集中供热锅炉自动控制系统.doc

精品文档集中供热计算机智能化控制系统作者姓名：郭海峰 作者单位：水暖厂机电科摘要:随着科学技术的高速发展，计算机与自动化控制在各个工业生产领域中的被运用有了普遍的提升。作为企业的每一位管理者及每一位员工都应该熟练掌握一些现代科技技术及生产设备的自动控制技术，为企业发展、壮大打下坚实基础。关键词：智能化控制;链条锅炉；控制系统引言 集中供热是由热源通过热网向用户供热，它具有安全可靠、使用经济和环保节能等优势。 智能化控制在一定程度上模仿了人的控制，它不需要有准确的控制对象模型，因此它是一种智能控制的方法。智能化控制设计简单,易于应用,对系统的参数变化有很强的自适应性,无需人工经常进行调整。如果操作者对系统进行微调,智能化控制器会对此进行学习及分析,及时调整控制策略以适应使用者新的要求。另外,它还有极好的预防性诊断措施,可以最大限度地保证系统稳定可靠地工作。 对于冬季的天气是变幻莫测的，气温随时都会发生改变。应用传统的司炉方法就显得难以实现控制，这种情况正好应用计算机智能化控制。当外界温度发生变化时，供热锅炉可以根据智能化控制规则进行相宜的调整出水温度，实现实时的温度调整，目的是使到达拥护的暖气温度保持恒温，保证居民的取暖效果。一、系统的概述 集中供热是由热源通过热网向用户供热，它具有安全可靠、使用经济和环保节能等优势。如果采用的是多热源联网的集中供热，可实现全市供热的集中管理和集中调度，热源互补性强，调整余地大，即使局部出现问题，也可在短时间内通过供热联网运行，调配热源，确保全局稳定可靠用热。 智能化控制在一定程度上模仿了人的控制，它有准确的控制对象模型，因此它是一种智能控制的方法。集中供热计算机智能化控制系统要实现的是，采用锅炉集中供暖方式利用智能化控制语言进行设计，建立智能化控制响应表。根据智能化控制规则随外界天气温度做出自检测、自适应控制。当外界温度降低时，锅炉可以根据智能化控制规则提高出水温度，与之对应的外界温度升高时，锅炉可以根据智能化控制规则降低出水温度，进而实现居民用户的取暖温度保持恒定。二、系统模型的建立2.1温度传感器热电偶传感器 (1) 热电偶温度传感器 本系统使用镍铬镍硅热电偶，被测温度范围为0655，冷端补偿采用补偿电桥法，采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。不平衡电桥由电阻R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、Rcu(铜丝绕制)四桥臂和桥路稳压源组成，串联在热电偶回路中。Rcu与热电偶冷端同处于0,而R1=R2=R3=1，桥路电源电压为4V，由稳压电源供电，Rs为限流电阻，其阻值因热电偶不同而不同，电桥通常取在20时平衡，这时电桥的四个桥臂电阻R1=R2=R3=Rcu，a、b端无输出。当冷端温度偏离20时，例如升高时，Rcu增大，而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而减小。Uab与热电势减小量相等，Uab与热电势迭加后输出电势则保持不变，从而达到了冷端补偿的自动完成。(2) 测量放大电路 实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏(30mV)，且其中包含工频、静电和磁偶合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大电路。测量放大器又称数据放大器、仪表放大器和桥路放大器，它的输入阻抗高，易于与各种信号源匹配，而它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，并且温漂较小。由于时间温漂小，因而测量放大器的稳定性好。由三运放组成测量放大器，差动输入端R1和R2分别接到A1和A2的同相端。输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加到输入端，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为1。测量放大器的放大倍数为：AV=V0/（V2-V1），AV=Rf/R(1+(Rf1+Rf2)/RW)。在此电路中，只要运放A1和A2性能对称(主要指输入阻抗和电压增益)，其漂移将大大减小，具有高输入阻抗和共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，适宜于测量远距离传输过来的信号，因而十分易于与微小输出的传感器配合使用。RW是用来调整放大倍数的外接电阻，在此用多圈电位器。2.2 数学模型 智能化理论是智能化控制的核心，在智能化理论中需要把一个事物的“不确定”程度用数学定量化地表示了出来，说明“不确定”度的大小。例如要表示大气的温度，当确定了时间、地点后，大气温度就是唯一确定的数值，是确定的概念，但是要表明该地某一时刻的气温是“热”、“不热”、或“适中”这些信息则是不确定的。由于人们对大气温度的感受不同，而且感受随时间、场合的变化也不尽相同，究竟多少摄氏度才算“热”、或“不热”并没有一个公认的定量标准或界限，因气温的变化是逐渐且连续的，不存在突变。故大气温度“热”、“不热”、“适中”这类词语就包含了有确定的概念，致使其分界线智能化不清，这类信息称之为智能化信息。 在智能化理论中智能化信息的不确定程度用“元函数”来表达。元函数在数学上被看作是一个集合，即表示“不确定”程度的集合，称之为“智能化集”。智能化集的边界是不确定的，该有确定性与概率论或统计学中的有确定性有本质的不同。因概率代表某一事件发生前的不确定率，但事件发生后就变成了一个确定的值，然而元函数即使在事件发生后也是不确定的。 智能化控制是一种以智能化理论为基础的反馈控制。实际上是在调节器部分应用智能化理论来进行计算。智能化控制适用于多变量和非线性控制，它不需要求取对象的特性，能取得比传统的控制更优异的效果，这是智能化控制的最大特点。但智能化控制需要进行相当的运算，这种运算对于常规模拟仪表是望而生畏的。因而只有在使用DCS系统与计算机时，才具备实现工业对象智能化控制的条件。智能化控制是一种近似推理的控制，具有人类思维的若干特点。能够根据一系列智能化知识和数据，也即在一定的前提条件下统筹考虑控制过程的各种控制行为，推导出符合实际、符合逻辑关系的结论。IF A and B, THEN C是智能化控制常使用的推断语言。由于在智能化控制中的前提条件是由测量传感器得到的，故是一些确定的值，推论的结果作为控制系统的操作变量送至执行单元，因此推论的结果也应该是确定的数值。因为唯一能体现智能化的地方在前提条件本身，所以智能化控制是在一些不确定的前提条件下，应用智能化理论进行智能化推断而得到一个确定的结果。因此推论本身往往既包含确定的成份，也包含智能化的成份。如在某个特殊条件下输出应增大还是减小，一般是确定的，但应增大或减小多少，执行速度如何，都是根据操作者的经验总结出来的，带有很大的人为性，在一定程度上是智能化的。智能化控制适用于理论和经验性推理，通常用于与人类判断和感觉有关的控制问题，以及难以建立数学模型的控制系统，并应用于采用常规PID控制效果不理想的场合。第三章、智能化控制的设计3.1设计原理人工控制时，当环境温度低于时，则升高低压热水锅炉出水温度，低得越多，升得越高;当环境温度高于时，则降低低压热水锅炉出水温度，高得越多，降得越低，若环境温度比高很多，则停止供热；当环境温度等于时，则保持低压热水锅炉出水温度。将作为给定值，实际测量得到的环境温度为，选择控制器的输入变量为e,输出变量为u。3.2智能化控制规则表xzyNBNSZEPSPBNBPBPBPBPSZENSPBPBPSZENSZEPBPSZENSNBPSPSZENSNSNBPBZENSNSNSNBx为外界天气温度，y为锅炉水温，z为锅炉的烧煤量设适宜温度为20度，正常烧煤量为ZE。x是0度时为PB，x是-5度时为PS，x是-10度时为ZE，x是-15度时为NS，x是-20度时为NB，y是0度时为NBy是25度时为NSy是50度时为ZEy是75度时为PSy是100度时为PB2.对输入/出变量进行智能化语言描述语言值智能化子集为负大，负小，0，正小，正大NB=负大，NS=负小，0=零，PS=正小，PB=正大。1.if x is NB and y is NB then z is PB2.if x is NB and y is NS then z is PB3.if x is NB and y is ZE then z is PB4.if x is NB and y is PS then z is PS5.if x is NB and y is PB then z is ZE6.if x is NS and y is NB then z is PB7.if x is NS and y is NS then z is PB8.if x is NS and y is ZE then z is PS9.if x is NS and y is PS then z is ZE10.if x is NS and y is PB then z is NS11.if x is ZE and y is NB then z is PB12.if x is ZE and y is NS then z is PS13.if x is ZE and y is ZE then z is ZE14.if x is ZE and y is PS then z is NS15.if x is ZE and y is PB then z is NB16.if x is PS and y is NB then z is PS17.if x is PS and y is NS then z is ZE18.if x is PS and y is ZE then z is NS19.if x is PS and y is PS then z is NS20.if x is PS and y is PB then z is NB21.if x is PB and y is NB then z is ZE22.if x is PB and y is NS then z is NS23.if x is PB and y is ZE then z is NS24.if x is PB and y is PS then z is NS25.if x is PB and y is PB then z is NB3.3对输入输出进行智能化语言描述1、 设e的论域为X，X=-3，-2，-1，0，1，2，3，u的论域为Y，Y=0，1，2，3，4，5，6，7，8；2、设e的语言变量值的智能化子集E=NB，NS，Z，PS，PB， u的语言变量值的智能化子集U=Z，S，M，B；其中NB=负大，NS=负小，Z=零，PS=正小，PB=正大，S=小，M=中，B=大。3.4隶属度函数1、智能化量e的赋值表如下:量化等级ENBNSZPSPB-3(-20,-11(6,1110000-2(-11,-6(11,1601000-1(-6,0(16,20000.5000(0,6(20,25001001(6,11(25,30000.5002(11,16(30,35000103(16,20(35,4000001由智能化量e的赋值表可得: 2、智能化量u的赋值表如下: 量化等级UZSMB0停止供热10001（50，55）00.5002（55，60）01003（60，65）00.5004（65，70）000.505（70，75）00106（75，80）000.507（80，850000.58（85，90）0001由智能化量u的赋值表可得: 3.5智能化规则语言描述: 1、 若e 为负大,则u为大;1、 若e为 负小,则u为中;2、 若e 为零,则u为小;3、 若e 为正小,则u为零;4、 若e 为正大,则u为零;即: ：if E=NB then U=B ：if E=NS then U=M：if E=Z then U=S：if E=PS then U=Z：if E=PB then U=Z由此可得到单输入单输出智能化控制状态表如下:ENBNSZPSPBUBMSZZ3.6智能化运算由此可得：3.7清晰化处理清晰值清晰值 清晰值清晰值清晰值3.8智能化控制器输出响应表输入的量化等级310-1-3输出的量化等级00257.7第四章、分户热计量供热系统 近年来日益流行的智能化控制的优点是抗干扰能 力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。但经典智能化控制不可避免地存在稳态误差和颤振现象，因此，经典的智能化控制器是粗糙的控制器，不适用于对稳态性能要求较高的系统。而某分户热计量供热系统中的分户智能温控装置的控制性能至少应满足以下几点要求：（1）稳态温差不超过1；（2）当环境参数和系统参数变化较大时，控制系统仍能平稳运行，基本没有超调，以尽量减少温控阀的动作次数，这样一方面可以延长其使用寿命，另一方面可以减小居室噪音；（3）响应速度尽可能快，以最大程度地满足人们对热舒适度的要求。根据以上要求，综合分析比较了前述几种常用控制方案的特点，设计出了一种行为自校正的智能化控制器，应用到分户智能温控装置中，通过MATLAB仿真结果表明：该行为自校正智能化控制器的性能优于常规FUZZY控制器和PID控制器。4.1行为自校正智能化控制器的系统分析4.1.1行为自校正智能化控制器的基本原理对于一个已经设计好的经典智能化控制器，由于其控制规则不够完善，则在某些情况下，当系统的内部参数发生较大变化时，其控制效果往往不佳。若在该智能化控制器的基础上，再增加一个性能测量环节，一个控制量校正环节，所得到的校正量与原智能化控制器输出的控制量叠加在一起，形成新的控制量，这样就能实现对原控制量的校正，这就相当于对原控制规则进行了修改，从而构成一种改进的行为自校正智能化控制器。该行为自校正智能化控制器的原理如图1所示：4.1.2行为自校正智能化控制器的系统设计工程上应用的智能化控制器，一般采用离线计算智能化控制表，然后采用在线查表的控制方案，下面阐述其设计步骤： （1）根据被控对象确定误差E、误差变化率EC、控制量U和校正控制量P的实际变化范围Xe，Xe，Xec，Xec，Yu，Yu和Yp，Yp，选取以上4者智能化子集的论域都为6，6。（2）确定误差E、误差变化EC、控制量U和校正控制量P的 语言值词集都为：NL，NM，NS，NZ，Z，PZ，PS，PM，PL，再选取三角形隶属度函数。（3）制定智能化控制规则，规则表分别为表1和表2所示： 仿真比较计算机仿真是在MATLAB环境下进行的。分户热计量拱热系统中的分户智能温控对象的典型传递函数为：。K值是与房间的静热损失率相关的，而纯延迟和时间常数T则取决于房间容积和室外气温的高低以及室内人数的多少等因素。结果分析 行为自校正智能化控制既克服了PID控制对系统参数适应能力差的弱点，又克服经典智能化控制稳态误差比较大的缺点。行为自校正智能化控制比PID控制有更强的鲁棒性，比经典 智能化控制有更小的稳态误差。而且其控制效果完全满足某分户热计量供热系统中的分户智能温度控制系统所提出的控制性能指标。第五章、锅炉供暖分析5. 1负荷控制子系统解决锅炉间断运行问题的关键，在于要使锅炉能够根据供暖负荷的变化自动调节运行，因此负荷控制子系统是整个控制系统的核心。负荷控制子系统包括锅炉出口水温给定模块和燃料控制器。1) 锅炉出口水温给定模块控制系统设计的一个基本要求是要保证供暖用户室内温度稳定在规定的范围以内。但因为室内温度变化非常缓慢，并且还要受许多不确定因素的影响，若仅简单地将其引入控制回路，将会引起系统的波动，甚至失稳。在控制系统设计中假设室内和室外的热量交换是一个准平衡过程，并据此建立一个室内外热量交换的模型，根据室外天气的情况和期望的室内温度推测出室内向室外的放热量，以确定供暖系统应输出的热量，从而计算出锅炉出口水温的给定值。这样就可以把室内温度“隔离”在控制回路之外，避免了因将室内温度引入控制回路而可能引起的系统不稳定等问题。2) 燃料控制器供暖链条锅炉具有惯性大、滞后时间长和受不确定因素影响等特点，传统控制方法难以进行有效的控制。比如，由于不确定因素的影响，使用Smith补偿的控制系统会产生较大的不稳定现象。智能化控制器由于具有快速跟踪特性，非常适合于对大惯性、大滞后的非线性被控对象进行控制。但普通的智能化控制器稳态精度较差，产生这一问题的主要原因是，当系统接近稳态时，偏差及其变化率在智能化集合上的投影为零，智能化控制器不再进行调节动作，也即进入了“死区”。系统在此区域里的动态特性完全依赖于受控对象的动态特性。所以，改进智能化控制器的调节品质可以从改进智能化控制器的“死区”特性入手。一种方法，可以细化智能化集合的区间，也就是增加智能化论域的值域。但是随着智能化论域的细化，控制器的设计难度增加，并且也未从根本上解决“死区”问题。另一种方法就是采用双控制模块的控制器。偏差大时采用智能化控制模块，智能化控制模块进入“死区”后，第二个控制模块投入使用，将系统调节到稳态。本系统选用PI调节器作为第二个控制模块，就构成了Fuzzy-PI双模控制器。Fuzzy-PI双模控制器由一个选通开关控制，系统远离稳态时采用智能化控制模块，系统接近稳态后，PI调节器被选通投入控制，将系统调节到稳态点。系统接近稳态时，系统的动态特性接近线性，适合PI调节器进行调节 ，并且PI调节器可以达到较高的调节精度，克服了普通智能化控制器稳态精度较低的缺点，并且在智能化控制模块进入“死区”后，由于有PI调节模块对系统进行调节，提高了系统在稳态点附近的动态品质。因此Fuzzy-PI双模控制器是一种比较实用的智能化控制器。由于电机机械强度的限制，所以给煤电机的运转频率不能超过50 Hz；同时，由于锅炉最低负荷的限制，给煤电机的运转频率不能低于25 Hz。所以控制器的输出信号在向执行机构输出前要限幅。5.2控制效果图4所示是某日上午的锅炉运行情况(其中Tw代表温度，t代表时间)。从图中可以看出，由于室外温度上升，控制系统两次下调给定的锅炉出口水温，燃料控制器比较迅速、平稳地将锅炉出口水温调节到给定温度，说明控制系统实现了自动根据热网负荷调节锅炉出力的设计要求。 图4控制系统调节效果图结论经过实际运行的检验，证明本控制系统比较好地解决了小型供暖锅炉负荷控制和燃烧组织的问题，是一套适合小型供暖锅炉使用的控制系统。使用本控制系统，在提高供暖质量的前提下，实现了节能降耗的目的，取得了良好的社会效益和经济效益。 智能化控制设计简单,易于应用,对系