Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ особенностей управления системами отопления в индивидуальных тепловых пунктах 10
1.1. Цели управления и требования к системам отопления 10
1.2. Обзор существующих схемных технологических решений индивидуальных тепловых пунктов 15
1.3. Сравнительный анализ существующих методов синтеза регуляторов систем отопления 19
1.4. Современные подходы к идентификации динамических систем 22
1.5. Выводы 28
2. Разработка методики синтеза многосвязной системы управления отоплением в установившемся и переходном режимах 29
2.1. Обобщенное структурно-аналитическое описание многосвязной системы отопления на основе собственных и взаимных передаточных функций параметров стабилизации 29
2.2. Формализация задач синтеза системы управления отоплением в индивидуальном тепловом пункте 36
2.3. Анализ и синтез системы управления отоплением в установившемся режиме 39
2.4. Синтез параметров регуляторов в одноконтурной системе в переходном режиме 42
2.5. Итерационная процедура определения настроечных параметров
многосвязной системы отопления 52
2.6 Выводы 59
3. Параметрическая идентификация системы отопления для управления ее собственными динамическими свойствами в процессе нормальной эксплуатации 60
3.1. Разработка метода пассивной идентификации многосвязной
системы отопления в индивидуальном тепловом пункте 60
3.2. Методика идентификации системы отопления с использованием цифровой обработки сигналов 75
3.3. Выводы 85
4. Принцип построения и особенности функционирования программно аппаратного комплекса по идентификации и синтезу системы управления отоплением 86
4.1. Состав и функциональное назначение программно-аппаратного комплекса 86
4.2. Разработка алгоритма имитационного моделирования системы отопления 96
4.3. Экспериментальное использование разработанных методик и программно-аппаратного комплекса 101
4.3.1. Особенности исследуемого объекта управления 101
4.3.2. Проведение вычислительного эксперимента 107
4.4. Выводы 114
Основные результаты работы 115
Список литературы 116
Приложение 130
- Обзор существующих схемных технологических решений индивидуальных тепловых пунктов
- Обобщенное структурно-аналитическое описание многосвязной системы отопления на основе собственных и взаимных передаточных функций параметров стабилизации
- Методика идентификации системы отопления с использованием цифровой обработки сигналов
- Состав и функциональное назначение программно-аппаратного комплекса
Введение к работе
Существующие системы теплоснабжения были спроектированы в
условиях плановой экономики, когда с целью снижения капитальных
вложений применялись упрощенные технические решения. В частности, для
индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) в настоящее время характерно
отсутствие или недостаточное количество приборов контроля и
регулирования. В этих условиях применительно к системам отопления очень
сложно, а часто и невозможно обеспечить управление
теплогидравлическими режимами и, как результат, требуемые условия микроклимата у потребителей.
Изменившиеся экономические условия и появившиеся за последние годы новые технические решения выдвигают задачи повышения качества, надежности и экономичности систем отопления в ИТП, оперативное управление которыми требует нового подхода к исследованию количественных закономерностей и связей регулируемых параметров с регулирующими воздействиями, их моделирования и поиска системного вектора управления.
При этом синтез системы управления отоплением необходимо выполнять на базе современных методов из условий постановки задач управления в динамических и статических режимах с позиций требований к точности и адаптивности моделей для различных схемно-технологических решений.
Применяемый в настоящее время математический аппарат для оптимизации параметров работы систем отопления не учитывает ряд их характерных особенностей, таких как многоконтурность и многосвязность. Используемые для системного управления математические модели не обладают достаточной адекватностью, в связи с чем возникает потребность в создании соответствующих моделей, основанных на экспериментальных данных.
В настоящее время исследований, посвященных синтезу многосвязных систем управления отоплением и разработке соответствующих практических решений, недостаточно. Поэтому разработка новых методов и алгоритмов определения оптимальных настроек параметров регулирования в системах отопления требует системного подхода и является актуальной.
Таким образом, цель работы состоит в разработке и теоретическом обосновании методики синтеза многосвязной системы управления отоплением в ИТП для обеспечения необходимых статических и динамических свойств системы в заданных режимах работы.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи:
конкретизация области исследования на основе системного анализа особенностей управления действующими системами отопления в ИТП, а также обзора существующих методов моделирования и оптимизации;
разработка методики синтеза многосвязной системы управления отоплением в ИТП, позволяющей поддерживать на требуемом уровне необходимые параметры работы системы, обеспечивающие экономию топлива, уровень теплового комфорта, качество и надежность отопления;
разработка обобщенного структурно-аналитического описания к математическому описанию системы отопления, обеспечивающего адекватность отображения динамических и статических свойств по данным экспериментальных наблюдений.
На защиту выносятся следующие научные результаты
предложено обобщенное структурно-аналитическое описание многосвязной системы отопления в ИТП, на основе собственных и взаимных передаточных функций параметров стабилизации, обеспечивающее отображение статических и динамических свойств системы;
предложен метод получения коэффициентов характеристического полинома с заданным порядком на основе критерия,
обеспечивающего максимальное быстродействие переходного процесса системы отопления с минимальной колебательностью;
разработана итерационная процедура последовательного уточнения настроечных параметров регуляторов многосвязной системы отопления, основанная на аппроксимации желаемого частотного годографа характеристического уравнения системы, собственное решение которого отражает необходимая переходная составляющая.
разработана методика синтеза многосвязной системы управления отоплением в ИТП, в основе которой лежит концепция управления переходными и установившимися режимами;
разработана методика пассивной идентификации многосвязной системы отопления в ИТП, использующая в качестве входных тестовых сигналов шумы системы в рабочем частотном диапазоне, с применением ' методов цифровой обработки сигналов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 130 наименований, приложения, включая материалы об использовании результатов. Основная часть работы изложена на 131 страницах, содержит 69 рисунков и 5 таблиц.
В первой главе определены цели и задачи управления системой отопления в ИТП.
Формализованной целью управления системой отопления в ИТП является стабилизация на требуемом уровне температуры воздуха отапливаемых помещений зданий при квазистационарном режиме работы системы отопления с минимальными затратами тепловой энергии.
Оперативное управление в ИТП позволяет обеспечить повышение комфортности внутриобъектного климата за счет исключения "перетопов" и компенсации "недотопов" и обеспечения устойчивого гидравлического режима.
Исходя из цели и задач исследования выявлены требования, предъявляемые к управлению системами отопления в ИТП, такие как:
7 поддержание заданной температуры воздуха отапливаемого здания; поддержание требуемых тепловых и гидравлических режимов; уменьшение расхода тепловой энергии на отопление.
Для конкретизации задач исследования рассмотрены этапы синтеза многосвязной системы отопления в ИТП.
Во второй главе разработана методика синтеза многосвязной системы управления отоплением в установившемся и переходном режимах с использованием математического описания на основе собственных и взаимных передаточных функций параметров стабилизации.
Первоначально синтез управления предполагает определение структуры системы и выявление величин, характеризующих ее статические и динамические свойства, которые влияют на оптимизацию потребления тепловой энергии. Исходя из этого, разработано обобщенное структурно-аналитическое описание системы отопления в ИТП.
Для определения параметров регуляторов предложен метод получения коэффициентов характеристического полинома с заданным порядком на основе критерия, обеспечивающего максимальное быстродействие переходного процесса системы отопления с минимальной колебательностью.
Разработан новый метод определения настроечных параметров для каждой итерации процедуры оптимизации многосвязной системы отопления, основанный на апроксимации желаемого частотного годографа характеристического уравнения системы, собственное решение которого отражает необходимая переходная составляющая.
На основании предложенных методов разработана методика синтеза системы управления.
В третьей главе предложена методика пассивной идентификации многосвязной системы отопления в ИТП, использующая в качестве входных тестовых сигналов шумы системы в рабочем частотном диапазоне.
Первый этап методики заключается в получении на базе априорной информации о частотном диапазоне системы временных выборок входных и
8 выходных сигналов. Выборка сигналов осуществляется с применением соответствующих датчиков и программно-аппаратного комплекса состоящего из ЭВМ и аналого-цифрового устройства (АЦУ).
Для уменьшения негативного эффекта дискретизации на втором этапе используется метод устранения подмены частот, который заключается в использовании нескольких реализаций отсчетов сигналов с разными интервалами дискретизации.
При реализации идентификации возникает необходимость в фильтрации данных, полученных в ходе эксперимента. Поэтому третий этап методики идентификации посвящен восстановлению сигнала на фоне помехи.
Следующим этапом является получение модели многосвязной системы отопления в виде разностных рекуррентных уравнений, на основе разработанного метода пассивной идентификации, использующего в качестве входных тестовых сигналов шумы системы в рабочем частотном диапазоне.
На пятом этапе для определения адекватности модели исследуемой системы в работе используется подход, заключающийся в формализованном анализе:
выборочной автоковариационной функции остаточных ошибок; выборочной взаимной ковариационной функции входного воздействия и остаточных ошибок.
Четвертая глава посвящена принципам построения, особенностям
функционирования и экспериментальной апробации программно-
аппаратного комплекса по идентификации и синтезу системы управления отоплением в ИТП.
Для имитационного моделирования многосвязной системы отопления в ИТП разработан рекуррентный алгоритм цифрового моделирования.
Экспериментальные исследования показали целесообразность, работоспособность, согласованность и эффективность применения в условиях эксплуатации системы отопления в ИТП реализованных процедур и
технических устройств в составе разработанного программно-аппаратного
комплекса.
Обзор существующих схемных технологических решений индивидуальных тепловых пунктов
Из вышеизложенного следует, что управление в ИТП является необходимым фактором качественной и экономически целесообразной работы системы отопления.
Для реализации такого управления необходимо решение следующих задач: - оценка эффективности существующих технологических решений управления системами отопления в ИТП; - синтез системы управления отоплением, на основе динамических и статических свойств систем отопления; - получение модели многосвязной системы отопления по экспериментальным данным.
Как известно [37, 53, 103], основными теплопотребляющими установками тепловых сетей являются установки отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. От схем присоединения абонентов к тепловым сетям и установленных регуляторов во многом зависит качество теплоснабжения, а также такие важные параметры работы сетей как удельные расходы сетевой воды и ее температура в обратном трубопроводе.
Анализ существующей технологической структуры построения систем централизованного теплоснабжения, схем тепловых сетей и абонентских вводов, а также конструкций применяемого в системах отопления оборудования показывает [21, 53, 66, 119], что они не в полной мере отвечают современным требованиям, предъявляемым к объектам управления.
Современные крупные системы теплоснабжения обслуживают сотни, а часто и тысячи абонентов, которые имеют разнородную и переменную во времени тепловую нагрузку. Отапливаемые здания, построенные в разное время, имеют значительные расхождения в удельных теплотехнических характеристиках. Для ИТП этих зданий характерно несовершенство схемных и конструктивных решений: - отсутствие средств учета и регулирования потребляемых энергоре сурсов; - непосредственное подключение систем отопления к тепловым сетям без промежуточных узлов управления, что снижает маневренность и гибкость системы; - использование устаревшего теплотехнического оборудования; - недостаточный уровень технической эксплуатации, вызывающий «перетопы» в зданиях из-за несбалансированности теплогидравлических ре жимов в системах отопления.
Очевидно, что в этих условиях достаточно сложно обеспечить требуемые условия микроклимата во всех помещениях без оперативного управления системами отопления в ИТП.
В условиях повсеместного отсутствия приборов учета потребляемых энергоресурсов абоненты не имеют материальных стимулов к их экономии, так как оплата за тепловую энергию совместно со сверхнормативными потерями в тепловых сетях перекладывается автоматически на плечи потребителей. Регулирование температуры внутреннего воздуха в продолжительные периоды «перетопа» осуществляется, как правило, «форточкой», а при «не-дотопе» - бытовыми электрическими или газовыми плитами, что приводит к ухудшению качества внутреннего воздуха.
Таким образом, исторически сложившиеся условия развития систем теплоснабжения обусловили крайне нерациональное потребление тепловой энергии; при этом в зданиях в течение достаточно длительных периодов времени наблюдается неудовлетворительный уровень комфорта.
Вторую задачу необходимо рассматривать как совокупность частных подзадач, которые вытекают из особенностей и степени сложности систем отопления и процессов их регулирования, а именно: - стабилизация параметров объекта управления и повышение запаса его устойчивости; - обеспечение необходимой точности воспроизведения воздействий в установившемся режиме; - обеспечение заданного качества переходного режима.
Выполненный автором анализ [93, 95, 96] показал, что для осуществления оптимальных принципов и режимов регулирования отпуска теплоты необходимо разрабатывать новые подходы к управлению системами отопления, которые должны удовлетворять главным требованиям: - поддержание заданной температуры воздуха внутри помещения; - выполнение гидравлического режима; - обеспечение теплового режима; - уменьшение расхода теплоты на отопление.
Третья задача требует исследования сложных количественных закономерностей работы систем отопления. При создании модели систем отопления возникает обратная задача математического моделирования - идентификация объекта, которая заключается в получении математического описания по экспериментальным входным и выходным сигналам. При этом математическое описание должно учитывать многоконтурность и многосвязность систем.
Обработка результатов моделирования с целью повышения адекватности и достоверности требует также применения современных методов и алгоритмов цифровой обработки сигналов.
Обобщенное структурно-аналитическое описание многосвязной системы отопления на основе собственных и взаимных передаточных функций параметров стабилизации
Как уже отмечалось, система отопления предназначена для обеспечения потребителей тепловой энергией. В обобщенном виде систему отопления можно представить как связь источника и потребителя тепловой энергии (рис. 2.1). т0бр — температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы отопления; Gnos, G0ep — расход теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы отопления.
Количество тепловой энергии, получаемой потребителем, можно представляется следующим соотношением: \Q{t)dt = \G(t){rnod (0 - тобр (0)А.
Параметры, обеспечивающие работу системы отопления, будут функционально зависеть от мгновенного потребления тепловой энергии:
Проблема получения динамической модели системы отопления заключается в нелинейности зависимости Q(t) от xnod(t), x06P(t), G(t).
Для приведения данной величины к линейному описанию необходимо по формуле разложения в ряд Тейлора линеаризировать данное выражение относительно номинальной точке - установившегося значения. 6(0 = Qycm. + GycATnod.(0 -тпод ) -G (тоб (t) -тоГ ) + (G(0 - G )(т„ -г„ ,)
Исходя из данного соотношения и выполненного автором анализа [93, 95, 96], структурную схему зависимостей параметров системы отопления можно представить следующим образом (рис. 2.2).
На рис. 2.4 Wu, W12, W2i, W22, W23 — собственные и взаимные передаточные функции объекта; Фц, Ф]2, 021, Ф22, Фз2 передаточные функции регуляторов, настроечные параметры которых необходимо оптимизировать.
В представленной на рис.2.4 схеме зависимости между величинами носят взаимный характер. Так, возмущения одного из входных параметров влияют не только на параметр, соответствующий прямой связи, но и на другие регулируемые величины.
С учетом контуров регулирования математическое описание системы отопления будет выглядеть следующим образом: (E+W D)Y=(WO)Y3aA, (2.3) где Е - единичная матрица; Ф - матрица передаточных функций регуляторов mxn, Y3ad_ - матрица задающих воздействий 1 т.
Помимо регулируемых параметров, которые и определяют характер работы системы отопления, большое влияние на работу системы отопления оказывают возмущающие воздействия. Основным из них является температура наружного воздуха. По своим динамическим свойствам изменение температуры наружного воздуха в основном носит непериодический характер. Остальные возмущающие воздействия (бытовые тепловыделения, скорость и направление ветра, интенсивность солнечной радиации, влажность воздуха) носят периодический характер и зависят от времени суток, расположения здания и др. Математически их можно аппроксимировать в ряд Фурье [23]. Такой подход позволяет успешно использовать полученное представление для решения конкретных теплофизических задач, а также при расчете теплоустойчивости. Таким образом, изменение возмущающих воздействий являются нерегулируемыми параметрами и могут быть заменены некоторой детерминированной формулой. В этом случае система отопления является комбинированной многосвязной системой регулирования. Основой расчета комбинированных систем является принцип инвариантности [20, 130], т.е. отклонение выходной координаты системы от заданного значения должно быть тождественно равным нулю при любых задающих или возмущающих воздействиях.
Для реализации этого принципа необходимо выполнение двух условий: идеальная компенсация всех возмущающих воздействий и идеальное воспроизведение сигнала задания.
Применение принципа инвариантности в системах отопления возможно лишь для возмущений, связанных с температурой наружного воздуха и компенсируемых с помощью графика регулирования отпуска тепловой энергии. Возмущения, не связанные с температурой наружного воздуха, сложно компенсировать исходя из условий технической реализации. В общем виде структурная схема, реализующая компенсацию температуру наружного воздуха, выглядит следующим образом [97]. Рис. 2.5. Структурное представление математической модели многосвязной системы отопления с учетом компенсации температуры наружного воздуха На рис. 2.5 є - рассогласования между заданными и расчетными значениями На основании вышеизложенного была разработана структурная схема системы отопления индивидуального теплового пункта (рис. 2.6), где f(t„,k) - функция, реализующая температурный график системы отопления; Wmeiu, - передаточная функция теплового режима; Wzudp_ - передаточная функция гидравлического режима.
Методика идентификации системы отопления с использованием цифровой обработки сигналов
Для получения параметрической модели системы отопления в работе предлагается методика, состоящая из разработанного метода пассивной идентификации (п. 3.1) и цифровой обработки сигналов для повышения состоятельности параметров модели идентифицируемой системы.
Первый этап методики заключается в получении на базе априорной информации о частотном диапазоне системы временных выборок входных и выходных сигналов. Выборка сигналов осуществляется с применением соответствующих датчиков и программно-аппаратного комплекса состоящего из ЭВМ и аналого-цифрового устройства (АЦУ).
Для уменьшения негативного эффекта дискретизации на втором этапе используется метод устранения подмены частот [44], который заключается в использовании нескольких реализаций отсчетов сигналов с разными интервалами дискретизации.
При реализации идентификации возникает необходимость в фильтрации данных, полученных в ходе эксперимента. Поэтому третий этап методики идентификации посвящен восстановлению сигнала на фоне помехи.
Следующим этапом является получение параметрической модели многосвязной системы отопления в виде разностных рекуррентных уравнений (3.4), на основе разработанного метода пассивной идентификации, использующего в качестве входных тестовых сигналов шумы системы в рабочем частотном диапазоне.
На пятом этапе для определения адекватности модели исследуемой системы в работе используется подход, заключающийся в формализованном анализе: - выборочной автоковариационной функции остаточных ошибок (3.10, 3.11); - выборочной взаимной ковариационной функции входного воздействия и остаточных ошибок (3.12, 3.13).
Использование соотношений (3.4-3.8) для обоснования метода идентификации многосвязной системы отопления не вызывает затруднений. Но проблемы возникают при идентификации системы в случае использования цифровых выборок сигналов полученных в ходе эксперимента. Данные выборки помимо полезного сигнала содержат нежелательную случайную со ставляющую, снизить влияние которой позволяет цифровая фильтрация данных.
В общем виде цифровая линейная фильтрация — это преобразование набора входных данных х(іЛТ) в набор выходных данных у(іЛТ) с помощью линейного соотношения вида [56]
Как было показано, влияние стационарных помех можно значительно ослабить методами линейной фильтрации, но при этом линейный фильтр искажает и полезный сигнал. В частности, снижается амплитуда сигнала. Поэтому в ряде случаев целесообразно использовать методы нелинейной фильтрации.
Для восстановления сигнала на фоне помехи можно предложить метод, в котором дискретному временному сигналу ставятся в соответствии с преобразованием Гилберта реальная и мнимая составляющие, не искажающие спектр сигнала.
Преобразование Гилберта [23] выполняется в результате обратного преобразования Фурье спектра X(f) = F{x(t)} = R&X(f) + jlmX(f) временного сигнала на положительных частотах j2X(f),f .0, [0,/ 0. z{t) = F-x{Z{f)}. (3.17)
В результате такого преобразования восстанавливается сопряженная компонента zim (t) в сигнале z(t) = zre (t) + jzim (t). Значение z(t) - комплексное число, у которого можно определить модуль и фазу.
Обработка отдельно огибающей zm(t) и локальной фазы cp(t) позволяет качественно увеличить отношение полезного сигнала к шуму.
В качестве обработки огибающей предлагается использовать линейную цифровую фильтрацию, а для обработки фазы метод оценки фазовой характеристики, который состоит в обнаружении скачков значений фазы между соседними точками, превышающими значение ж рад. Добавлением или вычитанием скачков фазы 2 к рад. можно восстановить непрерывность фазо-частотной характеристики. На рис. 3.21 представлен пример развертывания фазо-частотной характеристики.
Состав и функциональное назначение программно-аппаратного комплекса
Для реализации предложенных методик по идентификации и синтезу системы управления (главы 2, 3) разработан программно-аппаратный комплекс, позволяющий решать следующие задачи: - получение реальных сигналов системы отопления с помощью датчиков и АЦУ L-154, а также сохранение данных и их редактирование; - линейная и нелинейная фильтрация данных (п. 3.2); - оценка параметров модели системы отопления в ИТП (п. 3.1); - имитационное моделирование системы на основе собственных и взаимных передаточных функций (п. 4.2); - оценка состоятельности модели на основе формализованного анализа остаточных ошибок между результатами имитационного моделирования и проведенного эксперимента (п. 3.1); - определение вектора настроечных параметров регуляторов (п. 2.5). Созданный программно-аппаратный комплекс включает в себя 4 ос новных функциональных блока (рис. 4.1), направленных на решение основ ных этапов предлагаемых методик.
Блок получения реальных сигналов выполняет функции соответствующие задачам (1, 5), блок идентификации задачам (1, 2, 5), блок синтеза управления задачам (6), блок имитационного моделирования и адекватности модели (4, 5). Рис. 4.1. Основные блоки программно-аппаратного комплекса
Программно-аппаратный комплекс спроектирован в среде Borland C++ Builder [ПО] и основан на принципе объектно-ориентированного подхода к программированию. Выбор среды разработки обуславливается гибкостью и большими возможностями языка C++, в том числе возможностью динамического выделения оперативной памяти, поддержки работы с указателями, что, в свою очередь, позволяет добиться высокой эффективности работы с массивами данных.
Программно-аппаратный комплекс является автоматической системой с точки зрения использования аналого-цифрового преобразователя (платы L-154) и ЭВМ [111]. Данные с объекта снимаются с помощью датчиков, затем проходят преобразование в АЦП и поступают в ЭВМ.
Таким образом, последовательность действий синтеза системы управления отоплением в ИТП с помощью программно-аппаратного комплекса будет следующей (рис. 4.2).
Для регистрации входных и выходных сигналов необходимо произвести настройку АЦУ L-154. С помощью меню Регистрация сигналов (рис. 4.4) и подменю Параметры АЦУ L-154 (рис. 4.5) выбирается базовый адрес и номер прерывания платы в пространстве ЭВМ. Соответствие каналов АЦП платы L-154 и подключаемых к ней датчиков осуществляется в подменю Параметры регистрации сигналов (рис. 4.5). В данном подменю также вводится длительность регистрации сигналов и интервал дискретизации.
Окна параметров АЦУ L-154 и регистрации сигналов После выбора параметров регистрации осуществляется ввод сигналов с датчиков с помощью подменю Ввод сигналов с АЦП. По завершению получения цифровых выборок входных и выходных сигналов их можно просмотреть, выбрав соответствующий сигнал (рис. 4.6). На рис. 4.7 показан полученный выходной сигнал tnOM_.
