هوشمندسازي شير فشارشكن براي كاهش نوسان فشار ناشي از چكش ‌آبي در شبكه توزيع آب با استفاده از خطي‌سازي ورودي- خروجي با بازخورد

Making a Smart Pressure Reducing Valve for Reducing Pressure Fluctuation Caused by Water Hammer in Water Distribution Network Using Input-Output Feedback Linearization

استفاده از شيرهاي فشارشكن به‌منظور كاهش فشار سيستم‌هاي توزيع آب به حداقل مقدار موردنياز، يكي از مؤثرترين راه‌‌ها براي كاهش نشت است. باز و بسته شدن شيرها، روشن و خاموش شدن پمپ و نوسان مصرف آب توسط يك مصرف‌كننده بزرگ، باعث به‌ وجود آمدن جريان‌‌هاي گذرا مي‌شود. تقابل بين جريان‌‌گذرا و يك شير فشارشكن با تنظيم شير سوزني ثابت، ممكن است موجب تشديد امواج فشاري در سيستم توزيع آب شود. استفاده از شيرهاي فشارشكن هوشمند مي‌تواند نوسان فشار را محدود كند. در اين پژوهش، خطي‌سازي ورودي- خروجي با بازخورد براي كنترل هوشمند شير فشارشكن استفاده شد. نتايج اين روش با نتايج استفاده از شير فشارشكن با CNVS و كنترل‌كننده PID مقايسه شد. براي ارزيابي روش‌‌هاي پيشنهادي، يك شبكه نظري برگرفته شده از مراجع، استفاده شد. مصارف شبكه شامل مشتركين عادي و يك مصرف‌كننده بزرگ صنعتي بود. جريان چكش آبي ناشي از تغييرات مصرف، عملكرد شير فشارشكن با CNVS، روش IOFL و كنترل‌كننده PID در نرم‌افزار سيميولينك مدل‌سازي شد. نوسان هد در محل خروج شير فشارشكن در CNVS از 18 تا 28 متر، در كنترل‌كننده PID و روش IOFL، 26 تا 28 متر بود. همچنين نتايج نشان داد كه روش IOFL، نوسانات ملايم‌تر و كمتري نسبت به PID دارد. خطاي جذر ميانگين مربعات هد در محل خروج شير با CNVS، كنترل‌كننده PID و IOFL به‌ترتيب برابر 6/1، 32/0 و 28/0 بود. بنابراين، روش IOFL، خطاي كمتر و عملكرد بهتري نسبت به PID داشت. همچنين اين روش با تبديل معادلات غيرخطي سيستم به معادلات خطي، عمليات محاسباتي ساده‌تري داشت.

Using pressure reducing valves to reduce the pressure in water distribution systems to the minimum of required value is one of the most effective ways for leakage reduction. Valve opening/closing, switching a pump on/off and water consumption fluctuation by a large consumer cause transient flows. Interference between transient flow and a PRV with constant needle-valve setting may intensify pressure waves in WDS. Applying smart PRVs can limitpressure fluctuation. In this research, Input-output feedback linearization method has been used for smart PRV control. The results of this method have been compared with PRV with CNVS and proportional-integral-derivative controller. A theoretical network taken from references was used to evaluate the proposed methods. Network demands include normal consumers and an industrial large consumer. Water hammer caused by consumption variations, PRV with CNVS operation, IOFL method and PID controllers were modeled in Simulink. PRV outlet head fluctuation in PRV with CNVS is 18 to 28 m in PID controller and in IOFL method are 26 to 28 m. Also, the results showed that the IOFL method has smoother and less fluctuation than PID. Root-mean-square error for PRV outlet head in CNVS, PID controller and IOFL is 1.6, 0.32 and 0.28, respectively. Therefore, IOFL method has less error and better performance than PID. Also, this method has simpler computational operations by converting nonlinear system equations to linear equations.