سامانه‌هاي مهندسي مورد توجه قرار گرفته‌است. از قابليت‌هاي اصلي كنترل پيش‌بين، مدل‌سازي پيش‌بين سيستم در تابع بهينه‌سازي است، اين ويژگي باعث مي‌شود كنترل‌كننده با آگاهي از شرايط سيستم در بازه‌هاي آتي، ورودي مناسب براي رسيدن به خروجي مطلوب را تنظيم كند. در اين تحقيق با استفاده از الگوريتم كنترل پيش‌بين و در نظر گرفتن محدوديت ظرفيت پمپاژ ايستگاه‌ها و مخازن، يك كنترل‌كننده بهينه براي خط انتقال آب زرينه‌رود طراحي شد. اين خط به طول 180 كيلومتر، شامل 24 انشعاب بوده و بزرگ‌ترين خط انتقال آب خاورميانه است. در اين تحقيق، كنترل‌كننده براي خط انتقال به‌صورت تابعي دو هدفه، حفظ حجم ايمن آب ذخيره‌شده در مخازن و كاهش نوسان جريان در ايستگاه‌هاي پمپاژ طراحي گرديد. نتايج حاصل از اعمال روش كنترل پيش‌بين با داده‌هاي اپراتوري و همچنين روشي ديگر به نام روش كنترلي انتگرالي درجه دوم خطي مقايسه شد. بر اساس نتايج به‌دست‌آمده، الگوريتم كنترل پيش‌بين به‌خوبي توانست ضمن عملكرد بهتر نسبت به داده‌هاي اپراتوري و روش كنترلي انتگرالي درجه دوم خطي، قيود موجود در سامانه را ارضا كرده و نوسان پمپاژ را %22 كاهش دهد. همچنين حجم آب ذخيره‌شده مخازن را با كمترين انحراف در مجاورت حجم مطلوب حفظ كند. از طرفي الگوريتم پيشنهادي موجب مي‌شود، مجموع دبي پمپاژ شده %8 از طريق بهينه‌سازي كاهش يابد.

This paper studies the performance of model predictive control in improving the management of reservoirs in water transfer line. Model Predictive Control is an optimal modern control which due to its proper function against sudden disturbances has been developed for engineering control problems. One of the main capabilities of the predictive control algorithm is the prediction modeling of the system in optimization function. In this research with using a predictive control algorithm while applying the constraints regarding reservoir and pump stations capacity, an optimal controller is designed for the Zarinehrood transfer line to Tabriz. This network contains a total pipe length of 180 kms with 24 branches which is known as the largest transfer line in the Middle East. In this research the designed controller have been solved for the two objective functions, maintaining the safety water in the reservoirs and reducing the fluctuations in the pump stations. To evaluate the predictive control algorithm performance, the results of the MPC were compared with operator data and another control method called linear quadratic integral control . The obtained results show that the predictive control has been able to perform better than operator data and linear quadratic integral control. While yields high capability to satisfy all constraints while fluctuations in pumping stations have been decreased about 22% and the water in the reservoir tanks maintain the lowest error in the vicinity of the desired volume.The total amount of pumped water over the length of the transmission line has been decreased by 8%.