CƠ sở KHOA học NGHIÊN cứu hệ THỐNG tưới TIÊU BẰNG ĐỘNG lực

Nhận biết được quy luật hoạtđộng rất phức tạp của một hệ thống công trình thủy lợi, tiến tới tối ưu hóa trong quyhoạch, thiết kế và điều khiển hệ thống là đối tượng nghiên cứu của khoa h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ MÔN KỸ THUẬT HẠ TẦNG VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

-* -BÀI GIẢNG CAO HỌC

CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU BẰNG ĐỘNG LỰC

GS TS.LÊ CHÍ NGUYỆN

HÀ NỘI - 2015

Song song với các trạm bơm tưới tiêu có áp lực thấp xây dựng chủ yếu ở cácvùng đồng bằng, các trạm bơm áp lực cao dùng để tưới cho các vùng đồi, cây chuyêncanh, sử dụng các kỹ thuật tưới phun, tưới gốc…., các trạm bơm cấp nước cho cáckhu dân cư đang được xây dựng và phát triển.

Để đáp ứng yêu cầu sản xuất, không ngừng hiện đại hóa hệ thống thủy lợi ở nước

ta yêu cầu cấp thiết phải:

1 Nâng cao trình độ thiết kế, xây dựng đảm bảo công trình hiện đại, hợp lý

2 Nâng cao trình độ khai thác vận hành để giảm chi phí quản lý, tăng hiệu quảtưới, tiêu và cấp thoát nước

Để đáp ứng các yêu cầu trên, cần thiết phải nghiên cứu để giải quyết những vấn

đề sau đây :

Về máy bơm :

1 Xác định được một gam bơm hợp lý phủ được toàn bộ các yêu cầu dùng bơmtrong cả nước

2 Hiện đại hóa thiết bị và trình độ chế tạo

3 Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống dẫn dòng thủy lực (bánh xe cánh quạt, cánhhướng nước…) để nâng cao hiệu suất bơm, kết cấu bơm gọn nhẹ

4 Nghiên cứu áp dụng các vật liệu mới nâng cao độ bền, giảm trọng lượng,chống khí thực, nước va…

Về trạm bơm:

1 Nghiên cứu xác định quy mô tối ưu các hệ thống tưới tiêu bằng động lực

2 Nghiên cứu xác định các thông số thiết kế hợp lý Zh, Zt, H, Q… cho các trạmbơm tưới, tiêu và cấp nước

3 Nghiên cứu các kết cấu nhà trạm phù hợp với các loại thiết bị bơm và yêu cầu

về nền móng và các điều kiện tự nhiên khác

4 Nghiên cứu hình dạng và cấu tạo hợp lý các công trình hút nước, tháo nước

5 Phương pháp tính toán tối ưu mạng ống tưới và cấp nước.

6 Nghiên cứu lập chương trình điều khiển, vận hành tối ưu các trạm bơm và hệthống tưới tiêu cấp nước bằng động lực

Những vấn đề trên được giải quyết dựa vào các cơ sở

Cuốn sách này giúp người đọc nâng cao một số kiến thức chủ yếu về máy bơm,trạm bơm và cung cấp một số vấn đề cơ sở có thể áp dụng để giải quyết các bài toán về

hệ thống tưới tiêu và cấp nước bằng động lực

CHƯƠNG I:

ĐẶC TÍNH MÁY BƠM VÀ TRẠM BƠM

1.1 ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH MÁY BƠM

1.1.1 Khái quát về máy bơm cánh quạt:

Máy bơm cánh quạt là máy bơm có bánh xe công tác (BXCT) gắn cánh quạt vàkhi BXCT quay sẽ truyền năng lượng cho chất lỏng Máy bơm cánh quạt là loại máybơm được dùng phổ biến nhất và được nghiên cứu đầy đủ nhất

Máy bơm cánh quạt được phân ra thành 3 loại theo hướng của dòng chảy chuyểnđộng trong máy bơm so với trục bơm, gồm: máy bơm ly tâm, máy bơm hướng trục,máy bơm hướng chéo

Hình 1.1 Sơ đồ dòng chảy trong bánh xe cánh quạt

1.1.2 Đường đặc tính máy bơm cánh quạt.

Đặc tính công tác của mỗi loại máy bơm biểu thị bằng các đường đặc tính máybơm Đường đặc tính máy bơm là đường quan hệ giữa các thông số cột nước H, côngsuất N, hiệu suất và đặc tính hút (Độ cao chân không cho phép hoặc độ dữ khí thựccho phép) với lưu lượng Q, số vòng quay n và đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D.Với một máy bơm (D = const) làm việc với số vòng quay n = const có một họ

Họ đường đặc tính này có dạng khác nhau tùy theo loại khác nhau của máy bơm

hướng chéo nS > 300  500; bơm hướng trục nS > 500

Dạng đường đặc tính của ba loại máy bơm cánh quạt này (hình 1.1) có khác nhau

a Bơm ly tâm b Bơm hướng chéo c Bơm hướng trục

Hình 1.2: Dạng đường đặc tính máy bơm cánh quạt

Máy bơm ly tâm, là loại máy bơm truyền lực ly tâm cho chất lỏng, cĩ hệ số tỷ tốc

cĩ dạng cong trơn, phạm vi hiệu suất cao rộng, Đường N = f(Q) tăng dần theo lưulượng

tính biểu thị ở hình 1.1.c Đường H = f(Q) và N = f(Q) giảm với tốc độ lớn theo Q tăng

và xuất hiện các cực đại và cực tiểu Vùng từ cực đại C về phía Q giảm đột ngột.Đường hiệu suất  = f(Q) nhọn nên phạm vi hiệu suất cao thường rất bé

Máy bơm hướng chéo (hỗn lưu) là loại máy bơm truyền cho chất lỏng cả lực ly

bình giữa đường đặc tính của hai loại máy bơm li tâm và hướng trục Đặc biệt đường

N = f(Q) thay đổi rất ít khi Q thay đổi làm cho động cơ làm việc khá ổn định

1.1.3 Sự tương tự của đường đặc tính máy bơm.

Việc xác định các đường đặc tính máy bơm bằng lý thuyết cĩ rất nhiều khĩ khăn

Vì vậy hiện nay để cĩ các đường đặc tính mỗi loại máy bơm đều dựa vào kết quả thínghiệm đồng thời dùng phương pháp tương tự và phân tích thứ nguyên làm cơ sở đểtổng hợp phát triển kết quả thí nghiệm

Phương pháp tương tự và thứ nguyên cho ta tìm được các quy luật quan hệ giữa cộtnước H = f(Q,n,D), cơng suất N = f(Q,n,D) với lưu lượng Q, số vịng quay n và đườngkính ngồi bánh xe cánh quạt D, khi đồng dạng hình học giữa 2 máy bơm đã được xáclập, tức là tỷ số kích thước hình học của hai bộ phận dẫn dịng của 2 máy bơm luơn

5 3 5

2 2 2

2 2 2

3 3

.

n D m

m th th m

t h

n D m

m th

t h m

th

n D m

m th th m

th

i i n

D n D N

i i n

D n D H

i i n

D n D Q

Trong đĩ:

m

th D

n m

th

n m

th

n m

th

i N

i H

i Q

Các cơng thức này được dùng để vẽ lại đường đặc tính máy bơm khi số vịngquay thay đổi

1.1.4 Đường đặc tính tổng hợp máy bơm

Với cùng một máy bơm thì 1

m

th

D

D

, các loại tổn thất thủy lực, tổn thất dung tích

và tổn thất cơ khí trong một phạm vi rất rộng thay đổi không đáng kể Vì vậy quan hệđồng dạng có dạng :

đường đẳng hiệu suất 

Hình 1.3: Đường đặc tính tổng hợp máy bơm

Xác định các đường đặc tính của một máy bơm bằng thí nghiệm thường cónhững khó khăn và tốn kém Vì vậy khi đã có một đường đặc tính với một số vòngquay nào đó người ta có thể mở rộng phạm vi hoạt động của bơm ứng với các số vòngquay cần thiết và hiệu suất của máy bơm sẽ đạt được ứng với một giá trị cột nước vàlưu lượng

Đường đặc tính tổng hợp máy bơm xác định bằng các công thức đồng dạng trênđây sẽ có mức độ chính xác cần thiết được sử dụng phổ biến trong xác định điểm làmviệc của bơm điều tốc, ứng dụng biến tần để thay đổi vòng quay của bơm

1.1.5 Đường đặc tính toàn phần của bơm

Khi máy bơm làm việc bình thường số vòng quay n, lưu lượng Q, cột áp H và

mô men quay M có trị số dương Trong trường hợp có sự cố ở mức độ nào đó, máybơm sẽ làm việc trong chế độ thuận nghịch

Đường đặc tính toàn phần của một máy bơm biểu thị tính năng máy bơm trongcác trạng thái công tác quá độ đó, nó giúp ta nghiên cứu xử lý các trường hợp làm việcquá độ của máy bơm trong thực tế.

Trong đó hệ số h, q,, m là tỷ số giữa cột nước, lưu lượng, số vòng quay và mô

Quan hệ giữa các hệ số trên được biểu thị trên hệ tọa độ hình (1.4) và gọi là đường đặctính toàn phần của máy bơm

B

CDEF

G

50 100 150

Bơm thuận chiều : H>0, Q>0;

Tự chảy qua máy bơm Q>0, H<0Chảy ngược qua máy bơm Q<0, H>0

Từ quan hệ đó cho thấy đường đặc tính toàn phần chia làm 8 khu vực :

1 Khu vực A : Lưu lượng có trị số dương (lưu lượng bơm lên) và bơm quay thuậnchiều (n>0) : bơm làm việc với trạng thái bơm thuận chiều

2 Khu vực B: Bơm quay thuận nhưng lưu lượng chảy ngược trong trường hợp nàybơm nhận được năng lượng của dòng chảy (bắt đầu chảy ngược n>0, H>0, Q<0).

3 Khu C là khu vực máy bơm làm việc theo trạng thái tuốc bin (n<0, Q < 0, H>0)(Chảy ngược từ bể tháo qua máy bơm)

4 Khu D là khu vực máy bơm quay ngược, lưu lượng chảy ngược, máy bơm làmviệc ở trạng thái hãm tiêu hao năng lượng ở dòng chảy và cả động cơ (Từ trạngthái Turbin sang trạng thái tự chảy n < 0, Q <0; H>0)

5 Khu E có n < 0 và Q> 0 và H>0 thuộc trạng thái làm việc bơm chuyển độngngược (kết thúc trạng thái bơm quay ngược bắt đầu chuyển sang trạng thái tựchảy qua bơm)

6 Khu F có n < 0 nhưng Q > 0, H < 0 và M < 0 thuộc trạng thái hãm (hãm chảyngược khi bơm quay ngược, chuyển sang tự chảy từ bể hút qua bơm)

7 Khu G có n > 0, Q > 0 Nhưng cả H < 0, M < 0 là giai đoạn có trạng thái tuốc binchuyển ngược (Tự chảy qua bơm nhưng vẫn còn mômen quay ngược theo đà)

8 Khu I có n > 0, Q > 0, M > 0, nhưng H < 0 là khu vực hãm (Hãm tự chảy quabơm, chuyển sang bơm thuận chiều)

1.1.6 Số học hóa đường đặc tính máy bơm

Đường đặc tính của một máy bơm được xác định từ thí nghiệm Để có thể sửdụng trong tự động hóa thiết kế hoặc điều hành có thể biểu thị đường đặc tính dướidạng hàm số phương trình số học

đường cong bậc 2 Theo E.A.Grepera thì sai số về lưu lượng không quá 6% và cộtnước không quá 3%

Các phương trình như sau :

Chẳng hạn nếu máy bơm hướng trục có 6 khả năng thay đổi góc nghiêng cánhquạt thì sẽ có tương ứng 6 phương trình số học khác nhau biểu thị quan hệ H = f(Q);[HCK] = f(Q) và N = f(Q).

1.2 MÁY BƠM LÀM VIỆC TRONG HỆ THỐNG

1.2.1 Điểm công tác máy bơm

Một máy bơm làm việc trong hệ thống sẽ làm việc ổn định tại một điểm, đó làđiểm công tác máy bơm

Điểm công tác máy bơm là điểm gặp nhau giữa hai đường : đường đặc tính máy

Hyc = Hdh + ht = Hdh + SQ2

Ở đây : Hdh : cột nước bơm địa hình

ht : tổng tổn thất thủy lực trên đường ống hút và ống đẩy của máy bơm.Trong khu vực bình phương sức cản có thể viết : ht = SQ2 với S là hệ số tổn thất

Có nghĩa là điểm công tác là điểm cân bằng giữa năng lượng cung cấp của máybơm và năng lượng yêu cầu ở môi trường sử dụng bơm

Hình 1.5: Điểm công tác máy bơm

Nếu đặt Hdh = f(Q) – SQ2 thì điểm công tác máy bơm có thể tìm được khi biết Hdh

= Zt - Zh

Ở đây : Zt, Zh là cao trình mực nước tháo và mực nước hút

Nếu biểu thị cột nước máy bơm :

H = a0(x) + a1(x)Q + a2(x)Q2 thì:

Hdh = a0(x) + a1(x)Q + [a2(x) – S]Q2 hay:

a0(x) + a1(x)Q + [a2(x) – S]Q2 – Hdh = 0

Nếu cột nước địa hình là hằng số Hdh = Zt - Zh = const thì phương trình trên sẽ cĩ

1.2.2 Máy bơm làm việc song song

Cĩ n máy bơm hút nước từ nhiều bể hút làm việc song song cùng chung mộtđường ống đẩy (hình 1.6)

+ Hệ thống làm việc cân bằng khi :

M hi

ti

V V

h g





Trong đĩ :

- Phi, Zhi và Vhi : áp lực, cao trình và lưu tốc ống hút tại bể hút

- PM, ZM và VM : áp lực, cao trình và lưu tốc tại điểm M

+ Để bơm nước lên cao trình ZN đáp ứng áp lực PN và lưu tốc VN, áp lực tại Mphải bằng :

Muốn cho áp lực tại M cân bằng thì cột nước do bơm tạo ra phải đảm bảo đểkhắc phục cột nước địa hình và tổn thất M – N

- Để tìm đường đặc tính chung khi ghép song song n máy bơm, từ đường đặc tínhcủa các máy i (1,……, n)





Mn M

Q Q

Hình 1.6: Máy bơm ghép song song

Từ quan hệ trên vẽ đường đặc tính chung của n máy

- Điểm công tác là giao điểm của đường đặc tính chung ở trên với đường đặc tínhyêu cầu

1.2.3 Máy bơm làm việc nối tiếp.

Khi cột nước cần lớn mà cột nước bơm bé thì cần mắc nối tiếp hai hoặc nhiềumáy bơm (hình 1- 7)

Có n máy mắc nối tiếp :

H1 = f1(Q)

H2 = f2(Q)

…

Hn = fn(Q)Thì :

n i

f Q



Từ đây tìm được Q và các thông số khác

Z h

Z t

H dh

Hình 1.7 Hai máy bơm ghép nối tiếp

Câu hỏi thảo luận

1 Khi nào cần điều khiển công tác của máy bơm Các yêu cầu cần đạt được khi điều chỉnh điểm công tác của máy bơm Các phương pháp điều chỉnh điểm công tác của máy bơm trong hệ thống.

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VÀ

ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU

BẰNG ĐỘNG LỰC

Trong công cuộc đổi mới nền kinh tế của nước ta, việc hiện đại hóa các côngtrình tưới tiêu là một yêu cầu cấp thiết nhằm nâng cao hiệu ích, giảm năng lượng tiêuthụ

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học hệ thống và kỹ thuật thông tin ở nước tahiện nay đã tạo nên cơ sở vững vàng cho việc phát triển kỹ thuật tự động hóa thiết kế

và quản lý công trình thủy lợi, trong đó có trạm bơm

Khoa học hệ thống nghiên cứu một đối tượng phức tạp gồm một chỉnh thể hợplại bởi nhiều bộ phận có quan hệ tương hỗ lẫn nhau, có quan hệ với môi trường bênngoài và sự hoạt động nhằm những mục đích đã định sẵn

Một hệ thống luôn luôn có những đặc trưng sau đây: Tính tập hợp, tính tươngquan, tích mục đích, tính chỉnh thể và tính thích ứng với môi trường

Phân tích hệ thống là phương pháp định lượng hóa hệ thống công trình, hay cũng

có thể gọi là đi tìm tối ưu hóa hệ thống Nội dung trung tâm của việc phân tích hệthống là mô tả mô hình hóa hệ thống và tối ưu hóa hệ thống

Hệ thống công trình thủy lợi bao gồm một mạng lưới các công trình dẫn nước,các công trình điều tiết trên mạng lưới và các công trình đầu mối tưới tiêu, phát điện,phòng lũ… Sự hoạt động của hệ thống công trình thủy lợi là sự phối hợp công tácgiữa các công trình đó tạo nên một trạng thái cân bằng ổn định phụ thuộc vào các yếu

tố môi trường bên ngoài và sự chi phối của con người Nhận biết được quy luật hoạtđộng rất phức tạp của một hệ thống công trình thủy lợi, tiến tới tối ưu hóa trong quyhoạch, thiết kế và điều khiển hệ thống là đối tượng nghiên cứu của khoa học hệ thống.Phương pháp phân tích hệ thống được áp dụng vào công trình thủy lợi từ năm

1950, đầu tiên là vấn đề quản lý và phân phối nguồn nước Đặc biệt từ thập kỷ 70 khi

có sự phát triển rộng rãi của máy vi tính, phương pháp phân tích hệ thống được sửdụng rộng rãi trong quy hoạch thiết kế và tự động hóa quản lý ở các hệ thống tướitiêu, cấp thoát nước đô thị, các hệ thống phòng lũ, phát điện…

Ở nước ta, nhiều công trình thủy lợi đã được xây dựng và trong những năm tớinhiều dự án về tưới tiêu, phòng lũ sẽ được thực thi Áp dụng phương pháp hệ thốngcho phép tối ưu hóa trong việc quy hoạch sử dụng nguồn nước, trong thiết kế và quản

lý các hệ thống tưới tiêu ở nước ta

Công trình trạm bơm là công trình thủy lợi rất phổ biến ở nước ta Tuy nhiên nó

là một loại công trình sử dụng nhiều năng lượng Vì vậy, việc tối ưu hóa các thông sốthiết kế và điều khiển vận hành sẽ có một ý nghĩa đáng kể nhằm giảm nhỏ năng lượngtiêu hao

Việc giảm nhỏ năng lượng tiêu hao trên không phải chỉ thực hiện ở khâu vậnhành quản lý, mà nó được tạo tiền đề có tính chất quyết định ngay từ bước quy hoạchthiết kế

Vì vậy để việc nghiên cứu hệ thống trạm bơm tưới tiêu, cấp thoát nước mang lạihiệu ích tốt nhất, phải vận dụng lý thuyết về phân tích hệ thống

Lý thuyết về phân tích hệ thống áp dụng vào hệ thống tưới tiêu, cấp nước bằngđộng lực có thể giải quyết những vấn đề sau đây :

- Quy hoạch các hệ thống công trình lấy nước, dẫn nước và điều tiết nước

- Thiết kế và quản lý tối ưu hệ thống tưới, tiêu

- Vận hành tối ưu các hệ thống tưới tiêu

- Luận chứng các tiêu chuẩn thiết kế và phân tích mức độ đảm bảo hệ thốngtưới tiêu

Trong chương này sẽ trình bày phương pháp vận dụng lý thuyết phân tích hệthống, lý thuyết về tối ưu đối với một hệ thống công trình tưới tiêu bằng động lực

2.1.2 Các đặc trưng của hệ thống

1 Cấu trúc hệ thống

Cấu trúc hệ thống là sự sắp xếp các phần tử trong hệ thống theo một trật tự nào

đó cùng với các tác động tương tác giữa chúng Cấu trúc của hệ thống được mô tả tùythuộc vào mục đích nghiên cứu của hệ thống Một hệ thống thực, nhưng mục đichnghiên cứu khác nhau sẽ có sự mô tả cấu trúc khác nhau Mỗi thành phần tham gia vàocấu trúc của hệ thống được đặc trưng bởi tham số nào đó gọi là tham số cấu trúc Nhưvậy, nói đến cấu trúc có nghĩa là đã kể đến những tham số đặc trưng cho cấu trúc vàmối quan hệ qua lại giữa các thành phần của cấu trúc ấy

Cấu trúc hệ thống trạm bơm tưới là sự sắp xếp các phần tử trong hệ thống theotrật tự như nêu ở trên, có tác dụng tương hỗ lẫn nhau Các thông số thiết kế của cácphần tử chính là các thông số về cấu trúc của hệ thống trạm bơm tưới bao gồm: quy

mô trạm bơm, kết cấu nhà trạm, chủng loại máy bơm, kích thước mặt cắt kênh, chiềudài kênh, đặc điểm và số lượng các công trình trên kênh

2 Thông tin vào, ra của hệ thống

Có thể định nghĩa như sau:

- Thông tin vào của hệ thống là tập hợp tất cả các “tác động” vào hệ thống đểnhận được các thông tin ra của hệ thống

- Thông tin ra của hệ thống là tập hợp tất cả những đặc trưng mà người nghiêncứu quan tâm khi có tác động tương ứng ở đầu vào

Như vậy, lựa chọn thông tin vào, ra cũng phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu.Nói tóm lại cái gì cần quan tâm ta coi đó là thông tin ra, còn cái gì làm thay đổi thôngtin ra được coi là thông tin vào của hệ thống

+ Các thông tin vào của hệ thống trạm bơm bao gồm: các điều kiện khí tượngthủy văn; nguồn nước; nhu cầu nước; loại cây trồng; cơ cấu cây trồng; tập quán canhtác; giá thành sản phẩm

+ Các thông tin ra của hệ thống trạm bơm bao gồm: quy trình điều khiển, quản

lý, vận hành hệ thống nhà trạm bơm, kênh, công trình trên kênh, các chỉ tiêu kinh tế,

kỹ thuật

- Các thông tin vào và ra được đặc trưng bởi một đại lượng nào đó có thể coi làcác biến và gọi là biến vào, biến ra Nếu các đại lượng này là các đại lượng phụ thuộcvào thời gian gọi là các quá trình vào, ra hoặc là các hàm vào, ra của hệ thống

- Các biến vào của hệ thống bao gồm cả các biến điều khiển được và các biến khôngđiều khiển được Ví dụ, khi vận hành một trạm bơm tiêu, quá trình mưa, bốc hơi là cácbiến vào không điều khiển được, lưu lương bơm qua trạm bơm tiêu là biến vào điều khiểnđược Biến ra của hệ thống có thể là quá trình năng lượng tiêu hao cho trạm bơm tiêu làhàm của các biến vào, cũng có thể là sự biến đổi mực nước trong khu tiêu

3 Trạng thái của hệ thống và biến của trạng thái

Trạng thái của hệ thống là một đặc trưng quan trọng của bài toán điều khiển hệthống Với tác động từ bên ngoài hệ thống sẽ “chuyển động” theo một quỹ đạo biếnđổi theo thời gian Quỹ đạo chuyển động của hệ thống tại thời điểm bất kỳ phụ thuộcvào trạng thái của nó ở thời điểm trước đó và những tác động từ bên ngoài ở chính thờiđiểm đó Hệ thống mà trạng thái của nó ở một thời điểm nào đó không những phụthuộc vào tác động từ bên ngoài ở chính thời điểm đó, mà còn phụ thuộc vào trạng tháicủa nó ở những thời điểm trước đó gọi là hệ thống có nhớ Đối với hệ thống có nhớ

người ta đưa vào một loại biến đặc trưng cho trạng thái của nó, gọi là biến trạng thái.Biến trạng thái là một hàm của thời gian.

Trong trường hợp mà trạng thái của hệ thống chỉ phụ thuộc vào tác động bênngoài ở chính thời điểm đó gọi là hệ thống không có nhớ thì việc mô tả thêm biếntrạng thái là không bắt buộc

Sự mô tả hệ thống trình bày trên đây cần được hiểu nghĩa đầy đủ theo ý nghĩatoán học của nó, tức là sự mô tả biến vào, biến ra của hệ thống có thể không trùng với

“ cái vào”, “cái ra” của hệ thống thực Như vậy, cùng một hệ thống thực nhưng mụcđích nghiên cứu khác nhau thì sự mô tả hệ thống, bao gồm các biến ra và biến trạngthái cũng khác nhau

Với trạm bơm, biến trạng thái (là biến thay đổi theo thời gian) gồm: Q = f(t), Zh =f(t), Zt = f(t), N = f(t),  = f(t) Tại một thời điểm ta có điểm công tác với các thông số:

H = const, Q = const, n = const,  = const, N = const

Khi mô tả hệ thống, điều quan trọng nhất của người làm hệ thống là phải xácđịnh được đâu là biến vào, biến ra và đặc trưng nào là biến trạng thái Ngoài ra, cũngphải mô phỏng được quá trình trao đổi thông tin giữa các thành phần trong hệ thống,quan hệ giữa biến vào, biến ra và biến trạng thái

Đối với hệ thống trên, biến vào và biến ra có thể là hàm của thời gian Cách mô

tả này phụ thuộc loại hệ thống không có nhớ, tức là kết quả ở đầu ra tại một thời điểmchỉ phụ thuộc vào tác động tại đầu vào ở chính thời điểm đó

Quy trình sản xuất sản phẩm khép kín là loại hệ thống này Với đầu vào quy định vềvật liệu, thành phần và quy trình công nghệ xác định ra được sản phẩm như tiêu chuẩn

- Hệ tĩnh và hệ động:

Hệ tĩnh là hệ mà các không gian biến của hệ thống không phải là hàm của thờigian Hệ động là hệ có chứa biến trạng thái và các biến vào, biến ra đều là hàm củathời gian Hệ tĩnh là trường hợp riêng của hệ động khi các hàm thời gian được lấy bìnhquân trong một khoảng thời gian nào đó

- Hệ có điều khiển và hệ không có điều khiển

Trạm bơm là hệ thống có điều khiển Ta có thể điều khiển vòng quay để có cácthông số Q, H thay đổi khi Zh, Zt thay đổi

Hình 2.3 Hệ thống có điều khiển

- Hệ thống có mô tả cấu trúc bên trong – Hộp trắng:

Khác với loại hộp đen các hệ thống loại hộp trắng có thêm các biến trạng thái.Việc đưa vào không gian biến trạng thái giúp ta phân tích được “quỹ đạo chuyểnđộng” của hệ thống hoặc đoán biết được xu hướng phát triển của hệ thống trong tươnglai Do đó người nghiên cứu định hướng được các tác động vào hệ thống để đạt đượcmục tiêu mong muốn

Cấu trúc bên trong của hệ thống còn phải được mô tả bằng các biến gọi là thông

số cấu trúc, vì rằng các thông số này sẽ quyết định sự truyền thông tin từ đầu vào đến

sự thay đổi trạng thái và các phản ứng ở đầu ra

Hệ thống trạm bơm cũng là hộp trắng, trong đó sự thay đổi thông số cấu trúcvòng quay, góc cánh quạt là mục tiêu điều khiển

Một hệ thống mà mối quan hệ giữa biến vào, biến ra và biến trạng thái được mô

tả một cách chặt chẽ bằng các biểu thức toán học gọi là hệ có “cấu trúc chặt”, ngược

lại là hệ thống “phi cấu trúc”, loại hệ thống có đặc tính trung gian gọi là hệ thống có

“cấu trúc yếu”

Trạm bơm cũng có thể có cấu trúc chặt hoặc cấu trúc yếu

Hệ thống không có điều khiển là hệ mà các thông tin vào không chứa các biếnđiều khiển được, ngược lại là hệ có điều khiển Nói chung, biến điều khiển và biếntrạng thái là các biến độc lập nhau, nhưng trong một số trường hợp, biến trạng tháicũng chính là biến điều khiển

Cấu trúc bên trong hệ thống được mô tả bằng các biến gọi là thông số cấu trúcnhư: chủng loại máy bơm, kết cấu nhà trạm, ống hút, ống đẩy

Thông số điều khiển ở đây là: điều khiển số vòng quay, điều khiển tổn thất trênđường ống hút, ống đẩy; điều khiển độ mở cống để điều khiển mực nước bể hút trạmbơm tưới đặt trong đê

Đối với các hệ thống điều khiển có mối liên hệ ngược, có thể chia ra làm 2 loại:

- Hệ thống điều khiển bán tự động (hình vẽ) là hệ thống mà khi xử lý thông tin vàđiều khiển được thực hiện trực tiếp bởi người điều khiển Người điều khiển trực tiếpquan sát phản ứng của hệ thống (có thể có sự tham gia của máy tính điện tử) Sau khiphân tích, so sánh người điều khiển trực tiếp ra quyết định và điều hành hệ thống điềukhiển

Hình 2.4 Quá trình điều khiển bán tự động

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động

Một hệ thống mà quá trình điều khiển hoàn toàn được tự động hóa được gọi làđiều khiển tự động Trong trường hợp này người điều khiển chỉ can thiệp vào quá trìnhđiều khiển ở khâu lập chương trình điều khiển Quá trình điều khiển được thực hiện tựđộng không có sự can thiệp của con người Trình tự thực hiện quá trình điều khiểnđược mô tả trên hình vẽ

Hệ thống trạm bơm cũng có thể là hệ thống bán tự động và tự động điều khiển

- Hệ tất định và hệ ngẫu nhiên

Hệ tất định là hệ mà các biến vào, biến ra, các ràng buộc và mối quan hệ giữa cácphân tử trong hệ thống là những hàm tất định Một trong những biến trên là hàm ngẫunhiên ta gọi là hệ ngẫu nhiên

Các biến vào hệ thống (các biến không điều khiển được) là ngẫu nhiên ta gọi là

“nhiễu” Các hệ thống nguồn nước đều là hệ ngẫu nhiên

Cần phân biệt khái niệm tất định và ngẫu nhiên trong mô tả hệ thống với kháiniệm mô tả toán học như mô hình tất định, mô hình ngẫu nhiên Một hệ thống ngẫunhiên có thể mô tả bằng mô hình tất định hoặc mô hình ngẫu nhiên

Hệ thống trạm bơm có thể là tất định, có thể là ngẫu nhiên

- Hệ thống trong đó bao gồm các hệ thống con

Một hệ thống có thể phân chia thành các hệ thống con Sự phân chia hệ thống lớnthành các hệ con tùy thuộc vào kích cỡ, đặc thù của hệ thống và các phương pháp phântích được áp dụng đối với hệ thống đó

Hệ thống trạm bơm cũng bao gồm các hệ thống con Chẳng hạn bản thân nhàmáy bơm là một hệ thống con, gồm các phần tử gắn kết với nhau theo một trật tự xácđịnh, hoạt động thống nhất: máy bơm, động cơ, thiết bị dòng điện, ; Cống lấy qua đê

có hệ thống điều khiển mực nước bể hút trạm bơm tưới trong đê

Hình 2.6 Hệ thống phân chia theo cấu trúc độc lập

Bất định về mục tiêu đối với một hệ thống bao gồm các mặt sau:

- Mục tiêu khai thác, điều khiển đối với hệ thống chưa xác định, các mục tiêu này

sẽ được hình thành trong quá trình tiếp cận hệ thống Cũng có thể mục tiêu đối với hệthống đã được dự kiến khi thiết kế, điều khiển hoặc khai thác hệ thống Nhưng cácmục tiêu ban đầu được đặt ra không thể đạt được, hoặc là bị sai lệch do không có đủthông tin về hệ thống Đây là bài toán điều hành với mục tiêu được điều chỉnh theo kếtquả vận hành của thời gian trước đó

- Đa mục tiêu đối với hệ thống trong quá trình thiết kế và điểu khiển nó, đặc biệttrong trường hợp các mục tiêu điều khiển và khai thác mâu thuẫn nhau Chẳng hạn, đốivới kho nước làm hai nhiệm vụ phòng lũ và phát điện

Bất định về thông tin:

Các yếu tố bất định về thông tin đối với hệ thống bao gồm:

- Thiếu các thông tin về hệ thống: thông tin vào, cấu trúc của hệ thống, các tàiliệu quan trắc cần thiết về hệ thống v.v

- Sự hiểu biết không đầy đủ của người nghiên cứu đối với hệ thống: không nắmđược các quy luật vật lý của hệ thống, không có đủ thông tin cần thiết đối với hệ thốngv.v

- Tồn tại những yếu tố ngẫu nhiên bao gồm: các thông tin vào là các đại lượnghoặc các quá trình ngẫu nhiên, các tác động ngẫu nhiên của môi trường, hoặc các sailệch trong thiết kế và điều khiển hệ thống Hệ thống trạm bơm có yếu tố khí tượng,thủy văn là ngẫu nhiên nên thuộc loại này

- Sự mô tả hệ thống, đặc biệt là mô tả toán học, không thể thực hiện được do sựphức tạp của hệ thống hoặc do những hạn chế về kỹ thuật mô phỏng

Đối với hệ thống bất định, cần tuân thủ nguyên tắc tiếp cận từng bước, và cầnđánh giá độ tin cậy của các quyết định đối với hệ thống trong quá trình thiết kế và điềukhiển nó

2.2 CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG VÀ HỆ THỐNG CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ

2.2.1 Các bài toán cơ bản về hệ thống

Trong thực tế, khi nghiên cứu hệ thống, thường phải giải quyết ba bài toán cơ bản sau:

- Thiết kế hệ thống theo hệ thống chỉ tiêu nào đó: chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế v.v

- Điều khiển hệ thống để đạt được yêu cầu khai thác đã xác định

- Phát triển hệ thống, tức là nghiên cứu chiến lược phát triển của hệ thống trongtương lai

Với hệ thống trạm bơm thường gặp hai bài toán cơ bản là thiết kế hệ thống vàđiều khiển hệ thống Tuy vậy với vùng có quy hoạch chưa được ổn định khi xây dựngtrạm bơm cũng cần đề cập đến sự phát triển trong tương lai

Trong bài toán thiết kế hệ thống thường đã xem xét các phương án điều khiển khi

hệ thống đã được thiết lập Trong một số trường hợp (trong đó có hệ thống nguồnnước), điều khiển hệ thống ở giai đoạn thiết kế thường mới được nghiên cứu sơ bộ trên

cơ sở xem xét một số phương án điều khiển Bài toán phát triển hệ thống là bài toánbắt buộc phải giải quyết khi việc hình thành hệ thống trong tương lai kéo dài trongnhiều năm

2.2.2 Hệ thống chỉ tiêu đánh giá

Khi phân tích hệ thống trong thiết kế, điều khiển hoặc phát triển hệ thống, cầnphải xác định mục tiêu của nó Mục tiêu đối với hệ thống chưa được xác định thìkhông thể nói là “bài toán” được Mục tiêu khai thác hệ thống được mô tả và lượnghóa bằng một hoặc hệ thống chỉ tiêu nào đó, mà nó phản ánh được mục tiêu nghiên

cứu hoặc khai thác hệ thống Hệ thống chỉ tiêu đó gọi là hệ thống chỉ tiêu đánh giá Hệ

thống chỉ tiêu đánh giá được lượng hóa theo những dạng rất khác nhau, có thể kháiquát một số dạng cơ bản như sau:

- Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được mô tả bằng một hoặc một số hữu hạn các đẳngthức hoặc bất đẳng thức Các biểu thức đó được viết đối với hàm ra của hệ thống Y(t),trong đó Y(t) được xác định bởi mô hình mô phỏng hệ thống

- Hệ thống chỉ tiêu đánh giá là một hoặc một số hữu hạn các hàm số mà nó cầnlàm cực trị, có dạng:

 Y  maxmin

2.3 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRONG PHÂN TÍCH HỆ THỐNG

Việc ứng dụng các mô hình tối ưu trong thiết kế và điều khiển hệ thống có nhữnghạn chế, và do đó làm giảm hiệu lực trong phân tích lựa chọn nghiệm Những hạn chếcủa nó bao gồm:

- Các mô hình tối ưu thường được thiết lập sao cho nó có thể đưa về một số dạngchuẩn tắc, mà các phương pháp toán học hiện hành có thể giải được Muốn vậy cầnthực hiện một số phép giản hóa hoặc các giả thiết Do vậy, mặc dù các phương pháptối ưu cho lời giải đẹp đẽ, nhưng có thể không phản ánh đầy đủ các trạng thái thực,trong một số trường hợp bản chất vật lý của các quá trình trong hệ thống bị sai lệch

- Đối với các hệ thống lớn và phức tạp, công cụ tối ưu hóa tỏ ra bất lực và khôngthể tìm được nghiệm Trong một số trường hợp, các mô hình tối ưu cho nghiệm khôngđúng thậm chí không chấp nhận được Do hạn chế của các phương pháp tối ưu, một sốbài toán có cực trị địa phương, do vậy có thể không nhận được tối ưu mong muốn

- Đối với các hệ thống bất định, đặc biệt là sự bất định về mục tiêu, không phảingay từ đầu, các mục tiêu khai thác hệ thống đã được xác định, trong trường hợp nhưvậy phương pháp tối ưu không thể áp dụng được Một số trường hợp khác, bài toánphân tích hệ thống không thể hoặc không cần thiết đưa về dạng một bài toán tối ưu.Trong những trường hợp như vậy, để khắc phục những hạn chế của phương pháptối ưu hóa, người ta áp dụng các phương pháp mô phỏng, một phương pháp rất đặc thù

và có hiệu lực của LTPTHT

- Phương pháp mô phỏng là phương pháp sử dụng các mô hình mô phỏng đểđánh giá chất lượng của hệ thống khi thiết kế và điều khiển nó Sự phân tích chấtlượng của hệ thống được tiến hành bằng cách đưa ra tất cả những tình huống hoặcphương án có thể và phân tích tất cả các phản ứng của hệ thống mà ta quan tâm tươngứng với các tình huống đặt ra Theo sự phân tích đó người nghiên cứu lựa chọnnghiệm của bài toán trong số các tình huống đã đặt ra Như vậy, phương pháp môphỏng chỉ tìm nghiệm trong tập hữu hạn các tình huống, bởi vậy nghiệm của bài toán

có thể không trùng với nghiệm tối ưu Cũng vì vậy, nghiệm của bài toán được gọi làlời giải hợp lý chứ không gọi là lời giải tối ưu Chất lượng hệ thống được đánh giábằng hệ thống chỉ tiêu đánh giá Các hàm mục tiêu thiết lập cho phương pháp tối ưu vàphương pháp mô phỏng có dạng tương tự nhau hoặc có dạng khác nhau, nhưng hệthống chỉ tiêu đánh giá được dựa vào như nhau đối với hàm mục tiêu Sự khác biệt củahai phương pháp này ở chỗ:

- Phương pháp mô phỏng không giải bài toán tối ưu mà chỉ tìm các giá trị khả dĩchấp nhận được đối với hàm mục tiêu

- Vì phương pháp tối ưu có những hạn chế về phương pháp nhận nghiệm, bởi vậy

có thể có sự giản hóa trong mô phỏng đối với các quá trình của hệ thống, trong khi đócác mô phỏng đó được mô tả chi tiết hơn khi sử dụng phương pháp mô phỏng

Trong thực tế, do những hạn chế của các phương pháp giải, các bài toán tối ưu cóthể dẫn đến những sai lệch so với thực tế Bởi vậy, phương pháp mô phỏng còn được

sử dụng để kiểm tra những kết quả nhận được từ phương án tối ưu Như vậy, phươngpháp tối ưu và phương pháp mô phỏng thường được kết hợp để phân tích lời giải tối

ưu của bài toán đặt ra Trên hình vẽ là sơ đồ kết hợp của hai phương pháp tối ưu vàphương pháp mô phỏng Mối quan hệ giữa các khối trong khối mô phỏng được thểhiện bằng các mũi tên đã chỉ ra trên hình

Đánh giá chất lượng hệ thống theo sơ đồ này có thể được thực hiện bằng mô hìnhtối ưu hóa, nhưng sau đó phải kiểm định bằng phương pháp mô phỏng

Sơ đồ gồm các phần chính:

- Mô hình toán hệ thống: là mô hình mô phỏng các quá trình trong hệ thống baogồm: các quá trình vật lý, sự trao đổi thông tin trong hệ thống và quan hệ giữa hàmvào và hàm ra của hệ thống Thành phần mô hình này là chung cho cả phương pháp tối

ưu và phương pháp mô phỏng

- Mô hình tối ưu được thiết lập cho bài toán tối ưu hóa, hàm ra của hệ thống làhàm mục tiêu, trong đó có chứa các thông số của hệ thống và các đầu ra của khối môhình toán

- Khối mô hình mô phỏng mô tả quan hệ giữa các giá trị của hàm mục tiêu, thông

qua hệ thống các chỉ tiêu đánh giá, với các thông số của hệ thống (bao gồm cả cácvectơ điều khiển) và các hàm ra của khối mô hình toán

- Khối mô hình mô phỏng được thiết lập để đánh giá phản ứng của hệ thống đối

với các giá trị của hàm mục tiêu, bởi vậy có thể có dạng khác với mô hình tối ưu

Hình 2.7 Sơ đồ kết hợp phương pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng

2.4 PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA TRONG PHÂN TÍCH HỆ THỐNG

- Trong lý thuyết phân tích hệ thống, phương pháp tối ưu hóa và phương pháp

mô phỏng là hai phương pháp toán học được sử dụng song song trong quá trìnhtìm lời giải tối ưu khi thiết kế và điều khiển hệ thống

- Phương pháp tối ưu là phương pháp cho lời giải tối ưu, còn phương pháp môphỏng không cho lời giải tối ưu mà chỉ có lời giải gần tối ưu, và do đó được coi

là lời giải hợp lý

- Phương pháp tối ưu hóa là phương pháp xác định lời giải của hệ thống theomục tiêu bằng cách đưa chúng về các bài toán tối ưu hóa

2.4.1 Mô tả tổng quát bài toán tối ưu hệ thống

Giả sử có hệ thống có cấu trúc nào đó, gọi X(t) là vec tơ thông tin đầu vào, U(t)

là vec tơ điều khiển, Y(t) là vec tơ các thông tin ra, Z(t) là vec tơ biến trạng thái, A làvec tơ thông số cấu trúc hệ thống Ta có:

X(t) = (x1(t), x2(t),),…, xn1(t))U(t) = (u1(t), u2(t),),…, un2(t))Y(t) = (y1(t), y2(t),),…, yn3(t))Z(t) = (z1(t), z2(t),),…, zn4(t))

F(X(t), Y(t), Z(t), U(t), A) à (cực trị)Với ràng buộc:

       

Ta có thể chia làm ba loại bài toán khác nhau:

Bài toán thiết kế:

Đối với bài toán thiết kế thường quy định trước chế độ làm việc của hệ thống, do

đó vec tơ U(t) đã biết trước và quy luật thay đổi của biến trạng thái Z(t), X(t) cũng đãbiết Hàm mục tiêu khi đó chỉ còn một loại biến là vec tơ A

Ví dụ: Tìm phương án trạm bơm có tổng chi phí xây dựng và quản lý là nhỏ nhấtvới các thông số về cấu trúc: kích thước các bộ phận công trình, loại máy bơm, số máybơm xác định

Bài toán điều khiển

Giả thiết hệ thống đã được thiết kế, tức là các thông số cấu trúc A đã biết trước

Ta có dạng giản hóa:

F(X(t), Z(t), U(t)) à cực trịVới ràng buộc: Y(t), Z(t), U(t) ≤ bj, với j  1 ,m

Ta cần phải tìm vec tơ U(t) để làm tối ưu mục tiêu nào đó đang được xem xét.Bài toán như vậy có tên gọi là bài toán điều khiển hệ thống

Chẳng hạn trạm bơm đã xây dựng có thông số cấu trúc về kích thước các bộ phậncông trình, loại máy bơm, số máy bơm, diện tích tưới ta cần điều khiển trạm bơm đápứng nhiệm vụ trong từng thời kỳ của năm và trong các năm khác nhau với hiệu quảcao nhất

Bài toán thiết kế tổng quát

Đối với bài toán thiết kế thực ra việc định ra trước các giá trị làm việ của hệthống là không hợp lý, vì rằng các thông số cấu trúc của hệ thống có mối quan hệ chặtchẽ với chế độ làm việc của nó và quy luật thay đổi của các biến vào X(t) Do đó, cầngiữ nguyên phương trình dạng tổng quát Tuy nhiên tìm nghiệm của dạng bài toán nàykhông đơn giản, không những do tính phức tạp của nó mà còn do sự bất định về mụcđích khai thác hệ thống nữa

2.4.2 Vấn đề thiết lập hàm mục tiêu và các ràng buộc của bài toán tối ưu

a Mục tiêu và hàm mục tiêu

Cần phân biệt khái niệm “mục tiêu” và “hàm mục tiêu”

- Mục tiêu khai thác hệ thống có thể được lượng hóa bằng một đại lượng nào đó.Cũng có thể không được lượng hóa Đại lượng dùng để lượng hóa mục tiêu có thểnhận các giá trị khác nhau, do đó có thể gọi là “mức” của mục tiêu đề ra Chẳng hạn

một kho nước được thiết kế tưới thì “tưới” là mục tiêu khai thác còn diện tích cần tướihoặc quá trình lượng nước yêu cầu tưới là mức đạt mục tiêu.

- Hàm mục tiêu là tiêu chuẩn đánh giá chất lượng đạt được mục tiêu đề ra vớimức đã định, cho nên trong nhiều tài liệu còn gọi là hàm tiêu chuẩn hoặc hàm chấtlượng Đối với bài toán tưới trên đây có thể có hai cách thiết lập hàm mục tiêu:

- Nếu yêu cầu về tưới W(t) đã định ta cần xác định cấu trúc và thông số cấu trúccủa hệ thống sao cho:

P{Wc(t) ≥ W(t)} ≥ [P]

Trong đó, P là ký hiệu xác suất, Wc(t) là lượng nước mà kho nước có thể đápứng với lượng nước đến khác nhau Biểu thức trên có nghĩa là xác xuất đảm bảo đủnước phải lớn hơn mức cho phép [P]

- Nếu W(t) chưa định trước, tức là diện tích cần tưới chưa định rõ ta có thể đặthàm mục tiêu theo dạng khác:

a Bài toán theo quan điểm kinh tế

Giả sử ta có một lượng nước hạn chế Q, cần phân phối cho n vùng sao cho tổnglợi ích mang lại là lớn nhất

Giả sử các vùng được nhận nước từ Q có thể là không đủ đáp ứng yêu cầu của

họ Trong trường hợp như thế, các vùng có thể khai thác nguồn nước tại chỗ của mình

và sắp xếp cơ cấu cây trồng hợp lý của vùng đó

buộc:





n j j

q Q

1

ích trong vùng của nó biểu thị bằng hàm mục tiêu:

Fi(qvj, sj, Aj)Trong đó:

sj – là vốn cần phải đầu tư bao gồm chi phí cho yêu cầu về nước, phân bón v.v

hợp bỏ hoang không canh tác vì không có lãi

Như vậy, giá trị tối ưu của hệ thống là làm cực đại hàm lợi ích:

F(q1, q2, …, qj,…,qn) =   



n j

j

j q B

1

đ/ha Yêu cầu về năng lượng, vốn và lao động cho 1 ha của hai vùng như sau:

6 max 15 10 x 20 10 x

Ràng buộc: 31x1  110x2  280 104

4 2

b Bài toán theo quan điểm tài chính

Bây giờ ta đặt bài toán phân phối nước trên đây theo quan điểm phân tích tài chính.Giả sử công ty thủy nông chỉ quan tâm đến lợi ích của công ty

Khi đó công ty sẽ phải giải quyết định giá nước bán cho các hộ dùng nước (cácvùng) sao cho tổng số tiền thu được là lớn nhất

Công ty cũng sẽ phải cân nhắc giá nước ấn định và số lượng nước có thể cấp đượccho từng vùng để thỏa mãn ràng buộc trên để lợi ích thu được là lớn nhất

j q R x

B

1Trong đó R là chi phí sản xuất Mục tiêu đạt được của công ty sẽ là cực đại giá trị

x*j, với j = 1,2,…,n là giá nước tối ưu

Ví dụ 2: Trên một dòng sông có hai trạm bơm tưới I và II Hai trạm bơm đó cungcấp nước cho 3 khu tưới A, B, C Lượng nước cần tối thiểu cho mỗi khu vực tưới làKhu A = Ma = 4 triệu m3, khu B: Mb = 8 triệu m3 Khu C: Mc = 6 triệu m3 Năng lựctưới của trạm bơm I là 12 triệu m3 và của trạm bơm II là 8 triệu m3 Giá tiền cấp 1m3nước cho các khu vực như sau:

Cách điều hành hai trạm bơm I và II cấp nước cho cả 3 khu vực để có chi phí nhỏ nhất

Giải:

Đặt x1, x2, x3 là số m3 nước của trạm I cung cấp cho các khu tưới A, B, C và x4,

x5, x6 là số m3 nước của trạm II cung cấp cho các khu tưới A, B, C

2.5 HỆ THỐNG CÁC QUAN ĐIỂM VÀ NGUYÊN LÝ TIẾP CẬN HỆ THỐNG

2.5.1 Hệ thống các quan điểm

(1) Lý thuyết phân tích hệ thống coi trọng tính tổng thể, đây chính là quan điểm

hệ thống, thể hiện tính biện chứng trong nghiên cứu hệ thống Xuất phát từ quan điểm

hệ thống, khi nghiên cứu một hệ thống cần xem xét các quy luật của hệ thống trongmối quan hệ tương tác giữa các thành phần cấu thành hệ thống và quan hệ của hệthống với môi trường tác động lên nó Quan điểm đó phải được lượng hóa bằng các

mô hình toán học mô tả các quá trình của hệ thống Động thái và xu thế phát triển của

hệ thống được xác định nhờ các mô phỏng, và qua đó có thể phát hiện các tác độnghợp lý lên hệ thống Sự phân tích hệ thống trong mối quan hệ tương tác giữa các quátrình trong hệ thống sẽ phát hiện tính “trồi”, mà nó không nhận biết được nếu chỉ phântích các quá trình riêng rẽ của hệ thống

Hình 2.8 Sơ đồ tổng quát quá trình tiếp cận hệ thống bằng mô hình mô phỏng

(2) Lý thuyết phân tích hệ thống thừa nhận tính bất định của hệ thống, bao gồmbất định về mục tiêu, bất định về sự trao đổi thông tin trong hệ thống, sự hiểu biếtkhông đầy đủ của người nghiên cứu về hệ thống và bất động do sự tác động ngẫunhiên từ bên ngoài.

(3) Với các hệ thống lớn, tồn tại nhiều mối quan hệ phức tạp liên quan đến nhiềulĩnh vực khác nhau Bởi vậy, LTPTHT tôn trọng và thừa nhận tính liên ngành Khinghiên cứu các hệ thống phức tạp như vậy, cần thiết có sự tham gia của nhiều ngànhkhoa học Trong quá trình nhận nghiệm phải xem xét đến quyền lợi của những đốitượng khác nhau và quan hệ qua lại giữa chúng trong hệ thống Nếu các quyết định chỉ

vì quyền lợi cục bộ thì trong quá trình phát triển của hệ thống, các quy luật được thiếtlập đối với hệ thống sẽ bị phá vỡ

(4) Thừa nhận tính bất định, LTPTHT chú trọng sự kết hợp giữa phương pháphình thức và phương pháp phi hình thức, kết hợp giữa phân tích toán học và kinhnghiệm và tôn trọng vai trò của tập thể trong nghiên cứu

2.5.2 Nguyên lý tiếp cận hệ thống

Đối với những hệ thống phức tạp do sự tồn tại các yếu tố bất định trong hệ thống,người nghiên cứu không thể ngay một lúc phát hiện hết được những tính chất của hệthống, cũng không thể dự báo ngay được xu thế phát triển của hệ thống Do đó, cácmục tiêu khai thác hệ thống cũng chỉ hình thành rõ nét sau khi thử phản ứng của hệthống bằng các kỹ thuật phân tích hợp lý Mô hình mô phỏng đóng vai trò đặc biệtquan trọng trong quá trình tiếp cận hệ thống

Trên hình vẽ trình bày sơ đồ tổng quát của quá trình tiếp cận hệ thống bằng cách

sử dụng mô hình mô phỏng Quá trình tiếp cận hệ thống theo sơ đồ này là quá trìnhtìm lời giải của hệ thống trên cơ sở liên tiếp làm rõ mục tiêu của khai thác hệ thống, vàxem xét sự cần thiết bổ sung thông tin về hệ thống

2.5.3 Ví dụ áp dụng

Trạm bơm N đã xây dựng có quy mô 4 máy bơm loại 0 6 – 87 với 6 khả năngthay đổi góc nghiêng cánh quạt

Hãy xác định góc xoay cánh quạt tối ưu trong quản lý vận hành trạm bơm

4.1 Nghiên cứu hệ thống công trình trạm bơm trên quan điểm điều hành hệthống

Trạm bơm là một bộ phận của hệ thống tưới tiêu Tuy vậy nó cũng có thể coi làmột hệ thống phức tạp vì có đủ các đặc trưng cơ bản của một hệ thống, đó là : Cónhiều bộ phận công trình liên quan chặt chẽ với nhau, có mục đích chung; có quan hệmật thiết với môi trường xung quanh (điều kiện sản xuất nông nghiệp)

Trong thực tế quản lí, các thông số của trạm bơm liên quan đến các điều kiện chỉ

ra trên hình 2-1

Ở đây : W : lưu lượng yêu cầu

T : thời gian làm việc của trạm bơm

n : Số máy bơm làm việc trong từng thời kỳ

Hđh : Cột nước địa hình

hms : Tổn thất thủy lực

Z1 : Mực nước bể hút

Z2 : Mực nước bể tháo

Hình 2.9 Các nhân tố tác động tương hỗ trong vận hành hệ thống trạm bơm.

Các điều kiện nêu trên có liên quan chặt chẽ với nhau Để trạm bơm làm việc tốtcần có quy trình vận hành tối ưu nhằm đảm bảo được mục tiêu đặt ra cho hệ thống vềtưới, tiêu, đồng thời, giảm tối đa chi phí cho quản lí

4.2 Phương pháp tìm chế độ tối ưu cho trạm

Ta biết rằng với máy bơm hướng trục có góc nghiêng cánh quạt thay đổi được thìvới một điều kiện cụ thể về mực nước bể hút, bể xả ta có các điểm công tác khác nhau,ứng với các góc cánh quạt khác nhau Vấn đề là tìm ra được chế độ làm việc tối ưu.4.2.1 Lựa chọn tiêu chuẩn của điều khiển :

Điều khiển tối ưu trạm bơm ở đây cần đảm bảo 2 điều kiện :

- Cung cấp đủ và kịp thời lưu lượng yêu cầu Q = 0

Chế độ làm việc của trạm bơm và lựa chọn chế độ tối ưu

năngcủa tb

của máy bơm Q,H,N, 

- Năng lượng tiêu thụ là tối ưu (tương ứng với Q = 0 và máy bơm làm việctrong vùng hiệu suất cao).

Trên hình 2-10 mô tả phương pháp lựa chọn tiêu chuẩn tối ưu, theo hình 2-10,với ví dụ về Wyc đã cho, lưu lượng máy bơm ứng với từng góc cánh quạt đã xác địnhbởi Hđh thì góc cánh quạt thích hợp là - 30 hay 00

Nếu kết hợp trạm bơm làm việc với 2 góc nghiêng cánh quạt này, với thời gianlàm việc tương ứng với góc cánh quạt -30 là t1 và góc 00 là t2, t1 + t2 = t thì ta có Q =

Qtb - Wyc = 0, năng lượng tiêu thụ khi đó sẽ là tối ưu Etu

Vậy tiêu chuẩn tối ưu cho điều khiển có thể viết

v = tổng số thời đoạn bơm

j = 1,23,… x = số hiệu góc cánh quạt của máy bơm

Hj,i;Qj,i : cột nước và lưu lượng của một máy bơm tương ứng với chế độ làm việc

ni : Số máy bơm làm việc trong từng thời kì

j,i : Hiệu suất của máy bơm

ti : Thời gian làm việc từng thời đoạn



-9

E [kWh]

Q W [m /s]

Hình 2.10 Nguyên lý chọn góc cánh quạt tối ưu

4.2.2 Mô hình toán chọn chế độ làm việc tối ưu của trạm bơm

Trên cơ sở mô hình toán đường đặc tính của máy bơm, áp dụng cho các trườnghợp quản lý trong thực tế về điều kiện nguồn nước, yêu cầu bơm nước từng thời kỳ,chế độ làm việc của trạm bơm được xác định theo mô hình toán sau đây :

Hj,i = aj + bj Qj,i + cjQj,i2 = Hđhi + K0(niQji)2 (3)

2 2

ni : số máy bơm làm việc trong từng thời kỳ

Z1,Z2 : Mực nước trước và sau trạm bơm

a0,b0,c0 : Hệ số của đường đặc tính   Q

Kết hợp với chỉ tiêu tối ưu (1) và (2) ta được mô hình toán xác định chế độ làmviệc tối ưu của trạm bơm

4.2.3 Thuật toán để lựa chọn chế độ tối ưu của trạm bơm

Trình tự tính toán tìm chế độ làm việc tối ưu của trạm bơm như sau:

1 Nạp số liệu: Gồm các thông số về số thời kỳ bơm nước, mực nước trước và sautrạm bơm, lưu lượng yêu cầu bơm từng thời kỳ; các số liệu về đường đặc tính máy bơm

2 Quá trình tính toán theo 2 vòng:

- Theo khả năng thay đổi góc nghiêng cánh quạt

Khi J>x, quá trình tính toán kêt thức và chuyển sang in kết quả ra bảng điều khiển.

Sơ đồ khối tính toán cho trên hình 2-3

Hình 2.11 Sơ đồ khối tính toán

Nếu xoay góc nghiêng cánh quạt hợp lý :

E = 2.441.660 Kwh

Năng lượng tiết kiệm được

E = 47.985 Kwh

Câu hỏi thảo luận:

Trên cơ sở áp dụng lý thuyết phân tích hệ thống vào hệ thống thực là hệ thống công trình trạm bơm, anh (chị) hãy đưa ra một trạm bơm cụ thể và phân tích Hãy đặt một bài toán về hệ thống đã chọn.

CHƯƠNG III XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ

3.1 MỞ ĐẦU

Các trạm bơm được xây dựng với các mục đích khác nhau và với những điềukiện khác nhau thì việc xác định các thông số tối ưu để dùng cho thiết kế và quản lý sẽkhác nhau

Có thể kể đến các loại trạm bơm sau đây :

1 Trạm bơm tưới áp lực thấp: sử dụng thích hợp cho điều kiện các vùng đồngbằng, các vùng đồi thấp Trạm bơm cung cấp nước cho một hệ thống các kênh dẫnnước tự chảy vào các ô ruộng

2 Trạm bơm tưới áp lực cao: Dùng để tưới cho các cây trồng cạn ở vùng đồi núi, cácvùng chuyên canh Mạng dẫn nước tưới là hệ thống ống dẫn có áp

3 Trạm bơm tiêu nước mặt cho các vùng đồng bằng

4 Trạm bơm tiêu nước ngầm dùng cho việc cải tạo đất phèn mặn hoặc cho câytrồng cạn

Các trạm bơm trên đều được xây dựng trong các điều kiện khác nhau về nguồnnước, về các đối tượng dùng nước, về các yếu tố địa hình địa thế và các yếu tố tựnhiên khác nhau

Các thông số thiết kế chủ yếu của trạm bơm bao gồm:

3.2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CHO TRẠM BƠM TƯỚI

3.2.1 Lưu lượng của trạm bơm

Là thông số quyết định quy mô trạm bơm lớn hay nhỏ do đó ảnh hưởng đến vốnđầu tư xây dựng công trình và thiết bị

Khi quyết định lưu lượng thiết kế cho một trạm bơm cần xem xét hai điều kiệnchi phối chủ yếu sau:

1 Nhu cầu dùng nước tức lượng nước cần để tưới và của các hộ dùng nước khác ởnông thôn

2 Điều kiện nguồn nước : Điều kiện về mực nước và lưu lượng có khả năng cungcấp

Từ 2 điều kiện trên dẫn đến các trường hợp sau :

* Nguồn nước phong phú mà diện tích cần nước để khai thác cũng lớn Trongtrường hợp này cần có một quy hoạch tổng thể để xác định quy mô các trạm bơm saocho khai thác được tối đa diện tích mà chi phí xây dựng trạm nhỏ nhất và năng lượngtiêu hao ít nhất hiệu ích kinh tế lớn nhất.

* Nguồn nước phong phú nhưng diện tích cần nước để khai thác quá ít Trongtrường hợp này lưu lượng trạm bơm là không hạn chế nhưng mục tiêu phải là hiệu quảsản xuất lớn nhất Để quyết định được quy mô tối ưu của trạm bơm cần tính toán đầy

đủ nhu cầu dùng nước tức là có một quy hoạch sản xuất để khai thác tối đa đất đai

* Nguồn nước hạn chế và diện tích cần tưới ít Trường hợp này là trường hợpvùng ven các suối nhỏ Ở đây mục tiêu là việc sử dụng nước hợp lý nhất cho được sảnlượng cao nhất

* Nguồn nước hạn chế mà diện tích cần khai thác lớn : Đây là trường hợp củakhu vực thiếu nước Vấn đề quan trọng là có một quy hoạch cây, con, mùa vụ thíchhợp để xác định nên một nhu cầu dùng nước tối ưu từ đó xác định quy mô trạm bơm.Hai trường hợp sau thường là các sông nhỏ, các sông ven biển, ảnh hưởng triềumặn, khi quyết định một lưu lượng thiết kế trạm bơm phải đảm bảo không làm ảnhhưởng đến sinh thái vùng hạ lưu như thiếu nước sinh hoạt cho dân ở hạ lưu, giảm mựcnước ngầm làm cho mặn dâng cao lên trong sông…

Như vậy với các điều kiện trên thì lưu lượng thiết kế có thể bằng hoặc nhỏ hơnlưu lượng yêu cầu tưới Việc xác định lưu lượng thiết kế trạm bơm tưới dựa vào biểu

đồ lưu lượng yêu cầu xác định từ hệ số tưới, diện tích và các chỉ tiêu dùng nước khác.Bình thường thì lưu lượng thiết kế của trạm bơm có thể chọn với lưu lượng lớn nhấtxuất hiện với thời gian khá dài (với t  20 ngày)

Trong trường hợp đó lưu lượng thiết kế

Qtk = max

d

q F

thì quy mô trạm bơm và năng lượng tiêu thụ hàng năm tăng lên lớn hay nhỏ đều phụthuộc vào tổn thất nước ở mạng kênh Ví dụ nếu kênh đất hệ số lợi dụng kênh mươngchỉ trong vòng 0,7 thì kênh xây có thể đạt đến 0,95, như vậy quy mô trạm bơm vànăng lượng tiêu hao của mạng kênh xây so với kênh đất sẽ giảm đi còn khoảng 3/4 lần.Với công trình tưới bằng động lực thì đây là một con số đáng kể Vì vậy khi xác địnhqui mô trạm bơm cần xem xét một cách toàn diện cả hệ thống Sự tăng lên của khốilượng xây dựng kênh xây sẽ giảm nhỏ đáng kể qui mô trạm bơm và công suất tiêu thụ

3.2.2 Cột nước tưới thiết kế.