Аннотация

Цель: проведение анализа состояния современных систем управления распределением воды в оросительных системах и обзор стратегий управления водораспределением в магистральных каналах оросительных систем. 

Обсуждение. Растущее водопотребление и климатические изменения являются основными источниками проблемы нехватки водных ресурсов во всем мире. При увеличении нагрузки на системы транспортировки воды на поля орошения актуальными становятся вопросы исследования современных методов и средств повышения качества управления водораспределением в каналах оросительных систем. В процессе исследований рассмотрены условия управления водораспределением в Донском магистральном канале Ростовской области и выполнен анализ основных применяющихся в настоящее время стратегий управления водораспределением и возможности их реализации в различных условиях, при этом сделан акцент на не решенные в настоящее время проблемы. В результате исследований обоснована необходимость активизации процесса перехода на стратегии автоматизированного управления водораспределением на оросительных системах с использованием математических моделей и современных средств, в т. ч. на адаптивное управление с использованием контроллеров дробного порядка. 

Выводы. В области управления водораспределением в магистральных каналах оросительных систем до сих пор остается ряд проблем как теоретического, так и практического характера, для решения которых необходим системный подход с использованием как традиционных методов, основанных на решении дифференциальных уравнений, теории управления, так и нейронных сетей и облачных вычислений. 

doi: 10.31774/2222-1816-2021-11-2-1-23

Для цитирования

Ткачев А. А., Ольгаренко И. В. Современные проблемы в управлении водораспределением в магистральных каналах оросительных систем // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. 2021. Т. 11, № 2. С. 1–23. URL: http:www.rosniipm-sm.ru/article?n=1192 (дата обращения: 19.05.2021). DOI: 10.31774/2222-1816-2021-11-2-1-23.

Список литературы

1. Данилов-Данильян В. И., Хранович И. Л. Управление водными ресурсами. Согласование стратегий водопользования / Рос. акад. наук, Ин-т вод. проблем. М.: Науч. мир, 2010. 229 с.

2. Improving water resources management using different irrigation strategies and water qualities: field and modelling study / M. Afzal, A. Battilani, D. Solimando, R. Ragab // Agricultural Water Management. 2016. Vol. 1. P. 40–54. https:doi.org/10.1016/j.agwat.2016.05.005.

3. Дубенок Н. Н., Майер А. В. Разработка систем комбинированного орошения для полива сельскохозяйственных культур // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2018. № 1(49). С. 9–19.

4. Волков Л. Н. Значение воды в решении мировой продовольственной проблемы (Швеция) // Экономика сельского хозяйства. Реферативный журнал. 2009. № 4. С. 772.

5. The World’s Water. Vol. 7. The Biennial Report on Freshwater Resources / P. H. Gleick, L. Allen, J. Christian-Smith, M. J. Cohen, H. Cooley, M. Heberger, J. Morrison, M. Palaniappan, P. Schulte. Washington DC: Island Press, 2011. 422 p.

6. Коваленко П. И. Автоматизация мелиоративных систем. М.: Колос, 1983. 304 с.

7. Айдаров И. П. Проблемы мелиорации земель и водопользования // Природообустройство. 2008. № 2. С. 5–19.

8. Косиченко Ю. М. Исследования фильтрационных потерь из каналов оросительных систем // Мелиорация и водное хозяйство. 2006. № 6. С. 24–25.

9. Litrico X., Fromion V. Modeling and control of hydrosystems [Electronic resource]. London: Springer-Verlag, 2009. 336 p. URL: https:link.springer.com/book/10.1007/978-1-84882-624-3 (date of access: 07.02.2021).

10. Щедрин В. Н., Балакай Г. Т., Васильев С. М. Концептуальное обоснование разработки стратегии научно-технического обеспечения развития мелиорации земель в России // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. 2016. № 4(24). С. 1–21. URL: http:www.rosniipm-sm.ru/article?n=1110 (дата обращения: 07.02.2021).

11. Ткачев А. А. Расчет переходных процессов в бьефах магистрального канала при различных схемах регулирования для способа активного управления водораспределением // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2011. № 3(161). С. 86–90.

12. Ольгаренко И. В. Оценка качества планирования и реализации водопользования на оросительных системах // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2009. № 4. С. 35–37.

13. Ткачев А. А. Совершенствование процессов управления водораспределением на оросительной сети // Приволжский научный журнал. 2011. № 4(20). С. 187–191.

14. Моделирование динамического управления водораспределением на каналах открытой оросительной сети / В. Н. Щедрин, А. А. Чураев, В. М. Школьная, Л. В. Юченко // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. 2015. № 4(20). С. 1–20. URL: http:www.rosniipm-sm.ru/article?n=819 (дата обращения: 07.02.2021).

15. Ольгаренко В. И., Ольгаренко Г. В., Ольгаренко И. В. Оптимизация процессов водопользования на основе методологии ландшафтно-экологического подхода. Новочеркасск: Лик, 2019. 623 с.

16. Developing a centralized automatic control system to increase flexibility of water delivery within predictable and unpredictable irrigation water demands / S. M. Hashemy Shahdany, S. Taghvaeian, J. M. Maestre, A. R. Firoozfar // Computers and Electronics in Agriculture. 2019. Vol. 163. 104862. https:doi.org/10.1016/j.compag.2019.104862.

17. García Villanueva N. H. Operación de canales: conceptos generals [Electronic resource] / Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. México, 2015. 313 p. URL: https:www.imta.gob.mx/biblioteca/libros_html/riego-drenaje/operacion-canales.pdf (date of access: 07.02.2021).

18. Automatic tuning of PI controllers for an irrigation canal pool / X. Litrico, P. O. Malaterre, J. P. Baume, P. Y. Vion, J. Ribot Bruno // Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 2007. Vol. 133(1). P. 27–37.

19. Ogata K. Modern Control Engineering. 5th ed. New Jersey: Pearson Education, 2010. 912 p.

20. Chow V. T. Open-Channel Hydraulics. New Jersey: The Blackburn Press, 2015. 700 p.

21. On modeling and constrained model predictive control of open irrigation canals / L. Cen, Z. Wu, X. Chen, Y. Zou, S. Zhang // Journal of Control Science and Engineering. 2017. Article ID: 6257074. https:doi.org/10.1155/2017/6257074.

22. On the modelling and control of a laboratory prototype of a hydraulic canal based on a TITO fractional-order model / A. San-Millan, D. Feliu-Talegón, V. Feliu-Batlle, R. Rivas-Perez // Entropy. 2017. Vol. 19. P. 401. https:doi.org/10.3390/e19080401.

23. Иваненко Ю. Г., Ткачев А. А. Теоретические и прикладные проблемы гидравлики рек и каналов. Новочеркасск, 2007. 249 с.

24. Tangirala A. K. Principles of system identification: Theory and practice. NY, USA: CRC Press, 2015. 908 p.

25. Гроп Д. Методы идентификации систем / пер. с англ. В. А. Васильева, В. И. Лопатина; под ред. Е. И. Кринецкого. М.: Мир, 1979. 302 с.

26. Van Overloop P. Model predictive control on open water systems. The Netherlands: IOS Press Inc, 2006. 182 p.

27. Clemmens A. Canal automation // Resource Magazine. 2006. Vol. 13(1). P. 7–8.

28. Rogers D., Goussard J. Canal control algorithms currently in use // Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 1998. Vol. 124(1). P. 11–25. https:doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9437(1998)124:1(11).

29. Integrator delay zero model for design of upstream water-level controllers / A. J. Clemmens, X. Tian, P. J. van Overloop, X. Litrico // Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 2017. Vol. 143(3). 0000997. https:doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000997.

30. Visioli A. Practical PID Control. London: Springer-Verlag, 2006. 310 p. DOI: 10.1007/1-84628-586-0.

31. Vilanova R., Alfaro V. Control PID robusto: Una visión panorámica // Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial. 2011. № 8. P. 141–158. https:doi.org/10.1016/j.riai.2011.06.003.

32. Kao T. G., Nguen M., Rivas-Perez R. Adaptive control of a time-delay plant using a searchless model-reference self-tuning system // Automation and Remote Control. 1989. Vol. 49 (12, pt. 2). P. 1620–1627.

33. Ästrom K. J., Hang C. C., Lim B. C. A new Smith predictor for controlling a process with an integrator and long dead time // IEEE Transactions on Automatic Control. 1994. Vol. 39(2). P. 343–345.

34. Normey-Rico J. E., Camacho E. F. Dead-time compensators: A survey // Control Engineering Practice. 2008. Vol. 16. P. 407–428. https:doi.org/10.1016/j.conengprac.2007.05.006.

35. Normey-Rico J. E., Camacho E. F. Control of Dead-time Processes. Berlin: Springer, 2007. 462 p. DOI: 10.1007/978-1-84628-829-6.

36. Bolea Y., Puig V., Blesa J. Gain-scheduled Smith predictor PID-based LPV controller for open-flow canal control // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2014. Vol. 22(2). P. 468–477. DOI: 10.1109/TCST.2013.2257776.

37. Sanz R., García P., Albertos P. A generalized Smith predictor for unstable time-delay SISO systems // ISA Transactions. 2018. Vol. 72. P. 197–204. https:doi.org/10.1016/j.isatra.2017.09.020.

38. Montazar A., Van Overloop P., Brouver J. Centralized controller for the Narmada main canal // Irrigation and Drainage. 2005. Vol. 54(1). P. 79–89. https:doi.org/10.1002/ird.155.

39. Optimal Control / L. T. Aschepkov, D. V. Dolgy, T. Kim, R. P. Agarwal. Berlin: Springer, 2017. 209 p. DOI: 10.1007/978-3-319-49781-5.

40. Карамбиров С. Н., Трикозюк С. А. Многорежимная стохастическая оптимизация систем подачи и распределения воды // Природообустройство. 2008. № 5. С. 63–69.

41. Corriga G., Sanna S., Usai G. Sub-optimal constant-volume control for open channel networks // Applied Mathematical Modelling. 1983. № 7. P. 262–267. https:doi.org/10.1016/0307-904X(83)90079-3.

42. Фомин В. Н., Фрадков А. Л., Якубович В. А. Адаптивное управление динамическими объектами. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981. 448 с.

43. Astrom K. J., Wittenmark B. Adaptive Control. 2nd ed. NY, USA: Addison-Wesley, 1995. 573 p.

44. Cao T. G., Rivas-Perez R., Pichuguin E. D. Stability analysis of control system by variable width pulses of water levels in irrigation main canals // Problems of Rational Water Use in Land Reclamation Systems. 1983. P. 91–98.

45. Sawadogo S. R., Faye M., Mora-Camino F. Decentralized adaptive predictive control of multireach irrigation canal // International Journal of Systems Science. 2001. Vol. 32(10). P. 1287–1296. https:doi.org/10.1080/00207720110052049.

46. Bolea Y., Puig V. Gain-scheduling multivariable LPV control of an irrigation canal system // ISA Transactions. 2016. Vol. 63. P. 274–280. https:doi.org/10.1016/j.isatra.2016.03.009.

47. Xi Y., Li D. Predictive Control. Fundamentals and Developments. Singapore: John Wiley & Sons, 2019. 392 p.

48. Litrico X., Fromion V. H∞ control of an irrigation canal pool with a mixed control politics // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2006. Vol. 14(1). P. 99–111. DOI: 10.1109/TCST.2005.860526.

49. Fromion V., Baume J. P. Canal controller design. A multivariable approach using H∞ // The European Control Conference. Porto, Portugal, 2001. P. 3398–3403.

50. Liu K. Z., Ya Y. Robust Control. Theory and Applications. Singapore: John Wiley & Sons, 2019. 500 p.

51. Fractional-order Systems and Controls. Fundamentals and Applications / C. A. Monje, Y. Chen, B. M. Vinagre, D. Xue, V. Feliu-Batlle. London: Springer-Verlag, 2010. 415 p. DOI: 10.1007/978-1-84996-335-0.

52. Time domain tuning of a fractional order PIα controller combined with a Smith predictor for automation of water distribution in irrigation main channel pools / F. J. Castillo-Garcia, V. Feliu-Batlle, R. Rivas-Perez, L. Sanchez-Rodriguez // IFAC Proceedings Volumes. 2011. Vol. 44(1). P. 15049–15054. https:doi.org/10.3182/20110828-6-IT-1002.03138.

53. Optimizing regional irrigation water allocation for multi-stage pumping-water irrigation system based on multi-level optimization-coordination model / Y. Jiang, L. Xiong, F. Yao, Z. Xu // Journal of Hydrology. 2019. № 4. 100038. https:doi.org/10.1016/j.hydroa.2019.100038.

54. Towards a smart automated surface irrigation management in rice-growing areas in Italy / D. Masseroni, J. Uddin, R. Tyrrell, I. M. Y. Mareels, C. Gandolfi, A. Facchi // Journal of Agricultural Engineering. 2017. Vol. 47(585). P. 42–48. https:doi.org/10.4081/jae.2017.585.