VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение

Повышение эффективности управления водораспределением на оросительной системе является одним из основных вопросов орошаемого земледелия.

В настоящее время к недостаткам управления водораспределением на оросительной системе можно отнести:

- технологически необоснованное завышение заборов воды в оросительную сеть, что приводит к излишним затратам на ее транспортировку, образованию дефицита для потребителей и непроизводительным сбросам, а также возможности возникновения аварийных ситуаций, связанных с возможными переливами или опорожнениями каналов;

- поддержание в бьефах каналов завышенных командных уровней, способствующих увеличению фильтрационных процессов, приводящих к повышению уровня грунтовых вод и подтоплению прилегающих территорий;

- низкую оперативность управления подачей воды водопользователям, приводящую к нарушению сроков и норм полива и, в конечном итоге, к снижению урожайности или гибели сельскохозяйственных культур.

Сведение потерь оросительной воды к минимуму, обеспечение соответствия объемов водозабора и водопотребления возможно при условии существенного повышения качества управления процессами водораспределения путем автоматизации узловых сооружений оросительной сети.

При автоматизации особое значение должно придаваться средствам математического описания и алгоритмизации процессов, происходящих в системе управления водораспределением. С одной стороны, они должны обеспечивать возможность имитационного моделирования поведения системы в различных режимах работы, с другой – обеспечивать достаточную точность расчета уровней, расходов и др. параметров, обладать достаточным быстродействием, учитывать особенности конкретной оросительной системы, быть простыми в реализации [2].

В основу современного водопользования положен принцип обеспечения соответствия между водозабором и потреблением воды в хозяйствах. План водопользования составляется ежегодно с учетом особенностей каждого хозяйства, потребности в воде всех водопользователей системы, КПД каналов, водообеспеченности источника орошения в планируемом году. Практическая реализация плана водопользования осуществляется диспетчером оросительной системы [1].

В составе сложного комплекса мероприятий по техническому совершенствованию рисовых оросительных систем особое место отводится автоматизации водораспределения, обеспечивающей рациональное использование водных ресурсов, повышение оперативности управления водораспределением, культуру и производительность труда, создание реальных условий для изменения характера труда в орошении [1].

Одной из распространенных в настоящее время схем регулирования водораспределением является регулирование по нижнему бьефу [1].

При автоматизации водораспределения регулированием по нижнему бьефу потребителям предоставляется возможность пользоваться водой (в пределах плана водопользования) в зависимости от их потребности. Это обеспечивается путем установки перегораживающих сооружений по длине старшего канала, автоматически поддерживающих постоянные заданные уровни в своих нижних бьефах (рисунок 1) [3].

Рисунок 1 – Кривые свободной поверхности воды при автоматизации регулированием по нижнему бьефу

При этом способе регулирования между бьефами старшего канала имеется не только прямая, но и обратная гидравлическая связь через подпоры, создаваемые перегораживающими сооружениями.

Всякое нарушение или изменение установившегося режима работы нижерасположенного бьефа вызывает немедленную перестройку работы всех вышерасположенных регулирующих сооружений, включая и головные, на другой, отвечающим новым условиям, режим. В случае увеличения водопотребления каким-либо хозяйством перегораживающее сооружение, расположенное выше по течению от этого отвода, автоматически срабатывает (открывается) и не дает понизиться уровню воды в своем нижнем бьефе. При этом понижается уровень воды в вышерасположенном бьефе, и в свою очередь открывается перегораживающее сооружение, стабилизирующее уровень в этом бьефе (рисунок 1). Таким образом, возмущение, возникшее в одном бьефе, распространяется вверх по течению и приводит к последовательной перестройке работы всех вышерасположенных перегораживающих сооружений, а также головного сооружения и завершается подачей в систему дополнительного расхода воды в соответствии с требованиями водопользователей.

При снижении потребности в воде, наоборот, последовательно прикрываются перегораживающие сооружения снизу доверху. В результате через головное сооружение в систему будет поступать меньший расход.

Вторая особенность регулирования по нижнему бьефу – наличие постоянного резерва воды, распределенного в бьефах старшего канала таким образом, что вдоль старшего канала образуется цепочка (каскад) последовательно расположенных и примыкающих друг к другу бьефов, имеющих прямую и обратную гидравлическую связь. Поэтому этот способ регулирования называют также способом каскадного регулирования [2].

В процессе работы системы объемы резервных емкостей достигают максимума при транзитном расходе Q=0 и полностью срабатываются при Q=Qmax. Накопление воды в резервах происходит в течение времени, необходимого для перестройки системы на новый режим в связи с уменьшением водопотребления. До тех пор пока возмущение от снижения отбора воды в какой-либо части системы не достигнет головного сооружения, в систему будет поступать расход, соответствующий ранее установившемуся режиму (больше, чем требуется в новых условиях). При этом во всех бьефах, расположенных выше места возмущения, повышается уровень, а следовательно, увеличиваются резервные объемы. Таким образом, поступающий в систему в период регулирования избыточный расход не сбрасывается, а идет на создание резервов в самой системе [3].

Способ автоматизации регулирования по нижнему бьефу имеет свои недостатки:

- возникновение опасности опорожнения канала в его головной части с потерей командования в случае нарушения плана водопользования и дефицита воды в источнике орошения;

- увеличение объема строительных работ по мере увеличения уклонов канала, т. к. при малых транзитных расходах старший канал имеет максимальное наполнение, и кривые свободной поверхности воды в бьефах при этом близки к горизонтальному положению; гребни бровок канала и дамб должны быть горизонтальными на протяжении каждого бьефа;

- необходимость в установке автоматических водосбросных сооружений для предотвращения перелива воды через бровки канала и в случае аварии.

Расстояния между перегораживающими сооружениями при автоматизации регулированием по нижнему бьефу определяется исходя из условий:

- минимального объема резервных емкостей в бьефах, необходимого для обеспечения водой одновременно включающихся потребителей;

- допустимого колебания уровня воды Δh в створе наиболее удаленного от перегораживающего сооружения водовыпуска, при котором обеспечивается командование и подача в младший канал плановых расходов с необходимой точностью;

- оптимальной по технико-экономическим расчетам длины горизонтальных бровок канала и дамб на протяжении бьефов.

При данном способе автоматизации необходимо также учитывать динамические переходные явления, сопровождающие процесс регулирования (прямые и обратные волны при изменении водопотребления, воздействие их на канал и сооружения, время переходного процесса и др.) [2].

П. И. Коваленко и Л. М. Ильиной [4] предложены номограммы, значительно облегчающие расчеты минимальной допустимой длины бьефов при автоматизации регулированием по нижнему бьефу. В основу их построения положено условие обеспечения водой одновременно включающихся потребителей за счет воды в объеме регулирования бьефа и с учетом времени, необходимого для добегания волны возмущения от наиболее удаленного водопотребителя до перегораживающего сооружения и поступления затребованного расхода воды из вышерасположенного бьефа. Данными авторами построены аналогичные номограммы для определения оптимальной длины бьефов на основе технико-экономических расчетов капитальных вложений на строительство горизонтальных дамб и перегораживающих сооружений.

По данным проектных разработок Средазгипроводхлопка, Укргипроводхоза, УкрНИИГиМ [3] и др. применение способа автоматизации регулированием по нижнему бьефу на открытых каналах экономически оправдано при уклонах i ≤ 0,0003. При больших уклонах целесообразны закрытые самотечно-напорные системы с промежуточными бассейнами, оборудованными автоматическими регуляторами уровня нижнего бьефа в конце каждого участка трубопровода.

1. Информационные и математические средства обеспечения при автоматизации оросительных систем

Проблема автоматизации водораспределения должна решаться комплексно с учетом динамических процессов течения воды в системе открытых каналов оросительной сети. Данные динамические процессыявляютсяследствием постоянной смены режимов работы оросительнойсистемы, происходящих при изменении количества потребителей оросительной воды из системы, изменении производительности потребления, изменениипогодных условий, при аварийных ситуациях и многих другихфакторов. Все эти процессы могут происходить в достаточно короткиепромежуткивремени и оказывать значительное влияние на работу всей системы в целом. В связи с этим решение задачи управления оросительными системамидолжно включать построение математических моделей динамических процессов течения воды в каналах [20].

Средства математического описания объекта управления должны быть представлены в виде математических моделей, описывающих поведение процессов, происходящих в системе. В зависимости от предъявляемых к ним требований они могут обеспечивать также возможность имитационного моделирования или обеспечивать достаточную точность расчетов параметров.

Математическая модель представляет собой систему математических соотношений, описывающих изучаемый процесс или явление. Процесс составления математической модели называется математическим моделированием. Как и другие виды моделей, математическая модель представляет задачу в упрощенном виде и описывает только те свойства и закономерности, которые наиболее важны для данного объекта или процесса. Математическая модель позволяет осуществлять многосторонний количественный анализ. Изменяя исходные данные, критерии, граничные условия, каждый раз можно получить оптимальное для заданных условий решение и определить дальнейшее направление поиска [21].

Имитационное моделирование представляет собой процесс конструирования модели реальной системы и постановки экспериментов на этой модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить (в рамках ограничений, накладываемых некоторым критерием или совокупностью критериев) различные стратегии (сценарии), обеспечивающие функционирование данной системы. В отличие от традиционного аналитического моделирования принцип имитационного моделирования основывается на том, что математическая модель воспроизводит процесс функционирования во времени, причем имитируются события, протекающие в системе с сохранением логики их взаимодействия [21].

Для создания имитационной модели речной (канальной) системы необходимо знать гидравлику, численные методы, используемые в вычислительной гидравлике, дифференциальное и интегральное исчисления, программирование, принципы обработки данных[31].

1. Использование методов расчета неустановившегосядвижения воды

При проектировании автоматизированных систем на оросительной

сети необходимо учитывать частое маневрирование затворами гидротехнических сооружений, что обуславливает возникновение в бьефах каналов неустановившегося движения.

В настоящее время существует большое количество методов расчета

неустановившегося движения воды в каналах с автоматическим регулированием, в которых применяют зависимости для неустановившегося плавно изменяющегося движения воды в открытых руслах [3, 4]. Ученый

М. С. Грушевский [22] разделяет их на строгие и упрощенные.

Строгие методы (их еще называют детальными, гидравлическими

или гидродинамическими) основываются на численном решении одномерной системы уравнений Сен-Венана. Термин является условным,т. к. уравнения выведены при определенных допущениях и решение не является точным.

Упрощенные методы не основаны непосредственно на решении одномерной системы уравнений (их еще называют инженерными). Уравнения Сен-Венана заменяются каким-нибудь другим выражением, например,связью между расходом и объемом воды на расчетном (характерном) участке. Несмотря на возможности использования ЭВМ для расчета строгими методами, упрощенные методы могут использоваться при определенных условиях (для решения определенных задач), например, при отсутствии полной информации для расчета.

Промежуточное положение занимают методы, основанные на численном интегрировании неполных уравнений Сен-Венана (диффузионная

волна, кинематическая волна).

Выбор метода расчета для данной конкретной задачи зависит от ряда

обстоятельств: поставленной задачи, требований к точности ее решения, специфики объекта, имеющейся исходной информации, ее надежности и точности, возможностей организации, наличия соответствующих ЭВМ, количества и квалификации исполнителей и т. п.

Математическое моделирование неустановившегося режима потока

основано на разработке и решении математических зависимостей, реализующих известные законы гидравлики. Исходной системой дифференциальных уравнений неустановившегося течения воды, как уже было упомянуто выше, является система уравнений Сен-Венана, хорошо описывающая динамические процессы течения воды в длинных призматических руслах [6, 16, 22]:

где V – средняя скорость течения воды, м/с;

α– коэффициент неравномерного распределения скорости по поперечному сечению потока;

х – длина, м;

g – ускорение силы тяжести, м/с2;

h – глубина водотока, м;

i – уклон дна водотока;

С – коэффициент Шези, м0,5/c;

R – гидравлический радиус, м;

Q – расход, м3/с;

В – ширина русла по урезу воды, м;

t – время, с.

Уравнения Сен-Венана представляют собой систему нелинейныхдифференциальных уравнений в частных производных гиперболическоготипа. Отыскание их точных аналитических решений представляет собойбольшие математические трудности.

Усилиями ученых разработаны приближенные решения, которыес теми или иными допущениями удовлетворяют требования инженернойпрактики расчетов. Уравнения Сен-Венана выведены с учетом следующихупрощающих предпосылок [16]:

- скорости постоянны в пределах каждого сечения потока;

- для учета неравномерного распределения скоростей по сечению потока вводится корректив (коэффициент неравномерного распределенияскорости по поперечному сечению потока);

- давление в потоке подчиняется гидростатическому закону;

- влияние турбулентного перемешивания воды и трения о стенкирусла учитывается введением силы сопротивления с помощью известногосоотношения Шези;

- течение воды подчиняется условию плавной изменяемости по длине.

Задача расчета неустановившегося движения формируется следующим образом. По известным характеристикам русла или участка каналанаходится решение системы уравнений, удовлетворяющее начальным играничным условиям, конкретизирующим постановку и решение определенной задачи[31].

1. Использование методов моделирования при решении задачиоперативного управления водораспределением

Моделирование поведения объекта или системы является неотъемлемой частью современной теории управления, т. к. оно позволяет оценить поведение объекта в различных условиях его функционирования и выбрать наиболее приемлемые с точки зрения управления решения.

При этом, как правило, средства моделирования могут использоваться как на стадии их проектирования, так и непосредственно в контуре управления этими объектами или процессами. Во втором случае средства моделирования являются частью алгоритма управления и поэтому должны быть достаточно мобильными, обладать хорошим быстродействием, учитывать особенности конкретной оросительной системы, быть достаточно простыми в эксплуатации [23].

Основу моделирования процессов управления водораспределениемна оросительных системах составляет имитация процессов движения воды в каналах оросительной системы. Одновременно с этим возникает необходимость в оценке поведения системы в условиях действия на ней различного рода возмущающих и управляющих воздействий, работы регулирующих и гидротехнических сооружений, особенностей поведения водопользователей и т. п. Это означает, что возникает потребность включения в моделируемый процесс этих элементов, описания алгоритмов и особенностей их работы. Очевидно, что все это значительно ужесточает требования к мобильности моделирующих средств, модульности ее построения, возможности адаптации на условия и особенности функционирования каждой конкретной системы. Исходя из этого, состав задач, решаемых с помощью средств имитационного моделирования процессов управления водораспределением на открытых оросительных системах, может быть сформулирован следующим образом [23-27]:

- расчет и построение кривых свободных поверхностей движения воды в открытых каналах при установившихся режимах движения воды;

- назначение типоразмеров и параметров оросительной системы и ее звеньев;

- проверка пропускной способности каналов с учетом возможных динамических процессов;

- определение времен добегания возмущений в зависимости от раз-личных факторов;

- определение времен добегания расходов до конкретных потребителей и выявление их зависимости от условий эксплуатации сооружений на оросительной системе или ее участке;

- выявление аварийных и нештатных ситуаций на системе в процессе водораспределения;

- выбор схемы регулирования водораспределения на оросительной системе и т. д.

Кроме этого для моделирования процессов управления водораспределением на оросительной системе комплекс должен обеспечивать:

- возможность настройки на конкретную конфигурацию оросительной системы;

- имитацию учета управляющих и возмущающих воздействий;

- обеспечение адекватности модели процессам, протекающим в системе;

- обеспечение удобного интерфейса пользователя;

- представление информации в агрегированном, удобном для анализа и принятия решений виде.

Вопрос определения способов математического описания процессов движения воды в каналах системы составляет основу для имитационного моделирования[31].

1. Требования к системе автоматизированного управления водораспределением

При создании системы автоматизированного управления водораспределением необходимо учитывать комплекс технических требований,которые можно объединить в следующие основные группы [1, 28-30]:

- требования, связанные со статическими и динамическими свойствами системы автоматизированного управлением водораспределением.

Особое место в этой группе занимают показатели, которые оценивают работу системы в различных режимах. К ним относятся обеспечение устойчивости, точностные характеристики, определяющие ошибки, которыевозникают в системе при различных режимах;

- требования, связанные с характером эксплуатации системы автоматизированного управлением водораспределением, например условия обслуживания системы, возможность ремонта или периодичность проверок и др.;

- требования, связанные с надежностью работы системы и ее устойчивостью к влиянию климатических, механических и других воздействий, например безотказность работы, ресурс, интервал рабочих температур, интервал влажности и запыленности, вибростойкость;

- требования, связанные с технологичностью изготовления системы автоматизированного управления водораспределением, например использование унифицированных или освоенных элементов и узлов, новых прогрессивных материалов, простота изготовления и монтажа и т. п.;

- требования, определяющие допустимую массу и потребляемую мощность, используемый источник энергии, габариты системы автоматизированного управления водораспределением, экономичность системы и т. п.;

- требования, связанные с общей ситуацией, имеющей место припроектировании, особенно при создании новой системы автоматизированного управления водораспределением, например, патентная чистота, имеющиеся научные, конструкторские заделы и др[31].

1. Объекты регулирования, их параметры и основные свойства

Регулирование является составной частью управления процессом водораспределения на оросительных системах. С учетом этого оросительныесистемы оснащают системой автоматического регулирования, обеспечивающей стабилизацию выходных параметров (уровни, расходы воды, давление в трубопроводах и т. д.). В системе автоматического регулирования учитывается взаимодействие объекта регулирования и автоматического устройства.

К объектам регулирования на оросительных системах относят управляемые гидротехнические сооружения и гидромеханические установки (водозаборные узлы, головные регуляторы, водораспределительныесооружения, сооружения для очистки воды, водоводы, насосные станции иустановки и др.), в которых требуется управлять уровнем, расходом воды,давлением в трубопроводах и т. д. [1].

Каждый объект характеризуется определенными параметрами. Для водораспределительного сооружения основные параметры – наполнение,расход, скорость движения воды и т. д. Параметры объекта делят на количественные и качественные [1, 28-30].

При автоматизации объектов в большинстве случаев требуется, чтобы режим системы автоматизированного управления водораспределением характеризовался минимальным числом переменных величин (по возможности только одной), например расход воды в отводе – в функции напора в верхнем бьефе. Другие взаимно связанные переменные могут приэтом задаваться определенной величиной, например для рассматриваемогослучая – площадью отверстия.

Режим системы автоматизированного управления водораспределением определяется тремя основными факторами [1, 29]: внешним воздействием В_в , воздействием управления В_у и показателем внутреннего состояния H . Так в перегораживающем сооружении внешним воздействиембудет изменение расхода в регулируемом бьефе, управляемым – воздействие авторегулятора на регулируемую среду и показателем внутреннего состояния – уровень воды в регулируемом бьефе. Разность воздействийΔВ=В_у-В_в , нарушающую равновесие режима объекта, называют возмущающим воздействием.

Участок системы между местами приложения воздействий В_у и В_в,из которых одно условно считается входным, а другое выходным, называют регулируемым участком или объектом регулирования. Например, длярегулятора уровня воды в резервуаре объектом регулирования будет участок, включающий резервуар и трубопровод.

Объекты регулирования обладают свойствами, существенно влияющими на весь процесс регулирования, и предъявляют определенные требования к регуляторам. Основные свойства объектов регулирования – аккумулирующая способность, самовыравнивание, время разгона и постояннаявремени объекта, запаздывание.

Аккумулирующая способность. Технологический процесс в любомобъекте регулирования связан с притоком, расходом, накоплением и преобразованием вещества или энергии. Так, любой объект до пуска его в работу должен быть приведен в работоспособное состояние. Канал для приведения в работоспособное состояние должен быть соответственно наполнен водой до определенного уровня или давления и т. д. Следовательно, для приведения в работоспособное состояние объекта и поддержания его в процессе работы должно быть затрачено некоторое количество энергии или вещества, которое остается в системе и после того, как она начинает работать [1, 29].

Это свойство объекта вбирать в себя определенное количество энергии или вещества называют аккумулирующей способностью или емкостью. Физическая сущность ее для различных объектов оценивается различными величинами. Так для канала, трубопровода, водохранилища, гидротехнического сооружения и других сооружений аккумулирующая способность – это в буквальном смысле емкость, так как емкость этих объектов вбирает в себя воду до приведения объекта в работоспособное состояние и поддержания его в этом состоянии.

От размера емкости существенно зависит скорость изменения регулируемой величины: чем меньше емкость, тем больше скорость изменения регулируемой величины при возникновении возмущения в объекте и наоборот. Например, чем больше емкость водохранилища, тем медленнее будет изменяться уровень воды в нем при данном расходе наполнения. Следовательно, большая емкость предъявляет меньшие требования к скорости регулирования и облегчает задачу авторегулятора и наоборот. Объекты по емкостям делят на безъемкостные, одноемкостные и многоемкостные.

Объекты могут иметь сосредоточенные и рассредоточенные параметры. В первом случае объект обладает ограниченным числом параллельно и последовательно включенных емкостей и описывается обычно несколькими уравнениями (не менее числа емкостей). Во втором случае объект имеет большое число взаимосвязанных рассредоточенных емкостей и требует для описания процесса нескольких систем уравнений, так как процессы, протекающие в таких объектах, зависят от нескольких переменных параметров.

Процесс регулирования в общем случае может быть представлен балансом регулируемой среды в объекте [1, 28-30]:

где ΔQ – накопление регулируемой среды в объекте в единицу времени, представляющее собой возмущающее воздействие, м3/с;

Q₁– приток этой среды в единицу времени, м3/с;

Q ₂– расход среды в единицу времени, м3/с.

Если Q₁>Q₂, то есть ΔQ > 0, то запас регулируемой среды в объекте увеличивается, при ΔQ < 0 – уменьшается; при ΔQ =0 запас средыне изменяется. От величины ΔQ зависит скорость изменения регулируемой величины.

Для упрощения дальнейших выводов переходят к безразмерным величинам, для чего все члены уравнения относят к базисному значениюрасхода регулируемой среды Q_б, который в практике обычно принимаютравным максимально возможному для данного объекта расходу, чтобыв расчетах его значение не влияло на знаки величин, входящих в уравнение. В общем случае может быть принято любое значение.

В безразмерных величинах уравнение примет вид [1, 28-30]:

Обозначенная теперь в безразмерных величинах произвольная регулируемая величина r по аналогии с вышеизложенным будет равна отношению:

где R – произвольная регулируемая величина;

R _б– базисное значение регулируемой величины, значение которой задается так же, как и Q_б.

Выше отмечалось, что скорость изменения регулируемой величинызависит от воздействия возмущения ΔQ или в безразмерных величинахΔq. В общем случае эта зависимость выразится как функция времени [1, 28-30]:

В практике большинство случаев функциональную зависимость принимают линейной, тогда

где σ – коэффициент пропорциональности, характеризующий изменение регулируемой величины без воздействия регулятора на объект при относительном возмущении (отклонении) Δq=1.

Коэффициент σ отражает чувствительность объекта к возмущению,поэтому его называют еще коэффициентом чувствительности или чувствительностью объекта к возмущению.

В тех случаях, когда функцию φ(Δq) нельзя выразить линейной зависимостью (например, в водохранилищах или каналах, где объем с наполнением изменяется нелинейно), для определения скорости изменения

регулируемой величины надо знать изменение значения Δв функции Δq. В этих случаях при анализе объектов обычно всю емкость делят на элементарные емкости, в пределах которых можно пренебречьнелинейностью, когда возможно выразить σ=f (Δq) .

Чтобы установить чувствительность объекта к возмущению (величину коэффициента σ), определяют коэффициент емкости. Под коэффициентом емкости c понимают отношение объема емкости W к регулируемойвеличине R [1, 28-30]:

Коэффициент c в зависимости от формы и размеров емкости можетбыть постоянной (объем емкости объекта W с наполнением изменяется линейно) и переменной величиной (объем емкости W с наполнением изменяется нелинейно). В последнем случае c выразится как отношение изменения емкости к соответствующему изменению регулируемойвеличины:

где ΔW принимают в пределах, позволяющих пренебречь нелинейнымизменением объема емкости с наполнением ее.

Например, объект регулирования – резервуар, регулируемая величина – уровень (наполнение H ). Площадь поперечного сечения резервуара повысоте для упрощения выводов принимается постоянной. Обозначим начальное наполнение резервуара H₀, начальный приток Q₀. При Q₁=Q₂уровень воды в резервуаре будет постоянным, и предположим, что он равен H₀. При нарушении баланса (Q ₁≠Q₂) уровень изменяется, это изменение во времени выразится уравнением [1, 28-30]:

где Ώ – площадь резервуара, м².

Коэффициент емкости [1, 28-30]:

Скорость изменения регулируемой величины равна [1]:

или в безразмерных величинах

Из выражения следует, что чувствительность объектак возмущению:

Чем больше площадь резервуара Ώили, другими словами, чембольше коэффициент емкости объекта c , тем меньше чувствительностьобъекта к возмущению.

Самовыравнивание. Самовыравнивание – свойство объекта регулирования самостоятельно (без регулятора) выравнивать нарушенный баланс между притоком и расходом регулируемой среды. В этом случае регулируемая величина в новом равновесном состоянии приобретает новоезначение.

Самовыравнивание может быть количественно оценено величиной,называемой степенью или коэффициентом самовыравнивания Θ, которыйравен отношению относительного возмущения dΔqк изменению относительной регулируемой величины dr[1, 28-30]:

При Θ = 0 самовыравнивания не происходит, регулируемая величина R будет неограниченно возрастать.

При Θ> 0 (положительное самовыравнивание) регулируемая величина R стремится к новому установившемуся значению.

При Θ< 0 (отрицательное самовыравнивание) регулируемая величина R неограниченно уменьшается и может стать отрицательной.

Самовыравнивание объекта существенно влияет на работу авторегулятора. Так положительное самовыравнивание облегчает задачу авторегулятора, и при значительном самовыравнивании можно вообще не применять его. При отсутствии же самовыравнивания невозможно поддерживатьзаданное значение регулируемой величины безавторегулятора.

В качестве объекта с самовыравниванием можно рассматривать резервуар со свободным истечением, наполняющийся водой, при этом задвижка на выпуске имеет какое-то постоянное открытие.

В качестве объекта, не обладающего способностью к самовыравниванию, можно привести тот же резервуар, в который поступает вода, нооткачивается насосом с постоянной подачей независимо от притока. Здесьс уменьшением или увеличением притока уровень воды в резервуаре будетнепрерывно изменяться.

Величину, обратную степени самовыравнивания, называют коэффициентом усиления объекта [1, 28-30]:

Если обозначить установившееся состояние выходной величины объекта в общем случае через x_вых , входной –x_вх , то

откуда

Следовательно, коэффициент усиления k показывает, во сколько разизменяется величина объекта по отношению к входной при переходе от одного установившегося состояния к другому.

Время разгона и постоянная времени объекта. В объектах с самовыравниванием, обладающих емкостью и, следовательно, инерцией, на переход к новому установившемуся состоянию при появлении возмущения затрачивается некоторое время, которое может быть значительным.

В практике ограничиваются временем, когда регулируемая величина достигает 99 % своего нового значения при возмущении, равном единице.

Время, в течение которого регулируемая величина изменяется от нуля до установившегося значения при мгновенном изменении притока вещества или энергии от нуля до номинального значения, называют временем разгона объекта T_р. Временем разгона принято называть продолжительность процесса самовыравнивания при начальном возмущающем воздействии, равном единице, то есть тогда, когда величина максимального возмущения равна базисному значению, в течение которого регулируемая величина изменяется от 0 до 1/ n части своего номинального значения. Кривая r(t) показывает изменение относительной регулируемой величины в процессе самовыравнивания при возмущающем воздействии, равном единице [1, 28-30].

Наряду со временем разгона T_р в динамике регулирования, важное значение имеет постоянная времени объекта T_a – время разгона, когда самовыравнивания не происходит, то есть время, в течение которого регулируемая величина достигает установившегося значения при мгновенном изменении притока вещества или энергии от нуля до номинального значения. Время можно определить графически. Для этого необходимо провести через начало координат касательную к кривой r(t) до пересечения с прямой номинального значения rn . Отрезок, отсекаемый на этой прямой, и определяет искомую постоянную времени объекта.

Кривая r(t) представляет собой экспоненту и описывается уравнением[1]:

При t =T_а , то есть за время, равное одной постоянной времени объекта, регулируемая величина r достигает 0,623 своего установившегося значения:

Для достижения r =rnтребуется бесконечно большое время разгона. В практике принимают T_р= (4-5) T_а, при этом ошибка в регулируемой величине будет не более 1,8-0,7 %.

На объектах, не обладающих самовыравниванием, время разгонасовпадает с постоянной времени объекта T_а.

Если известна чувствительность объекта к возмущению σ, то T_а легко определяют по формуле [1, 25, 26]:

В объектах с большей емкостью постоянная времени велика, так какσ=Q_б/ΩR_бничтожно мала. Такие объекты, как уже отмечалось выше, предъявляют меньше требования к быстродействию системы регулирования.

Время разгона и постоянную времени объекта можно определитьопытным путем. Для этого необходимо на изучаемом объекте с помощьюмерных приборов снять изменения регулируемой величины во временипри внезапном изменении нагрузки и построить кривую изменения регулируемой величины в функции времени. Значение регулируемой величины, установившееся в результате процесса самовыравнивания, называютпотенциальной регулируемой величиной.

Запаздывание. При рассмотрении времени разгона и постояннойвремени объекта предполагалось, что в объекте после возникновения возмущения немедленно начинает изменяться регулируемая величина. Практически изменение регулируемой величины после нарушения равновесиявсегда происходит с некоторым запаздыванием, которое отрицательно сказывается на процессе регулирования.

Различают переходное и передаточное запаздывания.

Переходное запаздывание τ_пхарактерно для двухъемкостных и многоемкостных объектов, оно обусловлено гидравлическими, электрическими или тепловыми сопротивлениями между отдельными объектами и равно времени прохождения вещества или энергии через емкости до регулятора. Отсюда следует, что величина переходного запаздывания зависит отконструкции объекта и условий эксплуатации. Больше того, переходноезапаздывание может увеличиваться в процессе эксплуатации объекта. Например, заиление каналов, трубопроводов уменьшает сечение, а, следовательно, увеличивает переходное запаздывание.

С передаточным запаздыванием τ₀ мы встречаемся преимущественно в регулирующих системах, использующих усилители (например, гидравлические автоматы непрямого действия).

Передаточное запаздывание оказывает вредное влияние на процессрегулирования, так как способствует увеличению отклонений регулируемой величины. Общее запаздывание τравно сумме переходного и передаточного запаздываний [28-30]:

При проектировании автоматических систем стремятся к уменьшению запаздывания как переходного, так и передаточного[31].

1. Создание математических моделей объекта

Под математической моделью понимают уравнение динамики объекта, представляющее собой математическое описание процесса, протекающего в нем [1].

При автоматическом регулировании применяют различные способысоставления уравнений динамики, составление математических моделейили, другими словами, уравнений объектов регулирования:

- уравнение динамики или математическую модель объекта составляют на основе анализа физических процессов, которые могут происходить в объекте регулирования. Так, например, в оросительных каналах какобъектах регулирования физический процесс – движение воды описывается дифференциальными уравнениями неустановившегося движения (уравнение Сен-Венана). Моделью объекта здесь будет решение уравнения Сен-Венана [7, 16, 22];

- модель объекта составляют с помощью экспериментально определенных статистических характеристик объекта, представленных в виде графиков;

- модель объекта составляют на основе табличных данных процесса, протекающего в объекте, полученных также экспериментальным путем с последующей их обработкой методами регрессивного анализа;

- при составлении модели объекта используют аналоговое или цифровое моделирование.

Порядок уравнений динамики объектов зависит от сложности процессов, протекающих в них, и от принятых допущений.

Математические модели объектов регулирования или уравнения динамики записывают в виде дифференциальных уравнений или разностных

уравнений различных порядков в линеаризованном виде или с разделенными линейными и нелинейными частями. Нелинейная часть объекта обычно представляет собой статические характеристики, а линейная – динамические.

Параметры математических моделей часто (особенно это характернодля мелиоративных объектов) не известны, и для их определения проводятисследования, в результате которых получают табличные данные или графики процесса, протекающего в объекте. Параметры объекта в этом случаевычисляют с помощью регрессивного анализа.

Создание и использование математических моделей требует от разработчиков кроме знания формально-логических методов, тщательного

анализа изучаемого объекта с целью правильного и строгого формулирования основных идей и закономерностей, а также с целью выявления достаточного объема достоверных фактических, статистических и нормативных данных[31].

Вывод

В заключении необходимо отметить, что вопросы управления процессами водораспределения на оросительных системах актуальны и в настоящее время. Сведение потерь оросительной воды к минимуму, обеспечение соответствия объемов водозабора и водопотребления возможно при условии существенного повышения качества управления процессами водораспределения путем автоматизации сооружений оросительной системы.

Список использованной литературы

1 Бочкарев, Я. В. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов в гидромелиорации: учеб.для вузов / Я. В. Бочкарев, Е. Е. Овчаров. – М.: Колос, 1981. – 335 с.

2 Ганкин, М. З. Автоматизация и телемеханизация производственных процессов / М. З. Ганкин. – М.: Колос, 1977. – 336 с.

3 Коваленко, П. И. Автоматизация мелиоративных систем / П. И. Коваленко. – М.: Колос, 1983. – 304 с.

4 Бочкарев, В. Я. Новые технологии и средства измерений, методы организации водоучета на оросительных системах / В. Я. Бочкарев; ФГБНУ «РосНИИПМ». – Новочеркасск, 2012. – 227 с. – Деп. в ВИНИТИ27.04.12, № 196-В2012.

5 Маковский, Э. Э. Автоматизированные автономные системы трансформации неравномерного стока / Э. Э. Маковский, В. В. Волчкова. –Фрунзе: Илим, 1981. – 380 с.

6 Натальчук, М. Ф. Эксплуатация гидромелиоративных систем / М. Ф. Натальчук, В. И. Ольгаренко, В. А. Сурин. – М.: Колос, 1995. – 320 с.

7 Системные принципы водоучетаи управления водораспределениемна оросительной сети / В. Н. Щедрин [и др.]. – Новочеркасск.: Новочерк.гос. техн. ун-т, 1994. – 235 с.

8 Щедрин, В. Н. Повышение эффективности управления водораспределением и совершенствование конструкций открытых оросительных систем: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 06.01.02 / Щедрин Вячеслав Николаевич. – Москва, 1995. – 56 с.

9 Коржов, В. И. Совершенствование технологических приемов и средств управления водораспределением в открытых оросительных системах: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 06.01.02 / Коржов Виктор Иванович. – Новочеркасск, 1994. – 20 с.

10 Щедрин, В. Н. Совершенствование технологии управления водораспределением на открытых оросительных системах / В. Н. Щедрин,В. И. Коржов. – М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», 1995. – 80 с.

11 Водоучет и водораспределение на мелиоративных системах: науч. обзор / В. Я. Бочкарев, А. А. Чураев, И. В. Клишин, Л. В. Юченко, М. В. Вайнберг; ФГНУ «РосНИИПМ». – Новочеркасск, 2011. – 43 с. – Деп.в ВИНИТИ 28.06.11, № 309-В2011.

12 Бочкарев, Я. В. Эксплуатационная гидрометрия и автоматизацияоросительных систем / Я. В. Бочкарев. – М.: Агропромиздат, 1987. – 175 с.

13 Щедрин, В. Н. Совершенствование конструкций открытых оросительных систем и управления водораспределением / В. Н. Щедрин. – М.:Мелиорация и водное хозяйство, 1998. – 160 с.

14 Ткачев, А. А. Переходные гидравлические процессы в магистральных каналах оросительных систем для условий динамического регулирования водораспределения: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.23.16 /Ткачев Александр Александрович. – Новочеркасск, 2000. – 25 с.

15 ГОСТ 34.601-90 Автоматизированные системы. Стадии создания. – Введ. 1992-01-01. – М.: Изд-во стандартов, 1992. – 7 с.

16 Временное руководство по проектированию и эксплуатации автоматизированных оросительных систем / В. Н. Щедрин [и др.]. – В 2 ч. –Ч. I. – Новочеркасск: Югмелиорация, 1989. – 160 с.

17 Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: справочник / под ред.

Б. Б. Шумакова. – М.: Колос, 1999. – 432 с.

18 Жарковский, А. М. Каналы саморегулирующиеся с бассейнамиперерегулирования расхода для реконструируемых и новых оросительныхсистем / А. М. Жарковский, М. Ш. Марголин // Реконструкция и техническое перевооружение мелиоративных систем: сб. науч. тр. / Союзводпроект. – М., 1986. – С. 39-49.

19 Оросительные системы России: от поколения к поколению: монография / В. Н. Щедрин, А. В. Колганов, С. М. Васильев, А. А. Чураев. –

В 2 ч. – Ч. 2. – Новочеркасск: Геликон, 2013. – 307 с.

20 Красовский, М. Ю. Совершенствование способов и техническихсредств автоматизации водораспределения в открытых оросительных системах: автореф. дис. … канд. техн. наук: 06.01.02 / Красовский МихаилЮрьевич. – Новочеркасск, 1987. – 22 с.

21 Компьютерное моделирование речных потоков. Теоретические основы // Научная консалтинговая фирма «Волга». – М., 2013. – 79 с.

22 Грушевский, М. С. Неустановившееся движение воды в реках и каналах / М. С. Грушевский. – Л.: Гидрометеоиздат, 1982. – 288 с.

23 Иваненко, Ю. Г. Теоретические принципы и решения специальных задач гидравлики открытых водотоков / Ю. Г. Иваненко, А. А. Ткачев. – Новочеркасск, НГМА, 2001. – 203 с.

24 Пропускная способность русел каналов и рек [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:elib.rshu.ru/files/img-216094155.pdf, 2014.

25 Методы и расчеты неустановившегося движения в условиях дельт больших рек [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:www.dissercat.com/content/metody-i-raschety-neustanovivshegosya-dvizheniya-v-usloviyakhdelt-bolshikh-rek, 2014.

26 Расчеты неустановившегося движения воды в реках [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:www.twirpx.com/file/1162905, 2014.

27 Неустановившееся движение в мелиоративной системе каналов при периодическом подпоре для условий Нижней Гвинеи [Электронныйресурс]. – Режим доступа: http:tekhnosfera.com/neustanovivsheesyadvizhenie-v-meliorativnoy-sisteme-kanalov-pri-periodicheskom-podpore-dlyausloviy- nizhney-gvinei, 2014.

28 Использование методов моделирования в исследовании систем управления [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:personups. ru/bilety-k-gosekzamenu-po-spetsialnosti-menedzhment-organizatsii/18- ispolzovanie-metodov-modelirovaniya-v-issledovanii-stem.html, 2014.

29 Развитие методологии расчета параметров неустановившегося течения воды при водораспределении в каналах оросительных систем [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:www.dissercat.com/content/ razvitiemetodologii-rascheta-parametrov-neustanovivshegosya-techeniya-vody-privodorasprede,2014.

30 Методические указания пользователя информационно-советующей системы управления водораспределением с использованиемГИС технологий [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:www.eeccawater.net/ content/view/157/12/lang,ru, 2014.

31 А. А. Чураев, Л. В. Юченко, М. В. Вайнберг, Е. В. Павелко, Т. А. Погоров, А. Е. Шепелев, В. В. Митров УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ Научный обзор Новочеркасск 2014 – 52 с.

32

Код для цитирования: Скопировать