（热能工程专业论文）基于人工神经网络的供热控制系统设计与实现.pdf

摘要 目前，用单元组合仪表控制供热指标。根据当时室外温度和 经验决定供水温度。每隔一段时间来调节一次供汽量，这样必然 导致室内温度忽冷忽热，热用户得不到好的生活质量。为了保证 室内温度不低于1 6 。c 这一极限，必须增加供汽量，浪费了热量。 本文研制了热电厂采暖供热计算机自动控制系统。系统采用 了人工神经网络技术，选用室外温度、风力、光照、时间段等作 输入变量，供热指标作为输出变量，建立了4 - 4 1 人工神经网络 模型。充分利用专家经验。利用离线训练后确定的神经网络，经 过在线计算达到最佳输出，从而达到最佳供热状况。在保证室内 温度的前提下使其经济性有显著提高。 本系统在瓦房店热电厂供热站运行两个采暖期，获得了极好 的效果，较组合仪表控制节约蒸汽约百分之十。半个采暖期，即 可收回全部投资费用。若每个供热站的供热面积越大，经济效益 越明显。 关键字：神经网络；自动控制：供热指标 a b s t r a c t t h eg u i d e l i n eo fh e a t i n gi sc o n t r o l l e db yc e l l - c o m b i n a t i o n i n s t r u m e n tn o w t h et e m p e r a t u r eo fw a t e rs u p p l yi sc h o s e na c c o r d i n g t oo u t r o o mt e m p e r a t u r ea n dw o r k e r s e x p e r i e n c e t h ef l u xo fs t e a m i sa c c o m m o d a t e da f t e ra ni n t e r v a lo f t i m e ，t h u st h er o o mt e m p e r a t u r e i su pa n dd o w n ，a n dt h ep e o p l e sl i v i n gc o n d i t i o nc a nn o tb ee n s u r e d w e l l ，t h ef l u xo fs t e a mm u s tb ea d di no r d e rt og u a r a n t e et h a tt h e r o o mt e m p e r a t u r ei sn o tu n d e rt h el i m i to f1 6 。c ，t h u st h eq u a n t i t yo f h e a ti sw a s t e d ac o m p u t e ra u t o - 。c o n t r o ls y s t e ma b o u th e a t i n gi sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r t h et e c h n o l o g yo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki s a d o p t e d ， a n da4 - 4 1 n e t w o r km o d e lc h o o s i n gt e m p e r a t u r eo fe n v i r o n m e n t ， w i n dp o w e r , i l l u m i n a t i o na n dt i m ei n t e r v a la si n p u tv a r i a b l ea n d g u i d e l i n eo fh e a t i n ga so u t p u tv a r i a b l ei ss e tu p w eu t i l i z ee x p e r t e x p e r i e n c ep e r f e c t l y , a n dt h ee c o n o m yp e r f o r m a n c ei si m p r o v e d g r e a t l yi np r o j e c t t h es y s t e mh a sf u n c t i o n e df o rt w oy e a r si n w a f a n g d i a n s t h e r m a lp o w e rp l a n t ，a n dg e tp e r f e c te f f e c t ，s a v es t e a ma b o u t1 0 c o m p a r ew i t hc e l l c o m b i n a t i o ni n s t r u m e n t a l lt h ei n v e s t m e n ti s t a k e nb a c ki nh a l f o f h e a t i n g p e r i o d t h el a r g e rt h ea r e ao f t h eh e a t i n g p l a n ti s ，t h em o r ed i s t i n c tt h ee c o n o m yb e n e f i ti s k e y w o r d s ：n e u r a ln e t w o r k s ；a u t o m a t i cc o n t r o l ；g u i d e l i n eh e a t i n g 基于人工神经网络的供热控制系统设计与实现 前言 在工业和科学技术发展的过程中，自动化技术一直起着重要的作用。除了 在宇宙飞船、导弹制导等领域中，自动化系统有着特别重要的作用外，在其他 领域业已成为重要而又不可缺少的部分。生产过程自动化是保证生产稳定、高 质、低耗、安全，改善劳动条件，提高劳动生产率+ 减少环境污染的重要手段， 也是工业企业现代化的重要标志之一。尤其是计算机技术的飞跃发展和计算机 参与控制的直接效果，大大增强了信息处理的功能，控制算法可由软件实现。 这样，不仅采用常规仪表有更大的灵活性，两虽镬先进控剑技术和现代控制理 论的应用有了更大的可能，并为控制工程开辟了崭新的领域“智能控制”。 随着计算机技术、网络技术的发展，计算机控制日益受到人们的重视。计 算机在控制工程上的应用，推动了自动化向深度和广度发展，也促进了控制理 论的发展。现代的计算机控制系统，与连续控制系统比较，其控制功能更强、 更灵活、精度更高，而且抗干挠能力更强。 供热站的工作过程即是利用从电站锅炉送来的高温蒸汽经过高温换热器和 低温换热器( 通常称为余熟器) ，将在循环水泵中的载热物质( 通常为永) 加热 到一定温度，供热用户使用，冷凝水直接补充到循环水中，其余的补水由自来 水提供。有的供热站还备有热水锅炉以备在极冷天气下同时蒸汽不够用时使用。 锅炉所用水是从循环水中抽出的。目前，供热站已被广泛地应用于各地的供热 部门，直接以蒸汽作为媒质供热的地方很少。 一 随着现代化城市及工业的发展，集中供热系统就愈趋大型化，热媒参数愈 提高，对供热的效果要求更加严格，对系统的运行的经济性、安全性和可靠性 的要求也越高。供热站所要达到的四个基本要求是：必须保产保质按质、按 量供出高温热水，满足工业生产和民建采暖需要；安全耐用，延长各个设备的 使用寿命；节能、高效：降低劳动强度。显然要达到上面四个要求，首先取决 于供热站的合理设计，但还必须要有最佳的计算机自动控制系统与之配套。供 热站自动控制是供热技术进步的重要标志，供热站一离不开自动化。 本论文详细的设计了一个供热控制系统。该系统已经实现了通用控制系统 的基本功能。本软件系包括前后台两部分。后台部分：其主要功能为采集运行 数据，作为记录参考，更重要的是提供给前台，供前台控制使用。前台部分： 分成十几个模块，每个模块分别实现一定的功能。系统在关键的数据处理部分， 系统采用了先进的人工神经网络技术、模糊控制技术等并将专家经验闱了工程 桀于人t 押嶷刚络的供热控制系统设计实现 中，利用离线训练后确定的神经网络，经过在线计算达到最佳输出，从而达到 最佳供热状况。可以较好的工作产生了明显的效果，较之传统的荦元组合仪 表供暖方式，取得了较高的经济效益。瓦房店热电厂承担本市冬季工业生产和 大部分民用采暖用汽量，其中，民用建筑面积约有1 6 0 万平方米，本系统在瓦 房店热电厂供热站运行两年，获得了极好的效果，系统运行平稳、良好。较组 合仪表控制节约蒸汽约1 0 。半个采暖期，即可收回全部投资费用，若每个供 热站的供热面积越大，效果越明显。 基十人工神经刚络的供热控制系统设计与实现 第一章计算机控制系统概述 第一节计算机控制系统的发展历史 工业生产过程自动化的发展历史可以上溯到1 7 世纪上半叶。早在1 6 2 0 年， c o m e l i sd r e b b e l 就制成了加热炉恒温器。这大概是人类历史上所记载的第个 自动装置。随后，存1 7 8 8 年，j a m e sw a t t 发明了人们所熟知的离心式调速器， 它曾经在工业生产过程中发挥过重大作用。近几十年来，工业生产过程控制规 模的不断扩大，复杂程度的不断增加，工艺过程的不断强化，对过程控制系统 提出了越来越高的要求。过程控制仪表也从3 0 年代初期的直接作用式气动仪表、 变送器式气动仪表，发展到电动单元组合仪表和组件组装式仪表。人们把由这 类常规仪表所构成的控制系统统称为常规控制系统。 1 9 4 6 年，世界上第一台电子计算机诞生了。人类从此跨进了个崭新的时 代。尽管在当时计算机还只有少数专家所谈论的话题，甚至在十几年前它还是 躲在实验室里鲜为人知的“宠物”，然而，就在这短短的十几年间，计算机技术 得到了突飞猛进的发展。特别是微处理机和个人计算机，它已经成为家喻户晓、 人人皆知的产物。小至家用电器的控制，大到人造卫星的发射，到处可以看到 计算机在发挥作用。今天，许多以计算机为基础的控制系统正在控制着各种各 样的生产过程，完成着以前由常规控制系统所实现的、或者是常规系统所无法 实现的各种控制功能。人们把这种以计算机为基础而构成的控制系统称为计算 机控制系统。 计算机控制系统的发展大体上经历了以下几个阶段： 1 9 6 5 年以前是试验阶段。在这一阶段，计算机系统主要完成生产过程的数 据处理、安全监视和监督控制。 9 5 8 年9 月，在美国l o u i s i n a 公司的s t e r l i n g 电厂安装了第一个计算机安全监视和监督系统。1 9 5 9 年3 月，在美国t e x a c o 公 司的p o r t a r t h u r 炼油厂实现了第一个计算机闭环控制系统。1 9 6 2 年3 月在美国 m o n s a n t o 公司的乙烯，一实现了第一个直接数字控制系统。 1 9 6 5 年到1 9 6 9 年是实用阶段。在这阶段，由于高性能价格比的小型计算 机的出现，计算机在过程控制领域中的应用得到了较大的发展。但由于当时硬 件的可靠性还不够高，所有的监视和控制任务都由一台计算机束完成，故造成 危险集中。为了提高控制系统的可靠性，常常要另外设置一套备用的模拟式控 制系统或另外设置台备用计算机。这样就造成了系统的投资过高，圜而限制 雏 。人【：种绎网络的供热控制系统设计1 j 实观 了它的应用范围。 1 9 7 0 年以后计算机控制系统的应用逐渐走向成熟阶段。在这一一阶段，最重 要的事件就是分散控制系统诞生。微处理机技术的发展，使得原来由一台计算 机所包揽的监视或控制任务可以由几台、几十台甚至上百台微处理机分别去完 成，这样就减少了计算机故障对整个系统的影响。同时，计算机网络通信技术 的发展，又使这些分散的微型计算机控制系统能够相互交换信息，或者与更高 一级的计算机系统连接起来，从而组成一个分级式的计算机控制系统。这种分 级式控制系统不仅能够保证每一个局部生产过程的稳定，而且能够实现整个系 统的协调和优化。 世界上第一个分散控制系统是由美国h o n e y w e e l 公司于1 9 7 2 年研制、1 9 7 5 年发表的t d c 2 0 0 0 系统。此后，美国、曰本及欧洲的一些主要仪表公司和计 算机公司都开始研制分散控制系统。据不完全统计，从1 9 7 5 年到1 9 8 0 年的五 年间，国外就已经研制成功2 0 个分散控制系统。 我国电厂热工过程自动化方面的计算机应用工作于1 9 6 4 年起步，至今已有 2 0 多年的历史，大体上可以分为以下三个阶段【2 j ： 第一阶段为t 9 6 4 年到1 9 7 3 年的试点阶段。在此期间，试点厂有上海南市电 厂和北京高井电厂。计算机系统的主要作用是实现开环监视。对闭环控制也作 了一些试验工作，取得了一定的经验与教训。 第二阶段为1 9 7 4 年到1 9 8 3 年的扩大试点阶段。在此期间，试点厂有望亭电 厂、清河电厂和秦岭电厂。系统的主要功能仍然是开环监视。由于计算机硬件 水平的限制，这个时期所开发的计算机系统大部分都己停用。 第三阶段为1 9 8 4 年以来的推广应用阶段。大批小型计算机和微型机系统用 于数据采集和处理，有少数系统实现了闭环控制，同时还引进了许多国外的计 算机控制系统。计算机控制系统的应用已经走上了稳步发展的轨道。 7 0 年代末期，我国从国外引进了分散控制系统，1 9 8 1 年以后分散控制系统 陆续投入运行。1 9 8 5 年以后分散控制系统进推广应用阶段：在“七五”期间， 我国电厂引进的5 0 套计算机系统中，有2 9 套是分散控制系统。我国自行设计 的分散控制系统也已经在1 9 8 9 年通过鉴定，并投入生产：可以预计，分散控制 系统必将在我国工业生产过程自动化中发挥越来越重要的作用。 基于人t 神经网络的供热控制系统设计与宴埘 第二节计算机控制系统的基本组成 计算机控制系统是由硬件和软件两大部分组成的。 1 2 1 硬件部分 计算机控制系统的硬件一般由主机、外部设备、过程通道、总线、接口、操 作台及过程控制仪表等几部分组成，如图1 1 所示。 1 。主机 主机是计算机控制系统的核心。它主要包括中央处理器c p u 、存储器、输 入输出电路以及其他支持电路。主机根据过程通道送入的过程信息作出相应的 处理、分析、运算和判断，产生所需要的控制作用，并通过过程通道和过程控 制仪表施加于被控对象。 2 步 部设备 外部设备主要指输入输出设备和外存储器。 输入设备主要用来输入程序和数据。常用的输入设备有键盘、纸带输入机、 卡片输入机、光电输入机等。 输出设备主要用来把控制系统中的信息提供给操作人员。常用的输出设备 有显示器、打印机、绘图仪、记录仪等。 外存储器主要用来存储系统程序和历史数据。常用的外存储器有磁盘、磁 带机等。 3 过程通道 过程通道又称为输入输出通道，它是计算机和生产过程之间信息传递和变 换的桥梁和纽带。输入通道把传感器或变送器送出的过程信息变挟成计算机所 能接受和识别的代码：而输出通道则把计算机的输出的控制命令和数据变换成 行为机构所能接受的控制信号，以实现对生产过程的控制。 输入通道包括模拟量输入通道、开关量输入通道及脉冲量输入通道。 输出通道包括模拟量输出通道、开关量输出通道及脉冲量输出通道。 4 总线和接口 总线是主机与外界交换信息的通路，一般分为单总线、双总线和多总线。 接口是过程通道或外部设备与计算机总线的交接部件。它的作用是扩展系统 基王厶王盟丝圆垒盥垡垫蕉剑苤筮超过鱼塞堡 的输入输出能力，进行数据格式或电平的转换，控制信息的传送，或者作为缓 冲器。接口一般分为串行接口、并行接口、管理接口和标准接口等几类。 一酬 模拟量输入通道 墨 i 外部设备 一刽 开关量输入通道 b 过 生程 纠 脉冲量输入通道h ，4卜 主机 产控接 、n 过制 一模拟量输出通道 阡 程仪口 表 一 开关量输出通道 阡 ti操作台 制 脉冲量输出通道 阡 图1 t 计算机控制系统的硬件组成 5 操作台 根据操作台使用人员的不同，有运行员操作台、工程师操作台和程序员操 作台。操作台的设置随系统而异，并非所有的系统都具有以上三种操作台。例 如在有些计算机系统中，运行员和工程师的工作都在同一个操作台上完成，而 运行员和工程师的不同操作是通过操作台上的带琐开关决定的，从而保证其分 别行使各自的操作职责。另外，在分散控制系统中采用了功能块组态方法和面 向问题的语言，因此，在系统的安装、调试、投运、检修过程中都不需要专门 j 勺计算机程序员，所以这种系统一般都没有程序员操作台。 操作台的作用是实现操作人员与计算机控制系统之间的“对话”。它一般由 c r t 显示器、键盘、触摸屏等设备组成。 茎王厶三塑墅蟹堡鲤垡垫蕉型墨筮遮型：董塞堡 1 2 。2 软件部分 + 软件是计算机控制系统中所有程序的总称。软件通常分为两大类：一类是系 统软件，另一类是应用软件。 系统软件包括管理计算机资源的操作系统以及各种支持程序。例如，语言加 工程序，诊断程序，等等。系统软件一般由计算机制造厂提供。 应用软件是根据用户所要解决的实际问题而编制的程序，这些程序决定了信 息在计算机中的处理方式和控制算法。应用软件通常又称为应用程序。 第三节计算机控制系统的基本类型 计算机控制系统的应用范围十分广泛，其应用方式也是多种多样的。计算机 控制把被控对象( 如锅炉生产过程) 的有关参数( 如温度、压力、流量、 料位、转角和转速等) 进行采样，并通过输入通道，把模拟量变成数字量( 也 可以直接输入数字量) 送给计算机。计算机根据这些数字信息，按预定的控制 规律( 数学模型) 进行计算，并通过输出通道把计算机结果转换成模拟量去控 制被控对象( 或直接以数字量输出去控制被控对象) ，使被控量达到预期的指标。 微机控制系统与其所控制的生产对象密切相关，受控对象不同，其控制系统 也不同。 1 3 1 计算机控制的方式 计算机控制系统，按照控制方式划分从简单到复杂包括如下几种方式 3 】： ( 1 ) 操作指导控制系统( 2 ) 直接数字控制系统( d d c ) ( 3 ) 计算机监督系统( s c c ) ( 4 ) 分级控制系统( h c ) ( 5 ) 分布式控制系统( dc ) ( 6 ) 计算机网络( co m p u t e r n e t w o r k ) 1 操作指导控制系筝 所谓操作指导是指计算机的输出不直接用来控截生产对象，而只是对系统过 程参数进行收集和加工处理，然后输出数据。操作人员根据这些数据迸行必要 的操作，其原理方块图l2 所示。 基于人工神经网络的供热控制系统改汁与实观 管理命令 v 图1 2 操作指导控制系统原理图 在这种系统中，每隔一定的时间，计算机进行一次采样，经a d 转换后送入 计算机进行加工处理。然后在进行报警、打印或显示。操作人员根据此结果进 行设定值的改变或必要的操作。 该系统的优点是比较简单，且安全可靠，特别是对于为摸清控制规律的系统 更为适用，常常被用于计算机系统的初级阶段，或用于试验新的数学模型和调 试新的控制程序等。它的缺点是仍要人工进行操作，所以操作速度不能太快， 太快了人跟不上计算机的变化，而且不能同时操作几个回路，它相当于模拟仪 表控制系统的于动与半自动工作状态。 2 直接数字控制系统( d d c ) 所谓i ) d c ( djr e c 叭g i t a lc o n ： 吲生产过程 l 图i 5s c c + d c c 控制系统原理图 基于 工神经网络的供热控制系统设汁与实现 由于微型计算机的速度快，所以一台微型机可代替多个模拟调节器，这是非 常经济的。 s ( c 控制系统的另一优点是灵活性大，可靠性高。因为计算机的计算能力强， 所以用它可以实现各种比较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、自动选 择控制以及大滞后控制等。正因如此，系统得到了广泛的应用。 4 分级控制系统( 1 l c ) 由于工业生产工程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题，因此可采 刚执行不同的功能的各类计算机协调工作，形成分级控制系统，如图1 6 所示： 公司级 厂级管 车间级 监督控 直接控 图1 6 分级控制系统的示意图 d d c 级进行p i d 或前馈控制； s c c 级进行最优或自适应控制，指挥d d c 并向m i s 级汇搬； m i s 级主要用于生产计划和调度指挥s c c 级。它又分为三级，可采用不 苎主叁三塑竺堕竺盟垡垫笙型墨竺堡生主塞塑 同规模的计算机，并设立一个数据库： 车间级根据厂级下达的命令和收集上来的生产过程的数据，随时进行 最优化调节。它指挥、监督s c c 级工作，并接受s c c 级的汇报。 厂级根据公司下达的任务和本厂的实际情况，制定计划和短期安排， 然后给车间下达任务。 公司级制定长期发展规划、生产规划、销售计划，并向下级下达任务， 同时接受下级的汇报。 5 分布式控制系统( dc ) 这是随着微型计算机的出现，给计算机控制系统带来的革命性的变革。 生产过程是复杂和分散的，其中各工序、各设备是同时地、并行地工作。 而且大体上是独立地工作。整个生产过程中，设备分布面又很广，以往，为了 使用计算机控制，总是把他们联系趋来，进行集中监督和控制。这样就增加了 传输距离，引入附加误差，使系统复杂化，必然降低了系统的可靠性。有了微 型计算机，便可采用分散控制。仅是必要的信息，才送往上一级计算机或向中 央控制室输送。这种方式也称作“就地控制“( l o c a lc o n t r 0 1 ) 。 6 计算机网络( c o m p u t e rn e t w o r k ) 它以一台巨型计算机为中心，配以各种类型的计算机和各种终端设备，用通 讯联系组成庞大的计算机网。如图1 7 所示。 计算机网的优点是经济、灵活、可靠，充分利用了设备能力和其它资源。更 有意义的是，若某一处设有复杂的“智能终端”，则别的机器也能借用。 罐于人t 神经刚络的供热挣制系统设汁，实圳 图1 7 计算机网络 基于人工神经网络的供热控制系统设计与实现 第二章人工神经网络的发展概述 第一节国外研究及应用状况 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，简称a n n ) 是信息科学的最 新成就之一，其发展可追溯到一个世纪前。根据文献，可把这一历史分为心个 时期。初始发展时期，这一时期首先是1 8 9 0 年，美国生理学家w j a m e s 出版 了生理学【4 j 一书，该书首先阐明了有关人脑的结构及其功能，以及一些相 关学习、联想记忆得基本规则。之后便是m c c u l l o c h 和p i t t s 发表的卜分有名 的论文【5 j 。描述了一个简单的人工神经元模型，简称m p 模型，开创了神经科 学研究的新时代。1 9 4 9 年，心理学家d 0 h e b b 在其所著的行为组织 ( o r g a n i z a t i o no fb e h a v i o r ) 一书中提出了修正神经元连接强度的方法，即： 当细胞a 的轴突足够接近激励一个细胞b ，并且持续地点火，那么这两个细胞间 的突触连接将有一个生长过程，使得细胞a 对细胞b 点火的效能增强，这就是 我们所说的h e b b 学习规则。这一规则在当时是作为假设提出来的，其正确性在 3 0 年后得到了证实，至今它在各种神经网络模型中仍起着重要作用。 作为人工智能的神经网络系统的研究，则是从5 0 年代末6 0 年代初开始的， 1 9 5 8 年f r a n kr o s e n b l a t t 定义了一个神经网络结构，称为感知器( p e r c e p t r o n ) ， 这是第一个真正的人工神经结构【6 】。1 9 6 0 年b e r n a r dw i d r o w 和m a r c i a nh o f f 发 表了“自适应开关电路”提出了l m s 算法，即为数学上人们所知的速降法p 】。 1 9 6 9 年m a r r i nm i n s k y 和s e y m o u rp a p e r 发表了名为“p e r c e p t r o n s ”的著作 【8 。断言单层p e r c e p t r o n 是不能正确分类的。从此神经网的研究陷入了低潮。 1 9 8 2 年之后有加州技术学院的j o h nj h o p f i e d 博士提出了h o p f i e l d 网络叫j ， 并指出可以用集成电路实现，很容易被工程技术人员及计算机科技工作者理解， 因此，引起了工程技术界的普遍关注。在其网络模型中，尽管没有引入太多的 新概念，但他以一种新的创造性的方法将这些概念综合应用，定义了神经网络 的“能量函数”，给出了网络稳定性的判据，使所提出网络具有联想记忆、优化 问题求解能力。更令人兴奋的是，h o p f i e l d 将这种模型用简单的模拟电路实现， 并成功地运用于著名的“巡回推销商”( t s p ) 问题的求解、4 位a d 转换器的实 现，取得了满意的解。t t o p i f ie l d 的研究成果为神经计算机( n e u r o c o m p o u t e r ) 的研制奠定了基础，同时，开创了神经网络用于联想i 己忆和优化计算的新途径。 人1 门从中看到了神经网络的新曙光。掀起了各学科关心神经网络的一个热潮。 誉十人丁神经州络的l 热 宰制系统设，l 实现 在1 9 8 4 年之后的三年内，美图a t & t 公司贝尔实验室宣n 】了利用h o p f i 0 1d 网络理论实现的第一个基于硅芯片的硬件神经网络。geh in t o n 和 一j s e j n o w s k i 借助统计物理学的擞念和方法提出了一种随机神经网络模型 波尔茨曼机，学习过程中采用模拟退火技术，有效地克服了h o p f i e ls 削络存在 的能量局部极小问题，使整个网络系统的状态更新，最新能达到能量全局最小 点。 l | o p f i e l d 点燃了神经网络复兴的火炬，d e r u m e l h a r t 与j ，l m c c l e l l a n d 领导的p h d 研究小组一行人则使这把火炬迸发进更加耀眼的光芒，p h d 研究小组 于1 9 8 6 年出版了并行分布处理一书的前两卷，相继于1 9 8 8 年出版了第三 卷，全面介绍了p h d 理论。p h d 理论着重于认知微观结构的探索，将神经网络模 型归结为具有三个基本属性：结构、神经节点传递函数及学习算法。当然，最 突出的贡献之一是发展了多层网络学习的b p 算法，为解决多层网络学习难的问 题开辟了一条道路。b p 算法是迄今为止应用最普遍的神经网络学习算法。 这一对期大量而深入的开拓性研究工作，大大发展了神经网络模型、学习 算法，加强了对神经网络系统特性的迸一步认识，使人们对模仿脑信息处理的 智能计算机的研究重新充满了希望。近几年，神经网络理论的研究与实现引起 了美国、日本、西欧等国科学家、研究机构和企业界普遍关注。 总之，神经网络以它独特的自学习、自组织、自适应及很强的非线性函数 逼近能力，成为处理非线性系统的有力工具，已引起自动控制及计算机科学的 和各种工程等领域的科学工作者的广泛兴趣。目前神经网络设计的领域非常广 泛，几乎无不及。它的实现主要采用两种方法：一是利用现代高性能的数字计 算机，加上各种硬件加速板的运算设备，形成具有模拟能力的通用软件来完成 神经网络的预期功能：另一种是利用硬件直接完成，目前采用较多的是大规模 集成电路和光神经网络两嵇方法。它所采用的研究主要集中在以下几个方面。 ( 1 ) 生物原型研究：从生理学、心理学、解剖学、脑科学、病理学等生物 科学方面研究神经细胞、神经网络、神经系统的生物原型结构及其功 能机理。 ( 2 ) 建立理论模型：根据生物原型的研究，建立神经元，神经网络的理论 模型。其中包括概念模型、知识模型、生物化学模型、数学模型等。 理论模型用于神经网络功能和结构分析，可从定性与定量、静态与动 态、微观与宏观等多种观察角度进行研究，这是一种j 义模型。 基于人工神经网络的供热控制系统设计与实现 ( 3 ) 网络模型与算法研究：以理论模型研究为基础，构建具体的神经网络 模型，以实现计算机模拟或准备制作硬件，包括网络学习算法的研究。 这方面豹工作也称为技术模型研究。 ( 4 ) 人工神经网络应用系统：在网络模型与算法研究的基础上，利用人工 神经网络组成实际的应用系统，例如，完成某种信号处理或模式识别 的功能；构成专家系统；制成机器人等等。为实现各类系统的应用， 可制作专用硬件，也可利用冯诺依曼计算机进行软件模拟。 第二节 国内研究及应用状况 目前国内学者及工程人员所研究的主要是建立各种网络模型及算法，将其 应用于各自的工程研究领域。如在线控制、故障检测、参数预测、将神经网与 模糊理论、专家系统等相结合设计一个神经模糊控制系统等。 华中理工大学的钱诗智等就煤焦非均相着火温度与煤中关系建立了神经网 络模型 i o j ，并对此模型进行了检验。结果表明，此模型能根据煤的工业分析数 据准确的预报煤焦非均相着火温度。证实了模型的合理性。与其他的信息处理 方法相比，人工神经网络通过对样本的学习，完全能够发现起隐含的信息，这 样可避免或大大减少了常用的数据分析工作和建模工作，而且在没有关于变量 之问关系先验知识的前提下取得了优良的性能。 一 辽宁工学院的张甲在神经网络模型在脱氮预报中的应用一文建立了一个 6 7 1 结构的三层b p 网络模型【l “，并对b p 网络进行了改进，是网络性能大为 提高，成功地应用到钢水脱氮预报这种复杂、伴有高噪音的非线性问题。 广东工业大学的李瑜煜等在基于b p 神经网络的激光加工模拟参数预测一文 中验证了用神经网预报精度较曲线拟和法和函数插值法要高，适用于激光加工 模拟物理参数预测，在无法实验补充的情况下，不失为一种合适的数据补充解 决方法。 自9 0 年代初，松下等公司相继推出了神经模糊控制全自动洗农机，并取得 了良好的经济性以来，将神经阀与模糊控制相结合设计蚕种高性能控制系统成 为一大热点。上海交通大学的赵铁成在基于自适应神经模糊系统模型的锅炉汽 包应力在线计算与检测f i m 中采用自适应模糊系统( a n f i s ) 程现有限元数值计 算结果，从两建立了新的应力模型，克服，现场实验方法难以获得大样本数量 的缺陷。我们知道，当对象特性呈现大延迟、多干挠等难以控制的特性时，前 雄于人1 砷绎1 删络的供热控：时糸绩砹计与实脱 镄控制是一种及时有效的方法。实用中经常将前馈反馈( f f c f b c ) 。这样，反 馈的存在将使前馈只需对主要干挠进行补偿，其它干挠、模型误差及模型时 变则由反馈弘制加以补偿，从向使时馈与反馈的优点哺b 能得到体现。海车工程 大学的张h 尔等为此殴汁了个神经网前馈控制器l ”j 。这类网络剥对象特性复 杂难以建奇校 而h l i ：要1 二挠可测时，是一一种前有力的方法。 基于人工神经网络的供热控制系统设计与实现 第三章集中供热系统的自动控制 第一节供热工作过程概述 集中供热系统是指以热水或蒸汽作为热媒，集中向一个具有多种热用户( 如 供暖，通风，热水供应及生产工艺等设备) 的较大区域供应热能的系统。集中 供热的热效率高，供热、环保效果好，现代化城市供暖基本上都采用集中供热 系统。其中生活用热水及生产工艺用热负荷属于常年热负荷，他们的变化与气 候条件关系不大，在全年中的变化较小。而供暖通风及空调系统的热负荷属于 季节性热负荷，它与室外温度、湿度、风向、风速和太阳辐射强度等气候条件 密切相关，其中起决定作用的是室外温度。这类热负荷在全年中的变化较大， 所以，集中供热系统的自动控制，主要是集中采暖的自动控制。 供热菇的工作过程即是利用从工业锅炉或电站锅炉送来的高温蒸汽经过高 温换热器和低温换热器( 通常称为余热器) ，将在循环水泵中的载热物质( 通常 为水) 加热到一定温度，供热用户使用，冷凝水直接补充到循环水中，其余的 补水由自来水提供。有的供热站还各有热水锅炉以备在极冷天气下同时蒸汽不 够用时使用。锅炉所用水是从循环水中抽出的。目前，供热站已被广泛地应用 于各地的供热部门，直接以蒸汽作为媒质供热的地方很少。 随着现代化城市及工业的发展，集中供热系统就愈趋大型化，热媒参数愈 提高，对供热的效果要求更加严格，对系统的运行的经济性、安全性和可靠性 的要求也越高。供热站所要达到的四个基本要求是：必须保产保质按质( 压力， 温度，净度) 按量( 供热量) 供 妊高温热水，满足工业生产和民建采暖需要；安全 耐用，延长各个设备的使用寿命；节能、高效：降低劳动强度。显然要达到上 面四个要求，首先取决于供热站的合理设计，但还必须要有最佳的计算机自动 控制系统与之配套。供热洁自动控制是供热技术进步的重要标志，供热站一离 不开自动化。 。第j 节 热电站微机控制的意义 使用单元组合仪表来控制供热站的运行已经是一项完全成熟的技术，这在 国际上是本世纪，6 0 年代的水平“1 。由于使用单元组合仪表投资较大，仪表使用， 维修技术要求高。因此仍不能推，。到供热量较小的供热站中。到了7 0 年代，国 外因微电子技术的迅猛发展( 半导体电路的高度集成化，而运行速度和工作可靠 赶十人t 神经删络的供热控制系统世计t ，实现 性大大提高，价格却成倍下降) 。导致微型计算机普遍推广应弼，取代常规仪表， 供热站采用微机控制已成为可能，供热站采用微机控制具有以下明显优势 1 6 1 ： 一、能直观而集中地显示画面和运行参数。能快速科算出机组在正常运行 和起停过程中的有用数据，并能在显示器上同时显示供水流量、供水压力、回 水压力、供水温度、回水温度、蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度、水位等数十 个运行参量的瞬时值、累计值以及给定值，和所有的报警信号指示值，以便于 操作人员观察和比较。同时还可以按需要在供热站的结构示意图画面的相应位 置上显示出当前运行的参数值，令人直观形象，减少观察的疲劳和失误。 二、可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确的记录，这 也便于一旦需要进行事故处理时，能追忆打印并记录事故前的参数，供有关部 门分析研究。 三、运行中能随时快速而简便地修改各种运行参数的控制值( 给定值) ，并 能修改系统的控制参数( 变量) o 四、减少了显示仪表，还可以利用软件来代替许多仪表单元( 例如加减器、 微分器、滤波器、限幅报警器等) ，从而减少了投资也减少了故障率。 五、在运行监督指导方面，微机系统可以对启动、监视、运行过程中的工 作状况进行计算和监控，对主要参数变化趋势进行分析，进行操作程序的监视 等。 六、节约了蒸汽，减少运行成本，提高了人们的生活质量( 通过人们对室 内温度的舒适性角度进行供热) 。从已在运行的供热站来看，采用计算机控制可 普遍提高热效率，原来运行状态较好的供热站至少可提高1 0 而对于一些原来 自动化运行欠佳的供热站，这个值将更大些，节能更明显。一个每天供热量在 3 0 0 吨蒸汽的供热站，每天可节约3 0 吨蒸汽，合人民币2 1 0 0 元，按照一年供热 在5 个月份计算，一年可节约3 0 多万元。两个月即可回收微机控制系统的投资。 七、供热系统是一个多输入、非线性的动态对象。理论模型难以建立。将 神经网引入供热控制系统，充分地利用专家知识或熬练操作者的经验，成功 地解决了理论精确模型难以建立这一困难， 八、神经网的记忆学习能力使其在变工作状况、变负荷运行时自动找到最 佳工作点。 九、神经网的离线学习，在线控制反应速度快的特点，使其完全能够胜任 负荷变化快的工作点。 2 0 苎! 尘三! ! 丝里垄塑堡垫叁型墨篷堡盐主壅堡 十、供热站微机控制系统经扩展后，可构成分级控制系统，可与计算机网 联网工作，这对于企业的现代化管理也是必不可少的。联网后将对能源的利用 率进一步提高。 随着我国计算机技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，供热站的微 机控制将日益广泛，尤其对于些容量较大的供热站更是如此。同时应看到， 这也将推动仪表行业的某些监测仪表的迅速发展，使其适应供热站上各种不同 工艺参数自动检测仪的需要i l “。可以预言，我国目前已拥有供热站近万个，供 热站微机控制系统必将作为一类产品投放市场以供用户直接选用。供热站微机 控制正在我国形成一种新兴产业 第三节集中采暖自动控制的任务及方式 集中采暖系统在运行中，应根据室外空气温度的变化采用不同的方式进行 控制，以便使系统的工作既有效又有经济，更好的满足工业生产和人民生活的 需要。 3 3 1 集中采暖的自动控制任务 集中采暖系统的热负荷的全部计算都是以建筑物耗热量为依据的，而热量 的计算又是以稳定传热概念为基础，也就是说，建筑物各外围护结构( 如外墙、 屋面等) 任何一点的温度及外围护结构内、外空气温度都是不变的。实际上， 外围护结构层内、外各点温度并非常数，面是内外空气温度昼夜之间也都在不 断的变化，所以必须根据这些变化对采暖系统进行相应的自动控制，以改变采 暖房间内散热器的散热量，保持室内要求的温度，避免室内过热而造成热量的 浪费，使热能得到合理的使厨。 3 3 2 集中供热“强制方式 集中供热系统的供热和放热的基本热平衡式为u s q r = m s c 。( t 。_ t 1 。)( 1 ) 由上式可得 t g + t h q 尸f k ( 一t 。) 2 q t 。= t h + m 。c 。 2 1 ( 2 ) ( 3 ) 基于人工神经网络的供热控制系统漫计与实现 将( 3 ) 代入式( 2 ) 得 ( t g - t n ) ( 4 ) l + l f k 2 m 。c 。 卜- 述式中q 。散热器的散热量( w h ) ； m ；通过散热器的热水流量( k g h ) ： c ；水的比热( k j k g ) ； l 、t h 散热器的进水、回水温度( ) ： t 。散热器外被加热介质即房间的空气温度( ) ： f 散热器的散热表面积( m 2 ) ： k 散热器的传热系数( w m 2 ) 。 从式( 4 ) 可以看出，散热器进口水温t 。，通过散热器的热水流景_ 。都可 以作为调节热量的变量。另外放热持续时间也可作为调节变量。 在集中供热的系统中，改变供水温度来实现供热量的控制，这就是所谓的质 调节：用改变热水流量的办法来实现供热量的控制，这就是量调节；用控制放 热时间的多少实现热量的控制，则称为间歇供热调节。这就是集中采暖系统的 三种! - 控制：考式。 供热量的控制根据实施控制的地点可分为单独的个别调节、局部调节和中央 集中调节。单独的个别的调节式指直接在用热设备、机组处进行的调节。局部 调节是指在供暖系统的局部管段或入口处进行的调节。中央集中调节则专指在 热源处进行的热量调节。 中央集中式调节一般总是根据某些对供热工况起决定性影响的共同因素，例 如根据室外温度来对热量的供应进行整体的粗略调节。局部调节则根据供暖局 部系统的用热特点对中央集中调节进行必要的补充。单独的个别的调节则根据 用热设备的使用对象的特点作进一步的具体的补充调节。问歇供热的调节方式 一般只是在采暖期室外温度较高的短暂的时间内用作局部调节或单独的个别调 节，以补充中央集中式调节的不足之处。 究竟采用那种调节方式，不仅要考虑建筑物的用途和结构特性，同时还要考 虑建筑物对采暖提出的卫生要求以及采暖系统运行的经济性。另外，热媒的种 幕于人_ l 神经网络的供热控制系统漫计与实现 类也会影响控制方式的选择。 第删节采暖系统的自动控制方法 3 4 1 热水采暖系统的自动控制方法 热水采暖系统的自动控制可以采用质调节，也可以采用量调节。个别 情况下也可以采用问歇调节。 l 热水采暖系统的质调节 集中热水采暖系统最常用的控制方式是质调节，特别是机械循环系统几 乎都采用这转挎剑方式。质调节是在水泵送入系统中的循环水最夺变豹条 件下，随着宅外空气温度的变化，改变送入采暖系统的热水温度。 热水采暖质调节的供水温度为： t g t h t g = t n + a ( t p 一7 r n + ) ( 5 ) 2 t n 一1 a = ( 6 ) t n + t w 采暖系统的回水温度为： t h t 哥a ( 聘一t h ) ( 7 ) 式中h 室外空气采暖计算温度( ) ； t 。室内空气采暖计算温度( ) ； t ( ；、t h 采暖系统设汁供水、回水温度( ) ； t p 散热器中的供水和回水的甲均温度( ) ； t w 室外实际空气温度( ) ； t g 和t h 室外温度为t w 时，应送入系统的供水温度和 蚓水温度( ) 。 a 热量比例变化系数： 根据上述公式计算 ；聚暖系统所在地区不同的室外空气温度卜的供、 回水温度，并把他们绘制成运行曲线图或编制成表。在集中采暖期问，采 暖锅炉房的运行管理人员可以按曲线图或表中的指示调节供水温度。按前 述公式计算后绘制的某地采暖系统运行曲线陶。利用运行曲线图可以从 图上查出任何一个室外空气温度下的供水温度，对集中供热系统进行供热 量的自动控制。 2 水采暖系统的最调节 基于人工神经网络的供热控制系统设计与实现 对于单纯的生产工艺热负荷的供热系统，或者生产和生活采暖负荷共用的供 热系统，由于生产工艺不允许其供水温度有较大的波动，所以系统的供热量只 能依靠量调节来适应负荷状态的变化。量调的优点主要在于能节约热站水泵的 电能，缺点是容易引起系统的水利失调。 集中量调节需要改变送入系统中的循环水量，而要改变循环水量，首先必须 改变循环水泵的转数。室外空气温度变化时要不断的改变电动机转数以适应循 环水量的变化，可使用无级变速的电动机或变频调速器，水泵的转数应根据负 荷的变动情况进行自动控制。 3 热水采暖系统的间歇调节 间歇调节是量调节的特殊形式，也用作热水采暖系统的一种控制方式。间歇 调节是时而开泵时而停泵的定期地向采暖系统供热。停泵时系统中的水停止循 环，热水逐渐放出热量并降低温度：热水冷却到了一定的程度，室内空气温度 下降到允许最低温度，重新开泵，系统中的水又开始循环；经过锅炉加热到一 定温度后，继续向系统中供热。采用这种控制方式必须掌握好送水温度并考虑 到建筑物的热惰性。 3 4 ，2 蒸汽采暖系统的自动控制方法 蒸汽采暖系统一般都是采用质量调节或者间歇调