بکارگیری معادلات فضای حالت در تعیین ابعاد دریچه‌ی تخلیه کننده سد دو مخزنی و هوشمند سازی آن

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 استاد، دانشگاه تبریز

2 استاد، دانشکده عمران، دانشگاه تبریز

3 دانشکده عمران، دانشگاه تبریز

چکیده

طراحی نامناسب ابعاد هندسی دریچه تخلیه کننده و بازشدگی ناگهانی آن، باعث ایجاد خسارات مالی و جانی در پائین دست سد و عدم استفاده‌ی بهینه از آب درون مخزن می‌شود. برای افزایش تراز آب بر روی توربین‌های مولد برق، کنترل سیلاب‌ها و افزایش کارایی سد، تعیین ابعاد هندسی دریچه‌ی تخلیه کننده و هوشمند سازی آن ضروری است. در این مقاله معادلات غیر خطی دبی عبور از دریچه‌ی‌ تخلیه‌ کننده سد دو مخزنی و ارتفاع آب درون مخازن به معادلات خطی فضای حالت تبدیل شد. براساس معادلات خطی فضای حالت، هیدروگراف سیل طرح ورود و خروج از مخازن سد رسم گردید. با تعیین مقادیر مناسب برای پارامترهای بازشدگی دریچه‌ها، تنظیم نقطه‌ی تعادل هیدروگراف دبی ورود و خروج از مخازن سد، ارتفاع آب، حجم آب ذخیره شده در مخازن، ابعاد دریچه‌ی تخلیه کننده‌ی هر مخزن تعیین شد. با تنظیم و تغییر پارامترهای باز شدگی R نه تنها می‌توان نقطه‌ی تعادل دبی ورود و خروج سیل را در همان مکان هندسی روش پالس قرار داد بلکه در گستره‌ی وسیعی از هیدروگراف ورودی قابل تعیین است که با هر شرایط محیطی و اقتصادی انطباق پذیر است. سیستم‌های هوشمند دریچه‌ی تخلیه کننده با استفاده از المانهای الکترونیکی، میکروپروسسور، فاصله سنج، سنسورهای فرستنده و گیرنده آلتراسونیک، پردازشگر، قطعات دیگر و نرم‌افزار‌های مناسب ، طراحی و ساخته شدند. دریچه‌ی هوشمند تخلیه کننده، مجهز به سیستم‌های هشدار دهنده است و بر اساس برنامه‌ی بهره بردار و نظر طراح، از راه دور و بوسیله امواج ماهواره‌ای باز و بست می‌شود. سیستم-های هوشمند دریچه‌، در آزمایشگاه و کانال‌های باز آزمایش شد که از دقت بالایی برخوردار است. با نصب سیستم‌های هوشمند دریچه‌، نیروی انسانی کاهش، سیلاب‌ها کنترل و کارایی سد افزایش می‌یابد. این روش ساده، قابل اعتماد و انطباق پذیر با شرایط محیط است و در عمل می‌تواند جایگزین مناسبی برای روش های کنترل دستی و غیر اتوماتیک باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Applying State Space Equations in the Designing of the outlet gate dam with two reservoirs and its smart

نویسندگان [English]

  • mohammad ali lotfollahi-yaghin 1
  • mohammad taghi aalami 2
  • Mohammad Rahim Afshani 3
1 Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran.
2 Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz,Tabriz, Iran.
3 Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz
چکیده [English]

Factors such as improper performance of gates, their failure, and inappropriate design of gate dimensions are likely to be followed by dangerous dam overtopping. In this article, the nonlinear equations expressing the flow rate through the dam bottom gate or intake as well as the water head inside the reservoir were converted into linear equations in the state space. Based on these linear equations, the inlet and outlet hydrographs of the dam were plotted and the equilibrium point of the diagrams duly determined. Upon adjusting the equilibrium point between the inlet and outlet hydrographs and the height (head) and volume of the reservoir water, the bottom gate or intake dimensions were calculated. The inflow and outflow flood hydrographs fully overlap in case the smart prediction and flood control system along with the pulse method is used for routing of the flood to the reservoir, such that the difference between the two is negligible. Therefore, the proposed smart system offers sufficient accuracy. Then, the digital controllers and other electronic devices were built using microcontrollers, sensors, ultrasonic distance meters, and radio wave transmitters and receivers. Different programming languages were employed in the design building of systems. The proposed flood prediction and control system is equipped with alarm systems to inform the operators in the case of emergencies. After their design and building, the systems were repeatedly used and tested in the laboratory and open channels. The results were favorable and of high accuracy. This is a simple, useful, and reliable method, and can be a suitable substitute for previous ones.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Outlet gate control
  • state-space equations
  • linearizing equations
  • Design flood hydrograph
  • smart gate

مراجع

[1] Zang, S.T., Liu, Y., Li, M.M. and Liang, B. (2016). Distributed hydrological models for addressing effects of spatial variability of roughness on overland flow. Water Science and Engineering, 9(3), 249-255.
[2] Dewals, B. J., Kantoush, S. A., Erpicum, S., Pirotton, M. & Schleiss, A.J. (2008). Experimental and numerical analysis of flow instabilities in rectangular shallow basins. Environmental Fluid Mechanics, 8(1), 31–54.
[3] Camnasio, E., Erpicum, S., Orsi, E., Pirotton, M., Schleiss, A. J. & Dewals, B. (2013). Coupling between flow and sediment deposition in rectangular shallow reservoirs. Journal of Hydraulic Research, 51(5), 535–547.
[4] Chen, J., Guo, S., Li, Y., Lui, P. and Zhou, Y. (2013). Joint operation and dynamic control of flood limiting water levels for cascade reservoirs. Water Resources Management, 27(3), 749-763.
[5] Marien, J.L. (1984). Controllability conditions for reservoir flood control systems with applications. Water Resour. Res., 20(11), 1477–1488.
[6] Wei, C.C. and Hsu, N.S. (2009). Optimal tree based release rules for real-time flood control operations on a multipurpose multi reservoir system. Journal of Hydrology, 365(3), 213–224.
[7] Widom, B. and Rowlinson, J. (1970). New model for the study of liquid-vapor phase transitions. J. Chem. Phys., 52(4), 1670–1684.
[8] Huschto, T., Feichtinger, G., Hart, R.F., Kort, P.M., Sager, S. and Seidl, S.S. (2011). Numerical solution of a conspicuous consumption model with constant control delay. Automatica, 47, 1868–1877.
[9] Kumar, D. N., Baliarsingh, F. and Raju, K.S. (2010). Optimal reservoir operation for flood control using folded dynamic programming. Water Resource Management, 24(6), 1045–1064.
[10] Lin, P.H., Wong, D.S.H., Jang, S.S., Shieh, S.S. and Chu, J.Z. (2004). Controller design and reduction of bullwhip for a model supply chain system using z-transform analysis. Journal of Process Control, 14, 487–499.
[11] Windsor, J.S. (1973). Optimization model for the operation of flood control systems. WaterResour. Res., 9(5), 1219–1226.
[12] Acanal, N. and Haktanir, T. (1999). Five stage flood routing for gated reservoirs by grouping floods into five different categories according to their return periods. Hydrological Sciences Journal, 44(2), 163–172.
[13] Lumbroso, D. and Gaume, E. (2012). Reducing the uncertainty in indirect estimates of extreme flash flood discharges. J. Hydrol., 414-415, 16-30.
[14] Medeiros, S.C., Hagen, S.C. and Weishampel, J.F. (2012). Comparison of flood-plain surface roughness parameters derived from land cover data and field measurements. J. Hydrol., 452-453(7), 139-149.
[15] Mohammadzadeh-Habili, J., Heidarpour, M., Mousavi, S. F. & Haghiabi, A.H. (2009). Derivation of reservoir’s area-capacity equations. ASCE, J. Hydrol. Eng., 14(9), 1017-1023.
[16] Baghlani, A. and Talebbeydokhti, N. (2013). Hydrodynamics of right-angled channel confluences by a 2D numerical model. Iranian Journal of Science & Technology Transactions of Civil Engineering., 37(2), 271-283.
[17] Bartosiewicz, Z., Kotta, U., Pawłuszewicz, E. and Wyrwas, M. (2011). Control systems on regular time scales and their differential rings. Math. Control Signals Syst., 22, 185–201.
[18] Mokos, A., Rogers, B.D. and Stansby, P.K. (2017). multi-phase particle shifting algorithm for SPH simulations of violent hydrodynamics with a large number of particles. Journal of Hydraulic Research, 55(2), 143-162.
[19] Chen, W., Anderson, B.D.O., Deistler, M. and Filler, A. (2012). Properties of blocked linear systems. Automatica., 48, 2520–2525.
[20] Dorf, R.C and Bishap, R.H. (2010). Introduction Solutions Manual for Modern Control Systems. Twelfth Edition. New York: Prentice Hall.
[21] Inoue, M., Wada, T., Ikeda, M. and Uezato, E. (2015). State-space H∞ controller design for descriptor systems. Automatica, 59, 164–170.
[22] Liu, X., Qu, H., Zhao, J. and Chen, B. (2017). State space maximum correntropyfilter. Signal Processing., 130, 152–158.
[23] Ogata, K. (2010). Modern Control Engineering. Fifth Edition. New Jersey: Prentice Hall.
[24] Tu, Y.Q. and Shen, Y.L. (2017). Phase correction autocorrelation-based frequency estimation method for sinusoidal signal. Signal Processing, 130, 183–189.
[25] Tsui, K.M. & Chan, S.C. (2011). A Versatile Iterative Framework for the Reconstruction of Band limited Signals from Their Non uniform Samples. J Sign Process Sys., 62, 459–468
[26] Carusone, T.C., John, D.A. and Martin, K.W. (2012). Analog Integrated Circuit Design. Second Edition. Hoboken: John Wiley and Sons, Inc.
[27] Ahmad Al_Issa, H., Thuneibat, S., Ijjeh, A.and Abdesalam, M. (2016). Sensors application using PIC16F877AMicrocontroller. American Journal of Remote Sensing, 4(3), 13-18.
[28] Alizadeh, A. (2011). Principles of Applied Hydrology. 32th Edition. Mashhad: Astan Quds Razavi Publications.
[29] Hosseini, S.M., Abrishami, J. (2010). Hydraulic of Open Channels. Twenty-Fourth Edition. Mashhad: Astan Quds Razavi.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 10 مهر 1396
  • تاریخ بازنگری: 27 آذر 1396
  • تاریخ پذیرش: 19 دی 1396

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار