Modeling and Control in Open-Channel Irrigation Systems

Abstract

This thesis reviews and discusses the existent modeling, estimation, and control strategies that have been reported in the field of open channel irrigation systems (OCIS). Also, propose two control-oriented modeling strategies, which include information about potential energy balances along the channels, and the nonlinear hydraulic dynamics proper of the OCIS. Moreover, the modeling strategies are useful to describe the dynamic behavior of interacting OCIS. The proposed control-oriented modeling strategies has been used in the development of deterministic and stochastic strategies for detection isolation and magnitude estimation of unknown flows such as leaks and seepage. In the control area, the development and implementation of conventional control strategies for OCIS are explored, and a nonlinear control strategy for interacting channels is proposed. Finally, an efficient optimization-based control approach for OCIS has been developed from a nonlinear model predictive control strategy that takes advantage of the control-oriented modeling strategies accuracy, and available information of the users' demands in the development of an optimization problem with a finite horizon, which is solved at each time instant with the objective to minimize losses caused by leaks and seepage while the users demands and operational and hydraulic restrictions of the OCIS are satisfied.

Esta tesis revisa y discute las estrategias de modelado, estimación y control que se han reportado en el campo de los sistemas de riego en canal abierto (SRCA). También propone dos estrategias de modelado orientadas al control, las cuales incluyen información sobre los balances de energía potencial a lo largo de los canales, y las no linealidades de las características hidráulicas que describen las dinámicas de los SRCA. Además, las estrategias de modelado son útiles para describir el comportamiento dinámico de SRCA que presentan interacciones. Las estrategias de modelado se utilizan en el desarrollo de estrategias determinísticas y estocásticas para la detección, el aislamiento, y la estimación de las magnitudes de flujos desconocidos, tales como fugas y filtraciones. En el área de control, se explora el desarrollo e implementación de estrategias de control convencionales para SRCA y se propone una estrategia de control no lineal para canales que presentan interacciones. Finalmente, se desarrolla un enfoque de control eficiente a partir de una estrategia de control predictivo no lineal basado en modelo, la cual aprovecha la precisión de la estrategias de modelado e información sobre las demandas de los usuarios en el desarrollo de un problema de optimización con horizonte finito, el cual se resuelve en cada instante de tiempo con el objetivo de minimizar las pérdidas ocasionadas por fugas y filtraciones al mismo tiempo que se satisfacen las demandas de los usuarios y las restricciones operativas e hidráulicas propias de los SRCA.