集中供热锅炉自动控制新版系统.doc

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:随着科学技术高速发展，计算机与自动化控制在各个工业生产领域中被运用有了普遍提高。作为公司每一位管理者及每一位员工都应当纯熟掌握某些当代科技技术及生产设备自动控制技术，为公司发展、壮大打下坚实基本。核心词：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顾客供热，它具备安全可靠、使用经济和环保节能等优势。 智能化控制在一定限度上模仿了人控制，它不需要有精确控制对象模型，因而它是一种智能控制办法。智能化控制设计简朴,易于应用,对系统参数变化有很强自适应性,无需人工经常进行调节。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,及时调节控制方略以适应使用者新规定。此外,它尚有极好防止性诊断办法,可以最大限度地保证系统稳定可靠地工作。 对于冬季天气是变幻莫测，气温随时都会发生变化。应用老式司炉办法就显得难以实现控制，这种状况正好应用计算机智能化控制。当外界温度发生变化时，供热锅炉可以依照智能化控制规则进行相宜调节出水温度，实现实时温度调节，目是使到达拥护暖气温度保持恒温，保证居民取暖效果。一、系统概述 集中供热是由热源通过热网向顾客供热，它具备安全可靠、使用经济和环保节能等优势。如果采用是多热源联网集中供热，可实现全市供热集中管理和集中调度，热源互补性强，调节余地大，虽然局部浮现问题，也可在短时间内通过供热联网运营，调配热源，保证全局稳定可靠用热。 智能化控制在一定限度上模仿了人控制，它有精确控制对象模型，因而它是一种智能控制办法。集中供热计算机智能化控制系统要实现是，采用锅炉集中供暖方式运用智能化控制语言进行设计，建立智能化控制响应表。依照智能化控制规则随外界天气温度做出自检测、自适应控制。当外界温度减少时，锅炉可以依照智能化控制规则提高出水温度，与之相应外界温度升高时，锅炉可以依照智能化控制规则减少出水温度，进而实现居民顾客取暖温度保持恒定。二、系统模型建立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，被测温度范畴为0655，冷端补偿采用补偿电桥法，采用不平衡电桥产生电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势变化值。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构成，串联在热电偶回路中。Rcu与热电偶冷端同处在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，电桥普通取在20时平衡，这时电桥四个桥臂电阻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，而热电偶热电势却随着冷端温度升高而减小。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自动完毕。(2) 测量放大电路 实际电路中，从热电偶输出信号最多但是几十毫伏(30mV)，且其中包括工频、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备很高共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因而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，它输入阻抗高，易于与各种信号源匹配，而它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，因而测量放大器稳定性好。由三运放构成测量放大器，差动输入端R1和R2分别接到A1和A2同相端。输入阻抗很高，采用对称电路构造，并且被测信号直接加到输入端，从而保证了较强抑制共模信号能力。A3事实上是一差动跟随器，其增益近似为1。测量放大器放大倍数为：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(重要指输入阻抗和电压增益)，其漂移将大大减小，具备高输入阻抗和共模抑制比，对微小差模电压很敏感，适当于测量远距离传播过来信号，因而十分易于与微小输出传感器配合使用。RW是用来调节放大倍数外接电阻，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核心，在智能化理论中需要把一种事物“不拟定”限度用数学定量化地表达了出来，阐明“不拟定”度大小。例如要表达大气温度，当拟定了时间、地点后，大气温度就是唯一拟定数值，是拟定概念，但是要表白该地某一时刻气温是“热”、“不热”、或“适中”这些信息则是不拟定。由于人们对大气温度感受不同，并且感受随时间、场合变化也不尽相似，究竟多少摄氏度才算“热”、或“不热”并没有一种公认定量原则或界限，因气温变化是逐渐且持续，不存在突变。故大气温度“热”、“不热”、“适中”此类词语就包括了有拟定概念，致使其分界线智能化不清，此类信息称之为智能化信息。 在智能化理论中智能化信息不拟定限度用“元函数”来表达。元函数在数学上被看作是一种集合，即表达“不拟定”限度集合，称之为“智能化集”。智能化集边界是不拟定，该有拟定性与概率论或记录学中有拟定性有本质不同。因概率代表某一事件发生前不拟定率，但事件发生后就变成了一种拟定值，然而元函数虽然在事件发生后也是不拟定。 智能化控制是一种以智能化理论为基本反馈控制。事实上是在调节器某些应用智能化理论来进行计算。智能化控制合用于多变量和非线性控制，它不需规定取对象特性，能获得比老式控制更优秀效果，这是智能化控制最大特点。但智能化控制需要进行相称运算，这种运算对于常规模仿仪表是望而生畏。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条件。智能化控制是一种近似推理控制，具备人类思维若干特点。可以依照一系列智能化知识和数据，也即在一定前提条件下统筹考虑控制过程各种控制行为，推导出符合实际、符合逻辑关系结论。IF A and B，THEN C是智能化控制常使用推断语言。由于在智能化控制中前提条件是由测量传感器得到，故是某些拟定值，推论成果作为控制系统操作变量送至执行单元，因而推论成果也应当是拟定数值。由于唯一能体现智能化地方在前提条件自身，因此智能化控制是在某些不拟定前提条件下，应用智能化理论进行智能化推断而得到一种拟定成果。因而推论自身往往既包括拟定成分，也包括智能化成分。如在某个特殊条件下输出应增大还是减小，普通是拟定，但应增大或减小多少，执行速度如何，都是依照操作者经验总结出来，带有很大人为性，在一定限度上是智能化。智能化控制合用于理论和经验性推理，通惯用于与人类判断和感觉关于控制问题，以及难以建立数学模型控制系统，并应用于采用常规PID控制效果不抱负场合。第三章、智能化控制设计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，则减少低压热水锅炉出水温度，高得越多，降得越低，若环境温度比高诸多，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，实际测量得到环境温度为，选取控制器输入变量为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为锅炉烧煤量设适当温度为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论域为X，X=-3，-2，-1，0，1，2，3，u论域为Y，Y=0，1，2，3，4，5，6，7，8；2、设e语言变量值智能化子集E=NB，NS，Z，PS，PB， u语言变量值智能化子集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从属度函数1、智能化量e赋值表如下:量化级别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赋值表可得: 2、智能化量u赋值表如下: 量化级别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清晰化解决清晰值清晰值 清晰值清晰值清晰值3.8智能化控制器输出响应表输入量化级别310-1-3输出量化级别00257.7第四章、分户热计量供热系统 近年来日益流行智能化控制长处是抗干扰能 力强，响应速度快，并对系统参数变化有较强鲁棒性。但典型智能化控制不可避免地存在稳态误差和颤振现象，因而，典型智能化控制器是粗糙控制器，不合用于对稳态性能规定较高系统。而某分户热计量供热系统中分户智能温控装置控制性能至少应满足如下几点规定：（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营，基本没有超调，以尽量减少温控阀动作次数，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）响应速度尽量快，以最大限度地满足人们对热舒服度规定。依照以上规定，综合分析比较了前述几种惯用控制方案特点，设计出了一种行为自校正智能化控制器，应用到分户智能温控装置中，通过MATLAB仿真成果表白：该行为自校正智能化控制器性能优于常规FUZZY控制器和PID控制器。4.1行为自校正智能化控制器系统分析4.1.1行为自校正智能化控制器基本原理对于一种已经设计好典型智能化控制器，由于其控制规则不够完善，则在某些状况下，当系统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基本上，再增长一种性能测量环节，一种控制量校正环节，所得到校正量与原智能化控制器输出控制量叠加在一起，形成新控制量，这样就能实现对原控制量校正，这就相称于对原控制规则进行了修改，从而构成一种改进行为自校正智能化控制器。该行为自校正智能化控制器原理如图1所示：4.1.2行为自校正智能化控制器系统设计工程上应用智能化控制器，普通采用离线计算智能化控制表，然后采用在线查表控制方案，下面阐述其设计环节： （1）依照被控对象拟定误差E、误差变化率EC、控制量U和校正控制量P实际变化范畴Xe，Xe，Xec，Xec，Yu，Yu和Yp，Yp，选用以上4者智能化子集论域都为6，6。（2）拟定误差E、误差变化EC、控制量U和校正控制量P 语言值词集都为：NL，NM，NS，NZ，Z，PZ，PS，PM，PL，再选用三角形从属度函数。（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。分户热计量拱热系统中分户智能温控对象典型传递函数为：。K值是与房间静热损失率有关，而纯延迟和时间常数T则取决于房间容积和室外气温高低以及室内人数多少等因素。成果分析 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弱点，又克服典型智能化控制稳态误差比较大缺陷。行为自校正智能化控制比PID控制有更强鲁棒性，比典型 智能化控制有更小稳态误差。并且其控制效果完全满足某分户热计量供热系统中分户智能温度控制系统所提出控制性能指标。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营问题核心，在于要使锅炉可以依照供暖负荷变化自动调节运营，因而负荷控制子系统是整个控制系统核心。负荷控制子系统涉及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一种基本规定是要保证供暖顾客室内温度稳定在规定范畴以内。但由于室内温度变化非常缓慢，并且还要受许多不拟定因素影响，若仅简朴地将其引入控制回路，将会引起系统波动，甚至失稳。在控制系统设计中假设室内和室外热量互换是一种准平衡过程，并据此建立一种室内外热量互换模型，依照室外天气状况和盼望室内温度推测出室内向室外放热量，以拟定供暖系统应输出热量，从而计算出锅炉出口水温给定值。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也许引起系统不稳定等问题。2) 燃料控制器供暖链条锅炉具备惯性大、滞后时间长和受不拟定因素影响等特点，老式控制办法难以进行有效控制。例如，由于不拟定因素影响，使用Smith补偿控制系统会产生较大不稳定现象。智能化控制器由于具备迅速跟踪特性，非常适合于对大惯性、大滞后非线性被控对象进行控制。但普通智能化控制器稳态精度较差，产生这一问题重要因素是，当系统接近稳态时，偏差及其变化率在智能化集合上投影为零，智能化控制器不再进行调节动作，也即进入了“死区”。系统在此区域里动态特性完全依赖于受控对象动态特性。因此，改进智能化控制器调节品质可以从改进智能化控制器“死区”特性入手。一种办法，可以细化智能化集合区间，也就是增长智能化论域值域。但是随着智能化论域细化，控制器设计难度增长，并且也未从主线上解决“死区”问题。另一种办法就是采用双控制模块控制器。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双模控制器由一种选通开关控制，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调节精度，克服了普通智能化控制器稳态精度较低缺陷，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动态品质。因而Fuzzy-PI双模控制器是一种比较实用智能化控制器。由于电机机械强度限制，因此给煤电机运转频率不能超过50 Hz；同步，由于锅炉最低负荷限制，给煤电机运转频率不能低于25 Hz。因此控制器输出信号在向执行机构输出前要限幅。5.2控制效果图4所示是某日上午锅炉运营状况(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，阐明控制系统实现了自动依照热网负荷调节锅炉出力设计规定。 图4控制系统调节效果图结论通过实际运营检查，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问题，是一套适合小型供暖锅炉使用控制系统。使用本控制系统，在提高供暖质量前提下，实现了节能降耗目，获得了良好社会效益和经济效益。 智能化控制设计简朴,易于应用,对系统参数变化有很强自适应性,无需人工经常进行调节。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,及时调节控制方略以适应使用者新规定。此外,它尚有极好防止性诊断办法,可以最大限度地保证系统稳定可靠地工作。 由于智能化控制不需要对象数学模型，能合用于非线性、时变复杂对象以及多变量系统，并且它在控制过程中能采用各种评价指标，控制原则变化也比较容易，因而依照纯熟操作者技能总结出来智能化控制能在许多领域发挥其特长。此外在推断原则制定中也可以应用人工智能、专家系统，并把专家系统智能与纯熟工人技能相结合。在自动化飞速发展今天，智能化控制必然能得到更多应用，受到更多控制工作者注重。 集中供热计算机智能化控制系统要实现是，采用锅炉集中供暖方式运用智能化控制语言进行设计，建立智能化控制响应表。依照智能化控制规则随外界天气温度做出自检测、自适应控制。当外界温度减少时，锅炉可以依照智能化控制规则提高出水温度，与之相应外界温度升高时，锅炉可以依照智能化控制规则减少出水温度，进而实现居民顾客取暖温度保持恒定。参考文献1李友善，李军. 智能化控制理论及其在过程控制中应用. 北京：国防工业出版社，19922章臣樾. 锅炉动态特性及其数学模型. 北京：水利电力出版社，19863蔡金狮. 动力学系统辨识与建模. 北京：国防工业出版社，19914李士勇. 智能化控制和智能控制理论与应用. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，19905王永初，任秀珍. 工业过程控制系统设计范例. 北京：科学出版社，19866徐旭常. 燃烧理论与燃烧设备. 北京：机械工业出版社，1988 7张持健高精度智能化PID控制器及其在温度控制中应用J上海：自动化仪表，23（7） 8张恩勤智能化控制与PID控制办法比较J上海：上海交通大学学报，1999，33