Sistema de control de orden fraccional con ganancia programada de niveles de agua en canales principales de riego que comprende,

al menos:(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); y(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 genere las señales de error e(kT) y de control uFDli(kT)

Sistema de control de orden fraccional con ganancia programada de niveles de agua en canales principales de riego.

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.

Antecedentes de la invención

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).

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).

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^λD^μ (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^λD^μ disponen de dos parámetros más de sintonía que los controladores PID (los coeficientes de orden fraccional λ y μ). Los coeficientes de orden fraccional (λ y μ) 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.

Descripción de la invención

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:

(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;

(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,

dicho controlador de orden fraccional con ganancia programada está conformado por n controladores fracciónales tipo FDI discreto (DI^λ}_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^λ_i sintonizado para el sub-rango de variación de la descarga de operación al que pertenece la descarga actual.

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.

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 dinámicas no modeladas, perturbaciones, ruidos de medida, 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

(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).

Breve descripción de las figuras

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:

Fig 1.- Representa esquemáticamente la configuración y los elementos del sistema de control objeto de la presente invención.

Fig 2.- Representa esquemáticamente la configuración del lazo de control cerrado de orden...

1. Sistema de control de orden fraccional con ganancia programada de niveles de agua en canales principales de riego que comprende, al menos:

(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);

caracterizado porque además comprende

(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,

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;

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).

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.

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^λ}_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.

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^λ_{i sintonizado para el sub-rango de variación de la descarga de operación al que pertenece la descarga actual.