Abstract

Optymalne ekonomicznie zaspokojenie w miastach bieżącego zapotrzebowania na wodę pitną tak, aby spełnione były wymagania jakości dostaw oraz jakości samej wody jest złożonym zadaniem. Zarówno aspekty aplikacyjne jak i teoretyczne tego problemu są przedmiotem intensywnych prac prowadzanych w sektorach naukowych i przemysłowych na całym świecie. Prace te finansowane są przez przemysł, komitety naukowe oraz Programy Ramowe Unii Europejskiej. Jest to problem interdyscyplinarny integrujący wiedzę z systemów środowiskowych, technologii informacyjnych oraz sterowania systemami. Stał on się szczególnie ważny teraz, ze względu na pesymistyczne prognozy odnoszące się do światowych zasobów wody i postępującą degradację jej jakości, będącą wynikiem, często mało przemyślanej, działalności człowieka. Dzisiaj już nie kwestionuje się stwierdzenia, że rozwiązanie tego problemu prowadzi przez zastosowanie zaawansowanych technologii systemów sterowania.Tematem pracy jest synteza struktury oraz algorytmów sterowania systemami zaopatrzenia w wodę pitną w miastach, gdzie problemy jakości wody mają pierwszoplanowe znaczenie. Rozważane są problemy zagadnienia sterowania hydrauliką i jakością wodyZe względu na interakcje pomiędzy hydrauliką i jakością wody, te dwa aspekty traktowane są łącznie i uzyskiwane sterowanie optymalizujące jest w tym sensie zintegrowane. Istnienie dwóch różnych skal czasu w dynamice obiektu (dynamika procesów jakości i hydrauliki wody) zostało efektywnie uwzględnione na drodze hierarchicznej strukturalizacji funkcjonalnej systemu sterowania wyróżniającej dwie warstwy: wolną (hydraulika i zgrubna jakość) i szybką (korekcja trajektorii jakości).Podstawową technologią sterowania jest optymalizujące sterowanie predykcyjne. Konieczność spełnienia ograniczeń na wyjścia i stan w warunkach niepewnych zapotrzebowań na wodę wymaga gwarancji dopuszczalności generowanych sterowań. Przedstawiony został nowy mechanizm krzepkiego, w sensie dopuszczalności, optymalizującego sterowania predykcyjnego z przedziałowym modelem niepewności.Złożoność dynamiki obiektu wymaga specjalnych modeli dla celów syntezy sterowania w dolnej, szybkiej warstwie. Dyskretyzowanie opóźnień transportowych wprowadza dodatkową niepewność w tych modelach. Niepewność ta jest zbyt duża, aby można było wykorzystać te modele dla celów krzepkiego sterowania. Uzależnienie parametrów tych modeli od punku pracy pozwala na zredukowanie niepewności i prowadzi do nowej kategorii modeli dla celów sterowania nazwanych modelami punktowo-parametrycznymi. Estymacja parametrów takich modeli była otwartym problemem. Przedstawione zostały metody budowy takich modeli typu wejście-wyjście oraz w przestrzeni stanu wraz z konstruktywnymi algorytmami estymacji ich parametrów.Układ sterowania predykcyjnego w warstwie górnej (wolnej) wymaga informacji o stanie obiektu. Przestawione zostały algorytmy gwarantowanej estymacji stanu dla tej warstwy.Realna implementacja systemu sterowania w dolnej warstwie wymaga decentralizacji procesu wyznaczania sterowań. Wskazane zostały dwie możliwości rozwiązania tego problemu i rozwinięta została jedna z nich, wykorzystująca wymianę informacji pomiędzy lokalnymi układami sterującymi.Opracowane struktury i algorytmy zostały zilustrowane wynikami symulacji ich pracy na przykładowych obiektach.Meeting a drinking water demand in cities in an economically optimal way is a very complex problem, especially when to take into consideration both water quality and hydraulic parameters. Theoretical as well application aspects of this problem are under current intensive research, carried out in scientific and industrial sectors around the world. Such researches are financed and/or supported by industry, national scientific committees and EU Framework Programs. It is interdisciplinary problem that integrates knowledge from areas of environmental systems, information technology and control systems. It has become very important because of pessimistic prognoses regarding the worldwide resources of drinking water and progressive degradation of its quality, being the result of human activity, very often short-sighted and not reasonable. It is now no questions about the fact that advanced control systems technologies are the key way of struggling with this problem.Subject of this work is synthesis of structure and algorithms of control of drinking water supply and distribution systems in cities, where water quality issue is crucial. Control of water hydraulic and quality is considered.Because of existing interactions between water hydraulic and quality, these two aspects are considered jointly and resulting optimised control is integrated, in such a sense. Besides of this, existing of two different time scales describing the inert plant dynamics (dynamics of water quality and hydraulic processes) was effectively handled by functional hierarchical structuring of the control system. Control structure consists of two layers: slow - upper (hydraulics and quality-roughly control) and fast - lower (quality control corrections).The core control technology is optimising predictive control. Necessity of meeting the output and state constraints under uncertainty of water demand, requires having a guaranty of control trajectory feasibilities. A brand new mechanism of robust, in a sense of output feasibility of optimising predictive control with bounded model of uncertainty has been presented.Complexity of the plant dynamics requires especially dedicated models for control synthesis at lower (fast) control layer. Discretization of transporting delays introduces additional uncertainty to the models. This uncertainty is to large, and because of that it is not possible to utilise such models for robust control purposes. However, one can reduce the uncertainty by relating the model parameters with the system operational point. It leads to new category of models, namely point-parametric models. Parameters estimation of such models was an open book. Methods of designing such models (both: input-output and in state space) with constructive estimation algorithms have been presented.Predictive control system at upper (slow) layer requires information about the state of the plant. Algorithms of guaranteed state estimation have been be presented.Real implementation of the control system at lower layer requires decentralization of the control process. Two ways of this problem handling have been considered: with total decentralization and with exchanging the information between local controller.Designed structures and algorithms have been supported by simulation results of its efficiency for exemplary plants.

Author (1)