Tuning of PI controllers for an irrigation canal using optimization tools

Existing methods for the automatic control of water levels in irrigation canals are based on single input, single output linear feedback PI type controllers. Examples of such control systems are EL-FLO and BIVAL, where local PI controllers are used in series to adjust the position of upstream/downstream control gates. Linear control theory provides many tools for tuning a PI controller (Astrom and Hagglund 95). But when the system consists of many interconnected non-linear subsystems such as irrigation canals, tuning is challenging. In such cases, control parameters are usually tuned by trial and error during operation or with the help of a simulation model. This paper proposes a global approach for tuning local PI controllers for a series of interconnected canal pools using optimization tools. The approach couples a hydraulic model based on full Saint Venant equations and a minimization algorithm. This complex non-linear optimization problem is solved by an evolutionary approach where a problem with a smaller number of independent variables is solved first and used as starting point for the higher level problem. Control test results are shown for two kinds of canals, one with short reaches and exhibiting wave propagation and the other with long reaches and exhibiting delays and damped wave motion. / Les méthodes existantes pour la régulation automatique des niveaux dans les canaux d'irrigation sont basées sur des contrôleurs linéaires de type PI. La théorie de la commande linéaire fournie de nombreux outils pour caler des contrôleurs PI. Mais quand le système est constitué de plusieurs sous-systèmes non linéaires interconnectés comme dans le cas des canaux d'irrigation le calage est difficile. Dans ces cas là les paramètres sont ajustés par essais erreurs. Ce papier propose une approche globale pour caler des PI locaux pour une série de biefs de canal interconnectés par l'utilisation d'outils d'optimisation. L'approche couple un modèle hydraulique basé sur les équations de Saint Venant et un algorithme de minimisation. Les tests des régulateurs sont effectués sur deux types de canaux, un avec des biefs courts avec propagation de vagues, l'autre avec des biefs longs avec amortissement et retard.