bài giảng cơ sở khoa học nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng động lực

- Lý thuyết phân tích hệ thống - Lý thuyết tối ưu - Lý thuyết về thủy lực và cơ chất lỏng - Các phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý… Cuốn sách này giúp người đọc nâng cao một số kiến t

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 - 2013

Song song với các trạm bơm tưới tiêu có áp lực thấp xây dựng chủ yếu ở các vùng đồng bằng, các trạm bơm áp lực cao dùng để tưới cho các vùng đồi, cây chuyên canh, sử dụng các kỹ thuật tưới phun, tưới gốc…., các trạm bơm cấp nước cho các khu 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

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, cánh hướng 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 trạm bơm 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 hệ thống tưới tiêu cấp nước bằng động lực

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

- Lý thuyết phân tích hệ thống

- Lý thuyết tối ưu

- Lý thuyết về thủy lực và cơ chất lỏng

- Các phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý…

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

• Máy bơm cánh quạt là máy bơm có bánh xe công tác (BXCT) gắn cnh quạt v khi BXCT quay sẽ truyền năng lượng cho chất lỏng

• Đây là loại máy bơm được dng phổ biến nhất và được nghin cứu đầy đủ nhất

Máy bơm cánh quạt được phn ra thnh 3 loại theo hướng của dịng chảy chuyển động trong máy bơm so với trục bơm:

- M¸y b¬m ly t©m

- M¸y b¬m hưíng trơc

- M¸y b¬m hưíng chÐo

Đặc tính công tác của mỗi loại máy bơm biểu thị bằng các đường đặc tính máy bơm Đường đặc tính máy bơm là đường quan hệ giữa các thông số cột nước H, công suất N, hiệu suất và đặc tính hút (Độ cao chân không cho phép, độ cao hút cho phép hoặc độ dữ khí thực) 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 đường đặc tính gồm H = f(Q), η = f(Q), N = f(Q), ∆H(NPSH) = f(Q) (hoặc [HCK] = f(Q))

Họ đường đặc tính này có dạng khác nhau tùy theo loại khác nhau của máy bơm cánh quạt Máy bơm cánh quạt có 3 loại :

B' C'η

Q

Η Ν

η=f(Q)

Ν=f(Q)

Η=f(Q) η

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

Hình1 : Dạng đường đặc tính máy bơm cánh quạt

* Máy bơm ly tâm, là loại máy bơm truyền lực ly tâm cho chất lỏng, có hệ

số tỷ tốc nS ≤ 300 Họ đường đặc tính bơm ly tâm biểu thị ở hình 1-1a Dạng đường H = f(Q) có dạng cong trơn, phạm vi hiệu suất cao rộng, Đường N = f(Q) tăng dần theo lưu lượng

Máy bơm hướng trục truyền lực nâng cho chất lỏng có nS≥ 500 có họ đường đặc 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 η = 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 tâm và lực nâng, hệ số tỷ tốc nS = 300 ÷ 500 Các dạng đường đặc tính đều nằm trung 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

1.1.2 Sự tương tự của đường đặc tính máy bơm

Việc xác định các đường đặc tính máy bơm bằng lý thuyết có rất nhiều khó khăn Vì vậy hiện nay để có các đường đặc tính mỗi loại máy bơm đều dựa vào kết quả thí nghiệm đồng thời dùng phương pháp tương tự và phân tích thứ nguyên làm cơ sở để tổng hợp phát triển kết quả thí nghiệm

Phương pháp tương tự và thứ nguyên cho ta tìm được các quy luật quan hệ giữa cột nước H = f(Q,n,D), công suất N = f(Q,n,D) với lưu lượng Q, số vòng quay n và đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D, khi đồng dạng hình học giữa 2 máy bơm đã được xác lập, tức là tỷ số kích thước hình học của hai bộ phận dẫn dòng của 2 máy bơm luôn luôn không thay đổi ( 1 1

l D

const

l = D = )

Với một máy bơm (D = const) lưu lượng Q và số vòng quay n là đại lượng xác định chế độ làm việc của bơm; Tính chất của chất lỏng được biểu thị bằng mật độ ρ và hệ số nhớt µ Đối với chất lỏng là không nén được, sự chuyển động của chất lỏng trong máy bơm có thể được xác định bằng các thông số có thứ nguyên D,Q,n,ρ,µ

Cột nước H do bơm tạo ra cho chất lỏng và công suất N biểu thị qua mô men quay M được xác định bởi dạng chuyển động của chất lỏng trong bánh xe cánh quạt, do đó nó sẽ được xác định bởi các thông số có thứ nguyên nêu trên

Công thức thứ nguyên của các thông số trên :

Tổ hợp thứ nhất có dạng của số Raynôn và tổ hợp thứ hai có dạng số Strukhan

Ta có đại lượng thứ nguyên của mô men quay ( ; )

3 2

Q

nD Q

Q f n

µ

ρ ρ

D Q

ρ µ

Đại lượng không thứ nguyên của cột nước có thể xác định bằng tỷ số :

1 Hai máy bơm đồng dạng hình học

2 Đảm bảo quan hệ nD3 const

Q =

1 5 1 2 1

2 1 2 2 2

1 2 1 2 1

2 1 2 3 2 1 3 1 2 1

c c t t d d

n D

n D N N

n D

n D H H

n D

n D Q Q

η η η η η η

=

=

=

1.1.3 Đường đặc tính tổng hợp máy bơm

Với cùng một máy bơm thì 1

H Q Q

Từ các kết quả thí nghiệm máy bơm ứng với số vòng quay cho trước có thể vẽ lại đường đặc tính khi số vòng quay thay đổi Và ta có đường đặc tính tổng hợp của máy bơm (hình 1 – 2) Đường đặc tính tổng hợp máy bơm có được bằng cách trên cùng một đồ thị vẽ các đường đặc tính Hi = f(Q) ứng với số vòng quay ni = const và đường đẳng hiệu suất η

80 40

n=960 v/ph

750 600

500

Hình 2: Đường đặc tính tổng hợp máy bơm

Xác định các đường đặc tính của một máy bơm bằng thí nghiệm thường

có những khó khăn và tốn kém Vì vậy khi đã có một đường đặc tính với một số vòng quay nào đó người ta có thể mở rộng phạm vi hoạt động của bơm ứng với

các số vòng quay cần thiết và hiệu suất của máy bơm sẽ đạt được ứng với một giá trị cột nước và lưu lượng

Đường đặc tính tổng hợp máy bơm xác định bằng các công thức đồng dạng trên đây sẽ có mức độ chính xác cần thiết vì trong điều kiện mô hình tự động thì hiệu suất thủy lực, hiệu suất dung tích và hiệu suất cơ khí trong bơm sẽ giữ không đổi trong giới hạn rất rộng và được sử dụng phổ biến trong xác định điểm làm việc của bơm điều tốc, ứng dụng biến tần để thay đổi vòng quay của bơm

1.1.4 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, máy bơm sẽ làm việc trong chế độ thuận nghịch

Đường đặc tính toàn phần của một máy bơm biểu thị tính năng máy bơm trong các trạng thái công tác quá độ đó

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

và mô men quay so với chế độ định mức (ứng với ηmax)

Quan hệ giữa các hệ số trên được biểu thị trên hệ tọa độ hình (1.3) và gọi là đường đặc tính toàn phần của máy bơm

C D E F

G

50 100 150

h=0m=

Bơm thuận chiều : H>0, Q>0;

Tự chảy qua máy bơm Q>0, H<0 Chảy 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 thuận chiều (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 này bơm 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 làm việc ở trạng thái hãm tiêu hao năng lượng ở dòng chảy và cả động cơ (Từ trạng thái 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 động ngược (kết thúc trạng thái bơm quay ngược bắt đầu chuyển sang trạng thái tự chảy qua bơm)

6 Khu F có n < 0 nhưng Q > 0, H < 0 và M < 0 thuộc trạng thái hãm (hãm chảy ngược 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 bin chuyển 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 qua bơm, chuyển sang bơm thuận chiều)

1.1.5 Số học hóa đường đặc tính máy bơm

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

Có thể biểu thị các đường đặc tính H = f(Q), [HCK] = f(Q) và N = f(Q) dưới dạng đường cong bậc 2 Theo E.A.Grepera thì sai số về lưu lượng không quá 6% và cột nước không quá 3%

Các phương trình như sau :

Chẳng hạn muốn tìm a0, a1, a2 ta lấy 3 điểm bất kì trên đường H ∼ Q, tìm tọa độ được hệ 3 phương trình với 3 ẩn số a0, a1, a2 Giải hệ 3 phương trình này

ta được a0, a1, a2 Thông số điều chỉnh ở đây là góc nghiêng cánh quạt hoặc các vòng quay khác nhau

Chẳng hạn nếu máy bơm hướng trục có 6 khả năng thay đổi góc nghiêng cánh quạt 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)

Ngoài phương pháp số học hóa, để giải trên máy tính, có thể cho bằng bảng các đường đặc tính của máy bơm

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

là điểm công tác máy bơm

Điểm công tác máy bơm là điểm gặp nhau giữa hai đường : đường đặc tính máy bơm H = f(Q) và được đặc tính yêu cầu : Hyc

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 máy bơm và năng lượng yêu cầu ở môi trường sử dụng 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 :

1.2.2 Máy bơm làm việc song song

Có n máy bơm làm việc song song cùng làm việc chung với một đường ống (hình 1.5)

+ Hệ thống làm việc cân bằng khi :

ti

V V

h g

−

−

Trong đó :

- 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

- hti : Tổn thất của đường ống máy bơm i từ bể hút đến M

- Hi : Cột nước bơm máy i

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

Trong đó :

- PN, ZN, VN áp lực, cao trình, lưu tốc của mặt cắt cuối cùng của hệ thống (mặt nước bể tháo)

Mn M

Q Q

Hình 5 : 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 tính yêu 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 nhiều máy bơm (hình 1- 6)

Có n máy mắc nối tiếp :

H1 = f1(Q)

H2 = f2(Q)

…

Hn = fn(Q) Thì :

Câu hỏi thảo luận

1 Với trạm bơm cụ thể (máy bơm đã xác định : số máy, loại máy Hình thức công trình đã xác định) Để nâng cao hiệu quả phục vụ của các trạm bơm thì biện pháp quản lý phải thế nào?

2 Các yêu cầu cần đạt được khi điều chỉnh điểm công tác của máy bơm (nói chung và nói riêng với trạm bơm làm nhiệm vụ tưới, tiêu) Các phương pháp điều chỉnh điểm công tác của máy bơm trong hệ thống

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT PHN TÍCH HỆ THỐNG V ỨNG DỤNG

2.1 HỆ THỐNG VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ THỐNG

2.1.1 Định nghĩa

Hệ thống l một tập hợp cc phần tử được sắp xếp theo một trật tự nào đó,

có mối tác động tương tác lẫn nhau tạo thnh một tập hợp đầy đủ

Hệ thống cơng trình trạm bơm l một tập hợp cc phần tử: nguồn nước -> trạm bơm -> knh v cơng trình trn knh -> khu tưới; cĩ mối tác động tương hỗ lẫn nhau thnh một tập hợp đầy đủ lm nhiệm vụ đặt ra (tưới, tiu, kết hợp tưới tiu)

2.1.2 Các đặc trưng của hệ thống

1 Cấu trc hệ thống

Cấu trc hệ thống l sự sắp xếp cc phần tử trong hệ thống theo một trật tự

nào đó cùng với các tác động tương tác giữa chng Cấu trc của hệ thống được

mơ tả ty thuộc vo mục đích nghiên cứu của hệ thống Một hệ thống thực, nhưng mục đich nghiên cứu khc nhau sẽ cĩ sự mơ tả cấu trc khc nhau Mỗi thnh phần tham gia vo cấu trc của hệ thống được đặc trưng bởi tham số nào đó gọi l tham

số cấu trúc Như vậy, nói đến cấu trúc có nghĩa là đ kể đến những tham số đặc trưng cho cấu trc v mối quan hệ qua lại giữa cc thnh phần của cấu trc ấy

Cc thơng số về cấu trc của hệ thống bao gồm: Nhiệm vụ trạm bơm, quy

mơ trạm bơm, vị trí đặt trạm bơm, kết cấu nh trạm, chủng loại my bơm, diện tích khu tưới, kích thước mặt cắt knh, chiều dài kênh, đặc điểm v số lượng cc cơng trình trn knh

2 Thơng tin vo, ra của hệ thống

Cĩ thể định nghĩa như sau:

- Thơng tin vo của hệ thống l tập hợp tất cả các “ tác động” vo hệ thống

để nhận được cc thơng tin ra của hệ thống

- Thơng tin ra của hệ thống l tập hợp tất cả những đặc trưng mà người nghin cứu quan tâm khi có tác động tương ứng ở đầu vo

Như vậy, lựa chọn thơng tin vo, ra cũng phụ thuộc vo mục tiu nghin cứu Nĩi tĩm lại ci gì cần quan tm ta coi đó là thông tin ra, cịn ci gì lm thay đổi thông tin ra được coi l thơng tin vo của hệ thống

+ Cc thơng tin vo của hệ thống trạm bơm bao gồm: các điều kiện khí tượng thủy văn; nguồn nước; nhu cầu nước; loại cy trồng; cơ cấu cy trồng; tập qun canh tc; gi thnh sản phẩm

+ Cc thơng tin ra của hệ thống trạm bơm bao gồm: quy trình điều khiển; quản lý; vận hnh hệ thống nh trạm bơm knh; cơng trình trn knh; cc chỉ tiu kinh

tế, kỹ thuật

- Các thông tin vào và ra được đặc trưng bởi một đại lượng nào đó có thể coi l cc biến v gọi l biến vo, biến ra Nếu các đại lượng này là các đại lượng phụ thuộc vo thời gian gọi l cc qu trình vo, ra hoặc l cc hm vo, ra của hệ thống

- Cc biến vo của hệ thống bao gồm cả cc biến điều khiển được v cc biến không điều khiển được Ví dụ, khi vận hnh một trạm bơm tiêu, quá trình mưa, bốc hơi là các biến vào không điều khiển được, lưu lương bơm qua trạm bơm tiêu là biến vào điều khiển được Biến ra của hệ thống cĩ thể l qu trình năng lượng tiu hao cho trạm bơm tiêu là hàm của cc biến vo, cũng cĩ thể l sự biến đổi

mực nước trong khu tiu

3 Trạng thi của hệ thống v biến của trạng thi

Trạng thi của hệ thống l một đặc trưng quan trọng của bài toán điều khiển

hệ thống Với tác động từ bn ngồi hệ thống sẽ “chuyển động” theo một quỹ đạo biến đổi theo thời gian Quỹ đạo chuyển động của hệ thống tại thời điểm bất kỳ phụ thuộc vo trạng thi của nĩ ở thời điểm trước đó và những tác động từ bn ngồi

ở chính thời điểm đó Hệ thống m trạng thi của nĩ ở một thời điểm nào đó không những phụ thuộc vào tác động từ bn ngồi ở chính thời điểm đó, mà cịn phụ thuộc vo trạng thi của nĩ ở những thời điểm trước đó gọi l hệ thống cĩ nhớ Đối với hệ thống cĩ nhớ người ta đưa vào một loại biến đặc trưng cho trạng thi của

nĩ, gọi l biến trạng thi Biến trạng thi l một hm của thời gian

Trong trường hợp m trạng thi của hệ thống chỉ phụ thuộc vào tác động bn ngồi ở chính thời điểm đó gọi l hệ thống khơng cĩ nhớ thì việc mơ tả thm biến trạng thi l khơng bắt buộc

Sự mơ tả hệ thống trình by trn đây cần được hiểu nghĩa đầy đủ theo ý nghĩa tốn học của nĩ, tức l sự mơ tả biến vo, biến ra của hệ thống cĩ thể khơng trng với “ ci vo”, “ci ra” của hệ thống thực Như vậy, cng một hệ thống thực nhưng mục đích nghiên cứu khc nhau thì sự mơ tả hệ thống, bao gồm cc biến ra

v biến trạng thi cũng khc nhau

Khi mơ tả hệ thống, điều quan trọng nhất của người lm hệ thống l phải xác định được đâu là biến vo, biến ra và đặc trưng nào là biến trạng thi Ngồi ra,

cũng phải mơ phỏng được qu trình trao đổi thơng tin giữa cc thnh phần trong hệ thống, quan hệ giữa biến vo, biến ra v biến trạng thi

2.1.3 Phn loại hệ thống

Phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống, mục đích nghiên cứu m cĩ cch phn loại khác nhau Dưới đây là một số loại hệ thống đặc trưng:

- Hệ thống với mơ hình vo, ra:

Loại ny khơng cho biết cấu trc bn trong của hệ thống m chỉ cho biết quan

hệ tương tác giữa cc biến vo v biến ra Hệ thống loại ny cĩ tn l “ hộp đen” (hình trn)

Đối với hệ thống trn, biến vo v biến ra cĩ thể l hm của thời gian Cch mơ

tả ny phụ thuộc loại hệ thống khơng cĩ nhớ, tức l kết quả ở đầu ra tại một thời điểm chỉ phụ thuộc vào tác động tại đầu vo ở chính thời điểm đó

Quy trình sản xuất sản phẩm khp kín l loại hệ thống ny Với đầu vào quy định về vật liệu, thnh phần v quy trình cơng nghệ xác định ra được sản phẩm như tiu chuẩn

- Hệ tĩnh v hệ động:

Hệ tĩnh l hệ m cc khơng gian biến của hệ thống khơng phải l hm của thời gian Hệ động l hệ cĩ chứa biến trạng thi v cc biến vo, biến ra đều l hm của thời gian Hệ tĩnh là trường hợp ring của hệ động khi cc hm thời gian được lấy bình qun trong một khoảng thời gian nào đó

- Hệ có điều khiển v hệ không có điều khiển

- Hệ thống cĩ mơ tả cấu trc bn trong – Hộp trắng:

Khc với loại hộp đen các hệ thống loại hộp trắng cĩ thm cc biến trạng thi Việc đưa vào không gian biến trạng thái giúp ta phân tích được “quỹ đạo chuyển động” của hệ thống hoặc đoán biết được xu hướng pht triển của hệ thống trong tương lai Do đó người nghin cứ định hướng được các tác động vo hệ thống để đạt được mục tiu mong muốn

Cấu trc bn trong của hệ thống cịn phải được mơ tả bằng cc biến gọi l thơng số cấu trc, vì rằng cc thơng số ny sẽ quyết định sự truyền thơng tin từ đầu vào đến sự thay đổi trạng thi v cc phản ứng ở đầu ra

Một hệ thống m mối quan hệ giữa biến vo, biến ra v biến trạng thái được

mơ tả một cch chặt chẽ bằng cc biểu thức tốn học gọi l hệ cĩ “cấu trc chặt”, ngược lại l hệ thống “phi cấu trc”, loại hệ thống có đặc tính trung gian gọi l hệ thống cĩ “ cấu trc yếu”

Hệ thống không có điều khiển l hệ m cc thơng tin vo khơng chứa cc biến điều khiển được, ngược lại l hệ có điều khiển Nĩi chung, biến điều khiển v biến trạng thi l cc biến độc lập nhau, nhưng trong một số trường hợp, biến trạng thi cũng chính l biến điều khiển

- Hệ thống trạm bơm thuộc loại ny Cấu trc bn trong hệ thống được mơ tả bằng cc biến gọi l thơng số cấu trc như: chủng loại my bơm, kết cấu nh trạm, ống ht, ống đẩy

Đối với cc hệ thống điều khiển cĩ mối lin hệ ngược, cĩ thể chia ra lm 2 loại:

- Hệ thống điều khiển bn tự động (hình vẽ) l hệ thống m khi xử lý thơng tin v điều khiển được thực hiện trực tiếp bởi người điều khiển Người điều khiển trực tiếp quan st phản ứng của hệ thống (cĩ thể cĩ sự tham gia của máy tính điện tử) Sau khi phân tích, so sánh người điều khiển trực tiếp ra quyết định và điều hnh hệ thống điều khiển

Một hệ thống m qu trình điều khiển hồn tồn được tự động hóa được gọi là điều khiển tự động Trong trường hợp này người điều khiển chỉ can thiệp vo qu trình điều khiển ở khu lập chương trình điều khiển Qu trình điều khiển được thực hiện tự động khơng cĩ sự can thiệp của con người Trình tự thực hiện qu trình điều khiển được mơ tả trn hình vẽ

- Hệ tất định v hệ ngẫu nhin

Hệ tất định l hệ m cc biến vo, biến ra, cc rng buộc v mối quan hệ giữa cc phn tử trong hệ thống l những hm tất định Một trong những biến trn l hm ngẫu nhin ta gọi l hệ ngẫu nhin

Cc biến vo hệ thống (cc biến không điều khiển được) l ngẫu nhin ta gọi l

“nhiễu” Cc hệ thống nguồn nước đều l hệ ngẫu nhin

Cần phn biệt khi niệm tất định v ngẫu nhin trong mơ tả hệ thống với khi niệm mơ tả tốn học như mô hình tất định, mơ hình ngẫu nhin Một hệ thống ngẫu nhin cĩ thể mơ tả bằng mơ hình tất định hoặc mơ hình ngẫu nhin

- Hệ thống trong đó bao gồm cc hệ thống con

Một hệ thống cĩ thể phn chia thnh cc hệ thống con Sự phn chia hệ thống lớn thnh cc hệ con ty thuộc vo kích cỡ, đặc th của hệ thống và các phương pháp phân tích được p dụng đối với hệ thống đó

Hệ thống trạm bơm cũng bao gồm cc hệ thống con Chẳng hạn bản thn nh

my bơm l một hệ thống con, gồm cc phần tử gắn kết với nhau theo một trật tự xác định, hoạt động thống nhất: my bơm, động cơ, thiết bị dịng điện, ; Cống lấy qua đê có hệ thống điều khiển mực nước bể ht trạm bơm tưới trong đê

Hệ thống phn chia theo cấu trc độc lập

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

- Mục tiêu khai thác, điều khiển đối với hệ thống chưa xác định, cc mục tiu ny sẽ được hình thnh trong qu trình tiếp cận hệ thống Cũng cĩ thể mục tiêu đối với hệ thống đ được dự kiến khi thiết kế, điều khiển hoặc khai thc hệ thống Nhưng các mục tiêu ban đầu được đặt ra khơng thể đạt được, hoặc l bị sai lệch

do không có đủ thơng tin về hệ thống Đây là bài toán điều hnh với mục tiêu được điều chỉnh theo kết quả vận hnh của thời gian trước đó

- Đa mục tiêu đối với hệ thống trong qu trình thiết kế và điểu khiển nó, đặc biệt trong trường hợp cc mục tiêu điều khiển v khai thc mu thuẫn nhau Chẳng hạn, đối với kho nước lm hai nhiệm vụ phịng lũ và phát điện

Bất định về thơng tin:

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

- Thiếu cc thơng tin về hệ thống: thơng tin vo, cấu trc của hệ thống, cc ti liệu quan trắc cần thiết về hệ thống v.v

- Sự hiểu biết không đầy đủ của người nghin cứu đối với hệ thống: khơng nắm được cc quy luật vật lý của hệ thống, không có đủ thơng tin cần thiết đối với hệ thống v.v

- Tồn tại những yếu tố ngẫu nhin bao gồm: các thông tin vào là các đại lượng hoặc cc qu trình ngẫu nhin, cc tc động ngẫu nhin của môi trường, hoặc cc sai lệch trong thiết kế và điều khiển hệ thống Hệ thống trạm bơm cĩ yếu tố khí tượng, thủy văn là ngẫu nhin nn thuộc loại ny

- Sự mơ tả hệ thống, đặc biệt l mơ tả tốn học, khơng thể thực hiện được

do sự phức tạp của hệ thống hoặc do những hạn chế về kỹ thuật mơ phỏng

Đối với hệ thống bất định, cần tun thủ nguyn tắc tiếp cận từng bước, v cần đánh giá độ tin cậy của cc quyết định đối với hệ thống trong qu trình thiết kế và điều khiển nĩ

2.2 CC BI TỐN CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG V HỆ THỐNG CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ

2.2.1 Các bài toán cơ bản về hệ thống

Trong thực tế, khi nghin 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 tiu kỹ thuật, kinh tế v.v

- Điều khiển hệ thống để đạt được yu cầu khai thác đ xc định

- Pht triển hệ thống, tức l nghin cứu chiến lược pht triển của hệ thống trong tương lai

Với hệ thống trạm bơm thường gặp hai bi tốn cơ bản l thiết kế hệ thống và điều khiển hệ thống

Trong bi tốn thiết kế hệ thống thường đ xem xt cc phương án điều khiển khi hệ thống đ được thiết lập Trong một số trường hợp (trong đó có hệ thống nguồn nước), điều khiển hệ thống ở giai đoạn thiết kế thường mới được nghin cứu sơ bộ trên cơ sở xem xt một số phương án điều khiển Bi tốn pht triển hệ thống l bi tốn bắt buộc phải giải quyết khi việc hình thnh hệ thống trong tương lai kéo dài trong nhiều năm

2.2.2 Hệ thống chỉ tiêu đánh giá

Khi phn tích hệ thống trong điều khiển, điều khiển hoặc pht triển hệ thống, cần phải xác định mục tiu của nĩ Mục tiêu đối với hệ thống chưa được xác định thì khơng thể nói là “bài toán” được Mục tiu khai thc hệ thống được

mơ tả và lượng hĩa bằng một hoặc hệ thống chỉ tiêu nào đó, mà nó phản nh được

mục tiu nghin cứu hoặc khai thc hệ thống Hệ thống chỉ tiêu đó gọi l hệ thống chỉ tiêu đánh giá Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được lượng hĩa theo những dạng

rất khc nhau, cĩ thể khi qut một số dạng cơ bản như sau:

- Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được mơ tả bằng một hoặc một số hữu hạn các đẳng thức hoặc bất đẳng thức Cc biểu thức đó được viết đối với hm ra của

hệ thống Y(t), trong đó Y(t) được xác định bởi mơ hình mơ phỏng hệ thống

- Hệ thống chỉ tiêu đánh giá là một hoặc một số hữu hạn cc hm số m nĩ cần lm cực trị, cĩ dạng:

( )Y → max( )min

F j với j = 1, hoặc với j = 1 ,m

Cc hm Fj(Y) trong trường hợp này được gọi l hm mục tiu

* Xét bài toán xác định quy mơ hợp lý của trạm bơm tưới vùng đồng bằng sơng Cửu Long Chỉ tiêu đánh giá ở đây là kinh tế, kỹ thuật với tổng chi phí, xy

dựng v quản lý v nhỏ nhất Vì cc trạm bơm cĩ cột nước, lưu lượng yu cầu khác nhau, thay đổi theo quy mơ trạm bơm (tập trung hay phn tn) cho nn chỉ tiu so snh hợp lý nhất ở đây cho các phương n về quy mơ l gi thnh một tấn mt nước bơm ln CE

P: Tỷ lệ % để tính khấu hao hồn vốn v sửa chữa

K: Tổng vốn đầu tư xy dựng cơng trình

Chỉ tiêu đánh giá là: CE -> min

2.3 PHƯƠNG PHP MƠ PHỎNG TRONG PHN TÍCH HỆ THỐNG

Việc ứng dụng cc mơ hình tối ưu trong thiết kế và điều khiển hệ thống cĩ những hạn chế, và do đó làm giảm hiệu lực trong phn tích lựa chọn nghiệm Những hạn chế của nĩ bao gồm:

- Cc mơ hình tối ưu thường được thiết lập sao cho nĩ cĩ thể đưa về một số dạng chuẩn tắc, mà các phương pháp toán học hiện hnh cĩ thể giải được Muốn vậy cần thực hiện một số php giản hĩa hoặc cc giả thiết Do vậy, mặc dù các phương pháp tối ưu cho lời giải đẹp đẽ, nhưng có thể khơng phản ánh đầy đủ cc trạng thi thực, trong một số trường hợp bản chất vật lý của cc qu trình trong hệ thống bị sai lệch

- Đối với cc hệ thống lớn v phức tạp, cơng cụ tối ưu hóa tỏ ra bất lực v khơng thể tìm được nghiệm Trong một số trường hợp, cc mơ hình tối ưu cho nghiệm không đúng thậm chí khơng chấp nhận được Do hạn chế của các phương pháp tối ưu, một số bi tốn cĩ cực trị địa phương, do vậy cĩ thể khơng nhận được tối ưu mong muốn

- Đối với cc hệ thống bất định, đặc biệt l sự bất định về mục tiu, khơng phải ngay từ đầu, cc mục tiu khai thc hệ thống đ được xác định, trong trường hợp như vậy phương pháp tối ưu không thể p dụng được Một số trường hợp

khc, bi tốn phn tích hệ thống khơng thể hoặc khơng cần thiết đưa về dạng một bi tốn tối ưu

Trong những trường hợp như vậy, để khắc phục những hạn chế của phương pháp tối ưu hóa, người ta p dụng các phương pháp mô phỏng, một phương pháp rất đặc th v cĩ hiệu lực của LTPTHT

- Phương pháp mô phỏng là phương pháp sử dụng cc mơ hình mơ phỏng

để đánh giá chất lượng của hệ thống khi thiết kế và điều khiển nĩ Sự phn tích chất lượng của hệ thống được tiến hnh bằng cách đưa ra tất cả những tình huống hoặc phương án có thể v phn tích tất cả cc phản ứng của hệ thống mà ta quan tâm tương ứng với cc tình huống đặt ra Theo sự phân tích đó người nghin cứu lựa chọn nghiệm của bi tốn trong số cc tình huống đ đặt ra Như vậy, phương pháp mô phỏng chỉ tìm nghiệm trong tập hữu hạn cc tình huống, bởi vậy nghiệm của bi tốn cĩ thể khơng trng với nghiệm tối ưu Cũng vì vậy, nghiệm của bài toán được gọi l lời giải hợp lý chứ khơng gọi l lời giải tối ưu Chất lượng hệ thống được đánh giá bằng hệ thống chỉ tiêu đánh giá Các hàm mục tiu thiết lập cho phương pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng cĩ dạng tương tự nhau hoặc cĩ dạng khác nhau, nhưng hệ thống chỉ tiêu đánh giá được dựa vào như nhau đối với hm mục tiu Sự khc biệt của hai phương pháp này ở chỗ:

- Phương pháp mô phỏng khơng giải bi tốn tối ưu mà chỉ tìm cc gi trị khả

dĩ chấp nhận được đối với hm mục tiu

- Vì phương pháp tối ưu có những hạn chế về phương pháp nhận nghiệm, bởi vậy cĩ thể cĩ sự giản hĩa trong mơ phỏng đối với cc qu trình của hệ thống, trong khi đó các mô phỏng đó được mơ tả chi tiết hơn khi sử dụng phương pháp

mô phỏng

Trong thực tế, do những hạn chế của các phương pháp giải, cc bi tốn tối

ưu có thể dẫn đến những sai lệch so với thực tế Bởi vậy, phương pháp mô phỏng cịn được sử dụng để kiểm tra những kết quả nhận được từ phương án tối

ưu Như vậy, phương pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng thường được kết hợp để phn tích lời giải tối ưu của bài toán đặt ra Trn hình vẽ là sơ đồ kết hợp của hai phương pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng Mối quan hệ giữa cc khối trong khối mơ phỏng được thể hiện bằng các mũi tên đ chỉ ra trn hình

Đánh giá chất lượng hệ thống theo sơ đồ ny cĩ thể được thực hiện bằng

mơ hình tối ưu hóa, nhưng sau đó phải kiểm định bằng phương pháp mô phỏng

Sơ đồ gồm cc phần chính:

- Mơ hình ton hệ thống: l mơ hình mơ phỏng cc qu trình trong hệ thống bao gồm: cc qu trình vật lý, sự trao đổi thơng tin trong hệ thống v quan hệ giữa

hm vo v hm ra của hệ thống Thnh phần mơ hình ny l chung cho cả phương pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng

- Mơ hình tối ưu được thiết lập cho bi tốn tối ưu hóa, hàm ra của hệ thống

l hm mục tiêu, trong đó có chứa cc thơng số của hệ thống và các đầu ra của khối

mơ hình tốn

- Khối mơ hình mơ phỏng mơ tả quan hệ giữa cc gi trị của hm mục tiu,

thơng qua hệ thống cc chỉ tiêu đánh giá, với cc thơng số của hệ thống (bao gồm

cả các vectơ điều khiển) v cc hm ra của khối mơ hình tốn

- Khối mơ hình mơ phỏng được thiết lập để đánh giá phản ứng của hệ

thống đối với cc gi trị của hm mục tiu, bởi vậy cĩ thể cĩ dạng khc với mơ hình tối

ưu

Sơ đồ kết hợp phương php tối ưu v phương php mơ phỏng

Để giải bài toán xác định quy mô hợp lý của trạm bơm tưới vùng Đồng bằng Sông Cửu Long đ nu trn, ta tiến hnh mơ hình mơ phỏng một số dạng nh trạm bơm phổ biến, phù hợp cho ĐBSCL như: nh my bơm kiểu buồng v nh my bơm kiểu mĩng tch rời, sử dụng một số loại my bơm phổ biến cĩ chất lượng tốt được thực tế chấp nhận Thơng số mơ hình mơ phỏng được xác định ở các công trình đ xy dựng ở ĐBSCL

- Hm mục tiêu ở đây là: phương n cĩ quy mơ hợp lý l phương n cĩ trị số CE

-> min

min W

,

W

; W

,

2 1 1

i

H

C H

C H

C H

C F

Số điểm làm việc của mỗi my bơm trong vng hiệu suất cao l n = 1 ÷ 6

- Phương php giải: Loại my bơm, số my bơm lắp đặt trong trạm bơm quyết định đến quy mô công trình đầu mối gồm hình thức kết cấu, kích thước nh trạm,

bể ht, bể xả Diện tích khu tưới, hình dạng khu tưới quyết định đến kích thước knh chính, knh nhnh, cơng trình trn knh Để chọn các thông số kỹ thuật cho thiết

kế mô hình mơ phỏng ta tiến hnh thiết kế mẫu cc loại trạm bơm điển hình với số

my v loại my đ chọn Hiệu chỉnh hệ số theo cc trạm bơm đ xy dựng ở ĐBSCL Lưu lượng trạm bơm Qtrạm = n.Q

Với mỗi loại my bơm tiến hnh tìm lưu lượng tại các điểm có hiệu suất cao (m = 1,2, ,6), cho số máy bơm thay đổi (n = 2 ÷ 8) sẽ có Qtrạmthay đổi

Tính CE -> min cho mỗi loại my bơm

- Tìm min (CEmin): So snh giữa cc loại my bơm khc nhau

2.4 PHƯƠNG PHP TỐI ƯU HĨA TRONG PHN TÍCH HỆ THỐNG

- Trong lý thuyết phn 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 qu trình tìm lời giải tối ưu khi thiết kế và điều khiển hệ thống

- Phương pháp tối ưu là phương pháp cho lời giải tối ưu, cịn phương pháp

mô phỏng khơng cho lời giải tối ưu mà chỉ cĩ lời giải gần tối ưu, và do đó được coi l lời giải hợp lý

- Phương pháp tối ưu hóa là phương pháp xác định lời giải của hệ thống theo mục tiu bằng cách đưa chúng về cc bi tốn tối ưu hóa

2.4.1 Mơ tả tổng qut bi tốn tối ưu hệ thống

Giả sử cĩ hệ thống cĩ 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 là vec tơ thông số cấu trc hệ thống Ta cĩ:

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))

Đối với bi tốn thiết kế thường quy định trước chế độ lm việc của hệ thống,

do đó vec tơ U(t) đ biết trước v quy luật thay đổi của biến trạng thái Z(t), X(t) cũng đ biết Hm mục tiêu khi đó chỉ cịn một loại biến là vec tơ A

Ví dụ: Tìm phương n trạm bơm cĩ tổng chi phí xy dựng v quản lý l nhỏ nhất với cc thơng số về cấu trc: kích thước cc bộ phận cơng trình, loại my bơm,

số my bơm xác định

Bài toán điều khiển

Giả thiết hệ thống đ được thiết kế, tức l cc thơng số cấu trúc A đ biết trước Ta cĩ dạng giản hĩa:

F(X(t), Z(t), U(t))  cực trị Với rng buộc: Y(t), Z(t), U(t) ≤ bj, với j = 1 ,m

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

Chẳng hạn trạm bơm đ xy dựng cĩ thơng số cấu trc về kích thước cc bộ phận cơng trình, loại my bơm, số my bơm, diện tích tưới ta cần điều khiển trạm bơm đáp ứng nhiệm vụ trong từng thời kỳ của năm và trong các năm khác nhau với hiệu quả cao nhất

Bi tốn thiết kế tổng qut

Đối với bi tốn thiết kế thực ra việc định ra trước cc gi trị lm việ của hệ thống l khơng hợp lý, vì rằng cc thơng số cấu trc của hệ thống cĩ mối quan hệ chặt chẽ với chế độ lm việc của nĩ v quy luật thay đổi của cc biến vào X(t) Do

đó, cần giữ nguyên phương trình dạng tổng qut Tuy nhin tìm nghiệm của dạng bài toán này không đơn giản, khơng những do tính phức tạp của nĩ m cịn do sự bất định về mục đích khai thác hệ thống nữa

Hệ thống trạm bơm thường khơng thuộc dạng bi tốn ny

2.4.2 Vấn đề thiết lập hm mục tiu v cc rng buộc của bi tốn tối ưu

a Mục tiu v hm mục tiu

Cần phn biệt khi niệm “mục tiu” v “hm mục tiu”

- Mục tiu khai thc hệ thống cĩ thể được lượng hĩa bằng một đại lượng nào

đó Cũng có thể không được lượng hóa Đại lượng dùng để lượng hĩa mục tiu cĩ thể nhận cc gi trị khác nhau, do đó có thể gọi l “mức” của mục tiêu đề ra Chẳng hạn một kho nước được thiết kế tưới thì “tưới” l mục tiu khai thc cịn diện tích cần tưới hoặc qu trình lượng nước yu cầu tưới l mức đạt mục tiu

- Hm mục tiu l tiu chuẩn đánh giá chất lượng đạt được mục tiêu đề ra với mức đ định, cho nn trong nhiều ti liệu cịn gọi l hm tiu chuẩn hoặc hm chất lượng Đối với bài toán tưới trên đây có thể cĩ hai cch thiết lập hm mục tiu:

- Nếu yu cầu về tưới W(t) đ định ta cần xác định cấu trc v thơng số cấu trc của hệ thống sao cho:

P{Wc(t) ≥ W(t)} ≥ [P]

Trong đó, P là ký hiệu xc suất, Wc(t) là lượng nước mà kho nước cĩ thể đáp ứng với lượng nước đến khc nhau Biểu thức trn cĩ nghĩa l xc xuất đảm bảo

đủ nước phải lớn hơn mức cho php [P]

- Nếu W(t) chưa định trước, tức l diện tích cần tưới chưa định r ta cĩ thể đặt hm mục tiu theo dạng khc:

J = F(a1, a2, …, an)  max

Trong đó: J là hiệu ích mang lại lớn nhất Trong bi tốn phn phối nước nếu

a1, a2, …, an đ định trước ta cĩ:

J1 = F(W(t))  max Với W(t) là vec tơ lượng nước được phn phối cho các khu tưới:

W(t) = (w1(t), w2(t),…, wn(t)) Nĩi tĩm lại, hm mục tiu l một chỉ tiêu đánh giá chất lượng của mục tiu khai thc hệ thống, được thiết lập theo hệ thống chỉ tiêu đánh giá

b Rng buộc của hệ thống

Cc biểu thức rng buộc mơ tả giới hạn hoạt động của hệ thống khi thiết kế

và điều khiển nĩ Cc giới hạn đó bao gồm các điều kiện kỹ thuật, cc yu cầu khai thc hệ thống, được đánh giá bằng hệ thống cc chỉ tiêu, điều kiện cn bằng năng lượng của hệ thống v.v

2.4.3 Một số ví dụ:

a Bài toán theo quan điểm kinh tế

Giả sử ta cĩ một lượng nước hạn chế Q, cần phn phối cho n vng sao cho tổng lợi ích mang lại l lớn nhất

Giả sử các vùng được nhận nước từ Q cĩ thể là không đủ đáp ứng yu cầu của họ Trong trường hợp như thế, cc vng cĩ thể khai thc nguồn nước tại chỗ của mình v sắp xếp cơ cấu cy trồng hợp lý của vùng đó

Gọi qj là lượng nước cấp cho vng j : với j = 1,2,3,…,n sao cho thỏa mn rng buộc:

∑

=

= n

j j

q Q

1

Đối với vng thứ j, khi nhận lượng nước hệ thống l qj, sẽ cần lm tối ưu một lợi ích trong vng của nĩ biểu thị bằng hm mục tiu:

Fi(qvj, sj, Aj) Trong đó: qvj – là lượng nước m nĩ cĩ thể khai thác được ở trong vng

sj – l vốn cần phải đầu tư bao gồm chi phí cho yu cầu về nước, phn bĩn v.v

Aj – l thơng số hình thức đặc trưng cho phương án cây trồng Giả thiết rằng: qj + qvj = Dj

Trong đó: Dj – là lượng nước cần, nĩ phụ thuộc vào các phương án cây trồng và đầu tư vốn

Mục tiêu đạt được của vng thứ j l lm cực đại hm tiu với rng buộc trn Ta cĩ:

Bj(qj) = maxfj(qj, qvj, sj, Aj) Như vậy qj coi như đ biết, nghiệm của bài toán đối với vng l cc gi trị qvj,

sj, Aj Cần ch ý rằng với qj nhận được, các phương án cây trồng Aj bao gồm các trường hợp bỏ hoang khơng canh t vì khơng cĩ li

Như vậy, gi trị tối ưu của hệ thống l lm cực đại hm lợi ích:

1

Ví dụ 1: Cĩ hai trạm bơm tưới I v II Dựa vo tính tốn kinh tế, sau khi xy dựng xong, hiệu quả tưới bình qun trạm bơm I l 15.106đ/ha v trạm bơm II l 20.106 đ/ha Yêu cầu về năng lượng, vốn và lao động cho 1 ha của hai vng như sau:

- Với trạm bơm I: 31kwh/ha/năm; 60 lao động, vốn đầu tư 3.106đ/ha

- Với trạm bơm II: Cần 110Kwh/ha/năm; 120 lao động v vốn đầu tư 2,7.106đ/ha

Điện cung cấp cho trạm bơm hạn chế ở mức 280.104kwh/năm, có khả năng huy động vốn l 460.106đ và 1200.104công lao động

Xác định phương n về diện tích cần tưới của các vùng để cho hiệu quả kinh tế lớn nhất

Giải: Đặt x1 v x2 l diện tích sẽ tưới hai vng trạm bơm I v II Hiệu ích

6 1

6 max 15 10 x 20 10 x

1 120 1 200 10

b Bài toán theo quan điểm ti chính

By giờ ta đặt bi tốn phn phối nước trên đây theo quan điểm phn tích ti chính

Giả sử cơng ty thủy nơng chỉ quan tâm đến lợi ích của cơng ty

Khi đó công ty sẽ phải giải quyết định giá nước bn cho cc hộ dùng nước (cc vng) sao cho tổng số tiền thu được l lớn nhất

Giả sử các vùng được nhận nước với giá tương ứng l xj, hộ phải cn nhắc

xem nn mua với số lượng l bao nhiu, giả sử số lượng nước họ đặt mua của cơng

ty l qj

Cơng ty cũng sẽ phải cn nhắc giá nước ấn định v số lượng nước cĩ thể cấp được cho từng vùng để thỏa mn rng buộc trên để lợi ích thu được l lớn nhất

Lợi ích mang lại cho cơng ty do việc ấn định giá nước xj cho cc vng l:

x B

1

Trong đó R là chi phí sản xuất Mục tiêu đạt được của cơng ty sẽ l cực đại

gi trị B của hm mục tiu do việc ấn định giá nước hợp lý x*j cho cc vng cần cấp nước x*j, với j = 1,2,…,n là giá nước tối ưu

Ví dụ 2: Trn một dịng sơng cĩ hai trạm bơm tưới I v II Hai trạm bơm đó cung cấp nước cho 3 khu tưới A, B, C Lượng nước cần tối thiểu cho mỗi khu vực tưới l Khu A = Ma = 4 triệu m3, khu B: Mb = 8 triệu m3

Khu C: Mc = 6 triệu m3 Năng lực tưới của trạm bơm I l 12 triệu m3 v của trạm bơm II l 8 triệu

m3 Gi tiền cấp 1m3nước cho cc khu vực như sau:

Trạm bơm Khu tưới A Khu tưới B Khu tưới C

Đặt x1, x2, x3 l số m3 nước của trạm I cung cấp cho cc khu tưới A, B, C v

x4, x5, x6 l số m3nước của trạm II cung cấp cho cc khu tưới A, B, C

P DỤNG LÝ THUYẾT PHN TÍCH HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH QUY MÔ VÀ LOẠI H̀NH

MÁY BƠM PHÙ HỢP CHO TƯỚI, TIÊU VÙNG ĐBSCL

I HỆ THỐNG TRẠM BƠM

Hệ thống trạm bơm là một loại hệ thống tưới, tiêu mà công trình đầu mối là trạm bơm Các trạm bơm có thể làm việc độc lập và cũng có thể làm việc hỗ trợ lẫn

nhau đều được gọi là hệ thống trạm bơm Theo cấu trúc, tất cả các thành phần cơ bản

có liên quan đến quá trình vận hnh của hệ thống trạm bơm được xếp theo thứ tự từ trên xuống dưới gồm: nguồn nước, công trình trạm, knh v cc cơng trình trn knh, v khu tưới Các đặc trưng cho hệ thống trạm bơm bao gồm các thông số về cấu trúc, các thông tin vào và các thông tin ra

Các thông tin vào và tập hợp tất cả các tác động vào hệ thống để nhận được các thông tin ra của hệ thống Các thông tin vào của hệ thống gồm có các điều kiện khí tượng thủy văn, điều kiện về nguồn nước, các nhu cầu dùng nước, các loại cây trồng

và cơ cấu của nó, tập quán canh tác, giá thành sản phẩm v.v…

Các thông tin ra của hệ thống là tập hợp tất cả những đặc trưng mà người nghiên cứu quan tâm đến khi có tác động tương ứng ở đầu vào Các thông tin ra của hệ thống gồm có các quy trình điều khiển, quản lý, vận hành trạm bơm, hệ thống kênh mương và các công trình trn knh, cc chỉ tiu kinh tế v.v…

Các thông tin ra của phương án này được xem xét để điều chỉnh các thông tin vào, các thông số về cấu trúc của hệ thống cho các phương án khác và dẫn đến các quy

mô của hệ thống được thay đổi theo hướng tốt hơn

Nhìn chung, sơ đồ hệ thống trạm bơm tưới như hình vẽ:

Hình 1: Sơ đồ hệ thống trạm bơm tưới

Các đặc trưng hệ thống trạm bơm tưới có thể phân thành 3 bộ phận như hình dưới đây

Trạm bơm Nguồn nước là sông

Knh v cơng trình trn knh

Khu tưới

Hình 2: Các đặc trưng hệ thống trạm bơm tưới

1.2 Cơ sở khoa học nghiên cứu quy mô công trình v loại hình my bơm để tưới tiêu ở Đồng bằng sông Cửu Long

Các giải pháp kỹ thuật và kinh tế đ trở thnh hai vấn đề quan trọng trong các dự

án quy hoạch, thiết kế các công trình thủy lợi nĩi chung v cơng trình trạm bơm nói riêng Vì vậy, ngồi việc nghin cứu giải quyết một cch tổng thể về mặt kỹ thuật cần phải chọn quy mơ cơng trình hợp lý, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế tối ưu là hướng giải quyết đúng đắn và phù hợp trọng việc xây dựng, nâng cấp và quản lý cơng trình trạm bơm hiện nay

Trong các dự án thủy lợi nói chung và đối với các dự án tưới bằng cơng trình trạm bơm nói riêng, muốn biết được dự án có nên đầu tư xây dựng hay không, thì phải thơng qua việc đánh giá hiệu quả kinh tế của dự án Khi đánh giá dự án, phải chọn được phương pháp tính toán cũng như các chỉ tiêu kinh tế hợp lý, dự n mới cĩ thể phát triển được Có nhiều phương pháp đánh giá hiệu quả kinh tế của dự án tưới, nhưng tổng hợp lại có thể nói có hai phương pháp đánh giá dự án theo các chỉ tiêu tĩnh và các chỉ tiêu động Và có nhiều chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật để đánh giá hiệu quả xây dựng v quản lý vận hnh trạm bơm

Muốn tìm được chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật hợp lý thường sử dụng lý thuyết phn tích hệ thống, vì nĩ l một mơn khoa học được hình thnh v pht triển trn cơ sở vận trù học theo lý thuyết điều khiển bằng cách dựa vo hệ thống các quan điểm và phương pháp phân tích hiện đại, nhằm hoàn thiện khả năng lựa chọn lời giải hợp lý nhất đổi với hệ thống phức tạp như hệ thống tưới bằng trạm bơm

- Chủng loại máy bơm

- Diện tích khu tưới

- Kích thước mặt cắt

- Chiều di hệ thống

đ

- Quy trình điều khiển

- Quản lý

- Vận hnh

- Hệ thống knh

- Cơng trình trn knh

- Cc chỉ tiu kinh tế

1.2.1 Lý thuyết phn tích hệ thống

Mục đích của việc phân tích hệ thống là xác định lời giải tối ưu hoặc hợp lý khi thiết kế v điều khiển hệ thống Phân tích hệ thống bao gồm các quan điểm, các nguyên

lý v cc kỹ thuật phn tích Kỹ thuật phn tích hệ thống rất đa dạng, nhưng thường gặp và

sử dụng có hiệu quả nhất là phương pháp tối ưu hóa và phương pháp mô hình mơ phỏng

1.2.1.1 Phương pháp tối ưu hóa trong phân tích hệ thống

Phương pháp tối ưu hóa là phương pháp xác định lời giải của hệ thống theo mục tiêu khai thác hệ thống bằng tối ưu hóa các hàm mục tiêu Bài toán tối ưu hệ thống được mô tả tổng quát như sau: Giả sử hệ thống có cấu trúc nào đó, gọi:

Mơ hình mơ phỏng hệ thống cĩ dạng:

Y(t) = H(X(t), U(t), Z(t), A)

Trong đó:

của véc tơ thông tin vào và véctơ điều khiển hệ thống

Cần thiết kế và điều khiển hệ thống sao cho một hàm mục tiêu nào đó đạt cực trị: F(X(t), Y(t), U(t), Z(t), A) → cực trị

Bài toán tối ưu hệ thống có thể chia làm 3 loại bài toán như sau:

1 Bi tốn thiết kế

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

do đó véc tơ điều khiển U(t) đ biết trước và quy luật thay đổi của biến trạng thái Z(t)

và các thông tin vào X(t) cũng đ biết Trong hm mục tiu F(X(t), Y(t), U(t), Z(t), A) chỉ cịn một loại biến l vc tơ A

Trong cc bi ểu thức F(a 1 , a2, , an) Gj(a1, a2, , an) ≤ b j chứa cả các véc tơ thông tin vào X(t) và véc tơ thông tin ra Y(t) nhưng chúng đ được lượng trước nên chúng

tối ưu của hệ thống

2 Bài toán điều khiển

Bài toán điều khiển hệ thống là bài toán áp dụng cho các hệ thống đ được thiết

kế, tức là các thông số cấu trúc của hệ thống A đ biết trước Cần phải tìm vc tơ điều khiển U(t) để tối ưu hàm mục tiêu đang xét đạt cực trị F(X(t), Z(t), U(t)) → cực trị

3 Bi tốn thiết kế tổng qut

Đối với bài toán thiết kế, việc định ra trước các giá trị làm việc của hệ thống là không hợp lý vì cc thơng số của hệ thống cĩ mối quan hệ chặt chẽ với chế độ làm việc của nó và quy luật thay đổi của biến vào X(t) Do đó, các phương trình mơ tả bi tốn luơn ở dạng tổng qut Việc tìm nghiệm của dạng bi tốn ny khơng đơn giản, không những do tính phức tạp của nó mà cịn do tính bất định về mục đích khai thác hệ thống Trong trường hợp đó có thể dùng phương pháp mô phỏng để tìm nghiệm hợp lý

Việc ứng dụng phương pháp tối ưu trong thiết kế và điều khiển hệ thống có những hạn chế nhất định, do đó làm giảm hiệu lực trong phân tích lựa chọn nghiệm Những hạn chế đó bao gồm:

dạng chuẩn tắc mà các phương pháp toán học hiện hành có thể giải được Muốn vậy cần thực hiện một số pháp giản hóa hoặc các giả thiết Do vậy, mặc dù các phương pháp tối ưu cho lời giải đẹp đẽ, nhưng có thể không phản ánh được các trạng thái thực, trong một số trường hợp bản chất vật lý của cc qu trình trong hệ thống bị sai lệch

thể tìm được nghiệm Trong một số trường hợp, cc mơ hình tối ưu cho nghiệm không đúng thậm chí không chấp nhận được Do hạn chế của các phương pháp tối ưu, một số bài toán có cực trị địa phương, do vậy có thể không nhận được tối ưu mong muốn

mục tiêu phải khai thác hệ thống đ được xác định, trong trường hợp như vậy phương pháp tối ưu không thể áp dụng được Một số trường hợp khác, bài toàn phân tích hệ thống không thể hoặc không cần thiết đưa về một dạng bài toán tối ưu

Với trường hợp như vậy, để khắc phục những hạn chế của phương pháp tối ưu hóa, có thể áp dụng phương pháp mô phỏng, một phương pháp rất đặc thù và tỏ ra rất

có hiệu lực của lý thuyết phn tích hệ thống

1.2.1.2 Phương pháp mô hình mơ phỏng trong phn tích hệ thống

Phương pháp mô phỏng là phương pháp sử dụng mô hình mơ phỏng để đánh giá chất lượng của hệ thống khi thiết kế và điều khiển nó Sự phân tích chất lượng của

hệ thống được tiến hành bằng cách đưa ra các tình huống hoặc phương án có thể và phân tích tất cả cc phản ứng của hệ thống với c tình huống đ đặt ra, bởi vậy nghiệm của bài toán có thể không trung với nghiệm tối ưu Vì vậy nghiệm của bi tốn được gọi

là lời giải hợp lý chứ khơng phải l lời giải tối ưu

Chất lượng hệ thống được đánh giá bằng hệ thống chỉ tiêu đánh giá dạng

1.2.2 Các bài toán cơ bản về hệ thống trạm bơm và vận dụng kỹ thuật phân tích hệ thống bài toán nghiên cứu

1.2.2.1 Các bài toán cơ bản về hệ thống trạm bơm

Khi nghiên cứu hệ thống thủy lợi nói chung và hệ thống trạm bơm nói riêng trong thực tế thường phải giải quyết ba bài toán cơ bản sau:

Trong bài toán thiết kế hệ thống thường đ xem xt cc phương án điều khiển khi

hệ thống đ được thiết lập và giải quyết bài toán thiết kế theo phương án điều khiển đ chọn Bi tốn phát triển hệ thống là bài toán bắt buộc phải giải quyết khi việc hoàn thành hệ thống trong tương lai kéo dài nhiều năm

Bài toán xác định chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của một công trình trạm bơm trong xây dựng và quản lý khai thc bi tốn thiết kế với nhiều phương án quy mô công trình theo một phương án điều khiển

1.2.2.2 Vận dụng kỹ thuật phn tích hệ thống vo bi tốn nghin cứu

Qua việc phân tích nội dung cũng với ưu nhược điểm của hai phương phá trên

và đặc điểm của hệ thốgn trạm bơm là một hệ thống phức tạp cả về cấu trc v quy mơ cơng trình lẫn trạng thi (qu trình quản lý vận hnh) v cc bi tốn cơ bản của hệ thống trạm bơm cho thấy: Để xác định chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong xây dựng, quản lý vận hnh trạm bơm hợp lý, p dụng cho mọi trường hợp thiết kế ở bất kỳ địa phương nào, địi hỏi việc nghin cứu phải được tiến hành ở nhiều miền khác nhau với nhiều hệ thống thực tế thì kết quả khĩ lịng hội tụ Mặt khc sẽ tốn nhiều thời gian v cơng sức Do đó để khắc phục những khó khăn này có thể áp dụng phương pháp mô hình mơ phỏng bi tốn

nghin cứu trn cơ sở nghiên cứu cá số liệu thu thập được của các hệ thống trực thuộc trong toàn vùng

Để giảm bớt phức tạp trong quá trình tính tốn, cĩ thể tín hành xây dựng các mô hình mơ phỏng thnh phần của hệ thống như: môhình mơ phỏng cc cơng trình đầu mối (kích thước, kết cấu nhà trạm, bể hút, bể xả), mô hình mơ phỏng khu tưới (diện tích tưới, chiều dài, mặt cắt hệ thống kênh mương và công trình trn knh) Ghp nĩi cc mơ hình thnh phần tương ứng với nhau sẽ nhận được mô hình mơ phỏng của cả hệ thống

Việc ứng dụng phương pháp tối ưu một cách độc lập cho toàn hệ thống có thể không thực hiện được do quá phức tạp về thông số đầu vào Tuy nhiên, bài toán nghiên cứu có thể thực hiện được và cho kết quả chính xác bằng cách kết hợp các phương pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng Trong bài toán tối ưu, để giảm bớt sự phức tạp trong quá trình m khơng lm thay đổi theo phương án, các giả thiết cụ thể sẽ đưa vào trong quá trình xy dựng bi tốn

1.2.3 Các phương pháp đánh giá hiệu quả kinh tế trong xây dựng và quản

lý cơng trình trạm bơm

Cc cơng trình thủy lợi nĩi chung v cơng trình trạm bơm nói riêng, khi thiết kế các dự án quy hoạch, ngoài việc đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật cần phải tiến hành phân tích, đánh giá về mặt kinh tế để chọn lựa được phương án có lợi nhất Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả kinh tế theo mục tiêu khai thác được phân tích theo 2 quan điểm tài chính và quan điểm kinh tế

Theo quan điểm tài chính thì bất cứ những gì lm giảm lợi nhuận rịng của một đơn vị nào đó dược gọi là chi phí và làm tăng lợi nhuận gọi là lợi ích Sự phân tích hiệu quả kinh tế của dự án theo quan điểm tài chính gọi là phân tích về mặt tài chính Việc phân tích này sẽ xem xét chi phí và lợi ích mà đơn vị hoặc cá nhân nhận được và thanh toán trong quan hệ thị trường

Theo quan điểm kinh tế thì bất cứ những gì lm giảm thu nhập quốc dn được gọi

là chi phí và những gì lm tăng thu nhập quốc dân được gọi là lợi ích Việc phân tích về mặt kinh tế sẽ xét một dự án đầu tư ở một góc độ rộng hơn Nó giúp ước đoán những lợi ích và chi phí đối với toàn bộ nên kinh tế quốc dân Nhiệm vụ của việc phân tích kinh tế là phải đánh giá được những lợi ích của dự án có lớn hơn chi phí bỏ ra hay không

Trong các dự án thủy lợi, ngoài các dự án đa mục tiêu mang tính chất trọng điểm quốc gia thì hầu hết l cc dự n độc lập có phạm vi hẹp, mang tính chuyên ngành cao Đây là các dự án có mục tiêu, nhiệm vụ r rng, địa điểm xây dựng và ranh giới

giao cho các địa phương hoặc các đơn vị trực thuộc ngành quản lý, khai thc theo cơ chế hạch toán độc lập Cho nên, các dự án thủy lợi thường mang tính địa phương cao

Nhìn chung, v iệc phn tích đánh giá hiệu quả kinh tế theo mục tiêu khai thác của các dự án thủy lợi theo quan điểm tài chính tỏ ra phù hợp hơn Nó được áp dụng cho rất nhiều các dự án, đ v đang thực hiện cho đến nay

Việc phân tích các dự án được áp dụng theo thông lệ hiện nay trên thế giới có thể phân thành 3 nhóm phương pháp:

Nhóm 1: Giá trị tương đương (Equivalent Value) Theo phương pháp này toàn

bộ chuỗi dịng tiền tệ của dự n (chi phí v lợi ích) trong suốt thời kỳ phn tích được quy đổi tương đương thành:

Một giá trị đó là một độ đo hiệu quả kinh tế của dự án và được dùng cơ sở để

Nhĩm 2: Suất thu lợi (Rates of Return) Mức li suất lm cho gi trị tương đương

của phương án bằng không là suất thu lợi nội tại (Internal Rate of Return – IRR) của phương án Đó là một độ đo hiệu quả hay được dùng nhất hiện nay

Nhĩm 3: Tỷ số lợi ích chi phí (Benefit Cost Ratio – B/C) Đó là tỷ số giữa giá trị

tương đương của lợi ích và giá trị tương đương của chi phí

Ba nhóm độ đo hiệu quả đó là tạo thành 3 nhóm phương pháp chính được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong phân tích lựa chọn phương án đầu tư dự án

Ngồi ra, cịn cĩ phương pháp phân tích đánh giá theo các chỉ tiêu so sánh việc đầu tư và phương pháp phân tích đánh giá theo mức chi phí đầu tư đơn vị

1.2.3.1 Phương pháp phân tích đánh giá dự án theo nhóm các chỉ tiêu giá trị tương đương

1 Gi trị hiện tại của hiệu số thu phí (NPV)

Điều kiện đánh giá phương án là:

0 ) 1 ( ) 1 ( )

1

0

≥ +

+ +

− +

t

t

r

H r

Ct r