（电路与系统专业论文）自动调温热能表及预测控制的研究.pdf

摘 要 摘要 在本文中，针对目前暖气供热管网的现状，提出了一种集热能计量与热量控制 于一体的自动调温热能表的设计方法。在分析现有各类热能表组成原理的基础上， 对应用流量、温度测量以及温度调控进行了研究探索。首先介绍了热能表研制的背 景和意义，给出了热能表的相关概念，介绍了热能表热能计量的工作原理；其次， 阐述了自动调温热能表的温度控制原理，即通过温控阀控制供热管道内热水的流量， 达到控温的目的；根据对热能表功能的整体规划，首先对热能表的各主要组成部分 ( 控制单元，温度传感器等) 的设计进行了详细说明：然后通过程序流程图对系统 的软件设计进行详细说明。软件的编程用c 语言实现。 影响室内温度的主要因素是室外温度的变化( 天气变化、昼夜温度的变化等) ， 另外就是用户开门、开窗等次要因素。论文阐述了采用基于前馈的预测控制的原理 和方法对室外温度变化这一主要扰动的控制，减小室内温度的波动，提升供暖的舒 适度并能精细节能。 关键词热能表：预测控制；温控阀；单片机；热能计量 河北科技人学硕十学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r i i lv i e wo ft h ec u 盯e n ts i t u a t i o no fh e a t e rh e a t i n gn e “0 r k ，p u t sf o n ) i 删 a d e s i g nm e t h o do fa u t o m a t i ct e m p e m t u r ea d j l l s t m e n th e a tm e t e r t m sh e a tm e t e rc a nh e a t m e t e r i n g 锄dc o n 仃ih e a t h lt h e 锄a j y s i so f t h ee x i s t i n g 训o u so fh e a tm e t e rb 硒e do nt l l e 埘n c i p j e t of l o wm e a s u r e r n e n t ，t e m p e r a t u f es 哪e y a i l dt e m p e m t u r ec o n t r o ls t u d i e d f i r s t i n t r o d u c e st h eb a c k g m u n d 锄dm e 锄i n go f d e v e l o p e dh e a tm e t e r g i v e nt h er e l a t e dc o n c e p t o fh e a tm e t e r i n t r o d u c e sm ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eh e a tm e t e r i n g ；s e c o n d ，e l a b o r a t e d t h et e m p e r 叭腓c o n 昀lp r i n c i p i eo f 踟t o m a t i ct h e r n l o s t a th e a tm e t e r t h r o u 曲t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o lv 出v et 0c o m r o lt i l eh e a t i n gp i p eh o tw a t e rf l o w a c h i e v em ep u 印o s e o fc o n t r o l l i n gt e m p e 劬j r e m r o wt l l eh e a tm e t e r 如n c t i o no fo v e r a l l lp l a l m i n g f i r s t ，t 1 1 e m a i l lc o m p o n e m so ft l l eh e a tm e t e r ( c o n t r o lu i l i t t e m p e r a t u r es e n s o r ，e t c ) d e s i g ni s d e s c r i b e di nd 或a i l ，越l dt h e nd e t a i l e dd e s c r i p t i o n0 ft h es o m v a r ed e s i g no fm es y s t e m 啪u g h t l l ep r 0 c e s sf l o wc h a n s o f t w a 佗p r o g 姗m e di ncl a n g u a g e t h em a j nf 撕o r s 蚯e c t i n gt ：h e 砌o o rt e m p e m t u r ei so u t d o o rt e m p e 豫t u 陀c h 锄g e s ( c i l 觚g e si nt l l ew e a m e r d a y 锄di l i 曲tt e m p e b a n 鹏c h a n g e s ，e t c ) a n o t i l e ru s e rt 0o p e n i e d o o r 、i n d o w 觚do t h e rm i n o r 觚t o 璐n l ep a p c r d e s c r i b c dt h ep r i n c i p l e sa n dm e m o d so f p 砌i c t i v ec o i l t r o lb a s c do nf e e d f o r w a 帕o u t d 0 0 rt e m p e r a t u r ei i 试nd i s t u l m a n c ec 0 曲r 0 1 r e d u c em ei n d 0 0 rt e m p e r a n 鹏f l u c n i a t i o 璐u p 孕a d eh e a t i n gc o m f o r t 觚ds o p h i s t i c a t i e d e n e r 星黟鞠v i n g k e yw o r d s h e a tm e t e r ；p f e d i c t i v ec 0 i i t m l ；t 1 1 e n i l o s t a tv m v e ；s i n g l ec l l i pc o m p u t e r ；h e a t m e t c 血g 第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1我国的供暖体制改革 在过去的很长一段时期，我国的集中供暖实行的是大锅饭形式的包费制i l l 。这种 供热制度使供热方失去了积极性，供热质量低下，使得用热方不满，所以若要从根 本上解决城镇人民的采暖问题，必须要建立适应我国经济体制的供暖新体制。 2 0 0 6 年在国务院关于加强节能工作的决定中，将“加快城镇供热体制改革 作为健全节能保障制度的一项重要的内容，要求推进城镇供热体制改革。加快推进 供暖商品化，货币化【2 l ，把采暖补贴由原来的“暗补 改成“明补”，加强采暖热计 量，逐步淘汰按面积收费的制度：新建的建筑必须建设能够分户计量的采暖系统， 并且要安装控温装置，必须按采暖的热计量收费：既有的建筑要通过节能改造的办 法达到温度可以调节、可以分户计量采暖热量的要求p 】。“要加强技术创新，提高节 能降耗的水平，在满足人们采暖需要的前提下提高能源的利用效率。要积极研究丌 发热能计量和温控装雹，提高采暖的热能计量和温控装置的水平i z j 。 1 1 2 我国目前供暖体制中存在的问题 目静，我国北方大多数地区是按面积缴纳采暖费用，问题很多。第一，热能浪 费非常严重。很多采暖季不住人的房间，一些单位晚上没有人工作的办公室，白天 用户外出工作的家中等等，因为没有方便的调节温度的措施，暖气没有办法及时关 闭。第二，用户缺少自主节能的意识。住户按面积缴纳采暖费，所使用的热能不能 准确计量，用多的和用少的缴费都是一样，导致缴纳采暖费后就不再关心节能，室 内温度过高时就采用便捷快速地调节室温的方法一开窗散热，不能调动用户自主节 约热能的积极性。第三，由于楼宇地理位置、楼层等诸多原因，一些用户室内温度 低于供温标准1 6 ，缴费后不能正常享受取暖。第四，供热企业收取采暖费困难。 同一楼的住户不管有没有缴纳采暖费，都一样采暖；不管是否需要供暖，都要按房 屋面积缴费。用户方和供暖方出现矛盾，供暖方没有好的办法制约没缴纳采暖费的 用户。 1 2 课题的目的及意义 按采暖计量收费的方法能够节约大量能源。我国在供热方面每年消耗的能量非 常大，为了节约能源，许多用户都希望自己能够灵活调节室内的温度，但现在的采 暖系统中无法实现。采用自动调温热能表后，能够从下列几个方面达到节能的目的。 河北科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 充分调动了用户的自主节能意识，达到节能目的。将取暖费用和每户的家 庭收支挂钩后，用户将会尽力节约能源，调节室内的温度，达到既省钱又节能的目 的。在房间没人的时候，可以使房间内的温度保持在防冻的温度；在房间有人时， 可以将室内温度调节到舒适的温度。据调查，在施行分户采暖的北京某小区内，家 中没人的时候，约一半左右的用户把室内温度设定在1 6 以下；有人的时问，一半 以上的用户把温度设定在较高的1 9 左右1 3 l ，这样已经在相当大的程度上节约了能 源，同时也满足了用户室内舒适度的要求。 ( 2 ) 建筑中的间歇取暖能够减少大量能源的使用。商业和公用建筑中的采暖系 统的运行可以为间歇方式。对于这些建筑，当有人上班时需要取暖，没有人上班时 则不需要取暖，只保证供热管道不被冻坏就可以；学校在取暖的冬季将放假一段时 间，若把教室温度也调在供热管道不被冻坏的温度，经过计算，这些建筑就能够节 约能源2 0 3 0 1 3 1 。 ( 3 ) 用户自主节能的手段将降低供热水泵的能量消耗。供热系统中水泵的耗电 量非常大，当供热系统能够进行分户控制时，由于每户的热能调节将使供热负荷降 低，从而使供热水泵的能量消耗降低，达到节能的目的。 现在全国各地都在推行调节温度的装置和热能计量装置，这种带有温度控置的 热能表将有广大的市场，但又面临着质量的严峻考验。如何满足我国供暖体制改革 的需要，使其达到国家标准，成为一个重要问题。 本课题研究的是一种集热能计量与自动控温与一体的自动调温热能表，不但能 实现供热管网科学合理的热能计量收费，还为用户提供了科学合理的使用热能的手 段。利用温控阀的控温作用，用户可以根据自己的需要调节室内温度，可最大限度 地帮助用户减少热能的浪费，同时使室内温度平稳舒适。 1 3 国内外热能计量发展现状 1 3 1 国外热能计量技术的现状 在国外，“热能”最初进入市场时是以商品的形式。在上世纪7 0 年代术出现的 能源危机导致了能源消耗的增长，进而加剧了环境的污染，使保护环境节约能源成 了国家大事，这促进了西方国家供热计量技术的发展。现在国外的热能计量技术已 经成熟。据调查，欧洲各国的热能计量法规虽然有所不同，但是基本上每户都安装 了热能计量仪表，根据使用热能的多少进行收费。其中德国最为严格，规定每栋楼 安装热能表，每组散热器安装热能计量仪表和恒温阀。收费也有明确的规定，采暖 费分为两部分进行收取，3 0 4 0 按建筑面积进行计算，6 0 7 0 按住户消耗的热 能计算，不允许按面积进行收费。 波兰是经济转型的国家，在上世纪九十年代和我国情况类似，采暖系统中也没 2 第l 章绪论 有热能计量和温度调节的设备，采暖能源消耗很大，浪费非常严重，这使得国家每 年都要为采暖提供大量的补贴，国家财政负担沉重。但在从计划经济转向市场经济 的过程中，波兰看到了自己与西欧国家之间的差距，他们便从体制上和技术上进行 改革，找到了节约热能的方法，所以仅用了几年的时间就有了显著的成效。 丹麦在六十年代，采暖收费也是按建筑面积，七十年代收费形式改成按流量， 八十年代又改成按热能收费。其热能表的发展也经历了一定过程，与热能表配套的 流量表，七十年代是孔板式，八十年代是电磁式流量表，九十年代则是超声波流量 表，但是户用的还是机械式仪表。丹佛斯公司的测试资料记载，他们用机械式流量 表、电磁式流量表、超声波式流量表同时做实验，连续测试了3 0 个月，结果只有超 声波流量表的精度没有发生改变。实践说明，只有按热能计量收费才是公正且节能 的f 4 - 7 j 。 1 3 2 我国热能计量的技术现状 ( 1 ) 我国热能表的发展状况我国的热能表从2 0 世纪9 0 年代开始研制，根据 相关文献，最早研制采暖用热能表的是一位山西教师【z j 。1 9 8 9 年，政府开始关注供 暖的收费问题，把欧洲赠送我国的热能表交给相关单位进行研究。1 9 9 0 年，国家将 热能表的专用电路模块列入到“七五 科技攻关计划中。1 9 9 2 年，国家技术监督局 等单位翻译出版了o i m l - r 7 5 国际建议热能表。从1 9 9 4 年，一些企业丌始 了自发的研制热能表的工作。 在2 0 0 0 年的民用建筑节能管理规定中要求，推行户用热能计量和温度调节 装置。目前，全国1 5 个省的4 7 个城市在新建的居住建筑中，推行户用热能计量装 置和温度调节，实行按热能计量收费的实验工作【3 】。经过将近l o 年的供热体制改革， 取得了一定的成果。经过近年来的理论研究，并结合热能计量的实际需求，建设部 发布了我国城镇建设行业标准热量表( c j l 2 8 2 0 0 7 ) ，于2 0 0 8 年4 月1 同实施， 同时废止了我国第一个城镇建设行业标准热量表( c j l 2 8 2 0 0 0 ) 。这代表着我国供 热采暖按热能计量收费的一个新时代的开始。 ( 2 ) 我国冬季采暖的现状目前我国采暖所用的能源占总消耗能源的9 6 ，严 寒地区达3 0 4 0 ，与气候相近的其他国家相比，我国采暖能源的消耗是他们的3 倍。尤其近年来城市建筑迅速增加，供热面积也迅速加大，更造成能源的极大浪费。 其根本原因在于按面积收取采暖费的制度，导致用户没有节能的动力，在管理上更 没有节能的机制【6 j 。 老式住宅的供热管道，用户不能调节室内温度，又由于连续供热，供热的效果 较好，当白天室内温度高时，若要调节室内室温只能通过开窗的方式。虽然有的城 市已经进行了供热管网的改造，但由于住户家内没有控温办法，改造并没有起到建 筑节能的作用【7 j 。 3 河北科技人学硕士学位论文 调节室内温度困难。现在大多家庭使用手动温控阀，如果一个家庭全家早晨7 ： 0 0 上班，下午6 ：0 0 回到家，若要调节室内的温度，只能回家后才能调节，这样从 到家丌始计时至室内的温度j 下常( 比如1 7 ) ，大概需要2 个小时，使用非常不方 便，许多用户因此不再使用温控阀调节室内温度1 7 j 。 恒温阀没有起到调节的作用，虽然新建的住宅楼供热系统是进行分户控制的， 而且每组散热器上都加有温度控制阀，但是由于没有实行按热能计量收费，且恒温 控制阀需要手动进行调节，比较麻烦，所以一般情况下用户把温控阀开到最热后就 不再调节。导致温控阀形同虚设，起不到调节温度的作用( 8 l 。 1 4 课题研究的主要内容 本课题选用当前比较先进的m s p 4 3 0 单片机，预研制适合我国供热系统水质的 热能表，且带有温控阀，能够自动调节室内温度，进行室温的预测控制，能够有效 地节约热能。主要内容如下： 1 ) 为本课题规划预期的主要功能，如下： 热能表通过对供热管道内供水温度、回水温度、流量的采样，按照热量公式自 动计算热量： 热能表可在l c d 上显示以下各量：热量、流量、累积流量、供水温度、回水温 度、压差、室内温度、室外温度。 可以设定：温度、日期、时间。该热能表带有5 个按键，用于液晶l c d 的显示 及温度、同期、时间的设定。 能根据天气变化、开关门等因素对室温的影响进行自动调温。 热能表由直流电供电。 2 1 以m s p 4 3 0 单片机为核心，做出实验硬件系统，实现预期的主要功能。 3 ) 设计实现热能表功能的软件程序。 4 第2 章热能表的工作原理及预测控制原理 第2 章热能表的工作原理及预测控制原理 2 1自动调温热能表的构成 图2 - l臼动调温热能表构成框图 如图2 1 所示，自动调温热能表是一个集热能计量和自动控温于一体的热能装 置。由温度、流量、压差采集元件，温控阀，数据采集处理单元及操作键盘、显示 模块组成。 2 2自动调温热能表的热能计量原理 热能表是用来测量、计算、显示水流经热交换系统时所释放的热量值或吸收的 热量值的仪表。热能表安装在热交换回路的管道上，对采暖系统中的热能消耗进行 精确计量。工作原理是：在热交换系统安装热能表，当水流经热交换系统时，由测 得的流量和供、回水温度，以及水流经的时问，通过计算器计算并在液晶上显示系 统吸收或释放的热量。 2 2 1 热量计算的方法 热量计算的方法有焓差法和k 系数法两种，这两种方法都是根掘热力学原理， 即1 升纯净水( 比热容为1 ) 温度每变化1 吸收或释放的热量是1 0 0 0 卡。在热能 5 河北科技人学硕十学位论文 l 量暑昌= = 毫暑= 皇昌昌昌# 穹墨昌宣宣罩昌专昌昌皇= = 昌= 罩皇= = = = = = = = = 昌暑= = = = 昌皇皇= = = = 罩= 皇曩昌昌昌冒阜= 薯= = 昌墨；：皇重曩= = 摹昌：= = 表的应用中，由于导热介质是流动的，而且不同的压力和温度下水的比热也不同， 所以在实际应用中，就有了两种热量计算的方法f 9 j 。 ( 1 ) 焓差计算法焓差计算法是通过计算器进行密度和比焓值差的补偿与积分 运算，计算出该系统所释放或吸收的热量。 基本原理公式为： q = g m 巫m = 汹d ( 2 1 ) 式中卜吸收或释放的热量( j 或骱) ： 流经热能表的水的质量流量( k g ，1 1 1 ) ； 口流经热能表的水的体积流量( m 3 h ) ； p 流经热能表的水的密度( k 耐) ： 幽在热交换系统的入口和出口温度下，水的比焓值差( j k ) ： f 时间( h ) 。 将式( 2 1 ) 化为求和式： q = g w p 魄。一啊：) ( 2 - 2 ) 、式中钆第i 时刻流经热能表的水的体积流量； 曩。，扛：分别为供水、回水的温度下对应的比焓值； p 流经热能表的水的密度。 ( 2 ) k 系数计算法基本原理公式为： v ! q = i 励烈y ( 2 3 ) 面 式中y 载热液体流经热交换系统水的体积( o ) ； 丁熟交换系统中载热液体入口处和出口处的温度差( ) ； k 热系数，是载热液体在相应温度温差和压力下的函数 j ( m 3 ) 或 k 肌，( m 3 ) 。 下面举例来说明焓差法和k 系数法之间的计算差别。 例l ：压力为0 6 m p a ，入口温度为7 0 ，出口温度为3 0 ，质量流量为5 k 星啦， l 小时释放的热量。 焓差法：当压力为o 6 m p a ，7 0 时的比焓值为2 9 3 5 3 ，3 0 时的比焓值为 1 2 6 2 8 ，则l 小时释放的热量为： q = ：粤历舶出= 5 f ，2 9 3 5 3 一1 2 6 2 8 ，l = 8 3 6 2 5 日 6 第2 章热能表的j j ：作原理及预测控制原理 k 系数法：水的密度为9 9 5 8 7 ，入口温度为7 0 ，出口温度为3 0 时的热系数 k = 1 1 5 7 ，l 小时释放的热量为： v 5 加严刑- 1 1 5 7w o - 3 矿南- 8 3 “4 ，0 77 “。 采用两种不同计算方法的差别：= 0 0 2 例2 ：压力为o 6 m p a ，入口温度为9 0 ，出口温度为4 0 ，质量流量为8k g m ， l 小时所释放的热量。 焓差法：当压力为0 6 m p a ，9 0 时的比焓值为3 7 7 4 5 ，4 0 时的比焓值为 1 6 8 0 6 ，则l 小时释放的热量为： q = g 朋出出= 8 f ，3 7 7 4 5 一1 6 8 0 6 夕1 = 1 6 7 5 1 2 k 系数法：水的密度为9 9 2 4 4 ，入口温度为9 0 ，出口温度为4 0 时的热系数 k = 1 1 5 4 ，l 小时释放的热量为： ，i n q = 严刑- 1 1 5 4 0 - 4 旷志“6 7 4 4 2 采用两种不同计算方法的差别：= o 0 4 一级热能表计量准确度误差限为l l o 】： e ：士( 2 + 4 垒i + o 0 1 生) 1 0 0 & 口 通过上式可以看出，两种不同计算方法之间的计算差别小于一级热能表的误差 限，因此不管采用哪种计算方法所引起的计算差别都可以忽略不计。 由于焓差法是通过不同压力下的不同温度的比焓值差和流经热能表水的质量流 量，直接计算出热量，所以从理论上说它比k 系数法更直接和明甜9 l 。考虑到我国 国情，在调研的基础上，准备采用焓差法进行热量的计量和计算。 2 2 2 热能表测量的参数 通过热能表的热能计算公式看出，如果采用焓差法计算热量值，需要测量4 个 参数： ： 流量流经热能表的水的体积流量，单位：m 3 l l 供水温度熟交换系统的进水温度，单位： 回水温度一熟交换系统的回水温度- 单位： 压力- 二熟交换系统的压力，单位：”m p a 根据热能表设计规范，热力系统压力般分为1 o m p a 和2 5 m p a 两种。因此 7 河北科技大学硕+ 学位论文 l 昌昌置皇崔昌鼍昌- i 毒昌写霉昌置昌墨置昌毫昌昌昌= = = = 昌曹兰= = = = = = = 昌昌置鲁i 昌= 罱： 一置置墨一= = _ l 罱； 昌： 目_ 昌l l： 热能表在生产时分为两种类型：常温表，默认压力为1 6 m p a ，工作温度为4 9 5 ： 高温表，默认压力为2 5 m p a ，工作温度为4 l5 0 。这样实际需要测量的参数就只 有流量、供水温度和回水温度。 2 2 3 流量的检测方法 流量的检测一般都采用流量传感器，将流量传感器安装在热交换系统中，用于 测量流过供热回路水的流量。根据流量传感器的测量原理，常用于热能表的流量传 感器有三种：叶轮式、超声波式、电磁式。 电磁式流量传感器是基于电磁感应原理来测量热水流量，它能测量具有一定电 导率的液体的体积流量，由于它的测量精度不受被测液体的黏度、密度及温度等因 素变化的影响，且测量管道中没有任何阻碍液体流动的部件，所以几乎没有压力损 失【一刁，但由于只能测量具有一定电导率的液体流量，同时因为其结构复杂，成本 高，功耗大，所以在户用热能表中很少使用。 超声波流量传感器的工作原理是，超声波在流动的水这种介质中传播时，就加 载了水的流速信息，通过接收到的超声波信息便可测出管道中水的流速，然后换算 成流量。其对流体介质成分没有要求，但如果测量区内存在结垢问题时，就会降低 测量的精度，同时也因为成本高，功耗大，所以户用热能表中很少使用。 叶轮式流量传感器是通过流体冲击叶轮旋转进行流量的测量i j 。其测量原理和 结构都比较简单，价格也较低，似乎是流量传感器的首选，目前也是我国热能表中 使用最多的一种。但我国的供热系统的水质非常差，杂质较多，在非采暖季节管道 系统停运时间空置，造成锈蚀、氧化等问题，长时间工作很容易造成堵塞，影响流 量计的币常工作。 综上分析，我们可以改变测量流量的方法，使上述情况大为改善，从价格和工 作情况上使用户满意。集中供暖的暖气工作原理是通过暖气锅炉的进、出水压力差， 锅炉烧好水后由水泵送到暖气管道里，然后流到各家各户的暖气片里。这时供水管 道的压力比回水管道的压力大一些，由于供、回水管的压差使管道内的水进行循环。 本课题通过压差传感器测量不同时刻供热管道的压差，并通过流量传感器进行 流量校对，可找到一组不同时刻的压差与流量的对应关系数据。由于目前还没有确 定压差传感器的型号，暂用a d 接口模越如下： 表2 1 捱差流量关系表 压差o v 0 5 v l v1 5 v2 v2 5 v 3 v3 j v4 v5 v5 v 流量f l f 2f 3f 4f 5 f 6 鳗 竖一堕 ! 壁! 1 2 3 热能表的预测控制方案 影响室内温度的因素有很多而且复杂，其主要因素是室外温度的变化( 天气变 8 第2 章热能表的i ：作原理及预测控制原理 化、昼夜温度的变化等) ，另外就是用户开门、开窗等次要因素带来的室内温度的波 动。为了节约热能，方便用户调节室内温度，该热能表温度控制系统预实现下列功 能： 1 ) 能够按照用户的要求提前设定每天的供暖时间段和防冻时间段： 2 ) 当有特殊情况时，可以修改供暖温度、时间和防冻温度、时间； 3 ) 想停止供暖的用户，可以自行设定防冻温度，确保供热管道不被冻裂： 4 ) 系统可以记忆最近两次的温度设定，用户可以选择记忆中的一个进行温度设 定。 2 3 1 控制变量的确定 所设计的系统需确保过程的稳定性、安全性和经济性。根据该系统的控制要求 确定系统变量为： 1 ) 被控变量为测量的室内温度( 被控变量即控制的输出变量) 。 2 ) 输入变量有两类：控制( 或操作) 变量和扰动变量。控制变量为设定的室内 温度值，扰动变量为测量的室外温度。在控制过程中，干扰是影响系统平稳的因素， 且是客观存在的。正确选择操作变量能使控制系统有效克服干扰的影响，保证系统 的平稳。 2 3 2 控制结构 系统采用前馈一反馈的控制结构。前馈控制的原理是：当干扰一出现，控制器就 直接根据测量到的干扰大小，按照一定的规律去进行控制。当干扰发生后，被控量 还没有显示出变化之前，控制器就产生了控制作用。前馈控制有控制量补偿和扰动 量补偿两种f 川。该系统采用按扰动补偿的控制结构。 反馈的控制原理是：将被控量的偏差信号反馈到控制器，由控制器去修正控制 量，以减小偏差量。前馈控制属于开环控制，一般情况下单纯的前馈控制方案不宜 采用。因为在实际的控制过程中经常存在着若干扰动，如果全部采用前馈控制，就 需要对每一个扰动都使用一个前馈控制器，这样就会使系统变得复杂：另外，还有 一些扰动无法进行测量，所以和反馈结合使用。 由于影响室内温度的主要因素是室外温度变化，主要扰动所引起的误差可由前 馈控制全部或部分补偿，其它干扰可由反馈抑制。这样由扰动引起的误差就都得到 了补偿，并且开环增益没有提高，有利于提高系统的稳定性，还可减小系统的稳态 误差。 2 3 3 控制方案 通过控制结构和控制方法的分析，系统设计中有一路室内温度采集接口和一路 9 河北科技人学硕十学位论文 室外温度采集接口。采集的室内温度可与用户设定的室内温度比较构成闭环控制， 用于调节室内的温度变化过程，控制输出的是阀门丌度信号。由于对象容量滞后很 大( 一般都到小时级，近似于纯时间滞后) ，如果只单纯采用闭环控制，很难实现 较好的动态质量，具有长时间的动态误差，所以采集室外温度，采用超前补偿的控 制结构和控制算法，可以让温度控制系统在室内的温度还未波动之前，针对室外温 度的变化对自身作出调整，补偿室外温度对室内温度的扰动。 通过对温度的检测，当室内温度测量值与设定值进行比较，形成偏差后，通过 单片机进行预先设定的控制算法，输出控制信号，进行温度调节。其暖气采暖温度 调控原理框图如图2 2 所示。图中g o ( s ) 为控制通道的传递函数，g d ( s ) 为扰动通道的 传递函数。 设 室外温度1 3 温度1 r 2 图2 2 暖气采暖温厦控制原理框图 2 4 热能表的预测控制 2 4 1前馈控制 ( 1 ) 前馈反馈控制 由图2 2 暖气采暖温度控制原理图可知，当室内温度受到室外温度扰动时，前 馈控制器首先获得这一信息后，便按一定的控制作用补偿室外温度的变化对室内温 度的影响。对于前馈没有完全消除的偏差，和没有引入前馈的其它扰动引起的室内 温度变化，则在温度控制器获得室内温度变化的信息后，按照s i n j t l l 预估补偿作用 产生校正。控制通道和扰动通道的校正作用叠加，将使室内温度很快地回复到设定 的温度值。 对于主要扰动( 室外温度) 通过前馈控制器进行预先控制，对于其它的次要扰 动因素可通过闭环反馈系统进行消除。前馈控制系统用来消除干扰因素对被控变量 的影响。如果没有扰动的出现，前馈控制器就不会产生新的控制作用，且前馈控制 ! r 1 0 第2 章热能表的l ：作原理及预测控制原理 _ - - - - i _ _ l _ _ - _ _ _ l i l i - _ i _ i _ _ i i _ 目_ t e _ _ i - _ - _ i - _ _ l _目_ _ _ _ i - i i - _ _ - - _ - _ i 作用的大小取决于扰动量对被控变量的影响程度，实际上是对扰动进行补偿。在扰 动发生后，前馈控制作用比反馈控制作用更及时、有效，因为前馈控制作用是在扰 动出现的同时产生的，校正作用开始于偏差产生之前，所以在理论上可以对扰动进 行完全补偿。 图2 2 中，干扰t 3 对被控量t 2 的闭环传递函数为： 器= 褊+ 端 p 4 ， 瓦( s ) l + g ( ( s ) g 0 ( s )1 + g ( j ( s ) g 0 ( s ) l 二 系统在干扰t 3 作用下，对被控量t 2 能够完全补偿的条件是： 瓦( s ) o ，瓦( s ) = 0 则式( 2 4 ) 中的分子： g d ( s ) + g ，( s ) g d ( s ) = 0 即 叩) _ 器 ( 2 - 5 ) ( 2 ) 前馈控制器的模型 要想获得完全补偿，必须精确地知道控制通道和干扰通道的特性，由于被控对 象的特性复杂，导致了前馈控制器模型的形式很多。为了利于设计、运行和维护， 系统采用一个一阶容量滞后再串联一个纯滞后环节来近似。控制通道的特性为： g d ( 驴南e ， ( 2 6 ) 干扰通道的特性为： q 岱) - 赢p w ( 2 7 ) 则前馈控制器的模型为： g ) - - 鲁搿小训s ( 2 - 8 ) 若将公式( 2 8 ) 简化处理，则可得到一个简化的前馈控制器模型： g ) _ _ 鲁搿 ( 2 9 ， 这种一阶“超前一滞后 前馈控制器参数少，很容易实现。但是式( 2 - 8 ) 和( 2 9 ) 两种前馈控制器的设计方法设计的前馈控制器都有一阶线性超前滞后环节。即： 脚l 时，前馈补偿带有滞后性质；矾 l 时，前馈补偿带有超前性质。所以在 前馈的基础上引入p i 控制，来消除前馈控制器的这一性质。 河北科技人学硕十学位论文 2 4 2 比例积分控制 比例积分控制是由比例控制和积分控制结合而成的，常用字母p i 表示。p 为比 例调节，在比例调节里，偏差信号e 与调节器的输出信号u 成比例，即 “= k 。p ( 2 1 0 ) 其中k 为比例控制的放大倍数，又称比例增益。比例控制规律指输入偏差与控 制器的输出变化量成比例关系。i 为积分调节，积分控制规律的数学表达式为 l， “2 i j p 山 ( 2 11 ) 7 ，j l z jl ， 其中t j 是一个可调整的时间常数，表示积分的时间。积分控制指输入偏差的积 分与控制器的输出变化量成比例关系。比例积分控制的数学表达式为 1， “= k | p f ，p + 寺jp d ，夕 ( 2 - 1 2 ) 当输入偏差是一幅值为a 的阶跃函数时，输出响应是由比例作用和积分作用两 部分叠加而成。在输入阶跃函数的瞬间，控制器的输出先产生一个幅值为k p a 的阶 跃变化，然后以固定速度k 仃i 逐渐上升。当偏差存在的时间t = t i 时，控制器总的 输出变化量为2 k p a ，就可以确定k p 和t i 。 在比例积分控制过程中，当干扰出现时，比例作用根据偏差的大小立即产生一 个较大的校正量，相当于“粗调 ，积分作用在这个基础上再进一步“细调”。但是 在同样的比例下，积分时间t l 过大和过小得到的控制效果都不太好。t i 过大时积分 的作用就会太弱，消除余差的过程很慢；t l 太小，控制器的输出就会变化太快，过 度过程的震荡就会太剧烈，系统的稳定性就会下降；只有t i 合适时，才没有余差。 由于控制中引入积分作用后，会使系统的震荡加剧，尤其是滞后大的对象更为明显。 在自动调温热能表的预测控制中，温度是一个近似于纯时间滞后的对象， 对于时滞 系统，一般情况下采用一阶惯性环节加纯延迟表示，其控制通道传递函数为： r g d ( s ) 2 高p 咱 ( 2 - 1 3 ) k 为静态增益，下为延迟时间，t 为时间常数。比例积分调节器的表达式为 = 尺j p 和+ 寺f p d ，夕+ ( 2 1 4 ) ， 、， k p 为比例系数；为e = o 时的一种控制作用，是控制量的基准，即；t f 为积分 时间常数。 ( i ) 位置式p i 控制及其算法 单片机是通过软件实现控制的，所以需要以采样时刻的偏差值来计算控制量。 不能对积分进行准确计算，必须用数值计算方法逼近，由此可得到三种数字控制算 1 2 第2 章热能表的i ：作原理及预测控制原理 法的形式，分别为：位置算法、速度算法和增量算法。通常根据使用的执行器形式 和应用的方便性选择要使用的算法。从执行器形式上，位置算法的输出除了直接与 数字式控制阀相连外，一般经过数模转换，变为模拟量输出。增量算法的输出一般 通过具有零阶保持特性的累积机构转换为模拟量。速度算法的输出必须采用积分式 的执行机构。自动调温热能表使用的是温控阀，通过调节阀门的丌度来调节室内温 度，为此选用位置算法。在算法中，积分可用累加求和的方法近似得： 。七正 “f 肚= p f ，f 归= r p f ，f 夕( 2 1 5 ) f = 0f = o 其中t 为采样周期。将式( 2 1 7 ) 带入到式( 2 1 6 ) 中，则可得离散的p i 表达式： r 上 材( 七) = 坼p ( 七) + p ( f ) + “。( 2 1 6 ) 1 ，l o 该式表示的控制算法提供了执行结构( 阀门的开度) 的位置u ( k ) ，即输出值与 阀门开度一一对应，所以称为位置式p i 控制算法。 ( 2 ) 物理模型 位置式p i 算法控制原理图如图2 3 所示。 图2 - 3 位置式p l 算法控制原理图 令公式( 2 1 6 ) 中k i - k p t 厂r l ，k i 称为积分系数。第k 次采样时刻的p i 位置式控制 算法编程表达式： 玉 ( 七) = 七，p ( 七) + j | ，p ( f ) + “。( 2 1 7 ) l o 由式( 2 1 7 ) 可看出，若要计算u ( 1 ( ) ，则需要将每次的e ( i ) 相加，计算量大、复杂 而且浪费内存。系统的第k - 1 次采样为： “( 七一1 ) = 七，p ( 七一1 ) + 争e ( f ) 】+ “。 r 一一i l ft 呐 公式( 2 - 1 7 ) 和( 2 - 1 8 ) 相减得： m ) 叫) 吐m 炉m - 1 ) + 号p ( 纠 m ) 叫) 心( 1 + 号顾妒印( 扣1 ) = “( 七一1 ) + 口o p ( 七) 一：! i p 七一1 1 3 ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) 河北科技人学硕十学位论文 z 目= 自目目目目目自= ；= = 目= 目= = ；= e j = ；= = = = = = 自= = ；= 目i = = = = t _ 自i = = = = = e = ；_ 自_ 目目_ _ = 目= = = ：ij 目目；e _ i 公式( 2 1 9 ) 是p i 的递推形式，是编程时经常用到的形式。其中 口。= 七，c + 号，口- 2 七， ( 3 ) 软件算法的流程图 位嚣式p i 算法流程图如图( 2 4 ) 所示，式子中的系数a o ，a l 可以预先算出。 图2 - 4 位置式p i 算法流程图 2 4 3s m i t h 预估补偿控制 1 9 5 7 年ojms m i m 提出一种预估补偿控制方案，目的是为了改善大纯滞后系 统控制品质。它是按照过程的特性，设想出一种模型( 补偿器) 加入到反馈系统中， 经过预估补偿后，使系统的闭环特征方程不再含有纯滞后项，进而提高控制质量【l 们。 ( 1 ) s m i t h 预估补偿分析 s m i m 预估补偿原理图如图2 5 所示。主要原理为预先估计出被控过程的动态模 型，然后把预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行补偿，将延 迟了时间t 的被控量提前送到控制器，使控制器能提前动作，就可以消除纯滞后特 性在闭环中的影响。图2 5 中g 0 ( s ) c 噶为被控对象的数学模型，g o ( s ) 为不包括纯滞 后时间t 的对象模型。由框图可知系统的闭环传递函数为： 塑堕= 鱼尘2 鱼堕2 尺( s ) l + g c ( s ) g d ( s ) 1 4 ( 2 - 2 0 ) 一 一一。丝三三羔丝；竺。竺坚婴燮! 壁一一一 _ i l - l i _ l _ _ _ _ _ - _ l _ l _ _ _ 目_ _ _ _ _ _ - - l _ = 目= = 自目l l 目_ o 。一一 闭环系统特征方程为： l + g ( ( s ) g f ，( s ) = o( 2 - 2 1 ) 图2 5s m i t h 补偿控制框图 系统经补偿后，闭环特征方程中没有了纯滞后项，即e 喝项，也就是系统已经消 除了纯滞后对系统控制品质的影响，同时也消除了开环传递函数中的时问延迟，提 高了系统的动态质量。当系统的输入为阶跃函数时其响应曲线如图2 6 所示。 t 图2 6 输入变量为阶跃函数的响应曲线 1 5 河北科技人学硕士学位论文 其中a 图为没有时间延迟的响应曲线，传递函数为g o ( s ) ；b 图为没有s m i l h 预估 补偿器的系统输出响应曲线，控制对象的传递函数为似s ) e 髓；c 图为带有s m i t h 预估 补偿器的系统输出响应曲线，控制对象的传递函数为g o ( s ) e 巧。从图中可以看出当外 部输入函数为r ( t 竹) 时，带有s m i t l l 预估补偿器的系统与没有时问延迟的系统的动念 误差相同，只是将没有时间延迟的输出响应在时间坐标上推移一段时闯r 。扰动量与 输入量之间的传递函数为： 尺( j )l + g 0 ( s ) g d ( s ) ( 2 2 2 ) 两个传递函数在形式上是相同的。扰动量对输出量的影响非常严重，响应曲线 如图2 7 所示。从图中可以看出，动态误差与延迟时间f 有关，延迟时间越长，动态 误差就越大。 图2 7 扰动量作用下的响应曲线 ( 2 ) 前馈基础上的s m i t h 预测控制 前馈补偿的框图如图2 8 所示。若要1 0 0 的完全补偿，前馈补偿器的传递函数 必须为式( 2 1 0 ) ，且必须在扰动出现之前进行补偿。 q = 高矿 ( 2 2 3 ) 图2 8 前馈补偿结构图 在前馈的基础上建立的预测控制图如图2 - 9 所示。 1 6 第2 章热能表的j ：作原理及预测控制原理 d 1 ，d n 是可能发生的扰动，通过扰动渠道得到的扰动量为d ( t ) ，前馈控制器 是按照没有时白j 延迟的前馈补偿器设计的。因为温度的变化没有任何规律，则测得 的温度值是一列不连续值，预测控制器的输出d ( t 十r ) 也是一列离散值d ( k + n ) ，其中 n = i n t ( 讥s ) ，t s 为采样间隔。 预测控制器的设计条件为：当干扰是一个幅值恒定不变的阶跃函数时，预测控 制器的预测输出是一个刚t c h 函数d l d o ，d l 表示一个正向的扰动，d o 没有扰动。 在这种条件下，预测发生的扰动d l ，d n 必须为阶跃函数。定义：p ( d 枷1 ) ，p ( d l d i ) 为在d i 发生的情况下预测控制器输出d ( k + n ) 的值是d i ，d o 的概率；p ( d 矾。) ，p ( d l d n ) 为预测d n 发生的情况下预测控制器输出d ( 1 “- n ) 的值是d l ，d o 的概率。c i o 为成本 因素，若错误判断了d ( k 卜n ) = d i ，c o i 也会减少，c l o + c o l - l 。预测控制器的输出可 由下面式子确定。 r d d ( k + ) 2 i 云i ( 2 - 2 4 ) 若 言三。 z 2 ；羞；公2 ；幺； 乏 玷轧簟 兰戮i 。l，i f p l “ l 豸蹿罱j ，- l ) ：玷p ，碍瞄 i 图3 1 4 液晶与单片机连接图 3 3 河北科技人学硕十学何论文 l 目= = = l 目自= = = = = = = = = = = = = = ；= 目= = = = = = = 目= = ；= = = = ； = = = = ；= = = = = = ；= ；= = = = 自= 目：# ：， 3 4 4 键盘接口电路的设计 键盘是操作人员向系统提供干预命令的输入设备，利用键盘可实现系统的参数 设置，发出控制命令等。键盘一般情况可分为编码键盘、非编码键盘两类。编码键 盘包括自身按键和产生键码的硬件电路，只要按下某一个键，就能够产生该键的编 码。这种键盘使用起来方便，但价格比较高，一般的单片机系统很少使