Modeling and control in open-channel irrigation systems

Abstract

(English) This thesis is devoted to exploring existing research around modeling, control, and estimation strategies in OCIS, in order to identify improvement opportunities and propose new strategies that increase their efficiency. In modeling, it has been identified the need for control-oriented models that include: i) potential energy balances along the channels; ii) non-linearities of the hydraulic characteristics that describe the dynamics of the OCIS; and iii) usefulness to describe the dynamic behavior of interacting OCIS. In estimation, it has been identified the need for estimation strategies designed from accurate models that include potential energy balances and nonlinear descriptions of the OCIS. Finally, in control, it has been identified that the most common control objective in OCIS is to maintain a constant depth at the upstream or downstream end of the channels, and this control objective induces constant losses due to leaks and seepage. From the identified gaps, two control-oriented modeling strategies, which include information about potential energy balances along the channels, the non-linearities of the hydraulic characteristics that describe the OCIS dynamics, and are useful to describe the dynamic behavior of interacting OCIS, have been proposed and validated. Obtaining that by using approximated mass and potential energy balances (M&PEB) an accurate description of the OCIS dynamics can be reached. Then, the proposed control-oriented modeling strategy designed from approximated M&PEB is used in the development of deterministic and stochastic strategies for detection isolation and magnitude estimation of unknown flows such as leaks and seepage. In the control area, the development and implementation of conventional control strategies for OCIS have been explored, and a nonlinear control strategy for interacting channels is proposed. Finally, an efficient control approach for open channel irrigation systems has been proposed. This approach is a nonlinear model predictive control strategy that takes advantage of the M&PEB accuracy, and available information of the users' demands in the development of an optimization problem with a finite horizon, which is solved at each time instant with the objective to minimize losses caused by leaks and seepage at the same time that the users demands and operational and hydraulic restrictions of the OCIS are satisfied.

(Català) Aquesta tesi es dedica a explorar la investigació existent al voltant de les estratègies de modelatge, control i estimació a OCIS, per tal d'identificar oportunitats de millora i proposar noves estratègies que augmentin la seva eficiència. En el modelatge, s'ha identificat la necessitat de models orientats al control que incloguin: i) balanços d'energia potencial al llarg dels canals; ii) no linealitats de les característiques hidràuliques que descriuen la dinàmica de l'OCIS; i iii) utilitat per descriure el comportament dinàmic dels OCIS interactius. En estimació, s'ha identificat la necessitat d'estratègies d'estimació dissenyades a partir de models precisos que incloguin balanços d'energia potencial i descripcions no lineals de l'OCIS. Finalment, en el control, s'ha identificat que l'objectiu de control més comú a OCIS és mantenir una profunditat constant a l'extrem amunt o avall dels canals, i aquest objectiu de control indueix pèrdues constants per fuites i filtracions. A partir dels buits identificats, tenen dues estratègies de modelatge orientades al control, que inclouen informació sobre els balanços d'energia potencial al llarg dels canals, les no linealitats de les característiques hidràuliques que descriuen la dinàmica OCIS i que són útils per descriure el comportament dinàmic dels OCIS interactius. S'ha proposat i validat. Obtenint que mitjançant l'ús de balanços aproximats d'energia potencial i de massa (M & PEB) es pot arribar a una descripció precisa de la dinàmica OCIS. A continuació, l'estratègia de modelització orientada al control proposada dissenyada a partir de M & PEB aproximada s'utilitza en el desenvolupament d'estratègies deterministes i estocàstiques per a l'aïllament de la detecció i l'estimació de la magnitud de fluxos desconeguts com fuites i filtracions. A l'àrea de control, s'ha explorat el desenvolupament i la implementació d'estratègies de control convencionals per a OCIS i es proposa una estratègia de control no lineal per als canals interactius. Finalment, s’ha proposat un enfocament de control eficient per als sistemes de reg de canal obert. Aquest enfocament és una estratègia de control predictiu del model no lineal que aprofita la precisió de M & PEB i la informació disponible de les demandes dels usuaris en el desenvolupament d’un problema d'optimització amb un horitzó finit, que es resol cada instant amb l'objectiu de minimitzar les pèrdues. Causades per filtracions i filtracions al mateix temps que es demanden els usuaris i es compleixen les restriccions operatives i hidràuliques de l'OCIS.