ES2277757A1 - Sistema de control fraccional basado en ordenador de niveles del agua en canales principales de riego. - Google Patents
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Abstract
Consiste en un sistema de control fraccional desarrollado sobre un ordenador, que posibilita controlar de forma robusta y efectiva los niveles del agua en un tramo de un canal de riego caracterizado por presentar parámetros dinámicos variables. La robustez, precisión y calidad exigida del sistema se obtienen mediante la aplicación de nuevos algoritmos de control. La generación de la señal de control se realiza a través de un algoritmo de control FPID discreto, el cual dispone de cinco parámetros de sintonía, dos de ellos de orden no entero. El sistema dispone de un software conformado por un entorno gráfico, un módulo de tratamiento de datos y control, y un módulo de comunicaciones. El sistema diseñado se caracteriza por su robustez, precisión, bajo coste y cumplimiento de las especificaciones requeridas para esta clase de sistemas.
Description
Sistema de control fraccional, basado en
ordenador, de niveles del agua en canales principales de riego.
La invención se encuadra en los sectores
técnicos de la hidráulica y la agricultura, más concretamente en el
relativo a los sistemas de control de los niveles del agua en
canales principales de riego.
Actualmente, existen algunos sistemas de control
que realizan la regulación aguas abajo de los niveles del agua en un
tramo de un canal principal de riego, pero su funcionamiento se
encuentra seriamente afectado por las variaciones que presentan los
parámetros dinámicos de dicho tramo (ganancia y retardo de tiempo)
al variar sus regímenes de explotación, determinados por los
movimientos de la compuerta aguas arriba del tramo. Los
controladores utilizados en estos sistemas no presentan la robustez
necesaria para realizar un control efectivo de los niveles del agua
bajo condiciones de variación en un amplio rango de los parámetros
dinámicos del tramo del canal, lo que origina que se produzcan
grandes pérdidas de agua (Patentes S.U. No 362 895 y No 1 135 837,
CIP E02B 13/00; Patente CA No 2 450 151, CIP E02B0 11/00; Patente
U.S. No 4 349 296, CIP E02B0 11/00).
Otros sistemas de control realizan la estimación
on-line de los parámetros dinámicos del tramo del
canal (ganancia y retardo de tiempo) y posteriormente reajustan los
parámetros del controlador mediante un algoritmo adaptativo. Estos
sistemas se caracterizan por presentar estructura y algoritmos de
control muy complejos. Igualmente presentan un comportamiento global
(estabilidad y/o robustez) altamente sensible a cualquier error que
se pueda cometer en el reajuste (sintonía) de los parámetros del
controlador, lo que en muchas ocasiones origina la pérdida total de
la estabilidad del sistema de control. Para mejorar la estabilidad
de estos sistemas, los controladores se diseñan con un algoritmo de
funcionamiento que produce un reajuste muy lento de sus parámetros,
lo que provoca que el sistema de control pierda la capacidad de
seguir con rapidez las variaciones bruscas de los niveles del agua
que se originan en el tramo del canal. Esto conlleva una baja
operatividad del canal y por consiguiente un aumento en las pérdidas
de agua (Patente CU No 21885, CIP E02B 13/02).
La presente invención resuelve estos problemas
mediante un controlador de orden fraccional, el cual no necesita
para su funcionamiento robusto y efectivo ninguna estimación de los
parámetros dinámicos del canal, ni tampoco ningún reajuste de los
parámetros dinámicos del controlador.
Un controlador se considera robusto cuando: (1)
presenta una baja sensibilidad a efectos de la planta (canal) que no
fueron considerados en la fase de análisis y de diseño del sistema
de control (por ejemplo perturbaciones, ruidos de medida, dinámicas
no modeladas, etc.), (2) garantiza un funcionamiento estable del
sistema de control sobre el rango de variaciones de los parámetros
dinámicos de la planta (canal) y (3) exhibe el comportamiento
deseado, cumpliendo con las especificaciones de diseño, a pesar de
la presencia de grandes incertidumbres en la planta (grandes cambios
en los parámetros dinámicos del canal).
El objetivo de la invención consiste en elevar
la efectividad y robustez en el control de los niveles del agua en
los tramos de los canales de riego cuyos parámetros dinámicos
(ganancia y retardo de tiempo) varían en un amplio rango al variar
sus regímenes de explotación, de forma tal de aumentar la
operatividad sobre el canal y obtener una significativa reducción de
las pérdidas actuales de agua por concepto de explotación.
La figura 1 muestra la configuración y los
elementos del sistema de control fraccional, basado en ordenador, de
niveles del agua en un tramo de un canal principal de riego. El
tramo del canal principal de riego 1, con compuerta del comienzo del
tramo 2 y compuerta del fin de tramo 3, presenta un sensor de
niveles del agua aguas abajo 4 situado al final del tramo. La señal
de salida del sensor de niveles del agua H_{aa} (t)
mediante el convertidor analógico/digital A/D 5 se convierte en una
señal discreta H_{aa} (kT). El ordenador 6 desarrolla la
función de controlador de orden fraccional, generando las señales de
error e(kT) y de control u(kT) en
correspondencia con un algoritmo de control de orden fraccional
discreto tipo FPID. La señal de control discreta u(kT)
se convierte en señal continua u(t) mediante el
convertidor digital/analógico D/A 7, el cual representa a un
dispositivo de muestreo y retención de datos. La señal de control
continua u(t) actúa sobre el motor 8 de la compuerta
de comienzo del tramo, originando desplazamientos de dicha compuerta
en correspondencia con la magnitud y signo de la señal de error
e(kT). Los desplazamientos de la compuerta de comienzo
del tramo producen variaciones en el caudal de agua de entrada al
tramo del canal, las cuales se mantienen mientras la señal de error
e(kT) no se iguale a cero.
La presente invención se refiere a un nuevo
sistema de control fraccional de niveles del agua en un tramo de un
canal de riego, el cual incorpora un ordenador como controlador de
orden fraccional. La inclusión del ordenador facilita enormemente la
implementación y ejecución del algoritmo de control de orden
fraccional. El control de los niveles del agua en el tramo del canal
se desarrolla en correspondencia con el método de regulación aguas
abajo, con sensor de niveles del agua situado al final del
tramo.
El algoritmo de control constituye un PID de
orden fraccional (FPID), el cual presenta un integrador de orden
\alpha y un diferenciador de orden \mu. Este algoritmo en el
dominio del tiempo se representa mediante la ecuación:
(1)u(t)
= K_{p}e(t) + K_{i}D^{-\alpha}e(t) +
K_{d}D^{\mu}e(t),
donde:
D^{r} - operador
integro-diferencial de orden no entero r; \alpha,
\mu - números reales arbitrarios (\alpha, \mu > 0 );
K_{p}, K_{i}, K_{d} - coeficientes de proporcionalidad,
integración y derivación respectivamente; u(t) - señal
de salida del controlador; e(t) - señal de error entre
la variable controlada y la señal de referencia.
La magnitud del nivel del agua aguas abajo al
final del tramo del canal H_{aa}(t) es captada por
el sensor de niveles del agua y transmitida al convertidor
analógico/digital A/D, el cual la convierte en una señal discreta
H_{aa}(kT) para su procesamiento por el controlador
de orden fraccional (ordenador). El valor de la señal de referencia
del nivel del agua aguas abajo al final del tramo del canal
constituye un dato, por lo que se introduce en el ordenador en
formato numérico H_{r}(kT). El dato
H_{r}(kT) se registra y almacena en la memoria del
ordenador.
La señal de error entre los valores de la señal
de referencia y la señal de niveles del agua al final de tramo del
canal, se determina mediante la expresión:
(2)e(kT) = H_{r}(kT) -
H_{aa}
(kT),
El controlador de orden fraccional genera la
señal de control u(kT) en correspondencia con la
magnitud y signo de la señal de error e(kT). La
generación de la señal de control se realiza a través de un
algoritmo de control FPID discreto, el cual presenta la forma:
(3)u(z)
= K_{p}e(z) + K_{i} (\omega (z^{-1}))^{-\alpha} e(z) +
K_{d} (\omega (z^{-1}))^{\mu}
e(z),
donde:
(\omega(z^{-1}))^{\pm r}-
equivalente discreto del operador
integro-diferencial de orden no entero r, 0
< r <1, que se determina mediante la siguiente fórmula
general:
T - periodo de muestreo.
La expresión (4) representa a una función de
transferencia racional de tiempo discreto de orden infinito. Una
aproximación como función racional de orden finito se obtiene
aplicando el método de expansión de fracciones continuas (CFE).
Utilizando este método la expresión (4) se expresa como:
donde:
CFE{U}- denota la expansión de fracciones
continuas de U; P(z^{-1}), Q(z^{-1}) -
polinomios de grado p, q respectivamente.
La señal de control discreta u(kT)
de salida del ordenador se convierte en una señal de control
continua u(t) mediante el convertidor
digital/analógico (D/A), que representa a un dispositivo de muestreo
y retención de datos.
La señal de control continua u(t)
actúa sobre el motor que mueve la compuerta de comienzo del tramo,
originando un desplazamiento de dicha compuerta en correspondencia
con la magnitud y signo de la señal de error e(kT). De
esta forma se varia el caudal de agua de entrada al tramo del canal,
hasta que la señal de error e(kT) se iguale a
cero.
De la expresión (3) se observa que los
controladores FPID tienen 5 parámetros de sintonía K_{p},
K_{i}, K_{d}, \alpha, \mu, lo que posibilita obtener un
ajuste más efectivo que otras realizaciones precedentes.
El hecho de que los parámetros \alpha y \mu
sean no enteros, ofrece una elevada flexibilidad y posibilidades de
obtener un ajuste efectivo del controlador ante las variaciones de
los parámetros dinámicos del canal, ya que esta clase de
controladores además de contar con las facilidades del PID
convencional, permite seleccionar la pendiente de la curva de
magnitud o las aportaciones de fase a bajas y altas frecuencias, lo
que proporciona un comportamiento dinámico robusto del
controlador.
Al variar los regímenes de explotación del tramo
del canal, originados por los movimientos de la compuerta aguas
arriba, varían los parámetros dinámicos del tramo del canal
(ganancia y retardo de tiempo). Bajo estas condiciones el sistema no
necesita reajustar los parámetros del controlador, ya que los
controladores de orden fraccional son pocos sensibles a estos
cambios, caracterizándose por su elevada robustez. Esto posibilita
aumentar la efectividad en el control de los niveles del agua, así
como la operatividad sobre el canal y como consecuencia reducir las
pérdidas de agua por concepto de explotación.
El sistema que se propone cuenta con un entorno
gráfico que puede ser manejado por los usuarios, el cual permite
observar desde el ordenador el proceso de control de los niveles del
agua en el tramo del canal, ajustar todos los parámetros del
controlador, comunicarse con el programa de control, accionar de
forma manual sobre el motor de la compuerta de comienzo del tramo
del canal, introducir nuevos datos y/o variar los datos existentes
(por ejemplo el valor de la referencia H_{r}(kT)),
así como conocer posibles fallos en el sistema.
Los datos de entrada
e(kT),H_{r},(kT),H_{aa}(kT) y de salida
u(kT) del sistema se registran y almacenan en ficheros
en el ordenador y pueden ser reproducidos por los usuarios mediante
la aplicación informática encargada de realizar el procedimiento de
tratamiento de datos. La salida de estos datos se realiza por el
puerto USB del ordenador en formato digital.
El sistema que se propone dispone de un software
que forma parte de esta invención y que constituye una parte
indisoluble de la misma. Este software se encuentra conformado por
tres módulos íntimamente relacionados: el primer modulo lo
constituye un entorno gráfico, que es manejado por los usuarios para
gestionar el proceso de control fraccional de los niveles del agua
en un tramo de un canal de riego. El segundo módulo desarrolla las
tareas de tratamiento de datos y control. Este módulo se ejecuta en
el propio ordenador y se relaciona con el entorno gráfico para
interpretar sus órdenes.
El tercer módulo se ocupa de la comunicación
entre el entorno gráfico y el módulo de tratamiento de datos y
control.
De todo lo descrito y mediante la observación de
la figura 1, se desprenden las ventajas que presenta el sistema de
control fraccional que se propone, respecto a otras realizaciones
precedentes.
Lo nuevo en el sistema que se propone lo
constituye la simplificación de la estructura del controlador, así
como de los algoritmos de control; la inclusión de un controlador de
orden fraccional, basado en ordenador, el cual se caracteriza por
presentar una baja sensibilidad ante las variaciones de los
parámetros dinámicos del tramo del canal al variar sus regímenes de
explotación en un amplio rango, lo que implica un aumento
significativo en la robustez y efectividad en el control, así como
en la operatividad sobre el canal y como consecuencia una reducción
en las pérdidas actuales de agua; la introducción de las tecnologías
digitales, las cuales aumentan enormemente las posibilidades del
sistema de control fraccional y se distinguen por su flexibilidad,
velocidad de respuesta y exactitud en la ejecución de los algoritmos
de control.
Claims (3)
1. Sistema de control fraccional, basado en
ordenador, de niveles del agua en canales principales de riego que
comprende compuertas al comienzo y fin del tramo del canal, sensor
de niveles del agua aguas abajo situado al final del tramo y motor
que mueve la compuerta de comienzo del tramo caracterizado
porque comprende un controlador de orden fraccional, basado en un
ordenador, que genera las señales de error y de control, cuya
entrada se encuentra conectada con un convertidor analógico/digital
y la salida con un convertidor digital/analógico.
2. Sistema de control fraccional, basado en
ordenador, de niveles del agua en canales principales de riego según
reivindicación 1 caracterizado por utilizar un algoritmo
fraccional tipo FPID discreto para generar la señal de control.
3. Sistema de control fraccional, basado en
ordenador, de niveles del agua en canales principales de riego según
reivindicaciones 1 y 2 caracterizado por disponer de un
software conformado por un entorno gráfico que puede ser manejado
por los usuarios, un módulo de tratamiento de datos y control, y un
módulo de comunicaciones.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200502338A ES2277757B1 (es) | 2005-09-27 | 2005-09-27 | Sistema de control fraccional, basado en ordenador, de niveles del agua en canales principales de riego. |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| ES200502338A ES2277757B1 (es) | 2005-09-27 | 2005-09-27 | Sistema de control fraccional, basado en ordenador, de niveles del agua en canales principales de riego. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2277757A1 true ES2277757A1 (es) | 2007-07-16 |
| ES2277757B1 ES2277757B1 (es) | 2008-06-16 |
Family
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| ES200502338A Expired - Fee Related ES2277757B1 (es) | 2005-09-27 | 2005-09-27 | Sistema de control fraccional, basado en ordenador, de niveles del agua en canales principales de riego. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2277757B1 (es) |
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| ES2345801A1 (es) * | 2009-03-30 | 2010-10-01 | Universidad De Castilla La Mancha | Sistema de control de orden fraccional con ganancia programada de niveles de agua en canales principales de riego. |
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-
2005
- 2005-09-27 ES ES200502338A patent/ES2277757B1/es not_active Expired - Fee Related
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| Extraída de la base de datos PAJ en EPODOC & JP 57146320 A (HITACHI LTD; HITACHI ENG CO LTD) 09.09.1982, resumen; figuras * |
| Extraída de la base de datos PAJ en EPODOC & JP 61235914 A (HITACHI LTD) 21.10.1986, resumen; figuras * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2277757B1 (es) | 2008-06-16 |
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