Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния вопроса и формулировка цели исследования 8
1.1. Анализ существующих направлений автоматизации процессов отопления зданий 8
1.2. Особенности технических решений систем автоматизации централизованного теплоснабжения зданий 13
1.3. Анализ методов расчета и математических моделей систем отопления зданий 20
1.4. Основные направления в управлении и компьютерной диспетчеризации распределенными энергосистемами 27
1.5. Выводы по проведенному обзору. Формулировка цели и задач исследования 34
Глава 2. Разработка математической модели и критериев оценки эффективности управления процессом отопления распределенного комплекса зданий 37
2.1. Особенности процесса отопления распределенного комплекса зданий (РКЗ) как объекта управления 37
2.2. Экспериментальные исследования динамических свойств объекта управления - 43
2.3. Разработка математической модели управления процессом отопления здания 46
2.4. Параметрическая идентификация объекта управления 53
2.5. Разработка критериев оценки эффективности управления процессом отопления РКЗ на основе целевой декомпозиции 57
Выводы по главе 65
Глава 3. Разработка алгоритмов управления процессом отопления распределенного комплекса зданий, обеспечивающих энергосбережение 66
3.1. Особенности управления процессом отопления здания с учетом климатических факторов 66
3.2. Анализ динамики системы управления процессом отопления здания методом фазовой плоскости 70
3.3. Оценка эффективности управления процессом отопления по выбранным критериям с помощью имитационного моделирования 74
3.4. Разработка алгоритмов и системы управления процессом отопления РКЗ, обеспечивающих энергосбережение 82
Выводы по главе 94
Глава 4. Разработка структур и технических решений для АСДУ процессом отоплениея распределенного комплекса зданий образовательного назначения 96
4.1. Разработка структуры АСДУ отоплением РКЗ с учетом температурных режимов фасадов и основных особенностей 3-х уровней управления 96
4.2. Особенности автоматизированного мониторинга систем отоплепия в составе АСДУ 105
4.3. Разработка АРМ диспетчера верхнего уровня АСДУ отоплением РКЗЛ 10
4.4. Построение системы удаленной диспетчеризации для доступа к ресурсам АСДУ посредством сотовых сетей GSM 117
4.5. Анализ эффективности применения АСДУ в целом на примере демонстрационной зоны по энергосбережению БГТУ им» В.Г. Шухова 120
Выводы по главе 127
Общие выводы 129
Список литературы 131
Приложения 142
- Анализ существующих направлений автоматизации процессов отопления зданий
- Особенности процесса отопления распределенного комплекса зданий (РКЗ) как объекта управления
- Особенности управления процессом отопления здания с учетом климатических факторов
- Разработка структуры АСДУ отоплением РКЗ с учетом температурных режимов фасадов и основных особенностей 3-х уровней управления
Введение к работе
Актуальность работы. Проблемы энергосбережения в бюджетной сфере и в системе Министерства образования России являются ключевыми. Минобразования РФ занимает 5-6 место по уровню потребления энергоресурсов среди 80 федеральных ведомств (основных бюджетополучателей), причем в 2001 г. средства на оплату коммунальных услуг увеличились более чем в 2 раза по сравнению с предыдущим годом. В 2002 г. расходы Минобразования России на оплату энсргорссурсов в абсолютном выражении составили более б млрд. рублей.
Как показала практика в образовательных учреждениях важнее всего проводить энергосберегающие мероприятия, направленные на экономию тепловой энергии, так как на нее приходится основная доля коммунальных расходов, Для этого необходимо обеспечить реконструкцию систем теплоснабжения зданий, обладающих низкой эффективностью и высокой изношенностью, путем создания индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) с системами автоматического учета и регулирования тепловой энергии, а также модернизировать системы горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования на базе энергосберегающего оборудования для агнжения энергопотребления.
Для повышения эффективности управления распределенными энергосистемами зданий, в условиях роста стоимости теплоносителя, актуальными являются задачи развития современных интегрированных автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) с целью снижения расходов на эксплуатацию и обслуживание автоматизированных систем нижнего уровня. Важно отметить, что в современных экономических условиях внедрять ЛСДУ на уровне систем управления интеллектуальными зданиями (СУЗ) для систем теплоснабжения зданий образовательного назначения нецелесообразно, в связи с высокой стоимостью СУЗ для распределенных объектов с ограниченным количеством контролируемых и регулируемых параметров. Вместе с тем на практике необходимо использовать основные подходы, применяемые в СУЗ для эффективного управления потребляемыми энергоресурсами и др.
Важным моментом при создании АСДУ распределенными энергосистемами зданий является возможность удаленного доступа к информационной базе ЛСДУ подразделениям вуза, в том числе, занимающимися планированием. Такое взаимодействие с плановыми службами позволит обеспечить решение задач оптимизации при планировании потребления энергоресурсов. Особенно это важно в связи с ужесточением политики Минфина РФ по контролю за использованием бюджетных средств для оплаты статен коммунальных расходов.
Цель диссертационной работы - повышение эффективности управления процессом отопления распределенного комплекса зданий (РКЗ) за счет создания алгоритмов управления, обеспечивающих энергосбережение»
Поставленная цель достигается при решении следующих основных задач:
1. Анализ методов и систем управления процессом отопления распределенного комплекса зданий.
2. Разработка математической модели управления процессом отопления здания,
3. Выбор критериев оценки эффективности управления процессом отопления распределенного комплекса зданий.
4. Оценка эффективности алгоритмов управления процессом отопления здания по выбранным критериям с помощью имитационного моделирования.
5. Разработка системы управления процессом отопления распределенного комплекса зданий образовательного назначения.
Методы исследований. В работе для анализа инженерных систем распределенного комплекса зданий применялась методика системного анализа» а также методы интегрального и дифференциального исчислений, теории управления, математического моделирования, численные методы анализа, теории алгоритмов, теории идентификации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• разработана математическая модель управления процессом отопления здания с учетом нелинейности процесса смешивания теплоносителя на вводе системы отопления здания;
• разработана имитационная модель, включающая нелинейную математическую модель процесса смешивания теплоносителя, и се алгоритмическая реализация с помощью компьютерного моделирования;
• разработаны алгоритмы управления процессом отопления распределенного комплекса здании образовательного назначения с учетом климатических факторов для обеспечения энергосбережения.
Практическую значимость работы составляют.
1. Имитационная модель процесса отопления здания и результаты ее исследования,
2. Автоматизированная система диспетчерского управления процессом отопления распределенного комплекса зданий с учетом климатических факторов,
3. Результаты экспериментальных исследований процесса отопления здания на примере учебных корпусов БГТУ им, В.Г. Шухова.
На защиту выносятся:
• математическая модель управления процессом отопления здания с учетом нелинейности процесса смешивания теплоносителя на вводе системы отопления здания;
• имитационная модель, включающая математическую модель процесса смешивания с учетом нелинейности, и ее алгоритмическая реализация с помощью компьютерного моделирования;
• разработанная структура подсистем нижнего уровня АСДУ процессом отопления здания с учетом климатических факторов;
• алгоритмы управления процессом отопления распределенного комплекса зданий образовательного назначения с учетом климатических факторов для обеспечения энергосбережения.
Внедрение результатов исследований- Результаты исследований, связанные с внедрением АСДУ процессом отопления зданий, вошли в состав демонстрационной зоны по энергосбережению БГТУ им. В.Г. Шухова. В 2002 г. при использовании АСДУ распределенными энергосистемами комплекса зданий БГТУ им. В.Г. Шухова в целом получена экономия порядка 4000 Гкал. Учитывая, что относительная доля автоматизированных приточно-вентиляционпых установок (ПВУ), находящихся на нижнем уровне АСДУ, в экономии тепловой энергии составляет около 22%, поэтому основная экономия, а это 78%, получено за счет внедрения автоматизированных ИТП при энергоэффективном управлении с верхнего уровня АСДУ комплексом зданий БГТУ им- ВТ. Шухова. Следовательно, в абсолютном выражении это дало экономию тепловой энергии порядка 3120 Гкал в год.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: XXIII конференции молодых ученых механико-математического факультета МГУ "Современные исследования в математике и механике", Москва (2001 г.); Всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых "Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии", Екатеринбург (2001 г.); II Международном конгрессе студентов, молодых ученых и специалистов "Молодежь и наука - третье тысячелетие", Москва (2001 г.); Международной (российско-германской) конференции "Датчики и системы" (International Conference, Sensors & Systems), Санкт-Петербург (2002 г.); VI Всероссийской конференции и выставке "Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения", Н. Новгород (2002 г,) на Международном конгрессе "Современные технологии в промышленности строительных материалов и строй индустрии", посвященного 150-летию ВТ. Шухова, п Белгород (2003 г.) и др.
Связь с научно-техническими и другими программами. Работа выполнялась в рамках программы Минобразования РФ "Энергосбережение Минобразования России на 1998-2005 годы", региональной программы "Энергосбережение1 и с учетом трехстороннего Соглашения между Минобразования России, Минэнерго РФ и администрацией Белгородской области, БГТУ им. ВТ. Шухова с 2000 г. является базовым вузом по выполнению программы "Энергосбережение Минобразования России". Основа его демонстрационной зоны по энергосбережению - это трехуровневая ЛСДУ распределенными энергосистемами комплекса зданий» входящая в состав региональных центров энергосбережения, утвержденных Минобразования РФ, Кроме того, работа выполнялась по научной программе "Федерально-региональная политика в пауке и образовании" Министерства образования РФ на 2003 г.
Публикации. Основные положения работы изложены в 12 печатных работах, из них статей 9 Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа с учетом приложений изложена на 141 странице машинописного текста, включающего 9 таблиц, 48 рисунков, список литературы из 136 наименований.
Анализ существующих направлений автоматизации процессов отопления зданий
Основные особенности систем отопления зданий, подходы к их проектированию, классификация, основы эффективных систем отопления зданий, индустрия комфорта и другое представлены, например в [1-8].
Системы отопления состоят из следующих основных элементов: генератора тепла, в котором теплоносителю передается необходимое количество тепла; систем трубопроводов для перемещения по ним теплоносителя; отопительных приборов, передающих тепло от теплоносителя воздуху и ограждениям помещения.
В учебных заведениях системы Минобразования РФ в основном применяются центральные системы отопления. Центральные системы отопления подразделяются по следующим основным показателям; теплоносителю, начальной его температуре и давлению, а также по способам его перемещения и передачи тепла от наружной поверхности отопительных приборов в окружающую среду.
Особенности теплоснабжения систем водяного отопления приведены в приложении 2. При централизованном водяном теплоснабжении применяют три способа присоединения системы насосного водяного отопления к наружным тепловым сетям (рис, ПЛЛ, б, в, г). Приведенные схемы теплоснабжения для систем отопления позволяют регулировать температуру подаваемого теплоносителя, посредством изменения его расхода из внешней сети и, следовательно, теплоотдачу отопительных приборов. Важно отметить, что при централизованном теплоснабжении с применением независимой схемы присоединения в системе отопления (СО) циркулирует деаэрированная вода, это не только упрощает удаление воздуха из системы (фактически удаление воздушных скоплений проводят только в пусковой период после монтажа и ремонта), но и увеличивает срок ее службы. Наиболее экономичной схемой СО в России является вертикально-однотрубная с зависимым теплоснабжением.
Останавливаясь на анализе энергоемкости валового внутреннего продукта (ВВП) России следует отмстить, что ее энергоемкости гораздо выше, чем в промышлешю развитых странах [9]. При этом энергоемкость ВВП при прочих равных условиях существенно зависит от размеров территории страны и ее климата. По этим показателям Россия находится в относительно невыгодном положении, по и при исключении этих факторов энергоемкость ВВП будет в 4-5 раз выше, чем в развитых странах [10]. Поэтому одно из важных направлений в России связано с решением проблем энергосбережения, особенно в системе Минобразования РФ, которое занимает 5-6 место по уровню потребления энергоресурсов среди 80 федеральных ведомств - основных бюджетополучателей [И].
Система энергоснабжения учебных заведений и других организаций бюджетной сферы в основном состоит из тепло-, электро-, газо- и водоснабжения (горячего и холодного). В связи с тем, что основная доля коммунальных расходов в организациях бюджетной сферы приходится на тепловую энергию (см, прилож. 2, рис. П. 1.2 - П. 1.5), поэтому важным направлением в решении проблем энергосбережения должна стать реконструкция элеваторных тепловых пунктов с созданием систем автоматического регулирования и учета тепловой энергии па базе современного энергосберегающего оборудования. При этом с целью эффективного управления распределенными энергосистемами зданий и обеспечения экономии и рационального использования эиергоресурсов основной упор необходимо сделать на разработку АСДУ системами теплоснабжения зданий для организаций бюджетной сферы.
Анализ возможных подходов к реконструкции систем отопления с элеваторными узлами с целью создания современных эиергоэффективных тепловых пунктов и показывает следующее. Существуют схемные решения при модернизации системы отопления с установкой термостатов на отопительных приборах [12, 13], но при использовании элеваторных узлов [21]. Из анализа следует, тгто это решение обладает следующими основными недостатками: ? невозможность изменения температуры теплоносителя, подаваемого в систему отопления, при изменении температуры наружного воздуха, особенно в переходные периоды или изменении других режимов эксплуатации здания; ? элеваторный узел не обеспечивает надежную циркуляцию теплоносителя в системе отопления в условиях нестабильности давления; автоматическое поддержание температуры в каждом помещении с использованием термостатов на радиаторах невозможно при использовании элеваторных узлов. Известны технические решения по применению элеватора с регулируемым соплом [14, 15]. Однако использование элеватора с регулируемым соплом также нецелесообразно в связи с тем, что не обеспечивается надежная циркуляция теплоносителя в системе отопления и конструкция этого устройства нс позволяет обеспечить падежную центровку иглы элеватора и, как следствие, точную регулировку. Это фактически не позволяет им найти широкое применение в системах теплоснабжения зданий. Кроме того, следует отметить, что перенесение западноевропейского опыта для существующих систем отопления с водоструйными элеваторами для вертикально-однотрубной системы отопления с установкой термостатов нецелесообразно. В такой системе обязательно необходима замена элеватора па циркуляционный насос с системой автоматического регулирования заданного графика температуры теплоносителя в зависимости от наружной температуры.
Таким образом, для решения задачи энергосбережения и обеспечения рационального потребления ресурсов необходимо оборудовать тепловые пункты системами автоматического регулирования и учета тепловой энергии па базе современного энергосберегающего оборудования. В настоящее время данный подход находит самое широкое распространение во многих регионах России [22],
Автоматическое регулирование в системах отопления и горячего водоснабжения (ГВС) позволяет снизить потребление тепловой энергии в среднем до 30% в организациях бюджетной сферы при выполнении следующих энергосберегающих мероприятий [23-26]: регулировать теплоноситель в зависимости от температуры наружного воздуха (погодная компенсация), что позволяет избежать перерасхода тепловой энергии в вссеннс-осеппие периоды; управлять подачей теплоносителя согласно суточіюму и недельному графику с учетом снижения теплопотребления в праздничные дни и каникулы; производить патоп помещений с последующим переходом на оптимальный режим после периодов понижения температуры; ограничивать максимальную и минимальную температуру теплоносителя, подаваемого в систему отопления; отключать систему отопления при определенной температуре наружного воздуха; при отключенной в летнее время системе отопления поддерживать возможность функционирования циркуляционных насосов, регулирующих клапанов путем их кратковременного включения; регулировать температуру воды в системе горячего водоснабжения, а также другие возможности регулировки, блокировки, защиты и сигнализации.
Особенности процесса отопления распределенного комплекса зданий (РКЗ) как объекта управления
Системы теплоснабжения и отопления комплекса зданий с точки зрения теории управления являются сложными объектами с распределенными параметрами, в которых протекают гидравлические процессы, процессы тепло- и массообмена. Для подобных объектов характерна зависимость состояний, управлений и выходов технологических объектов не только от времени, но и от пространственных координат. Естественными моделями для подобных объектов являются дифференциальные уравнения в частных производных, интегральные уравнения или трансцендентные передаточные функции.
Для систем теплоснабжения и отопления характерны следующие особенности [33]: значительная инерционность процессов теплообмена в системах, связанная с протеканием теплоносителя по трубопроводам, причем протяженность трубопроводов может составлять сотпи метров для систем отопления и километры для систем теплоснабжения, например, протяженность тепловых сетей БГТУ им. В.Г. Шухова более 5 км (в однотрубном исполнении); наличие большого количества возмущающих воздействий как внешних, так и внутренних, часть из которых не могут быть определены и учтены при проектировании, например теплопоступления во время занятий в лабораториях, аудиториях и другое, причем реакция на них связана с инерционными процессами; сложность теоретического расчета параметров ОУ и их нестрогое соответствие реальным параметрам системы в течение отопительного периода; невозможность учета результирующего воздействия по времени всех возмущений в связи со сложностью расчета нестационарных процессов тепло- и массообмена в системе "внешняя среда - помещение", а именно, сложность учета суммарного воздействия температуры наружного воздуха, интенсивности солнечной радиации, направления и скорости ветра и др. Рассмотрим влияние возмущающих воздействий на процесс отопления здания. Температура наружного воздуха является основным фактором, оказывающим существенное влияние на температурный режим здания- Возникающий градиент температур между внутренними и наружными ограждающими конструкциями зданий вызывает перенос теплоты через них. Этот процесс происходит с помощью лучистого и конвективного теплообмена на поверхностях этих конструкций, а также копдуктивного теплообмена через стенки ограждений. Возникающий перепад давлений внутри и снаружи здания за счет разности объемных масс теплого и холодного воздуха обуславливает тепло- и массообмен путем инфильтрации воздуха через неплотности в ограждающих конструкциях. Кроме того, значительное влияние на этот процесс оказывает скорость и направление ветра. Не менее важную долю в тепловом балансе отапливаемых помещений занимает теплопоступление за счет солнечной радиации (см, рис, 2.1 - из архивных данных АСДУ). При этом по динамическим спойствам тепловые потери зданий, вызванные изменением температуры наружного воздуха, делятся на относительно быстрые (через нетеплоемкне ограждения) и медленные (через теплоемкие ограждения). По аналогии с предыдущими воздействиями, тепловые потери зданий, обусловленные влиянием ветра и связанные с инфильтрацией через неплотности в ограждающих конструкциях относятся к быстрым, а медленные, определяются влиянием на коэффициент теплоотдачи наружных ограждающих конструкций. Инфляционная теплота также проникает в отапливаемые помещения по каналам быстрых (коротковолновое солнечное излучение через окна) и медленных (радиационный нагрев наружных поверхностей степ) теплопоступлеиий. Таким образом, влияние различных факторов внешней среды на распределенный комплекс зданий носит достаточно сложный хараісгер. Причем влияние каждого из фаеторов - температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра, а также солнечной радиации - носит различный характер и описывается с помощью соответствующих математических моделей. Например, для математического моделирования и оптимизации тепловой эффективности зданий предлагается подход на основе системного анализа [44,45], Кроме того, на тепловой режим отапливаемых помещений оказывают влияние внутренние воздействия. В жилых домах их источником являются бытовые теплопоступления. В зданиях образовательного назначения значительными источниками таких теплопоступлений являются студенты, лабораторные приборы, оборудование и другие источники при проведении занятий в аудиториях. Существенное воздействие на расход теплоносителя G в подающем трубопроводе оказывает горячее водоснабжение (ГВС). На рис. 2,2 представлено влияние потребления ГВС на зависимость G= f(t) для системы отопления механического корпуса БГТУ им- ВТ. Шухова. Отличительной особенностью этих систем теплоснабжения зданий является применение открытой системы с непосредственным водоразбором на горячее водоснабжение (ГВС) и зависимым присоединением отопительных систем зданий к наружным тепловым сетям. При этом ГВС жилых и общественных здании, коммунальных предприятий относится к крупным потребителям теплоты в системах централизованного теплоснабжения. Годовой расход теплоты на горячее водоснабжение достигает 40% от общего годового отпуска ТЭЦ или городской котельной [33]. Например, пиковые нагрузки горячего водоснабжения в ряде случаев превышают расходы теплоты на отопление зданий (см. рис. 2.2). При этом следует отмепггь, что в последующих разделах работы будет показано, что даже при скачкообразных изменениях расхода теплоносителя в ИТП процесс изменения температуры в системе іштжнт} (гудеі протекать плавно рлшлу -шачителытй инерционности CO. cnmmmw со ъжшм пильной ироигжешшетыо грубопронодов. С точній зрения управления процессом отопления РКЗ рассмотрим іеплом есобмешівіс процессы, протекающие в тсилоїшх осі ях и системах отопления зданий распределенного комплекса с использованием етратифшшровашюто представления [921 исследуемого объекта (рис, 2.3). Страты выделены в шшвегеишв с составом РКЗ, Страта I, Ідншш. Вюшч&ег її себя ідшшя (3,) и еиечему ппдвюіци.ч и обратных трубопроводов комплекса чданий (І ГГКХ О ППу Стрита 2, Система теплоснабжения. Включает в себя систему теплоснабжения здания (ПОТ), в том числе сисгемч отопления (0). подающие и обрашые трубопроводы здания (П П. ОТЗ), Страта .1 Вепш еиегшы юплашя, ЦОЇІЛЧЗЄГ п себя элементы схемы зависимою теплоснабжения (X) участок смешивания тещюносигеля в подающем трубопроводе (УСТ) к участок распределения теплопоещхля т обратного трубопровода (УРТ), подающие трубопроводы ветвей СО (Ш В) и опрятные трубопроводы ветвей СО {ОТВ). а также ветви СО (ЕЇ).
Особенности управления процессом отопления здания с учетом климатических факторов
Разработанная математическая модель управления процессом отопления здания (гл. 2) учитывает особенности процесса подмеса теплоносителя из обратного трубопровода, что позволяет разработать алгоритмы управления, обеспечивающие энергосбережение. Однако для повышения качества процесса отопления и обеспечения равномерного распределения температуры по помещениям здания необходимо управлять ветвями СО с учетом климатических факторов, действующих на фасады зданий распределенного комплекса. Рассмотрим особенности управления ветвями СО.
Объект управления - ветви СО фасадов здания. Основная цель управления -это регулирование расхода теплоносителя по ветвям системы отопления для устранения неравномерного теплопотребления ветвей СО в связи с различным влиянием внешней среды на каждый фасад здания. Управление ветвями СО позволит повысить эффективность управления процессом отопления здания в целом за счет учета климатических факторов путем обеспечения возможности авторегулирования по ветвям СО. Это достигается установкой следующих дополнительных элементов автоматизации в системе отопления здания: контроллера; ? регулирующих клапанов с исполнительными механизмами на ветвях обратных или подающих трубопроводов СО, за исключеігисм ветвей северного фасада здания; ? датчиков температуры воздуха в типовых помещениях со стороны всех фасадов здания; ? датчиков температуры наружного воздуха по всем фасадам здания за исключением северного фасада, так как этот датчик имеется в подсистеме центрального регулирования отопления в ИТП здания. Выбор ветви системы отопления, в которой производится регулирование расхода теплоносителя, зависит от внешних н внутренних возмущающих воздействий на здание, а именно, от температуры наружного воздуха, температуры воздуха в типовых помещениях здания, интенсивности солнечной радиации, направления и скорости ветра и др. Например, в О-образном в плане зданий имеется 4 фасада наружных и 4 фасада внутренних с разделенной после гидравлического распределителя системой отопления в виде ветвей для каждого фасада здания. Необходимость использования отдельного контроллера для управления ветвями СО определяется исходя из предложенного подхода. Его можно применять для расширения функциональных возможностей систем управления процессом отопления здания на базе существующих промышленных регуляторов. Основная особенность при управлении ветвями СО состоит в том, что при воздействии па одну из ветвей происходит перераспределение расходов (см- рис, 2.7)» поскольку общий расход в СО постоянен и поддерживается циркуляционным насосом. Перераспределение расходов по ветвям вызывает изменение температуры обратного трубопровода СО Т01 и соответственно, практически мгновенное изменение температуры, подаваемой в СО Тсо. Таким образом, при управлении ветвями СО необходимо стабилизировать переменную Тсо для поддержания требуемого режима теплопотребления. Рассмотрим особенности алгоритма управления ветвями с учетом внешних климатических фаеторов. При этом считаем, что УУ - устройство управления процессом отопления здания, а УУі - устройство управления ветвями СО. УУі функционирует по разработанной программе управления и при этом выполняются следующие алгоритмические операции: сравниваются показания датчика температуры наружного воздуха Тнс северного фасада здания с показаниями датчиков температуры воздуха Тик с других наружных сторон здания, определяется температура TiiX, меньшая чем TJICi т.е. при этом выявляется фасад здания Ф, , имеющий самую низкую температуру вследствие дополнительного его охлаждения под действием внешних возмущений, например, ветра; ? на основании полученных результатов для УУ выдается команда контроллером УУі на ввод нового параметра для программного задатчика регулятора УУ в виде температуры наружного воздуха Г„.г вместо Тис. Это позволяет скорректировать авторегулирование температуры теплоносителя в ИТП с учетом изменения внешних возмущающих воздействий на здание; ? сравниваются показания датчика температуры воздуха Tecj помещения со стороны северного фасада здания с показаниями датчиков температуры воздуха ТК в помещениях с других сторон здания, определяются величины максимального отклонения внутренних температур от температуры воздуха Tech а затем выявляются внешние и внутренние фасады здания Ф и Фк2, которые дополнительно обогреваются солнечным излучением; ? УУі вырабатывает управляющую команду для исполнительных механизмов, воздействующих на регулирующие клапаны для изменения расходов теплоносителя в выбранных ветвях системы отопления. Поясним алгоритмы функционирования системы управления на следующем примере. Для компенсации понижения температуры воздуха в помещениях со стороны некоторого фасада здания, возникшего, например, вследствие воздействия ветра, которое определяется с помощью дополнительного контроллера на основе обработки информации от датчика, необходимо обеспечить увеличение теплоотдачи в системе отопления па Л/% теплопроизволитсльпости путем увеличения расхода теплоносителя из подающего трубопровода с помощью УУ. Вместе с тем, например в помещениях со стороны южных фасадов, а именно с внутренней и внешней сторон здания, происходит повышение температуры воздуха в результате увеличения интенсивности солнечной радиации, поэтому для коррекции температуры воздуха необходимо обеспечить уменьшение теплоотдачи в системе отопления на Л2% теплопроизводительности путем уменьшения расходов теплоносителя в ветвях этих фасадов с помощью УУ].
Предлагаемая подсистема в рассматриваемом случае расширяет функциональные возможности пофасадного авторегулирования [21,111-112]. В известных САР отопления здания с пофасадпым регулированием для протяженных в плане здании применяются приборы и оборудование в двойном количестве для каждого из двух фасадов здания. Принципиальное отличие предлагаемого технического решения от пофасадного регулирования заключается, во-первых, в использовании известного авторегулирования с помощью электронного регулятора (УУ) температуры теплоносителя в ИТП Однако при этом осуществляется коррекция в САР по температуре наружного воздуха самого холодного фасада здания, который определяется на некоторый момент времени па основе обработки информации от датчиков температуры наружного воздуха с помощью введенного и систему дополнительного контроллера. Во-вторых, в САР отопления здания применяется регулирование температурных режимов по каждому фасаду с помощью дополнительного контроллера на основе опроса и анализа информации от дополнительных датчиков температуры воздуха в помещениях здания и датчиков температуры наружного воздуха, установленных на наружных фасадах здания, путем изменения расходов теплоносителя в определенных ветвях системы отопления с помощью дополнительных регулирующих клапанов с исполнительными механизмами.
Разработка структуры АСДУ отоплением РКЗ с учетом температурных режимов фасадов и основных особенностей 3-х уровней управления
В результате анализ дшшых., полученных ирп моделировании и представленных в пюл. 3.2, можно сделать выпад, что при малых рассогласованиях, менее 5"С. для с;г#бшикшіии 7 аз целесообразно итгольчонать
ПИ-закон регулирования (см. ур-пие (3.31)). При больших величинах рассогласования, т.е. при переходе с ночного на дневной режим отопления следует использовать закон управления в виде уравнений (3.32), обеспечивающий меньшее энергопотребление при удовлетворительном времени регулирования или закон управления в виде уравнений (334), обеспечивающий намного меньшее время регулирования (в 3 раза но сравнению с законом управления в виде уравнений (3.32)) при практически одинаковом (па 1.-5% больше) тсплопотреблении. Кроме того, немаловажным достоинством законов управления (см, ур-ния (3,32), (3.34)) является возможность натопа в здании при смене режима отопления. Закон управления в виде уравнения (3.30) обеспечивает минимальное энергопотребление, но имеет неудовлетворительное время регулирования, кроме того, отсутствует период натопа.
При моделировании установлено, что на наклон сепаратрисы значительное влияние оказывает изменение параметров 7% Т2 модели ОУ, следовательно, в реальных условиях функционирования системы управление на базе аналитического представления сепаратрисы будет неэффективным из-за дрейфа параметров объекта, следовательно необходимо предложить закон управления па основе уравнений (3.32) и (3.34), но момент переключения выбрать, например, при достижении максимума (см. рис.3.4) переменной хз , т.е. при законе управления в виде уравнений (3.33). Из анализа результатов па рис.3.5 и данных табл. 3-2 следует, что закон управления в виде уравнений (3.33), при значительных рассогласованиях, имеет быстродействие не хуже, чем закон управления в виде уравнений (3.34), и при меньшем энергопотреблении, имеет период натопа и не зависит от параметров модели.
На рис, 3,6 представлен регулятор с переменной структурой, полученный па основе синтезированного энергоэффективпого управления,
В зависимости от уровня сигнала рассогласования с происходит воздействие на объект управления по ПИ-закону (при малых рассогласованиях) или по энергоэффективному закону (при больших рассогласованиях). Под большими рассогласованиями в САР понимаются режимы переключения по заданной программе на повышение или понижение температуры в помещениях здания. Момент переключения определяется по достижении температуры теплоносителя Тсо заданного уровня Tcod±AtJt Уровень воздействия но энергоэффекгивному закону зависит от знака є и знака соотношений (3.25), (3.26), определяющих линию переключения в фазовой плоскости, а также от значения переменной Х2 (Т0).
Исследование динамики контура стабилизации расхода по положению вала исполнительного механизма выполнено в работах, приведенных в приложении 4. Следует отметить, что инерционность данного контура много меньше инерционности ОУ.
Для управления по энергоэффективному закону необходимо располагать не только значением х2 но и значением первой производной dx2/dt. Известно, что дифференцирование в условиях реального функционирования объекта - сложная задача, связанная с фильтрацией помех, воздействующих на объект. Однако, учитывая инерционность объекта и то, что х2 формируется на выходе объекта, обладающего значительной постоянной времени, который сглаживает помехи, возникающие при скачках давления и расхода в теплосети (см. приложение 5), то задача дифференцирования для цифрового регулятора сводится к нахождению соответствующей аппроксимации оператора дифференцирования с использованием известных зависимостей [119-124] по значениям на предыдущих шагах по времени. Экспериментальные данные подтверждают это, так как график Т0 гораздо более гладкий, чем Тсо (см. рис. 2.6). Это прежде всего связано с особенностями исследуемого объекта. Например, любое, даже скачкообразное, изменение расхода в подающем трубопроводе в ИТП для соответствующего изменения температуры в системе отопления обязательно сглаживается в обратном трубопроводе после прохождения теплоносителя по внутренним сетям системы отопления, включая се ветви и стояки.
С учетом проведенных исследований целесообразно использовать сочетание различных законов управления и при этом применять регулятор с переменной структурой, который бы функционировал следующим образом. Для выхода на дневной или ночной режим теплоснабжения здания необходимо использовать энергоэффективный законы управления в виде уравнений (3.32)-(3.34), позволяющие снизить потери при смене режима (выполняется в соответствии с суточной, недельной программой). Вместе с тем, для осуществления погодной коррекции подачи теплоносителя и при отработке возмущений, связанных как с внешними, так и с внутренними факторами необходимо использовать ПИ-регулирование (см. ур-ние (3.31)).
В соответствии с [83] можно рассматривать разработанную стратифицированную структуру целей в параграфе 2.5 в виде иерархической структуры [99] и применять методы анализа иерархических структур, например, метод объектно-ориентированного анализа и проектирования [91], Для нотации применяем язык UML (Unified Modeling Language) [84-86], используемый для описания и документирования сложных систем.
Для объектно-ориентированного анализа разработанной структуры целей управления используем понятие голевой класс [98], характеризующее целевую сущность рассматриваемой системы на соответствующем уровне целевой абстракции.
