Multi-layer model predictive control of complex water systems

Abstract

This thesis is devoted to design a multi-layer MPC controller applied to the complex water network taking into account that the different layers with different time scales and control objectives have their own controller. A two-layer temporal hierarchy coordinating scheme has been applied to coordinate the MPC controllers for the supply and transportation layers. An integrated real-time simulation-optimization approach which contributes to consider the effect of more complex dynamics, better represented by the simulation model, has been developed for regional water networks. The use of the combined approach of optimization and simulation coordination between simulator and optimizer allows to test the proposed multi-layer MPC in a feedback scheme using a realistic simulator of the regional network. The second part of this thesis is focused on the design of a control scheme which uses the combination of linear MPC with a constraint satisfaction problem (CSP) to optimize the non-linear operational control of DWNs. The network aggregation method (NAM) is used to simplify a complex water network into an equivalent conceptual one for the bidirectional network before the use of CSP. The proposed approach is simulated using Epanet to represent the real DWN. Non-linear MPC is used for validation using a generic operational tool for controlling water networks named PLIO. A two-layer scheduling scheme for pump stations in a water distribution network has also been designed in the second part of this thesis. The tuning parameters of such algorithm are the lower layer control sampling period and the number of parallel pumps in the pump station.

Aquesta tesi està dedicada a dissenyar un controlador MPC multicapa que s'aplica a una complexa xarxa regional emprant com a principal idea el fet de què les diferents capes treballen amb diferents escales de temps i objectius de control s'aconseguiran amb el seu propi controlador. Un esquema jeràrquic de coordinació temporal de dues capes s'ha aplicat per a coordinar als controladors MPC per a les xarxes de captació i transport. Un enfocament integrat de simulació-optimizació que contribueix a asegurar que l'efecte de les dinàmiques complexes, millor representades pel model de simulació s'hagin tingut en compte, s'ha propostat per la gestió operacional temps real de les xarxes regionals. La segona part d'aquesta tesi es centra en el disseny d'un esquema de control que utilitza la combinació del control MPC lineal amb una problema de satisfacció de restriccions (CSP) per optimitzar el control operacional no-lineal de les xarxes d'aigua potable. El mètode d'agregació de xarxes (NAM) s'utilitza per simplificar una xarxa d'aigua complexa en una xarxa conceptual bidireccional equivalent abans d'utilitzar el CSP. L'enfocament proposat es simula utilitzant Epanet per representar el comportament hidràulic de la xarxa d'aigua potable. Finalment, el MPC no lineal s'utilitza per a la validació fent ús de l'eina PLIO per a la seva implementació. I també, un esquema de planificació de dues capes per a estacions de bombament en una aigua xarxa de distribució ha estat proposat en la segona part d'aquesta tesi. Els paràmetres d'ajust d'aquest algorisme són el período de mostreig de control de la capa inferior i el número de bombes en paral·lel en la estació de bombament.