ES2345801A1 - Fractional order control system with programmed gain of water levels in main irrigation channels (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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Abstract

Fractional order control system with programmed gain of water levels in main irrigation channels that includes, at least: (a) a plurality of gates at the beginning (2) and end (3) of the channel section (1), a downstream water level sensor (5) located at the end of the channel section (1), an analog converter/digital (8), a digital/analog converter (10) and a motor (11) that moves the start gate (2) of the channel section (1); y (b) a water level sensor upstream (6) located at the end of the preceding section, a water level sensor downstream located at the beginning of the section (4), a gate position sensor (7) located in the gate upstream of the section and a fractional order controller with programmed gain (9) that generates the error signals e (kt) and control ufdli (kt). (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

Sistema de control de orden fraccional con ganancia programada de niveles de agua en canales principales de riego.Fractional order control system with programmed gain of water levels in main channels of irrigation.

El objeto del sistema de control preconizado por la presente invención consiste en elevar la robustez y efectividad en el control de los niveles de agua en los tramos de los canales principales de riego los cuales se caracterizan por presentar grandes variaciones en todos sus parámetros dinámicos, como ganancia, constantes de tiempo y retardos, al variar la descarga a través de sus compuertas aguas arriba, de tal forma que, se aumenta la operatividad en la distribución del agua en dichos tramos, elevar la seguridad en el funcionamiento del sistema de control, así como obtener una significativa reducción de las pérdidas actuales de agua por concepto de explotación. La presente 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 de agua en canales principales de riego.The purpose of the control system recommended by The present invention is to increase the robustness and effectiveness in the control of water levels in the sections of the channels main irrigation which are characterized by presenting large variations in all its dynamic parameters, such as gain, time constants and delays, by varying the download to through its upstream gates, so that, it increases the operability in the distribution of water in these sections, raise safety in the operation of the control system, as well as obtain a significant reduction in current water losses for exploitation concept. The present invention is framed in the technical sectors of hydraulics and agriculture, more specifically in relation to the control systems of water levels in main irrigation canals.

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

Actualmente, existen diferentes sistemas de control que realizan la regulación aguas abajo de los niveles del agua en un tramo de un canal principal de riego. Los controladores tipo PID (proporcional, integral y derivativo) de estos sistemas generalmente se encuentran sintonizados sobre la base del modelo matemático que describe el comportamiento dinámico nominal de dicho tramo. Sin embargo, al cambiar las condiciones hidráulicas del tramo del canal (por ejemplo, la descarga a través de su compuerta aguas arriba) los parámetros (ganancia y retardo de tiempo) del modelo matemático que describe el comportamiento dinámico de dicho tramo experimentan una determinada variación en relación con sus valores nominales, provocando serias afectaciones en el control del nivel del agua en dicho tramo y consecuentemente originando grandes pérdidas de agua en el canal. Los controladores PID 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 determinado rango de los parámetros que describen el comportamiento dinámico del tramo del canal (vid Patentes SU362895, SU1135837, CA2450151 y US4349296).Currently, there are different control systems that perform the downstream regulation of water levels in a section of a main irrigation canal. The PID controllers (proportional, integral and derivative) of these systems are generally tuned on the basis of the mathematical model that describes the nominal dynamic behavior of said section. However, when changing the hydraulic conditions of the section of the channel (for example, the discharge through its upstream gate) the parameters (gain and time delay) of the mathematical model that describes the dynamic behavior of said section experience a certain variation in relation to its nominal values, causing serious effects on the control of the water level in said section and consequently causing great losses of water in the canal. The PID controllers used in these systems do not have the robustness necessary to carry out an effective control of the water levels under conditions of variation in a certain range of the parameters that describe the dynamic behavior of the section of the channel ( vid Patentes SU362895, SU1135837, CA2450151 and US4349296).

Otros sistemas de control realizan la estimación en línea de los parámetros que describen el comportamiento dinámico del tramo del canal (ganancia y retardo de tiempo) y posteriormente reajustan (re-sintonizan) en línea los parámetros del controlador mediante un algoritmo adaptativo. Estos sistemas se caracterizan por presentar estructuras 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 él reajuste 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 a una baja operatividad en el tramo del canal y por consiguiente a un aumento en las pérdidas de agua en todo el canal (Patente CU21885).Other control systems estimate online parameters describing dynamic behavior of the channel section (gain and time delay) and later readjust (re-tune) the parameters online of the controller using an adaptive algorithm. These systems are characterized by presenting structures and control algorithms very complex. They also have a global behavior (stability and / or robustness) highly sensitive to any error that it can be committed to reset the parameters of the controller, what often causes the total loss of the stability of the control system. To improve the stability of these systems, the controllers are designed with an algorithm of operation that produces a very slow readjustment of its parameters, which causes the control system to lose the ability to quickly follow abrupt variations in water levels that originate in the section of the channel. This leads to a low operability in the section of the channel and therefore to an increase in water losses throughout the canal (Patent CU21885).

Para mejorar la robustez en el control de la distribución del agua en los tramos de los canales principales de riego caracterizados por presentar parámetros dinámicos variables (ganancia y retardo de tiempo) existen sistemas que consideran la aplicación de un controlador discreto de orden fraccional (FPID), el cual se denomina mediante la expresión PI^{\lambda}D^{\mu} (Patente ES2277757). Estos sistemas cuentan con una mayor robustez que los sistemas de control basados en controladores clásicos (PID), debido a que los controladores PI^{\lambda}D^{\mu} disponen de dos parámetros más de sintonía que los controladores PID (los coeficientes de orden fraccional \lambda y \mu). Los coeficientes de orden fraccional (\lambda y \mu) son utilizados para cumplir con especificaciones adicionales de diseño y lograr sistemas de control más robustos frente a las incertidumbres de los procesos, entre las que se encuentran las variaciones de sus parámetros dinámicos. Existen tramos de canales principales de riego (como por ejemplo, el primer tramo del canal Imperial de Aragón de la Confederación Hidrográfica del Ebro, España) en los que al variar la descarga a través de su compuerta aguas arriba en el rango de operación (Q_{min}(t), Q_{max}(t)) se originan grandes variaciones en todos los parámetros (ganancia, constantes de tiempo y retardo de tiempo) que caracterizan el comportamiento dinámico de dicho tramo. En estos casos, los controladores de orden fraccional no posibilitan obtener una elevada efectividad en el control, sobre todo en el rango de mayores variaciones de dichos parámetros, originándose grandes pérdidas de agua en todo el canal.To improve the robustness in the control of the distribution of water in the sections of the main irrigation channels characterized by presenting variable dynamic parameters (gain and time delay) there are systems that consider the application of a discrete fractional order controller ( FPID ) , which is named by the expression PI λ D \ (Patent ES2277757). These systems are more robust than control systems based on classic controllers ( PIDs ), because the PI ^ {\ lambda} D ^ {\ mu} controllers have two more tuning parameters than the PID controllers (the fractional order coefficients \ lambda and \ mu). The fractional order coefficients (\ lambda and \ mu) are used to comply with additional design specifications and achieve more robust control systems against the uncertainties of the processes, among which are the variations of their dynamic parameters. There are sections of main irrigation channels (such as the first section of the Imperial Canal of Aragon of the Hydrographic Confederation of the Ebro, Spain) in which the discharge varies through its gate upstream in the operating range ( Q_ {min} ( t ), Q_ {max} ( t )) originate large variations in all parameters (gain, time constants and time delay) that characterize the dynamic behavior of that section. In these cases, fractional order controllers do not make it possible to obtain a high effectiveness in the control, especially in the range of greater variations of said parameters, leading to large losses of water throughout the channel.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

Para paliar los problemas arriba mencionados se presenta el sistema de control de orden fraccional con ganancia programada de niveles de agua en canales principales de riego, objeto de la presente invención. Dicho sistema comprende, al menos:To alleviate the problems mentioned above, presents the fractional order control system with profit programmed water levels in main irrigation canals, object of the present invention. Said system comprises, at less:

(a) una pluralidad de compuertas al comienzo y fin del tramo del canal, un sensor de niveles del agua aguas abajo situado al final del tramo, un convertidor analógico/digital, un convertidor digital/analógico y un motor que mueve la compuerta de comienzo del tramo;(a) a plurality of gates at the beginning and end of the channel section, a downstream water level sensor located at the end of the section, an analog / digital converter, a digital / analog converter and a motor that moves the gate beginning of the section;

(b) un sensor de niveles del agua aguas arriba situado al final del tramo precedente, un sensor de niveles del agua aguas abajo situado al comienzo del tramo, un sensor de posición de compuerta situado en la compuerta aguas arriba del tramo y un controlador de orden fraccional con ganancia programada que genera las señales de error y de control; y donde, además,(b) an upstream water level sensor located at the end of the preceding section, a water level sensor downstream located at the beginning of the section, a position sensor of gate located on the gate upstream of the section and a fractional order controller with programmed gain that generates error and control signals; and where, in addition,

dicho controlador de orden fraccional con ganancia programada está conformado por n controladores fracciónales tipo FDI discreto (DI^{\lambda}_{i}), los cuales se encuentran sintonizados para diferentes sub-rangos de variación de la descarga de operación a través de la compuerta aguas arriba del tramo e incorporando un bloque de cálculo de la descarga actual a través de la compuerta aguas arriba del tramo, lo que posibilita conectar el controlador DI^{\lambda}_{i} sintonizado para el sub-rango de variación de la descarga de operación al que pertenece la descarga actual.said fractional order controller with programmed gain is comprised of n discrete FDI type fractional controllers ( DI \ lambda ), which are tuned for different sub-ranges of variation of the operation discharge through the gate upstream of the section and incorporating a block for calculating the current discharge through the gate upstream of the section, which makes it possible to connect the tuned DI ^ {\ lambda} i controller for the variation sub-range of the operation download to which the current download belongs.

Gracias al sistema así descrito se eleva la robustez y efectividad en el control de los niveles del agua en los tramos de los canales principales de riego, caracterizados por presentar grandes variaciones en todos sus parámetros dinámicos (ganancia, constantes de tiempo y retardo de tiempo) al variar la descarga a través de sus compuertas aguas arriba en el rango de operación (Q_{min}(t), Q_{max}(t)), de forma tal de aumentar la operatividad en la distribución del agua en dichos tramos, elevar la seguridad en el funcionamiento del sistema de control, así como obtener una significativa reducción de las pérdidas actuales de agua por concepto de explotación.Thanks to the system described in this way, the robustness and effectiveness in the control of water levels in the sections of the main irrigation canals is increased, characterized by large variations in all its dynamic parameters (gain, time constants and time delay) by varying the discharge through its upstream gates in the operating range ( Q_ {min} ( t ), Q_ {max} ( t )), in order to increase the operability in the distribution of water in these sections, to increase the safety in the operation of the control system, as well as to obtain a significant reduction in current water losses due to exploitation.

Un controlador se considera robusto cuando:A controller is considered robust when:

(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 dinámicas no modeladas, perturbaciones, ruidos de medida, etc.);(1) has a low sensitivity for the purpose of the plant (channel) that were not considered in the analysis phase and control system design (for example dynamic not modeled, disturbances, measurement noise, etc.);

(2) garantiza un funcionamiento estable del sistema de control sobre todo el rango de variaciones de los parámetros dinámicos de la planta (canal), y(2) guarantees stable operation of the control system over the entire range of variations of the dynamic parameters of the plant (channel), and

(3) exhibe el comportamiento deseado, cumpliendo con las especificaciones de diseño, a pesar de la presencia de grandes incertidumbres en la planta (grandes variaciones en los parámetros dinámicos del canal).(3) exhibit the desired behavior, complying with the design specifications, despite the presence of large uncertainties in the plant (large variations in dynamic parameters of the channel).

Breve descripción de las figurasBrief description of the figures

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta:Then it goes on to describe very brief a series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to an embodiment of said invention presented as a non-limiting example of is:

Fig 1.- Representa esquemáticamente la configuración y los elementos del sistema de control objeto de la presente invención.Fig 1.- Schematically represents the configuration and control system elements object of the present invention

Fig 2.- Representa esquemáticamente la configuración del lazo de control cerrado de orden fraccional con ganancia programada objeto de la presente invención.Fig 2.- Schematically represents the closed loop configuration of fractional order with programmed gain object of the present invention.

Realización preferente de la invenciónPreferred Embodiment of the Invention

La figura 1 muestra la configuración y los elementos del sistema de control de orden fraccional con ganancia programada, 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 2 aguas arriba (del comienzo) del tramo y compuerta 3 aguas abajo (del fin) del tramo, presenta un sensor de niveles del agua aguas abajo 4 situado al comienzo del tramo, un sensor de niveles del agua aguas abajo 5 situado al final del tramo, un sensor de niveles del agua aguas arriba 6 situado al final del tramo precedente y un sensor de posición de compuerta 7 situado en la compuerta aguas arriba del tramo.Figure 1 shows the configuration and elements of the fractional order control system with gain computer-based programming of water levels in a stretch of A main irrigation canal. The section of the main irrigation canal 1, with gate 2 upstream (from the beginning) of the section and gate 3 downstream (of the end) of the section, it presents a level sensor of the downstream water 4 located at the beginning of the section, a sensor downstream water levels 5 located at the end of the section, a sensor of upstream water levels 6 located at the end of the section above and a gate position sensor 7 located in the gate upstream of the section.

Las señales de salida de los sensores de niveles del agua 4, 5 y 6 (H_{aabc}(t), H_{aabf}(t), H_{aar}(t)) y la señal de salida del sensor de posición de compuerta 7 (a(t)) mediante el convertidor analógico/digital A/D 8 se convierten en señales discretas (H_{aabc}(kT), H_{aabf}(kT), H_{aar}(kT), a(kT)). El controlador de orden fraccional con ganancia programada (FDIGP) 9 posibilita el control efectivo de los niveles del agua en el tramo del canal, generando las señales de error e(kT) y de control u_{FDI \ i}(kT) en correspondencia con un algoritmo de control de orden fraccional tipo FDI discreto. La señal de control discreta u_{FDI \ i}(kT) se convierte en señal continua u_{FDI \ i}(t) mediante el convertidor digital/analógico D/A 10, el cual representa a un dispositivo de muestreo y retención de datos. La señal de control continua u_{FDI \ i}(t) actúa sobre el motor 11 de la compuerta 2 aguas arriba 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 2 originan variaciones en la descarga de entrada al tramo, las cuales se mantienen mientras la señal de error e(kT) no se iguale a cero.The output signals of the water level sensors 4, 5 and 6 ( H_ {aabc} ( t ), H_ {aabf} ( t ), H_ {aar} ( t )) and the output signal of the position sensor of gate 7 ( a ( t )) by means of analog / digital converter A / D 8 are converted into discrete signals ( H_ {aabc} ( kT ), H_ {aabf} ( kT ), H_ {aar} ( kT ), a ( kT )). The fractional order controller with programmed gain ( FDIGP ) 9 enables the effective control of water levels in the channel section, generating the error signals e ( kT ) and control signals u FDI \ i ( kT ) in correspondence with a discrete FDI type fractional order control algorithm. The discrete control signal u FDI \ i ( kT ) is converted into a continuous signal u FDI \ i ( t ) by the digital / analog converter D / A 10, which represents a sampling device and data retention. The continuous control signal u FDI \ i ( t ) acts on the motor 11 of the gate 2 upstream of the section, causing displacements of said gate corresponding to the magnitude and sign of the error signal e ( kT ) . The displacements of gate 2 cause variations in the inlet discharge to the section, which are maintained as long as the error signal e ( kT ) does not equal zero.

La figura 2 muestra la configuración del lazo de control cerrado de orden fraccional con ganancia programada de niveles del agua en un tramo de un canal principal de riego.Figure 2 shows the loop configuration of closed control of fractional order with programmed gain of water levels in a section of a main irrigation canal.

El Bloque de cálculo de la descarga 12 sobre la base de las señales H_{aar}(kT), H_{aabc}(kT) y a(kT) calcula la descarga actual (Q_{j}(t)) a través de la compuerta aguas arriba del tramo, determina el subrango de variación (\DeltaQ_{j}(t)) de la descarga de operación (Q_{min}(t), Q_{max}(t)) a la que pertenece dicha descarga y cierra el contacto del controlador DI^{\lambda}_{i} sintonizado para dicho subrango.The calculation block of the discharge 12 on the basis of the signals H_ {aar} ( kT ), H_ {aabc} ( kT ) and a ( kT ) calculates the current discharge ( Q_ {j} ( t )) through the gate upstream of the section determines the variation subrange (Δ Q_ {j} ( t )) of the operating discharge ( Q_ {min} ( t ), Q_ {max} ( t )) to which said unloads and closes the contact of the DI controller ? tuned for said subrange.

La presente invención en este modo de realización está referida a un nuevo sistema de control de orden fraccional con ganancia programada de niveles del agua en un tramo de un canal principal de riego, el cual incorpora a un ordenador (PC) como controlador de orden fraccional con ganancia programada (FPIGP). La inclusión del ordenador facilita enormemente la implementación y ejecución del algoritmo de control de orden fraccional con ganancia programada. 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 alejado (situado al final del tramo).The present invention in this embodiment refers to a new fractional order control system with programmed gain of water levels in a section of a main irrigation channel, which incorporates a computer (PC) as a fractional order controller with programmed gain ( FPIGP ). The inclusion of the computer greatly facilitates the implementation and execution of the fractional order control algorithm with programmed gain. The control of the water levels in the section of the channel is carried out in correspondence with the downstream regulation method with remote water level sensor (located at the end of the section).

Como es conocido, al variar la descarga a través de la compuerta aguas arriba del tramo del canal en el rango de operación (Q_{min}(t), Q_{max}(t)), varían los parámetros dinámicos (ganancia, constantes de tiempo y retardo de tiempo) del tramo del canal en un amplio rango. En este caso, el modelo matemático que describe el comportamiento dinámico de la variación del nivel del agua aguas abajo al final del tramo se describe mediante la expresión:As is known, as the discharge varies through the gate upstream of the section of the channel in the operating range ( Q_ {min} ( t ), Q_ {max} ( t )), the dynamic parameters (gain, constants) vary of time and time delay) of the section of the channel over a wide range. In this case, the mathematical model that describes the dynamic behavior of the variation of the water level downstream at the end of the section is described by the expression:

1one

donde:where:

\DeltaH_{aabf}(t) - variación del nivel del agua aguas abajo al final del tramo; ΔH_aabf ( t ) - variation of the water level downstream at the end of the section;

\Deltau(t) - variación de la posición de la compuerta aguas arriba del tramo;Δ u ( t ) - variation of the position of the gate upstream of the section;

K(t) - ganancia del tramo; K ( t ) - gain of the tranche;

T_{1}(t), T_{2}(t) - constantes de tiempo; T1 ( t ), T2 ( t ) - time constants;

\tau(t) - retardo de tiempo.\ tau ( t ) - time delay.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    

El rango de variación de los parámetros dinámicos del modelo de la ecuación [1] se representa mediante las expresiones:The range of variation of the parameters Dynamic model equation [1] is represented by the expressions:

22

El controlador de orden fraccional con ganancia programada (FDIGP) se encuentra conformado por n controladores DI (derivativo integrador) de orden fraccional (FDI), los cuales se denominan mediante la expresión DI^{\lambda}_{i}, i =
1,2, ...,n. Cada uno de estos controladores se encuentra sintonizado para un determinado sub-rango de variación (\DeltaQ_{i}(t)) de la descarga de operación (Q_{min}(t), Q_{max}(t)) a través de la compuerta aguas arriba del tramo del canal, donde:
The fractional order controller with programmed gain ( FDIGP ) is comprised of n fractional order (integrative derivative) DI ( FDI ) controllers, which are called by the expression DI ^ {\ lambda} _ {i} , i =
1,2, ..., n . Each of these controllers is tuned for a certain sub-range of variation (\ Delta Q_ {i} ( t )) of the operation discharge ( Q_ {min} ( t ), Q_ {max} ( t )) a through the gate upstream of the section of the canal, where:

33

Es decir, el rango total de la descarga de operación (Q_{min}(t), Q_{max}(t)) a través de la compuerta aguas arriba se subdivide en n sub-rangos de variaciones \DeltaQ_{i}(t) más pequeños 100 para cada uno de los cuales se sintoniza un controlador de orden fraccional (DI^{\lambda}_{i}, i = 1,2,..., n) sobre la base de las variaciones reales que experimentan los parámetros dinámicos del tramo del canal 101 1000 cuando la descarga actual (Q_{i}(t)) a través de la compuerta aguas arriba se encuentra en el subrango de variación \DeltaQ_{i}(t), donde:That is, the total range of the operation discharge ( Q_ {min} ( t ), Q_ {max} ( t )) through the upstream gate is subdivided into n sub-ranges of variations \ Delta Q_ {i} ( t ) smaller 100 for each of which a fractional order controller ( DI ^ {\ lambda} {i} , i = 1,2, ..., n ) is tuned on the basis of the actual variations experienced by the dynamic parameters of the channel section 101 1000 when the current discharge ( Q_ {i} ( t )) through the upstream gate is in the variation sub-range \ Delta Q_ {i} ( t ), where:

102102

El hecho de disponer de un controlador con ganancia programada (FDIGP) conformado por n controladores de orden fraccional (DI^{\lambda}_{i}, i = 1,2,...,n) y de sintonizar los parámetros de cada uno de estos controladores sobre la base de un determinado sub-rango de variación de los parámetros dinámicos del tramo del canal, posibilita aumentar la robustez y efectividad del sistema de control al variar la descarga en todo el rango de operación, así como elevar la seguridad en el funcionamiento del sistema de control.The fact of having a controller with programmed gain ( FDIGP ) made up of n controllers of fractional order ( DI ^ {\ lambda} {i} , i = 1,2, ..., n ) and tuning the parameters of Each of these controllers, based on a certain sub-range of variation of the dynamic parameters of the section of the channel, makes it possible to increase the robustness and effectiveness of the control system by varying the discharge throughout the entire operating range, as well as raising the safety in the operation of the control system.

La descarga actual a través de la compuerta aguas arriba del tramo del canal se determina mediante la expresión:The current download through the gate upstream of the section of the canal is determined by the expression:

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donde:where:

C_{d} - coeficiente de descarga de la compuerta; C d - gate discharge coefficient;

L - ancho de la compuerta; L - gate width;

a(t) - magnitud de apertura de la compuerta; a ( t ) - magnitude of gate opening;

H_{aar}(t) - nivel del agua aguas arriba; H_ {aar} ( t ) - upstream water level;

H_{aabc}(t) - nivel del agua aguas abajo al comienzo del tramo; H_ {aabc} ( t ) - water level downstream at the beginning of the section;

g - aceleración de la fuerza de gravedad. g - acceleration of the force of gravity.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    

El algoritmo de control de cada uno de los controladores de orden fraccional (DI^{\lambda}_{i}) en el dominio del tiempo se representa mediante la ecuación:The control algorithm of each of the fractional order controllers ( DI <\ lambda} i ) in the time domain is represented by the equation:

55

donde:where:

u_{FDI \ i}(t) - señal de control; u FDI \ i ( t ) - control signal;

D^{r} - operador integro-diferencial de orden no entero r; D r - integer-differential operator of non-integer order r ;

\lambda_{i} - número real arbitrario (0 \leq \lambda_{i} \leq 1);\ lambda_ {i} - arbitrary real number (0 \ leq \ lambda_ {i} \ leq 1);

K_{P \ i} - coeficiente de proporcionalidad; K P \ i - coefficient of proportionality;

T_{d \ i} - constante de tiempo; T d \ i - time constant;

e(t) - señal de error entre la variable controlada (nivel del agua aguas abajo) y la señal de referencia. e ( t ) - error signal between the controlled variable (downstream water level) and the reference signal.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    

La ecuación 4 en el dominio de la frecuencia se representa mediante la siguiente función de transferencia:Equation 4 in the frequency domain is Represented by the following transfer function:

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Las magnitudes de los niveles del agua aguas abajo al comienzo y final del tramo (H_{aab}(t)) y aguas arriba (H_{aar}(t)), así como la magnitud de apertura de la compuerta aguas arriba (a(t)) son captadas por los respectivos sensores de niveles del agua (SN) y por el sensor de posición de compuerta (SPC) y transmitidas al convertidor analógico/digital (A/D), el cual las convierte en señales discreta (H_{aar}(kT), H_{aabc}(kT), H_{aabf}(kT), a(kT)) para su procesamiento por el controlador de orden fraccional con ganancia programada (FDIGP). El valor de la señal de referencia del nivel del agua aguas abajo al final del tramo del canal (H_{r, \ aabf}(kT)) se encuentra registrado y almacenado en la memoria del controlador (FDIGP) y puede ser variado por los operadores en correspondencia con el régimen de explotación del canal.The magnitudes of the water levels downstream at the beginning and end of the section ( H_ {aab} ( t )) and upstream ( H_ {aar} ( t )), as well as the magnitude of opening of the upstream gate ( a ( t )) are captured by the respective water level sensors (SN) and by the gate position sensor (SPC) and transmitted to the analog / digital converter (A / D), which converts them into discrete signals ( H_ {aar} ( kT ), H_ {aabc} ( kT ), H_ {aabf} ( kT ), a ( kT )) for processing by the fractional order controller with programmed gain ( FDIGP ). The value of the downstream water level reference signal at the end of the channel section ( H_ {r, \ aabf} ( kT )) is registered and stored in the controller memory ( FDIGP ) and can be varied by operators corresponding to the operating regime of the channel.

La señal de error se determina mediante la expresión:The error signal is determined by the expression:

77

Las señales H_{aar}(kT), H_{aabc}(kT) y a(kT) son procesadas por el bloque de cálculo de la descarga del controlador (FDIGP), el cual mediante la ecuación 3 calcula la descarga actual (Q_{j}(t)) a través de la compuerta aguas arriba del tramo del canal y determina a cuál de los sub-rangos de variaciones (\DeltaQ_{i}(t)) pertenece dicha descarga. En correspondencia con el valor obtenido del sub-rango de variación (\DeltaQ_{i}(t)) al que pertenece la descarga actual (Q_{j}(t)) a través de la compuerta aguas arriba del tramo, el bloque de cálculo de la descarga cierra el contacto del controlador DI^{\lambda}_{i}, sintonizado para dicho sub-rango (ver Figura 2). De esta forma, el controlador DI^{\lambda}_{i} conectado procesa la señal de error e(kT) y genera la señal de control (u_{FDI \ i}(kT)), en correspondencia con la magnitud y signo de la señal de error (e(kT)).The signals H_ {aar} ( kT ), H_ {aabc} ( kT ) and a ( kT ) are processed by the controller download calculation block ( FDIGP ), which by equation 3 calculates the current discharge ( Q_ {j} ( t )) through the gate upstream of the section of the channel and determines to which of the sub-ranges of variations ( ΔQ_ {i} ( t )) does said discharge belong. Corresponding to the value obtained from the variation sub-range (\ Delta Q_ {i} ( t )) to which the current discharge ( Q_ {j} ( t )) belongs through the gate upstream of the section, the block Calculation of the discharge closes the contact of the controller DI ^ {i} , tuned for said sub-range (see Figure 2). In this way, the connected DI ^ {\ lambda} i processor processes the error signal e ( kT ) and generates the control signal ( u FDI \ i ( kT )), corresponding to the magnitude and sign of the error signal ( e ( kT )).

La generación de la señal de control se realiza a través de un algoritmo de control FDI discreto, el cual presenta la forma:The control signal is generated through a discrete FDI control algorithm, which has the form:

88

donde:where:

80 - equivalente discreto del operador integro-diferencial de orden no entero r,
0 < r < 1, que se determina mediante la siguiente fórmula general:
80 - discrete equivalent of the integer-differential operator of order not integer r ,
0 < r <1, which is determined by the following general formula:

99

T - periodo de muestreo. T - sampling period.

La ecuación 8 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 ecuación 8 se expresa como:Equation 8 represents a function of Rational transfer of discrete time of infinite order. A approach as a finite order rational function is obtained applying the continuous fraction expansion method (CFE). Using this method, equation 8 is expressed as:

1010

donde:where:

CFE{U}- denota la expansión de fracciones continuas de U; CFE { U } - denotes the expansion of continuous fractions of U ;

P(z^{-1}), Q(z^{-1}) - polinomios de grado p,q respectivamente. P ( z -1), Q ( z -1) - polynomials of degree p , q respectively.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    

La señal de control discreta (u_{FDI \ i}(kT)) de salida del controlador (FDIGP) se convierte en una señal de control continua (u_{FDI \ i}(t)) mediante el convertidor digital/analógico (D/A), que representa a un dispositivo de muestreo y retención de datos.The discrete control signal ( u FDI \ i ( kT )) of the controller output ( FDIGP ) is converted into a continuous control signal ( u FDI \ i ( t )) by the digital / analog converter (D / A), which represents a sampling and data retention device.

La señal de control continua (u_{FDI \ i}(t)) actúa sobre el motor que mueve la compuerta aguas arriba 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 varía la descarga actual a través de la compuerta aguas arriba del tramo del canal, hasta que la señal de error e(kT) se iguale a cero.The continuous control signal ( u FDI \ i ( t )) acts on the motor that moves the gate upstream of the section, causing a displacement of said gate in correspondence with the magnitude and sign of the error signal ( e ( kT )). In this way the current discharge is varied through the gate upstream of the channel section, until the error signal e ( kT ) is equal to zero.

De la ecuación 7 se observa que los controladores DI^{\lambda}_{i} tienen 3 parámetros de sintonía K_{P \ i}, K_{I \ i} y \lambda_{i}, lo que posibilita obtener una sintonía más efectiva que en los controladores DI estándares (solo cuentan con dos parámetros de sintonía). El hecho que el parámetro \lambda_{i} sea no entero, ofrece una mayor flexibilidad, así como posibilidades de obtener una mejor sintonía del controlador frente a las variaciones de los parámetros dinámicos del tramo del canal.From equation 7, it is observed that the DI <\ lambda} i controllers have 3 tuning parameters K P \ i, K I \ i and \ lambda_ {i}, which makes it possible to obtain a more effective tuning than in standard DI controllers (they only have two tuning parameters). The fact that the parameter \ lambda_ {i} is not integer, offers greater flexibility, as well as possibilities to obtain a better tuning of the controller in front of the variations of the dynamic parameters of the section of the channel.

Bajo las condiciones de variaciones en un amplio rango de los parámetros (ganancia, constantes de tiempo y retardo de tiempo) que caracterizan el comportamiento dinámico del tramo del canal el sistema no necesita reajustar en línea los parámetros del controlador, ya que cuenta con n controladores de orden fraccional DI^{\lambda}_{i} sintonizados para diferentes sub-rangos de variación (\DeltaQ_{i}(t)) de la descarga de operación (Q_{min}(t), Q_{max}(t)). Esto posibilita aumentar la robustez y efectividad en el control de los niveles del agua, así como elevar la operatividad sobre el tramo y como consecuencia reducir las pérdidas de agua por concepto de explotación.Under the conditions of variations in a wide range of parameters (gain, time constants and time delay) that characterize the dynamic behavior of the section of the channel, the system does not need to readjust the controller parameters online, since it has n controllers of fractional order DI ^ \ lambda tuned for different sub-ranges of variation (? Q_ {i} ( t )) of the operation discharge ( Q_ {min} ( t ), Q_ {max} ( t )). This makes it possible to increase the robustness and effectiveness in the control of the water levels, as well as to increase the operability on the section and as a consequence reduce the water losses due to exploitation.

El hecho de que cada uno de los controladores DI^{\lambda}_{i} se encuentre sintonizado para un rango de variación más pequeño de los parámetros que caracterizan el comportamiento dinámico del tramo del canal disminuye el esfuerzo en el control de dichos controladores, lo que posibilita aumentar la seguridad en el funcionamiento del sistema de control.The fact that each of the DI ^ {\ lambda} i controllers is tuned for a smaller variation range of the parameters that characterize the dynamic behavior of the channel section decreases the effort in controlling said controllers. , which makes it possible to increase the safety in the operation of the control system.

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 control de los niveles del agua en el tramo del canal, ajustar los parámetros de los controladores DI^{\lambda}_{i}, comunicarse con el programa principal de control, accionar de forma manual sobre el motor de la compuerta aguas arriba del tramo del canal, introducir nuevos datos y/o variar los datos existentes (por ejemplo el valor de la referencia H_{r, \ aabc}(kT), así como conocer posibles fallos en el sistema.The proposed system has a graphical environment that can be managed by users, which allows observing from the computer the control of water levels in the section of the channel, adjusting the parameters of the DI ^ {\ lambda} controllers i , communicate with the main control program, manually operate on the gate motor upstream of the channel section, enter new data and / or vary existing data (for example the value of the reference H_ { r, \ aabc} ( kT ), as well as knowing possible failures in the system.

Los datos de entrada (e(kT), H_{r, \ aabc}(kT), H_{aabc}(kT), H_{aabf}(kT), H_{aar}(kT), a(kT) y Q_{j}(kT)) y de salida (u_{FDI \ i}(kT)) del sistema de control, así como el sub-rango de variación (\DeltaQ_{i}(t) de la descarga actual (Q_{j}(t)) 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.The input data ( e ( kT ), H_ {r, \ aabc} ( kT ), H_ {aabc} ( kT ), H_ {aabf} ( kT ), H_ {aar} ( kT ), a ( kT ) and Q_ {j} ( kT )) and output ( u FDI \ i} ( kT )) of the control system, as well as the sub-range of variation (\ Delta Q_ {i} ( t ) of the current discharge ( Q_ {j} ( t )) are recorded and stored in files on the computer and can be reproduced by users through the computer application responsible for performing the data processing procedure.The output of this data is done through the USB port of the computer in digital format.

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 cuatro módulos íntimamente relacionados: el primer modulo lo constituye un entorno gráfico, que es manejado por los usuarios para gestionar el proceso de control de orden fraccional con ganancia programada de los niveles del agua en un tramo de un canal principal 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. El cuarto módulo desarrolla la supervisión del sistema de control, ofreciendo las siguientes facilidades: generación de alarmas frente a daños (posibles o verificados) en el sistema y sugiriendo las acciones correspondientes, detección de posibles fallos en los diferentes dispositivos que integran el sistema de control (ordenador, sensores, motor, compuerta, etc.), determinación del estado operativo del software, etc.The proposed system has software that is part of this invention and that constitutes a part indissoluble of it. This software is made up of four intimately related modules: the first module It constitutes a graphical environment, which is managed by users to manage the fractional order control process with profit programmed water levels in a section of a main channel of irrigation. The second module develops the treatment tasks of data and control This module runs on the computer itself and is It relates to the graphic environment to interpret your orders. He third module deals with communication between the graphic environment and the data processing and control module. The fourth module develops control system supervision, offering following facilities: alarm generation against damage (possible or verified) in the system and suggesting the actions corresponding, detection of possible failures in the different devices that integrate the control system (computer, sensors, motor, gate, etc.), status determination software operation, etc.

De todo lo descrito y mediante la observación de las figuras 1 y 2, se desprenden las ventajas que presenta el sistema de control de orden fraccional con ganancia programada que se propone, respecto a otras realizaciones precedentes.Of everything described and by observing Figures 1 and 2, the advantages presented by the Fractional order control system with programmed gain that it is proposed, with respect to other preceding embodiments.

Lo nuevo en el sistema que se propone lo constituye la inclusión de un controlador de orden fraccional con ganancia programada, en el cual se encuentran integrados n controladores de orden fraccional DI^{\lambda}_{i} sintonizados para diferentes sub-rangos de variación (\DeltaQ_{i}(t)) de la descarga de operación (Q_{min}(t), Q_{max}(t)) a través de la compuerta aguas arriba del tramo del canal, lo que implica un aumento significativo en la robustez y efectividad en el control, así como en la operatividad sobre el tramo del canal y como consecuencia una reducción en las pérdidas actuales de agua y un aumento en la seguridad de funcionamiento del sistema de control; la incorporación al controlador de un bloque de cálculo de la descarga actual (Q_{j}(t)) a través de la compuerta aguas arriba del tramo del canal, lo que posibilita conectar el controlador DI^{\lambda}_{i} sintonizado para el sub-rango de variación (\DeltaQ_{i}(t)) al que pertenece dicha descarga.What is new in the proposed system is the inclusion of a fractional order controller with programmed gain, in which n fractional order controllers DI ^ {\ lambda} i tuned for different sub-ranges of variation ( ΔQ_ {i} ( t )) of the operation discharge ( Q_ {min} ( t ), Q_ {max} ( t )) through the gate upstream of the channel section, which implies a significant increase in robustness and effectiveness in the control, as well as in the operation on the section of the canal and as a consequence a reduction in the current losses of water and an increase in the safety of the control system; the incorporation into the controller of a block of calculation of the current discharge ( Q_ {j} ( t )) through the gate upstream of the section of the channel, which makes it possible to connect the controller DI ^ {\ lambda} _ {i} tuned for the variation sub-range (Δ Q_ {i} ( t )) to which said download belongs.

Claims (4)

1. Sistema de control de orden fraccional con ganancia programada de niveles de agua en canales principales de riego que comprende, al menos:1. Fractional order control system with programmed gain of water levels in main channels of irrigation comprising at least: (a) una pluralidad de compuertas al comienzo (2) y final (3) del tramo del canal (1), un sensor de niveles del agua aguas abajo (5) situado al final del tramo del canal (1), un convertidor analógico/digital (8), un convertidor digital/analógico (10) y un motor (11) que mueve la compuerta de comienzo (2) del tramo del canal (1);(a) a plurality of gates at the beginning (2) and end (3) of the section of the channel (1), a water level sensor downstream (5) located at the end of the section of the canal (1), a analog / digital converter (8), a digital / analog converter (10) and an engine (11) that moves the start gate (2) of the channel section (1); caracterizado porque además comprende characterized in that it also includes (b) un sensor de niveles del agua aguas arriba (6) situado al final del tramo precedente, un sensor de niveles del agua aguas abajo situado al comienzo del tramo (4), un sensor de posición de compuerta (7) situado en la compuerta aguas arriba del tramo y un controlador de orden fraccional con ganancia programada (9) que genera las señales de error e(kT) y de control u_{FDI \ i}(kT); y donde, además,(b) an upstream water level sensor (6) located at the end of the preceding section, a downstream water level sensor located at the beginning of the section (4), a gate position sensor (7) located in the gate upstream of the section and a fractional order controller with programmed gain (9) that generates the error signals e ( kT ) and control signals u FDI \ i ( kT ); and where, in addition, las señales de salida (H_{aabc}(t), H_{aabf}(t), H_{aar}(t)) de los sensores de niveles del agua (4,5,6) y la señal de salida del sensor de posición de compuerta (7) (a(t)) mediante el convertidor analógico/digital A/D (8) se convierten en señales discretas (H_{aabc}(kT), H_{aabf}(kT), H_{aar}(kT), a(kT)); y donde el controlador de orden fraccional con ganancia programada (9) posibilita el control efectivo de los niveles del agua en el tramo del canal (1), generando las señales de error e(kT) y de control u_{FDI \ i}(kT) en correspondencia con un algoritmo de control de orden fraccional tipo FDI discreto;the output signals ( H_ {aabc} ( t ), H_ {aabf} ( t ), H_ {aar} ( t )) of the water level sensors (4,5,6) and the sensor output signal of gate position (7) ( a ( t )) by means of the analog / digital converter A / D (8) are converted into discrete signals ( H_ {aabc} ( kT ), H_ {aabf} ( kT ), H_ {aar } ( kT ), a ( kT )); and where the fractional order controller with programmed gain (9) enables the effective control of the water levels in the section of the channel (1), generating the error signals e ( kT ) and control signals u FDI \ i} ( kT ) in correspondence with a discrete FDI type fractional order control algorithm; y donde la señal de control discreta u_{FDI \ i}(kT) se convierte en señal continua u_{FDI \ i}(t) mediante el convertidor digital/analógico D/A (10), el cual representa a un dispositivo de muestreo y retención de datos; y donde la señal de control continua u_{FDI \ i}(t) actúa sobre el motor (11) de la compuerta (2) aguas arriba del tramo, originando desplazamientos de dicha compuerta en correspondencia con la magnitud y signo de la señal de error e(kT).and where the discrete control signal u FDI \ i ( kT ) is converted into a continuous signal u FDI \ i ( t ) by the digital / analog converter D / A (10), which represents a sampling device and data retention; and where the continuous control signal u FDI \ i ( t ) acts on the motor (11) of the gate (2) upstream of the section, causing displacements of said gate corresponding to the magnitude and sign of the signal of error e ( kT ).
         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
2. Sistema de control según reivindicación 1 donde los desplazamientos de la compuerta (2) originan variaciones en la descarga de entrada al tramo, las cuales se mantienen mientras la señal de error e(kT) no se iguale a cero.2. Control system according to claim 1 wherein the displacements of the gate (2) cause variations in the discharge of input to the section, which are maintained as long as the error signal e ( kT ) does not equal zero. 3. Sistema de control según reivindicaciones 1 y 2 donde dicho controlador de orden fraccional con ganancia programada (9) está conformado por n controladores fraccionales tipo FDI discreto (DI^{\lambda}_{i}), los cuales se encuentran sintonizados para diferentes sub-rangos de variación de la descarga de operación a través de la compuerta aguas arriba del tramo.3. Control system according to claims 1 and 2 wherein said fractional order controller with programmed gain (9) is comprised of n discrete FDI type fractional controllers ( DI \ lambda ), which are tuned to different sub-ranges of variation of the operation discharge through the gate upstream of the section. 4. Sistema de control, según reivindicaciones anteriores donde el controlador de orden fraccional con ganancia programada (9) comprende un bloque de cálculo de la descarga actual (12) a través de la compuerta aguas arriba (2) del tramo, lo que posibilita conectar el controlador DI^{\lambda}_{i} sintonizado para el sub-rango de variación de la descarga de operación al que pertenece la descarga actual.4. Control system according to previous claims wherein the fractional order controller with programmed gain (9) comprises a block for calculating the current discharge (12) through the upstream gate (2) of the section, which makes it possible to connect the DI <i> \ lambda} tuned controller for the sub-range of variation of the operation discharge to which the current discharge belongs.
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