автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Оптимальное управление объектами системы машинного водоподъема. Модели и алгоритмы

и /\

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН НАУЧНО - ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «КИБЕРНЕТИКА»

На правах рукописи

РУЗИЕВ Улугбек Таирович

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБЪЕКТАМИ СИСТЕМЫ МАШИННОГО ВОДОПОДЪЁМА. МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ.

Специальность 05.13,01—Управление в технических системах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТАШКЕНТ — 1994

Работа выполнена в научно-производственном объединении

Среднеазиатский научно-исследовательский институт ирригации имени В. Д. Журина (НПО САНИИРИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

РАХИМОВ Ш. X. Официальные оппоненты: доктор технических наук

ХАМДАМОВ Р. X.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник АБИЛКАСИМОВ Б.

Ведующая организация: Институт водных проблем Академии

наук Республик» Узбекистан.

Защита состоится « » 1995 г. час- па

заседании специализированного совета Д.015.12.21 в научно -производственном объединении «Кибернетика» Академии наук Республики Узбекистан по адресу:

700143, Ташкент, ул. Файзуллы Ходжаева, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института кибернетики НПО «Кибернетика» АН РУЗ.

Автореферат разослан «_ 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор технических наук, профессор

ШАМСИЕВ 3. 3.

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЯБОТН

актуальность проблема. Наиболее полное использование потенциальных зозаазчостей мелиорации зэзисит от качественного (/ровня научно-технических разработок и осуществления мер перехода на водосйере-газ'яие технологии. Следствием этого является широкое внедрение автоматизированиях систеа управления технологическими процессами (ACS TR3 в водохозяйственных системах, к числу которых относятся крупные оросительные каналы с мазиняым водоподъемом и бассейнами перерегулирозакил.

Основой для построения эффективной flCiJ ТП зсдоподачи и водорасп-ределеная в системе мазанного водоподъема (СНВ) является комплекс задач, вклнчавзиЛ з себя исследование режимов работы всей совокупности элементов системы,разработку адекватных математических моделей и выбор на их основе оптимальных методов управления исследуемым объектом.

Проблема, затруднявшие выбор оптимальных методов управления зак-лзчэзтсл в то», что объект исследования представлен слогнаа в структурном и параметрическом отношениях. Динамические свойства объекта описываются совокупности систеа дифференциальных уравнений в частных производных со слояной областьв определения и зжрокиы классом краевых условий. Вопросы построения эффективных математических моделей и оптимизационных алгоритмов управления для таких слозных объектов не резены полностьз.

3 настоящее время управление CMS а основной диспетчерское, с яс-юлъзованиен относительно простых методов принятия реяений. основан-шх ла личном опыте и интуиции-и репавадх задачу управления для теку-'.его момента времени. Такое управление приводит к перерасходу злект-ознергии на водоподъем, непроизводительным сбросам и потерям воды, ^выполнении графика водог.одачи. Яоэтоыу особенно актуально а насто-gse время-разработка математических моделей и алгоритмов оптималь-ого .управления СЯВ. обеспечивавших экономия водных и энергетических есурсов. Су^ествувдие математические модели объектов СЙВ послужат сновой для реиениа намечаемых задач. Однако требузтся теоретические бобзения математических моделей; выбор таких моделей, которые обес-ечиваат необходимую точность и адекватность исследуемых процессов; ыбор и разработка математических моделей и алгоритмов управления, татывавцих технологическуэ взаимосвязь объектов СИЗ.

Цель и задачи исследований. Основной задачей исследований явля-гся разработка математических моделей к алгоритмов оптимального уп-авления технологическими процессами зодо^одача и водораспределеяиа крупных оросительных каналах с аазинныа водоподъемом, относяяихся классу слолгах систем с распределенная параметрами. с целы) повн-:ния уровня эксплуатации л сокращения непроизводительных затрат зод-IX и энергетических ресурсов,

Для достивения .поставленной цели необходимо ревитъ следившие задачи исследований:

1. Анализ современного состояния вправления процессом водоподачи и всдорзспределения в СИБ.

2. Разработка математических моделей технологических процессов водоподачи и водораспределения в объектах СЮ.

3. Разработка математических постановок и алгоритмов регения задач оптимального управления объектами СКВ.

4." Разработка программного комплекса для моделирования к оптимального вправления объектами СКВ.

5. Разработка рекомендаций по оптимальному управлении технологическими процессами водоподачи и водораспределения в объектах СКВ.

Кетоды исследований, Реяение поставленных задач проводилось методами математического моделирования технологических процессов в водохозяйственных объектах, методами теории графов, методами численного интегрирования систем дифференциальных уравнений в частных производных, принципами системного анализа и методами.теории оптимального управления многосвязныки системами с распределенными параметрами.

Научная новизна диссертации представлена следувщикй основными научнаки положениями я результатами, которые выносятся на защити:

- метод решения задачи математического моделирования и оптимального управления технологическими процессами водоподачи в СКВ на основе декомпозиционного подхода;

- математическая модель, алгоритм к комплекс программ для решения задачи моделирования-и оптимального управления неустановившимся двигениек воды на участке магистрального канала СМВ;

- математическая модель, алгоритм и комплекс программ для моделирования к оптимального управления динамическими процессами наполнения и сработки водохранилища сезонного регулирования с учетов потерь всдк на испарение и фильтраиик;

- взтекатическая модель, алгоритм к комплекс программ для реве-ниг задачи внутристанциокной оптимизации режима работы крупной насос-вей станций, оскаленной осевыми насосными агрегатами.

Направление работа. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ НПО СйЩРЙ на 1932-1995 гг.- по теме: "Разработка математических моделей процессов управления водохозяйственным объектом. Алгоритмы реиения задач управления крупными насосным; станциями" (план Н15 и ВХ Республики Узбекистан, тема 2.1 .6.1 . ,1532 г. К Гос.рег. 01.53.0001591).

Достоверность результатов. Знвада я рекомендации,содерзазиеся з диссертационной работа, обоснована прозеденннми теоретическими и экспериментальными исследованиями.Их достоверность подтверадается расчетами различиях злризнтов на ЭВМ. результатами натурных экспериментов, а такге знедрсниен результатов исследований э Управление эксплуатации Карпинского магистрального канала с каскадов насосных станций и Тали-иардзанским водохранилища (43 KHK с НС я ТВJ.

Практическая' ценность я реализация результатов работы. Использование разработанных математически* моделей и алгоритмов управления э виде комплекса програая для управления технологическими процессами з СМВ поззоляет повысить качество принимаемых резений я прогнозировать изменение состояния системы.

Результаты диссертации использованы в качестзе. элемента натеыа-тического обеспечения автоматизированного рабочего места диспзтчера 93 К¥К с НС и ТБ. ■ .

Экономический эффект ст внедрения резудьтатоа данной работы составил 2700 тнс.суа/гзд С1334), что подтзерздаетса актом о внедрении и расчетом экономической эффективности.

• апробация работы. Основные полонёниа и результаты диссертационной работы докладывались и обсуядались на' Республиканской студенческой научно-технической конференции ТаэГТНЧ г. Ташкент ,1992 г.);на Рас-публиканской научно-технической конференции "Эффективное использование энергоресурсов в сельскохозяйственном производстве" ( ТИЙЙНСХ, г.Тапкент,1993 г.);•на.Ме«дународной конференции "Интеллектуализация систем управления и обработки информации" ( НПО "Кибернетика",г.7ая-кент,1994 г.); на Меадународной конференция "Матеаатичвсхое моделирование и вычислительный эксперимент" ( НПО "Кибернетика", г.Танхент.

1994 г.); на заседаниях секции "Бодное хозяйство и системы управления" Ученого Совета НПО СПШ1РЯ (г.Таакент,1932-1994 гг.);на объели-' ненном научном семинаре НЯИСЙ и Института кибернетики АН РЗз. (г.Таз-кеят,1ЭЭ4 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и об'ьеа работа. Диссертация состоит из. .аведалая,четырех глав, заключения, списка использованной литературы а пралояений, в которых представлены акт о внедрении результатов диссертации з производство и расчет экономической эффективности.

Об-ьеи работа без списка литература,приложений,рисунков я таблиц составляет 132 страница.

Выразаа своя благодарность научному руководители: д.т.н..прсфас-сору 0.Х.Рахимову; научному консультанту: и,т.н.,с.н.с. И.Бзг>иозу за помочь в работа над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РР.БОТН

8о введении обосновывается.актуальность работы, цель я задачи исследований, [¡сказана научная новизна диссертации, приведена основные научные пологения, которые выносятся на зааиту.

8 первой главе изучено современное состояние управления процессом водоподачи и водораспределения в СМВ, определена технологические основы задач моделирования и управления в крупных оросительных каналах с маяикннм водоподъемом и бассейнами перерегулирования.Отмечено, что СМВ представляет собой слоаный комплекс взаимосвязанных объектов различной технологической структуры - насосные станции,магистральные каналы, водохрашшад, гидротехнические сооруаения.питаашаа электрическая сеть (рис.1).

Анализ современных схем регулирования и методов управления технологическими процессами в СМВ. в больаинстве своем состояаих из относительно простых методов принятия репений, основанных на личном опыте и интуиции диспетчера с использованием различных таблиц и номограмм показывает, что для-существенного улучяения качества управления необходимо исследовать особенности СМВ, определить параметры.описывавшие состояние объектов и установить основные управлявшие воздействия

1-водоисточник;2-водозаборное соору1ение;3-насосная станция: 4-магистральныЯ канал;5-гидротехническое сооружение ;6-бассейн перерегулирования;7-подводяцнй какал;8-аванкамера;3-насосные агрегата: 10-напорные трубопровода:! 1-водовыпускное сооруяение;. 12-отводзяиА канал;13-понизителькая подстанция;14-внсоковольтная линяя электропередачи;15-знергосистема.

РисЛ. Схгаа системы «азинного водоподгема для орошения.

цля элементов СПБ. Особенности технологических режимов работы СКВ в целой зависят от: гидрологических режимов источника водозабора (суточные колебания расходов и уровней вся- сезонные изменения режима 1сточника): графика водозабора; режимов работы объектов системы с ¿четом технологических ограничений (условий незаиляемости русла каната, режима работ насосных станций, водохранилища и гидротехнических кружений).'Исследования режимов работы СКВ показали, что одной из основных причин несоверженства.управления является сложность учета аеустановиввегося движения веды как причины значительных колебаний (ровней воды в бьефах насосных станций приводяких к наруиении техно-¡огического ревима и возникновении аварийных ситуаций. Важным недостатком при управлении СКВ является отсутствие прогнозирования изменена состояния СКВ по пространственной и временной координатах,слабый |чет технологической взаимосвязи объектов СКВ при принятии стратегии ■правления.

В связи с больжой протяженностью водохозяйственных систем, расп-еделенностьв параметров, необходимостью учета многих технологических акторов и структуры взаимосвази объектов,в настоящее время количест-еннне и качественные изменения характеристики водных ресурсов и па-аметров объектов СКВ можно получить практически только методами ма-ематического моделирования.

Выбор математической модели, которая с требуемой степенью дета-изации будет описывать сложные процессы водоподачи и водораспределе-ия в объектах СМБ задача весьма проблематичная вследствии отсутствия настояяее время единого системного подхода к вопросу моделирования МВ и существования вирокого класса различных по степени сложности магматических моделей отдельных объектов СКВ. Больвое количество подхо-ов к создании математических моделей обусловлено прежде всего слож-осты) их списания. В настоящее время наиболее жкрокое применение наж-и математические модели трех типов: стохастические (используют данные, зблвдений за процессами на объекте для построения статистических за-лсимостей мевду параметрами изучаемых явлений); концептуальные (ис-зльзуют упрощенные уравнения с дополнительными гипотетическими соот-зженнями); гидродинамические модели (используют для описания процес-зв водораспределенкя уравнения математической физики).

Анализ указанных математических моделей применительно к СКВ по-1зал, что наиболее предпочтительным является использование гндроди-!мических моделей велгдетвки их универсальности и высокой степени, ¡тализаиии, что делает возможным создание единого методического под->да к моделированию технологических процессов в СМБ з целом.

Исходя нз сделанных выводов, соормулированв и обоснована цель н 1дачк исследований, режекие которых и составляет основное содержанке |боты.

в

Вторая глава посвацена разработке натеиатических моделей объектов СКВ и алгоритмов математического моделирований технологических процессов на крупных оросительных каналах с каииннын водоподъемом.

1. Разработаны математическая модель крупной насосной станции, оснащенной осевыми насосными агрегатами к алгоритмы моделирования рсЕимов всдопсдачи насосной станция для различного числа насосных агрегатов с соогбетствувкими кокерами работавших насосных агрегатов и углаки разворота лопастей. Расходные характеристики насосного агрегата заданы в виде семейства кривых при различных углах разворота лопастей:

QJ(И)^{lcи)V>J)J } (I)

где: Н- высота подъема воды; р - угол разворота лопастей, & - расход насосного агрегата, соответствуйте J -той кривой; И- количество кривых.

Состоакие насоснеЙ станции определяется количеством

л. последовательностью номеров работающих насосных агрегатов л"/и углов разворота лопастей работавших насосрах агрегатов'{ V) . Таким образок,расходная характеристика насосной станции определяется тройкой и вычисляется по формуле:

ОхнсСЮ=2.г О/(И} ту} {2)

Напорная характеристика насосной станции определяется по формуле:

В™с(лЮ (¿¡(¿и) (3)

' и/гр '

т

где: (¡¿(¿Ш- напорная характеристика трубопровода 1-го насосного агрегата; АН- потери капора в трубопроводе, которые однозначно определяется знанием тройки [ЩА'}рРт(аЮЗ , где -множество напорных характеристик трубопроводов насосной станции.

Результатов моделирования является определение производительности насосной станции при заданных значениях уровней верхнего НЙЕ и нижнего Иьв бьефов; „

' й СНщНи)-(Ц , (4)

где: /'-'алгоритмический оператор, соответствующий пересечению характеристик

2. Разработаны математическая модель водохранилища сезонного регулирования и алгоритм моделирования ренинов наполнения и сработки водохранилища с учетом суммарных потерь на испарение и фильтрации с чаян водохранилища и ограничений на всдоподачу.

Динамические процесса наполнения я сработки водохранилища запи-сываотсз в виде обыкновенного дифференциального уразнения:

d w/cti = Q„et)- QaCÜ-Q„ W, W(ie) =W0;. (g,

где: WttJ- объеа воды в водохранилище; QhW~ объем наполнения; Qstij- объем сработки; QnW- объем потерь на испарение и фильтрация.

Так как в водохранилище годичного регулирования процесса наполнения и сработки достаточна длительные, для расчета динамики изменения объема воды в водохранилище использована явная схема конечно-разностной аппроксимации уравнения С 5 i с декадным интервалом по времени:

OnJM} щ ,

(3)

где: К = 0,1,2.....У - декада;. V0- заданный начальный объеи водохранилища. Объема наполнения и сработки зависят от производительности наполнявших я выпускных сооружений за период ¿¿- соотзет-стзенно. Объем декадных потерь на испарение и фильтрация:

¿7/7 - Л/7 ^ / (7)

где: К*- удельные среднедекадные потери воды на испарение и'фильтрацию с 1 км! площади зеркала водохранилища; - средняя площадь зеркала водохранилища в.данной декаде. Основанием для применения декадного интервала времени при учете суммарных потерь на испарение и . Фильтрации является тот факт, что при - меньших интервалах времени подсчет этих потерь нецелесообразен, а при больаих интервалах увеличивается погрешность вычислений.

3.-Разработаны математическая модель участка магистрального канала, основанная на решении системы дифференциальных уравнений Сен-Венаяа в частных производных гиперболического типа и алгоритм моделирования яеустановиваегося двиаения воды на участке канала для яирокого класса граничных условий.

Система уравнений, описывавщая неустановиввееся движение вода на участке магистрального канала имеет вид:

до / Г31 W7

(8)

где: X - пространственная координата вдоль длины участка канала:

{ - время; - площадь аивого сечения водного потока; &- ви-.

рина свободной поверхности водного потока; тГСх^Н 0(лД)/&)£с £) -средняя скорость потока; гравитационная постоянная; К - модуль расхода золы на участке канала. 0 качестве состояния участка канала раесматриваптсз Функция распределения расхода вода й(Х}1) я функция

распределения ординаты свободной поверхности 2 (х,^,) водногг потока на участке канала.

Для единственности реаения системы уравнений (8) необходимо задать начальные и граничные условия.

Начальные условия имеат следующий вид:

где Е0(.Х) - известные функции.

Граничные услозия в общем случае имевт вид:

О (0,1) = 1(0А), ф), 1 С10)

где: 5ц , $1 Д - управлявшие параметры гидротехничес-

кого сооруаения, располозенного в начальном створе X = 0, и сооружения, расг.олозенного в конечном створе X -£ , соответственно. Зыраае-ния операторов ,Рг зависят от типа сосрувения и реяимив его работы.

Численное регение краевой задачи (8) с соотЕетстзуа?ини начальными условиями (9) к граничными (10) оснсзано на применении метода конечных разностей и использует абсолзтно устойчивую неязнуя разност-нув схему.иаеЕцув второй порядок аппроксимации по х и первый порядок по I.

Исходными данными для моделирования неустановивгегося движения воды на участке канала является известные морфометричесни? и гидравлические параметры участка, гидроэнергетические характеристики граничных гидросооруяений.

4. Разработана, на основе элементов теории графов, математическая модель технологических процессов водоподачи и водораспределения в СН8.

Топология СКВ представлена в сиде ориентированного графа Г, где узлами является активные элементы СН5 - НС,ГТС,водохранилища.а ребрами - участки магистрального канала, соединяияие узлы. Соответственно, составные функции математической модели раэбиваится на два класса: с распределёнными и сосредоточенными параметрами.Функции с распределенными параметрами /хД/ определены на ребрах графа ( расход (КхД) и уровень г(хД)) и удовлетворяет дифференциальным уравнением в частных производных. Функции с сосредоточенными параметрами /\/ определены в узлах графа (расход 2ЯС)ПД) в данной верЕине для НС или ГТС: уровень в аккуаулируи^ей емкости) и удовлетворит условиям связи параметров з вераииах, заданных з виде алгебраических или обыкновенных дифференциальных уравнений.

Йлгсритм моделирования заклвчаетез в пояагезом определении для яаздого момента вреаени £ = г,,,-^д-!:.....7 значений неизвестных

. Ъ^ в каадой контрольной точке дуги и э ка1дсм узле'грача Г.

В третьей главе разработаны математические постановки и алгоритмы ревения задач оптимального управления объектами СИВ.

Технологическая сущность задачи уязвления СКВ заключается в переводе системы из одного устансвивгегося состояния в другое с минимальными потерями водных и энергетических ресурсов. При этом, должно выполняться плановое водораспределение. Вправляющими воздействиями в СКВ является: количество работающих насосных агрегатов; углы разворота лопастей осевых насосных агрегатов: величина открытия затворов в перегораакваюикх сооружениях и в водохранилище. Состояниями: уровни воды на участках канала и в водохранилике; расходы воды в насосной станции к перегоргмивавцих сооружениях. В качестве критериев управления рассматриваются: среднеквадратичные интегральные отклонения фактических расходов воды от плановых; суммарное потребление электроэнергии на насосной станции;объем потерь воды в водсхранимже.

Как объект управления, CUE относится к классу многосвязных систем с распределенными параметрами и наличием в векторе"управления как непрерывных, так и дискретных компонент. В последнее время для реве-кия подобных задач наиболее вирокое распространение получили декомпозиционные методы.Использование декомпозиционного подхода позволило выделить в СКВ локальные задачи оптимального управления насосной станцией, водохранилищем, участком магистрального канала и обцуз координирующую задачу.

Задача оптимального управления режимом работы крупной насосной станции заключается е определении количества Н и множества/f' номеров работаздих насосных агрегатов, а также множества У углов разворота . лопастей, обеспечивавших минимум потреблземой насосной станцией модности для реализации заданного графика всдсподачи:

2, «J — теп} и^Ц^У-У (11)

Поставленная задача решается на основе теории выбора следующим образом:

1. Для заданных уровней воды в верхнем Hit и нижнем НК1 бьеоах насосной станции определяем все возможные варианты составов управляющей тройки 4,pJ . способные обеспечить плановый расход;

2. Рассчитываем для каждого варианта потребляемую можность;

3. Выбираем вариант с минимальной мощностью.

Задача оптимального управления режимом работы водохранилища сезонного регулирования заключается в выбере таких управдяиеих воздействий на наполнявшем и выпускном сооружениях, при которых обеспечивается график всдсподачи с минимальными потерями водя.на испарение и ©ильтрацис:

/к (Т)~ — тгип С12^

¿а

Поставленная задача ревается на основе теории оптимального управления объектам, состояние которых описывается обыкновенными.дифференциальными уравнениями. Алгоритм решения следующий:

1. Задается начальные прибликения управляющих функций

2. Ревается краевая задача (о) с начальным условием :

3. Вычисляется значение критерия управления С12);

4. Ревается уравнение для определения сопрягекной функции У'Ш :

•ЛУШ до»а/ ,, аа.ед

-ЧУ—гг;— с 13)

dt öw . öw

при условии:. У[Tj = -[WiTj-Wn]2

5. Если условие /2-1 ¡<6 ке выполняется, то проводится улучшение управления .с помощью оператора проецирования Рц :

илн (V = pu[v« W-<*(-(U)

Технологические особенности эксплуатации водохранилища сезонного регулирования позволяет разделить задачу управления на два этапа: для вегетационного периода -с начальным условием Vv'(ie) = W0 и для невегетационного периода с начальным условием W(T) • Wr •

Задача оптимального управления неустановившимся движением воды на участке магистрального канала заключается в стабилизации значительных колебаний уровней еоды Z(ßji) от плановых 2* с цели обеспечения нормального реЕима водораспределения при изменениях реЕимов работы объектов СМБ:

I, — min с 15)

Для получения необходимых условий оптимальности задачи (8) при начальном условии (9) и граничном (10). использована теория оптимального управления системами с распределенными параметрами.

Необходимое- условие оптимальности имеет вид:

ia-мт,

1 (1б)

= о

Численный расчет оптимального управления основан на применении метода градиентного поиска с использованием необходимых условий оптимальности. Идея метода замечается в ток. что если управления 11Д{). игЦ) не является оптимальными, то приращение управлений выбирается так, чтобы обеспечить движение в направлении,. проткЕОПолсснок градиенту -вариации функционала:

(17)

Алгоритм вычисления оптимальной траектории состоит из следусщих сагов:

1. Задать начальные значения управлений (-1) , (4) .

2. Режить основнус задачу (8) с учетом условий (3) и (10):

3. Рассчитать значение критерия (15);

4. Реянть сопряввнндс краевуп задачу:

дя{ " ■ ...... —" "

Ж

~Цвг дхГ V дх си*с3

[ (а>с/ а) J ахУ ** I

У (10)

[Б] дх 7 и; ах

у

с граничными условиями:

£ = О

и условиями в конце процесса управления:

N

>• (13)

(20)

*,(х}т) = ¿г (х}т)=а

5. Если условие в не выполняется, то провести

улучшение управлений методом проекции градиента.

■Задача оптимального управления СМЕ в целом заключается в определении законов изменения во времени расходов и уровней воды в кагдом управляемом узле графа Г с целью минимизации расхождения фактического уровня еодк от заданного,а также сокравения непроизводительных потерь водных к энергетических ресурсов. При этом необходино выполнение планового графика водораспределекия и соответствующих технологических ограничений.

Показатель качества управления СМВ характеризуется функционалов:

7 = ^ — лггл. . (21)

где: у

#(*) г

Ъ ЕМ [К,*;*'])*

I'* ¿0

& гу+^Е. ¡[цю- у/*ю]си

¿'У

Каждый из частных критериев представляет собой функционал, определенный для конкретного агрегированного элемента. - выраЕает для участка канала величину рассоглосования уровней воды ЛкС-Х*,^) в контрольных точках К = 1,2,..., Л'( от их плановых значений К(Хк) в дискретный момент времени Т =1,2,...,Т; - энергетические затраты е М(- узлах-насосных станциях по СКВ в целом; значение потерь води на испарение и фильтпацив в узлах-водохранилищах за декадный интервал времени Т' =1,2.....Т. Второе слагаемое б критерии

определяет величину рассоглосования фактического объема воды в водохранилище от планового; - выражает величину расхождения между расходами еоды потребителями от плановых расходов по графику водопо-дачи,. количество водопользователей; ^ - весовые коэффициенты.

В диссертационной работе приведена формализованная процедура построения программного управления 13(1), г.ри котором оптимизируется векторный функционал (21). Для этого используется синтез указанных вызе математических моделей и алгоритмов оптимального управления отдельными объектами СМВ.

В четвертой главе на основе разработанного программного комплекса проведено на П38М ISM-AT/386 моделирование и оптимальное управление технологическими процессами водоподачи и водораспределения а объектах СМВ.

Программный комплекс разработан на языке Turbo-Pascal 0.0 по принципам структурного программирования. Интерфейс с пользователей ориентирован на работу в диалоговом реяиме, что позволяет эффективно использозать данный комплекс з качестзе элемента математического обе-печения автоматизированного рабочего места диспетчера СМВ. Входной информацией для программного комплекса являются гидравлические, мор-Фоаетрические и технологические параметра элементов Ш, характеризуете начальное состояние объекта и ограничения. Выходной информацией являлтся значения параметров, характеризующие динамическое состояние системы по зременнын слоям, а такае значения Функционалов,от-раяащих качестзо управления при заданном реяиае.

■ С цельи проверки адекватности разработанных математических моделей и алгоритмов оптимального управления, проведена численная имитация на ПЗЗМ натурных экспериментов. В качестзе объектов исследования рассматривания Каряинский магистральный канал с каскадом насосных станций и Талиыардаанское водохранилище. На рис.2 приведена структурная схема исследуемого объекта с осноеннми параметрами: расход воды Q , длина участка L , ширина канала по дну 6 , коэффициенты 1ероховатости Кш и откоса КСтк. уклон дна I' .

.7 Â Г^^ЛлрЫ

. a3.q

НС-7

О

v152-3

<53.9,.

П5.0 . .. — ■ - ■ 1

70 Ъ i

)3а | го.? | i.i г го. z t V6 » --.ц.,' ■ : з.з i

а, м 55-0 1 ?0 ■ s

Ки : 3.QZ J a.in? s t

Лпт. 4.0 ) -5 П

I о оои с л ;

Рис.2. Схем* К»рсякс!гого мчгясгржяьнсгэ..к«к.*л»

Б работе приведена результата моделирования и оптимального управления технологическими процессами зодоподачи и водораспределения на крупной насосной станции, оснащенной осевыми насосными агрегатами; в водохранилище сезонного регулирования; на участке магистрального канала; в каскаде насосных станций.

Моделирование и оптимальное управление процессом водоподъема на насосной станции определяет возможность обеспечения заданной производительности (расхода) с учетом текущего состояния уровней верхнего и нигнего бьефов; рассчитызает все возможные варианты состаза насосных агрегатов, способных обеспечить заданный расход; выбирает б качестве оптимального вариант с минимальной потребляемой мощностьв (таб.1).

Моделирование и оптимальное управление режимом работы Талимард-1ансхого водохранилища определяет такие режимы работы выпускного Qjun и наподнаащего Онс-? сооружений в течении одного года, которые способны обеспечить наполнение водохранилища до планового объема и его сработку с минимальными потерями.воды на испарение и фильтрации, при этом учитывалтез водозабор из реки Яаударья и необходимость обеспечения планового графика водораспределения (таб.2).

Моделирование и оптимальное управление участком магистрального канала заключается в численной имитации нецстановиваегося движения воды, возникшего в результате изменения производительности насосной станции или перегораживаящего сооружения, расположенного з начальном Н„ или конечном Нк створе участка (рис.3), с цельи определения таких управляющих воздействий на данных сооружениях,которые позволят стабилизировать уровни в оптимальном диапазоне.

Моделирование и оптимальное управление режимом работы CMS зак-авчаетез в определении динамики переходных процессов в каждом объекте СИВ с учетом их функциональной и структурной взаимосвязи; выбор таких дпразляаяих воздействий, которые минимизируют обобщенный критерий потерь водных и энергетических ресурсов по системе в целом с учетом ряда технологических ограничений и условий максимального соответствия с плановым графиком водораспределения (рис.4).

Анализ полученных результатов показал качественное и количественное соответствие расчетных данных с фактическими в диапазоне допустимой погрежности (до 7Z), что подтверждает адекватность разработанных математических моделей и-алгоритмов оптимального управления к реальным технологическим процессам, происходяжим на объектах СМВ.

S работе разработана и предюжены рекомендации по оптимальному управления процессами водолодачи и водораспределения в СМВ.

Таблица I

Результаты расчетов режимов работы НС-1 .

Вариант йножество работавших насосных агрегатов Нглн газворота Расход м3/с . Критерий КВт

НА -1 НЙ-2 Нй- -3 Нй-4 Нй- -5 НЙ- -6

1 1,2.3,4.5 0 .0 0.0 -г 0 -6.0 -6 0 190.10 40.471

2(*) 1.2,3,4.6 0 .0 -4.0 -4 0 -4.0 0 190.00 40.330

3 1.2.3,5,6 Г 0 -6.0 0 0 - -2 0 -6. 0 130.20 40.719

4 1.2.4,5.6 0 .0 -4.0 -4.0 -4 0 -г. 0 190.00 40.336

5 1.3.4,5,6 0 .0 - 0 0 -6.0 -2 0 -н. 0 190.10 40.343

6 2.3,4,5,6 0.0 -4 0 -4.0 -4 0 0 130.10 40.343

7 1.2,3,4,5.6 -2 .0 -6.0 -8 0 -8.0 -8 0 -8. 0 192.20 42.464

Примечание: (*) - оптимальный вариант.

Таблица 2

Результаты расчетов режимов работы Талинардзаяского водохранилища

Кесяц

Водозабор м*/с

Зкс Опт

Эксплуат. м3/с

Онс-7 Овып

Оптим. м*/с

0нс-7 йвып

Объем ТВ нлн?м

Экс. Опт

Потери млн5, н

Нпз Кпо

Сент.

Окт.

Нояб.

Дек.

Знв.

Февр.

Март

Апр.

Май

Ивнь

Июль

йвг.

120 153 152 136 144 134

117 108

150 121 138 143

151 132

118 118 110

124

125 1 чо 1«

152 163 192 186 116. 175. 175 179. 211. 211.

204. 209.

205. 205. 187.

90.7 34.4 54 ~

142.4 142.8 148.8

131.5 122/

154.8 137/ 142.5 147.2 151 132.5

134.9

134.5 126.8

140.6

125.4 150.9 149.1 152.1

176.7 199.1

200.7

162.5

189.1

174.2 163.0

205.6

205.8

206.3 210.8

211:1 199.8

38.0 101.0 118 "

106.7

98.6 . 86.4

58.7 66 "

115.4 98.4

134.0

139.8

122.9

136.1 75.9 36.3

8.4

11.1

2.3

6.6 71.8 28.8 16.8

0.6

3.8 44.5 044.5 7.4

10.4

68.0 143.8 185.1 195.8 138.3 201.3 169.5 133.7 82.8

0.0 0.0 20.2 112.3 97.3 101.2 72.6 ВОЛ 119.3 114.5 139.1 143.5 122.9 122.1 92.3

52.8

24.9 27.6

• 9.7

13.4

86.5

74.7

30.8

3.8 44.5 044.5 7.5

■10.6

72.4

159.4

191.5 201.2

135.6

202.5

163.6

127.7 6?. 7,

21.8.9

322.0

416.6

500.7

579.1 541.7

687.2 738.5 831.9 911.5

1018.8 1132.1 1232.6

1346.5 1405.1

1433.1

1438.2

1445.3 1442.3

1431.6

1384.0 1372.2 1367.5 1355.9

1409.7

1427.1 1428.0 1350.5

1223.8 1055,7

874.3

687.7

498.4

337.8 204.4

121.9

196.3 188.9 200.6 291.5

370.0 477.3 505.5 569.5

•666.9 760.9 873 990

1051. _ 1205.0

1278.4 1321.0 1340.. 1361.9

1359.0

1348.5 Г01.0 1289.4

1291.2

1294.3 1360.9

1410.1 1431.0 1359.7, 1209.8

1085.6

859.2

665.3

475.1 319.3 192.7 121.0

4.28 8.76 7.86 8.01 6.94

12.00 5.20 5.80

6.29 5.44 8.46 7.52

5.73 3.66 7.01 3.34 2.11 2.50 2.87 7.38 9.62 5.33

6.74 8.09 8.33 7.41

13.68 8.74 12.39 8.61 11.77 11.29 14.44 14.77 17.9 11.22;

4.08 7.34 5.78 6.05 5.65 10.18

4.55 5.13 5.70 4.94 7.68 6.65 5.30

3.44 6.70 3.2? 2.05

2.45 2.9! 7.23 9.41 5.20

6.56 7.92 8.20 7.36

13.67 8.74 12.35 8.53 11.60' 15.01 15.19 14.46 16.73 10.9?

4} с Цм

235 7.4

220 7.3

205 7.2

190- 7.1

175- 7.0 ■

QA5 t

193 9.9 •

ISO . 9.8 .

175 • Э.7 .

170 • 9.6 ■

165 ■ 9.5 •

----- - фактический уровень

- - р»счетный уровень

20 40 60 ё0 100 120 t ,мин.

Нк

<«с-г

20

40

60

80

ТОО

120 i ,мик.

Ркс.З. Результаты моделкроЕпнкя уч°сткя ?£2 К^ршинскогс

Q,f

20С. 190 180 170

»/ягт.стрпльнзгэ К"ЬРЛВ.

QHC-Í

__0_ИС^6

J. _

Т Ql#C-¿

Ht-j ;

t.

ÜHC-З

Qhc-Í

ICO \ Okc-6

X5öJ_ßw-i________________!_________QïS'J

.140 _________________'

" t к.

20

40

60

ВС" •

Рис.4. Изменения. pacxcsoB при• оптикшэвцйи pesm«j работы Квргашского К'пп'.стг^.льнсго кчнчл*.

ОСНОВНЫЕ РЕЗМЬТАТН И ВЫВОДЫ

1. На основе праведеикнх исследований обоснована необходионсть использования современных методов управления с применением математических моделей, алгоритмов резения оптимизационных задач и вычислительной техники для ссверяенствования региыоз работы С'аВ.

2. Разработана математическая постановка задачи моделировнаиа я оптимального управления технологически* процессом зсдсподачи и содо-распределения з СМВ. основанная на принципа декомпозиции слозной система на ряд типовых элементов - насосная станция,зодохранили^е,участок магистрального канала.

3. На основе теории выбора и принятая рзаекия разработани аате-матическая модель и алгоритм знутристаиционной оптимизации крупных насосных станций, позволяющие сократить затрата электроэнергии на водоподъем. На примере каскада насосных станций Карпинского магистрального канала зто составляет около 2 X С 731700 кЗт.ч. ) а год.

4. Разработаны математическая модель и алгоритм реяения задачи оптимального управления динамическими процессами наполнения и срабст-ки водохранилища сезонного регулировнаия, обеспечивавшие выполнение графика водоподачи и сокращение йепроизводительных потерь зодн на испарение и фильтрация. На Талимардяансксм водохранилище'это составляет 12,4S зля.aJ/год, или 1 У. планового объема водохранилища.

5. Разработаны математическая модель и алгоритм оптимального управления динамическими процессами, происходящими на участке магистрального канала с учетом яироксго класса граничных условий,что позволяет эффективно регулировать регимы водоподачи и водораспределенид з

саз.

6. На^основе ПЭВМ 1ВН-ЙТ/336 разработан программный коаплэкс, позволяваий моделировать технологические процессы водоподачи я зодс-распределения в объектах СШИнасосной станции,водохранилище и участке магистрального канала, оптимизировать рещянн их работы и С2В а целом.

7. Проверка результатов математического моделирования и натурных экспериментальных данных показала их близкое соответствие С с погрея-ностьп до 77.), что подтверждает адекватность разработанных математических моделей и алгоритмов .к реальным технологическим процессам, происходящим э объектах.СИВ.

8. Разрзботаннне программный коиилекс и рекомендации по оптимальному управления технологическими процессами водоподачи и водо-распределения в объектах СМВ использувтса в Ь'поавлеиии эксплуатации ш с не и ТалимардЗансли» водохранилищем и обеспечивает годовой' экономический эффект 2700 тзс.сум.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Рузиев ЭЛ. Математическое моделирование динамических процессов на участках открытого канала //Материалы студенческой научно-технической конференции, ТавГТН, Таякент, 1992. С.62.

2. Рузиев а.Т. Реиение задачи оптимального управления внутри-станционным ревимом эксплуатации насосных станций на основе теории выбора. //Сб.научн.тр. НПП "Водоподъем". Таикект, 1993. С.98-105.

3. Рахимов I.X., Бегимов И., Рузиев Н.Т. Оптимальное управление процессом водораспределения на магистральных каналах' с ыавиннкм водоподъемом // Эффективнее использование энергоресурсов в сельском хозяйстве Лез.докл. респ.научн,техн.конф.Таакент, ТИИИМСХ.1993.С.92.

.Соискатели принадлежит функциональная структура алгоритма управления на участке канала без бокового водозабора.

4. Рузиев Н.Т. Математическое моделирование и управление режимом работы водохранилища сезонного регулирования. // Деп. в ГШТИ Респ.Ззб., N 1981, 1994. - 21 С.

5. рузиев ЯЛ, Режение задачи оптимального управления на участке магистрального канала'системы маяинного водоподъема. // Деп. в ГФНТИ Респ.Изб., Н 2010, 1994. - 11 С.

Б. Рузиев Н.Т. Математическая модель и алгоритмы моделирования режимов водоподачи крупках оросительных каналов. // Деп. в ГФНТИ Ресл.Нзб., N 2173, 1934. - 20 С.

7. Рахимов I.X., Бегимов И., Рузиев 9.Т. К зопросу о численном реяекии систем уравнений неустановиввегося движения воды s оросительных каналах. // Деп. в ГФйТИ Респ.Ззб.. Н 2180. 1934. - 15 С.

Соискателя принадлежит программная реализация численного алгоритма реаения уравнений Сен-Бенана.

8. Рузиев Н.Т. К вопросу многокритериальной оптимизации сложных систем // Интеллектуализация систем управления и обработки информации. Тез.докл.межд.конф. Тажкент.йПО "Кибернетика",1994,С.228.

9. Рахимов 1.Х., Бегимов И., Рузиев ЭЛ. Декомпозиция задачи управления системой мажинного водоподъема //Интеллектуализация систем управления и обработки информации. Тез.докл. межд.конф.Тажкент, НПО "Кибернетика". 1994, С.230-231.

Соискатели принадлежит разработка условий сопряжения агрегированных переменных и реализация численного алгоритма.

10. Рузиев З.Т.. Данг Сдан Хоа, Аль Али "Зисал. К вопросу идентификации математических моделей системы маяинного водоподъема //Математическое моделирование и вычислительный эксперимент. Тез. доха. аехд.конф. Таакенг, НПО "Кибернетика", 1994. С.ЙЗ.

Соискателя пранадлегат разработка алгоритма идентификации объектов CMS.

Рдзиев Злугбек Токрович

Сув кутаргичли тизнкларнннг <>бъектларики оптимал бов^ариви. Ходеллер за алгоритмлар.

Х,озирги вацтда технологии тнзиклариня опгииал бовкррнви нкхэгтда кэнг тар^злнок^а, Каввуд б^яган яазарий ва амалнй катквалар тадциц ^кливга иикониат беради.

Эъткборкнгизга валб этилган диссертация ивиникг надсади сув кутаргичли тизикларникг кураккаб тизиклар сифатида карая хдмда технологик еараевларни бовк,ариз учун математик моделлар ва алгоритклар яратнвдан кборатлир.

Бог кэналларда буладиган динакик вараенлар биринчи тар-тибли хусусий х,ссилали гиперболик дифференциал тенгламалар билзн ёзилади. Чегаравий вартлар сифатида насос ткзиыларининг квяав куламинияг вак,т буйича узгариви 1\аСул к/.лккган. Бовлан-гич вартлар сув сатхкнинг ва сув ми^орининг канал узунлиги буйича узгариви царалган. Кзналлардаги динамик вараенларни ростлзв ва сув та^скмсти тизикини багзрин ва^еадида рптииал 6овк,аркг. иасалаларккинг математик вакли тузилган. вос^арувчи таъсирлар, чегаравкй вартлар ва бовцаришнинг скфат к^рсаткич-лзри аниклакгзн. оовцзрувчи тзъсирлар сифатида насос гкзкила-рининг ивлав куламлари к,аралган. Сифат курсаткичлар ваклида насос станциянинг бск.^зриг давридаги злектр зяергияси сарфи, сув омбсрлзркдаги бутланиэга сарф булган сувнинг ^эени. канал булки"гаридаги сув сатхкнинг узгариви кабул килинган.Сув онбори ва канал буликлари пилав вараёнларини оптинал бовцарив масала-лари градиент проекцияси усилини рллав усуяини билан ечилган.

Явбу диссертация ивида асосан ^уйидаги илмий нативалар олинган: бон каналларда буладиган динакик процессларни математик мсделлари ва оптимал бов^арии алгоритмлари; сув кутаргичли тизим-ларни оптимал бовцарнви ва моделлавтирив учун дастурлар тизими нвлаб чн^члган; К,арви боя капали ва Талнмардван сув оыбсрида сув таксккотини оптимал бов^ариви учун тазскалгр тгклкф этилган.

Програмкалар ва хисоблав нативалари кслткрклган.

Ruziev ülugbek Tairovlch

The optiial aanageaent by objects of nachtne's water-lifting systea. Models and algorlthas.

The effective and operative control the technological systeas assusss active application and use the aathesatical aodels and algorithss of nanagesent the dynaaic process.

The purpose of this thesis is uorking oat of the optiial control aethods and aatheaatlcal aodels of difference objects the aashlne's water-lifting systeas.

The folloulnz scientific results are obtained in the thesis:

- the aathesatical aodels and algorlthas of optisal aanageaent by big sater-punping station, water reservoir and irrigation aain canal;

- the software for computer nodelllng of dynaaic process at the objects of aachine's water-lifting systsa:

- the recoaaeMdtion about optiaal aanageaent of technological processes at Karshi sain canal and Tallaardja.n water reservoir.

Detected the aanageaent influence, llaltations and criterion of the aanagesent. The aathesatical nodelllng based on the naEerlcal solved of the Saint-Uenant equations for canal and ncnlinear sisple differential equation for water reservoir. In the capacity of the aanageaent's criterion considered the quantity of the unproductive losses of the water because of evaporations and filtratlons froa uater reservoir, losses of entirgy at pasplng-station. ftlso gives the exaaples of calculations.

The developed sodels and algorlthas peralts effective use of irrigation systess and decrease of water and energy

losses.