автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Управление водно-солевым режимом почвы при орошении и дренаже

АЗЕРБАИДЖЛНСКИП ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ НЕФТИ И ХИМИИ нж. М. АЗИЗБЕКОВА

На правах рукописи

АББАСОВ ЗАХИР ДЖАФАР оглы

УПРАВЛЕНИЕ ВОДНО-СОЛЕВЫМ РЕЖИМОМ ПОЧВЫ ПРИ ОРОШЕНИИ И ДРЕНАЖЕ (НА ПРИМЕРЕ ДЖЕТЫСАЙСКОГО УЧАСТКА Каз. ССР)

05.13.07 — Автоматизация технологических процессов и производства (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Баку —

1090

Работа выполнена в Научно-исследовательском и проектном институте по комплексной автоматизации в нефтяной и химической промышленности НИПИнефтехимаптомат.

Научные руководители:

доктор геолого-минералогических наук ПАШКОВСКИП И. С.,

кандидат технических наук, с. н. с. МЕХТИЕВ М. Д.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор АВИЛОВ А. Г.,

кандидат технических наук, доцент КАРАЕВ III. Г.

Ведущая организация — АзНИИ водных пройдем. р^а

Защита состоится « ¿Л 1990 г. в < . < час.

на заседании специализированного совета К 054.02.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Азербайджанском ордена Трудового Красного Знамени институте нефти и химии нм. М. Аэизбекова по адресу: 370601, г. Баку, проспект Ленина, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке/института.

М ^^ЧЙ.ооп

Автореферат разослан ..... -.У1990 г-

Ученый секретарь специализированного совета

к. т. н., доцент МУРАТОВ И. X.

ОНДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность рдботц. В долговременной программе повышения эффективности использования мелиорированных земель на перепек^ тиву до 2000 года намочены пути интенсификации сельского хозяйства ц мелиорации, расшрения агропромышленного комплекса страны на основе ускорения научно-технического прогресса.

Повышение мелиоративных состояний земель, рациональное использование водных ресурсов и охрана их от загрязнения и исто-цейия в значительной степени связано с применением эффективных автоглэтизированных систем управления объектами мелиорации и водного хозяйства, в частности технологическими объектами вертикального дренажа.

При существующем техническом состоянии и уровне эксплуатации системы скважин вертикального дренажа не всегда удается поддер-;пшать благоприятный водно-солевон режим почвогрунтов.

Подробный анализ показывает, что несмотря-на достижение отдельных результатов по моделированию.оптимизации- и управлении водно-солевым режимом, в этих работах недостаточно полно отражен системный подход, позволявший; довести полученные результаты до практического внедрения,, с применением современной системы управления на-базе: вычислительной-те&шки.

В связи с этим, требуется .созиание. автбштцзировашшх' мелиоративных систем,' лозвеишшшх; подцёрмвать, оптткльный водно-солевой ■ режшг.почвогрунтоа при-дроиепии и, наличии дренажа. Особую актуальность' имеют При/разработке таких систем и их функционировании необходимый' ::лдвяи- влажности? и:засоленности, достаточно/полно отразившие-процессы', н.позйолявдие.осуществить оптимизацию л ■ у вленке эти:.та ■ процессами.

ü свете сказанного задача-управления водно-солевш режимом

иочвн при орошении и дренаже является весьма актуальной, имеющей как научное, так и практическое значенио.

Цель работы. Основной целью работы является повышение эффективности управления процессами влагосолепереноса в корне-обитаемом слое почвы, путем разработки оптимальных алгоритмов на базе системней модели с учетом гидрофизических и гидрохимических параметров почвогрунта.

Исходя из этого, основнши задачами исследований в работе являются:

- Исследование основных физико-химических закономерностей процессов влагосолепереноса в почвогрунтах и синтез моделей этих процессов, с целью использования при управлении ими.

- Выбор цели, математическая формулировка постановки, решения задачи оптимизации управления процессами влагосолепереноса и синтез алгоритмов управления.

- Разработка программной и технической структуры управления.

- Внедрение основных положений диссертации в Дтсетысайском участке Каз.ССР.

Цеуол» иссдедрвдний. дщ достижения поставленной цели использованы методы численного решения дифференциального уравнения в частных производных, теории планирования эксперимента, методы оптимизации и теории управления.

Научная новизна. Основные результаты работы, представляемые к защите и имеющие научную новизну, заключаются в следующем:

- разработана методика построения модели влагосолепереноса, учитывающая изменения параметров почвогрунтов, позволяющая управлять динамическими режимами в реальном масштабе времени;

- сформулирована и решена задача оптимизации заданного профиля нлажнооти в корнеобитаемой зоне почвсгрунта ,в разных фазах развития растений, при этом било учтено влияние засоленности;

- разработаны алгоритмы контроля и управления процессами влагосолепереноса, позволявшие определять время полива, величины полива и уровня грунтовых вод для каждого вида сельхозкультур;

•- на основе анализа результатов решения задачи оптимизации разработана техническая структура функционирования системы управления процессами вертикального дренажа.

Пгатческап-цзадооть. д.....тяшэртм .рд.зудьтато»« Практическая ценнооть диссертационной работы состоит в реализации результатов оптимизации, позволяющих создать благоприятный, водно-солевой ретм в коркеобитаемой зоне почвогрунтов.

Разработанные модели, алгоритмы контроля и управления использованы при разработке технического проекта и внедрении АСУ ТП вертикального дренажа Ддетысайского участка Каз.ССР.

Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет более 57 тыс.рублей в год.

Дрробаыия работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на всесоюзно;;; семинаре "Использование водных ресурсов на орошение" (г.Баку,1986 г.), на всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные комплексы для управления технологическими процессам" (г.Грозный, 1987 г.), на всесошной конференции молодых ученых "Пути повышения эффективности использования водных ресурсов в условиях их нарастащего дефицита" (г.Ташкент,1983г.), на всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы автоматизации унр&влзнил в отраслях АПК"

(г.Нальчик, 1989 г.). на всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания, опыт разработки, внедрения автоматизированных систем управления в нефтяной, газовой, нефтехимической промышленности и объектах нефтеснабжения" (г. Сумгаит, 1390 г.).

Дуб/щрщщ. По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы.

Структур^ ¡i объец работу. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и 2-х приложений.

Общий объем работы содержит 120 страниц, в том числе 105 страниц основного текста (машинопись), 5 рисунков и список литературы из 123 наименований.

СОДЕЕЭШИЗ РАБОШ .

Рр вв^цкр доказана актуальность теш диссертации и дано краткое изложение работы.

р ^йрдой глава приведены технологические особенности и определены важнейшие параметры процессов влагосолепереноса. Проанализирован современный уровень исследования влагооолэпореноса, существующих методов моделирования, оптимизации и управления,, формируется цель, определяются задачи исследований.

Во gTopoft глада рассмотрены вопросы исследования технологических процессов влагосолепереноса с учетом их физико-химических закономерностей.

Разработаны математические модели•влажности и засоленности почвогрунтов.

При том, что имеетоя Л орошаемых участков, в которых кавдый L -тый ( Lxi^fi ) участок характеризуется векто-

раки почвенных параметров [К^ , возмущающих факторов

0в1.т^5в1'е0 • ^де - 'максимальное число

параметров и факторов по I чгу участку.

Изменение влажности почвогруктов описывается выражением:

= FL Ьи^Д). (I)

где: - величина влажности почвогрунта на глубине X; от

поверхности на -ом учиотке; С^- и - величины. полива и уровня грунтовых вод по I, -му участку соответственно; ^//¡"(Х;) - исходные профили влажности; "Ь - время; - оператор связи.

Изменение засоленности почвогрунтов С'! описывается выра.-жением:

Сс = ^ (XI, СГГхО»к!> %, Ь, ч-, . (2)

где:' С°(Х1) ~ исходный профиль засоленности (минерализации); (д - оператор связи.

Подойдем «^построению аппроксимаций (I), (2) в форме полиномов Р^ , Ос с позиции" теории планирования экспериментов (ТПЭ). .

Согласно ТПЭ,зависимости влажности и минерализации от исходного состояния, возмущающих и управляющих воздействий югут быть получены на основе математических моделей влагосолепереноса в почвогрунтах в форме численно интегрируемых дифференциальных уравнений в частных производных

¡л [р^)] д н/дь = аск^ан/ахД/ах ю

д(МС)/<& = ф(*>щдУдхудх-Щ/дх-}(с-(и)( 5)

где: Н = Р~х - обобщенный потенциал почвенной влаги (напор); Р - всасывающее- давление; X ~ вертикальная коор-

дината, положительно ориентированная вниз (огсчитываеася от поверхности почвы); \Д/ - объемная влажность; ^ - коэффициент свободной емкости; С ~ минерализация парового раствора; К - коэффициент влагопроводности; V - скорость влагоперено-са; I) - коэффициент конвективной диффузии солей; ^ - коэффициент скорости растворения; Ql) - концентрация предельного насыщения. ■

В качестве зависимостей К(\м) и" Р(У¥) использованы формулы:

где: ¡(0 - коэффициент фильтрации; ГП - пористость; ,Г1* г параметр; - влажность, при которой прекращается движение влаги в жидком виде; - полная влагсемкость; /?к - максимальная высота капиллярного поднятия.

Коэффициент конвективной диффузии V*) вычисляется

по форцуле:

~ (См |\/ф|Пв) М (в)

где - коэффициент молекулярной диффузии; ^-параметр

гидродинамической дисперсии; Уф - скорость фильтрации; П0 - показатель степени (принят равным I); "Ь - время, сут.

'Начальные условия:

У/м) и = (9)

С(хд) = С(К,6) = С с*) х е [о, т] (Ю)

где: ГП - глубина рассчитываемого слоя ( ГП = 3 м); начальная эшора влажности; С(х) - начальная эшра минерализации.

Граничные условия: на верхней границе

Kfw) дн/дх =-({ (II) .

Dflv, V») дС/дх = VC (к)

на нипней границе

f-Wr-Ь (13) '.

с)С/д*=0 (i4)

.Использование уравнений (3)-(141 в целях оперативного управления является затруднительным. Поэтому, применяя методы планирования эксперимента, из (3)-(14) получены простые полиномиальные уравнения.

Система дифференциальных уравнений в частных производных процессов влагосолепереноса, о учетом начальных и граничных условий, рассмотрена как объект управления. -Ери этом, в качестве выходных переменных объекта принята влажность почвы и концентрация солей в почве, а в качестве зозмущакщих переменных - topa' -зтрн дифференциальных уравнений, раяичных и начальных условий. В качестве управляющих параметров объекта выбраны уровень грунтовых вод и величина полива.

ГУ /V

Процедура получения полиномов Ft , Q- состояла в следующем. В результате проведения активного эксперимента на моделях для фиксированных значений - максимальное количество точек дискретизации по глубине при численном ин-т°грировании, выборн-х в качретве контрольных, и f t L-,) [_,- максимальное число времени, избранных на I-ток участке, получены зависимости

W1'-/ft+A»ÁÜUl+AÍKi а5,

CÍ-Bj+lSlw.VSfü^ÍKi + BÍfcf

где б ГЦ" ; и. с Ли- } К-^Пк., С^6 Пс/- допустимые прямоугольные окрестности дая векторов ) 1 С, _ соответственно; Д^' 5 - матрицы связи; II 1 - векторы управления; ~[1А/ц■• • И = ••• - векторы влаж-

ности и засоленности почвы, или более компактно

- влажность и засоленность почвы, где матрицы следующей структуры:

О

•Че

(I?)

- блочные

D

aS

dW Die

в

ю

D

■Vi'"1

BS

где

0= о, 2, з)

{W¿ ) Ct J - блочные вектор-столбца состояний

системы.

Дл.. полу ения (15) бил проведен вычислительный экспериг/ент, при котором на модели (3), (9), (II), (13) применен долгий факторный эксперимент типа 2? . В связи с тем, что размерность (16) не позволяет применения полного факторного эксперимента, при расчете коэффициентов этого уравнения применен на модели (.5^ совместно о уравнениями (3) - (5), а также краевыми условиями (9) - (14) дробный факторный эксперимент.' Затем получена "свертка" моделей (15), (16) по времени, каждый набор ооотзетст-

Д0) n<¡)

вушиз. элементов матрицы А{е и Die , для различных моментов времени аппроксимировался квадратичной формо.1

= й to + Df (t) R? + DfW Ui + Dfw К i (18)

Производя повторно "свертку" моделей, по глубинам /¡ коэффициенты формы из ( 17 ) аицроксшдпрозались по Xi • Окончательно получены:

R(x,tKK, oj'- <»)

+ DP(x«0Ki

В третьей главе рассматриваются гыбор критерия оптимальности, постанови задачи и синтез алгоритмов управления.

В качестве критерия оптимальности выдвинуто условие минимизаций разности текущей и заданной влажности. Текущая влажность почвогрунтов определяется по подели (19). Заданная влажность для разных видов сельхозкультур имеется в литературных источниках и задается выражением:

от экономического показателя урожайности сельхозкультур.

На процессы водно-солевого ре.чтма почвогрунта аттияет значительное количество возмущающих факторов, что смещает оптимум выбранной целевой цункции в пространстве параметров управления относительно точки оптимума в предыдущие моменты, тем самым ухудшает влажность почвогрунта. При изменении возмущающих факторов возникает необходимость оптимальной перенастройки, влажности и засоленности в корнеобит -емой зоне. Поэточу в данно? работе ставятся задачи птабилизации влажности путем определения времени полива, величины питва и уровня грунтовых вод и их реализации в условиях АСУ.

Тогда задача оптимального управ к кия нз промежутке времени £ О 1 ^ при наличии информации о постуливгах возмущениях

При наличии различных растений в иоле постанови задачи оптимизации примет следующий вид:

сведется к з даче опталз'.ции:

(21)

1-1

где у - предельно допустимые величины минерализации на

-том участке и суммарного полива; , (• , - технологические ограничены!. ^^ - возмуше"нйя.

Функции р^ и представляют собой математические модели

процессов влажности и засоленности в корнеобитаемой зоне почво-грунтов. В настоящее время, как отмечено во второй главе, эти модели получэны в виде полинома (19) в зависимости от параметров почвы и процеоса орошения. В результате решения поставленной задачи определяются оптимальные значения параметров управления ^ , Ь в зависимости от гидрофизических, гидрохимических и метрологических условий, с учетом ограниченности суммарного полива.

Входной информацией для решения поставленной задачи являются параметры почдагрунта, глубина корнеобитаемой зоны растения, начальные значения влажности и засоленности и вид сельхозкультур. Эта данные оформляются в виде справочников.

Выходными инфордациями задачи являются значения управлящих параметров, полученные в результате решения задачи оптимизации.

Выбор метода решения задачи оптимизации зависит от характера постановки задачи. Если для оптимизации процессов влаго-солепереноса применлтея задали (22), то независимо от характера уравнений необходимо применять один из методов нелинейного программирования. Существует ряд стандартных алгоритмов для решения подобных задач.

В случае, когда критерий оптимизации является суммой разностей .текущая и заданной влажности и ограничивающие поверх- 1 ности зависят линейно от управляющих переменных и возмущающих факторов, то задача оптимизации превращается в задачу линейного программирования. Это связано с тем, что г.атематичеога$е модели по влажности и по минерализации, после подстановки значений

и X становятся линейными. Тогда задача является обыкновенной задачей линейного программирования. Зде.:ь использовался метод последовательного улучшения плана. Решая задачу опти-

ЬопТ Л(0П"Т

ии,, которые способствуют поддержан™ необходимой приемлемой влажности в корнеобитаемой зоне почвогрунтов. , -

Решение задачи оптимизации дает возможность найти не только значения управляющих воздействий^- величины полива и уровня грунтовых вод, но и определяет стратегию управления процессами влажности и засоленности в корнеобитаемой зоне почвогрунтов. Стратегия управления влажностью и засоленностью почвогрунта заключается в определении последовательности действий при изменении влажности в корнеобитаемой зоне псгчвогрунта в результате транспирации и испарения влаги. Стратегия действия осуществляется в следующей последовательное™:

- сперва на характерной зоне участка в Ьлуйине корнеобитаемой зоны растения косвенным или непосредственным измерением определяются начальные значения влажности и засоленности почвы. При этом необходимо учесть, что глубина корнеобитаемой зоны растения зависит от времени вегетативного периода и вида растения;

- найденные значения этих (факторов и гидрофизических, гидрохимических параметров участка, где засеян данный вид сельхозкультуры дают возыо:!шость решись задачи оптимизации и определить оптимальные значения управляющих параметров;

- подставляя линейные значения управляющих параметров в уравнения влагосолепереноса, определяется интервал времени, при котором влажность почвогрунта в корнеобитаемой зоне данного вида растения достигает шишей допустимой границы влажности;

- значения влажности и засоленности принимаются за исходные данные и решение задачи оптимизации повторяется до получения требуемого результата.

Одна из характерных особенностей уравнений заключается в том, что они дают возможность-определять влажность и засоленность почвогрунта на глубинах до трех метров, что охватывает корнеобитаемые зоны почти всех видов сельхозкультур.

Использование алгоритмов оптимизации процессов влагосолепереноса приводит к рациональному использованию водных ресурсов, расходуемых на полив, предотвращает истощение и засоление почвы, поддергивая тем самым на мелиорируемой территории нормальный водно-солевой баланс, способствупций хорошему росту сельскохозяйственных культур. Кроме того, такое управление позволяет оперативно реагировать на изменяющиеся внешние условия (орадки, испарения) и внутренние возмущения (почвенные параметры, рост корневой системы). При этом, на каждом шаге управления оперативные данные поступают в качестве исходных для решения задачи оптимизации, что позволяет осуществлять упразление процессами влагосолепереноса для ряда сельхозкультур,определяя соответствующие значения управяящих факторов и уровня грунтовых вод иа участках. Задачу (22) целесообразно решить в случае

выращивания различных видов сельхозкультур на одном поле.

Р четвертой главе описывается система централизованного управления, реализуюцая разработанные алгоритм. Данная система явАяется двухуровневой, состоящей из центрального диспетчерского пункта "(ЦДЛ) и местных систем управления (КШ, КП2).

Связь меяду уровнями иерархической структуры системы осуществляется на основе алгоритмов сбора, передачи и обработки информации и параметров управления.

■ Задачам 1ЩП являются:

' - сбор и обработка информации о значениях технологических параметров; .

- оперативный контроль состояния технологического оборудования;

- решэниа задачи оптимизации и расчет нораш голщза п уровня грунтовых вод по времени, необходимых для обеспечения ^тайности кориеобитаемого слоя почвогрунта;

- передача оптимального задания нижнему уровню управления;

- анализ функционирования локальной систеш и составление сведений для персонала управления.

Задачами нижнего уровня управления являются:

- периодическое измерение, первичная обработка и передача на ЦДЛ значений технологических параметров; *

- прием от ЦДЛ значений управляло« параметров;

- автоматическая сигнализация граничных значений парамет- . ров.

Для осуществления приема и передачи информация мезду верхним и нижним уровнями управления иопользуется комплекс устройств телемеханики с радиоканалом связи.

Комплекс построен по принципу многомашинной системы на базе микроЭВМ и состоит из устройства пункта управления (1ТУ), устройства контролируемых пунктов (КШ) и (КП2).

Связь устройства ПУ с устройствами КП1 и КП2 осуществляется по двухуровневой структуре: устройство ЕУ - устройство КП2; устройство КП2 - устройство КИ1.

Разработанная система является интерактивной системой, с основными звеньями: технолог-оператор, оператор, управляющий вычислительной машиной (УВМ) и УВМ типа СМ. Технолог-оператор занимается сбором заявок на откачки и сведениями о состоянии технологического оборудования, составлением графиков откачки и их корректировкой. Оператор УВМ выполняет функции: ввод исходных данных в УВМ, контроль за выполнением задач управления объектом; ввдача сведений о состоянии объекта и о значениях параметров уп-' равления; представление информации о результатах* функционирования АСУ ТП.

Результаты эксплуатации Лдетысайского участка Каз.ССР показали надежность и эффективность функционирования системы управления.

Лэдовая экономическая эффективность внедрения автоматизированной системы составляет 544 тыс.руб. В том числе, на доли результатов диссертации приходится более 57 тыс.рублей.

8 цриложениях к диссертации показаны численные результаты решения уравнения (15), (16), а также документы, подтверждающие внедрение результатов работы в промышленных условиях.

ОСНОЕНЫЕ ВЫВРШ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Исследование показывает, что несмотря на достижение отдельных результатов в области моделирования, оптимизации и управления водно-солевым режимом все еще недостаточно полно отражен системный подход, позволяющий довести полученные-результаты до практического внедрения, с применением современной системы управления на базе вычислительной техники.

С учетом изложенного, поставлена задача создания и внедрения автоматизированных мелиоративных систем, позволяющих поддерживать оптимальный водно-солевой режим почвогрунтов при орошении и наличии дренажа.

2. Предложены алгоритмы синтеза моделей влагосолепереноса для каждого конкретного поля с заданными гидрофизическими и гидрохимическими параметрами, с использованием метода ортогонального планирования эксперимента.

3. Поставлена и решена задача оптимизации процессов влагосолепереноса в корнеобитаемой зоне почвогрунтов. Постановка обеспечивает оптимальное управление процессами вегетации и созревания сельхозкультур, с применением орошения и изменением уровня грунтовых вод. В основу критерия управления заложена минимизация отклонения влажности почвы корнеобитаемой зоны растения от

ее заданного значения, при этом учтена засоленность.

4. Разработаны алгоритмы контроля и управления процессами влагосолепереноса, позволяющие определить время полива, норму полива и уровень грунтовых вод. "'

5. С учетом результатов решения задачи оптимизации создана программная и техническая структура функционирования системы управления процессами вертикального дренажа.

- 1Б -

5. Результаты диссертационной работы использованы при разработке технического проекта и внедрении АСУ ТП вертикального дренажа Дкетысайского участка Каз.ССР.

Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет более 57 тыс.рублей в год.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Аббасов Э.Д., Шипнлевсклй J0.M. АСУ ТП вертикального дренажа на базе комплекса телемеханики с радиоканалом связи. -Всесоюзная научно-техническая конференция: - Микропроцессорные комплексы для управления технологическими процессами, г,Грозный,

1987 г.; с.

2. Аббасов З.Д., ШипилевмаШ D.M. Создание автоматизированных систем управления вертикального-дренажа. - Всесоюзная коншерен-ция молодых ученых:- -Пути повышения эффективности использования водных ресурсов в условиях.их нарастающего дефицита, г.Ташкент,

1988 г., 0.59. .

3. Мехтиев ,1,1,А., Аббасов З.Д.,. Шипилевский 2,М. Оптимизация ■ управления- водными ресурсами, в структуре -АСУ гидромелиоративными системами - -Всесоюзная: аду чно^'гехничос'кая. конференци?:' -Проблемы автоматизации управления'в'отраслях АПК, г.Нальчик,1989 г., с.93-94.

4. Мехтиев .'J.A., .Аббасов З.Д, ,.№т;левскнй Ю."..-Опит разработки и внедрения-АСУ ТП вертикального дренажа. - ЗсесоЮоНая научно-техническая-конференция: - Проблемы создания, ош;т разработки, -внедрения автоматизированных систем упраа'.сния в нефтяной, газовой». ис:1те№\мчоской ■ промышленности и объектов нсф-теснабжения, г.Сумгаит, 1990-г;, с.'75-73. •

---------In;'. 'ОС ■ de-,

1 а!>игр;|ц|||я ЛШГШФТШПи ГСП; ,,rw:u,r Лп^-о