宋秦中， 宋新玲， 劉 科， 陸 軍， 孫菲菲

(1．蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系，江蘇蘇州215104;2．大連理工大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧大連116023)

0 引言

隨著城市的發(fā)展和擴(kuò)大，集中供熱系統(tǒng)的規(guī)模和形式也越趨復(fù)雜，對系統(tǒng)的運(yùn)行管理的要求也越來越高。在國外，尤其是丹麥、瑞典、德國等國家的集中供熱事業(yè)發(fā)展較早，對集中供熱系統(tǒng)的規(guī)劃及運(yùn)行優(yōu)化做了大量工作，運(yùn)用基于流量調(diào)節(jié)的全網(wǎng)控制方案，控制效果較好。由于其需要的投資大，對建筑方面要求高，并不適合我國國情。針對這種情況，國內(nèi)實(shí)際操作時(shí)將整個(gè)供熱系統(tǒng)的控制分為熱源及熱網(wǎng)兩個(gè)相對獨(dú)立的系統(tǒng)。熱網(wǎng)控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)均勻供熱，即消除用戶之間的水平熱力失調(diào)，保證各熱力站之間供熱效果的均勻一致;熱源控制的目標(biāo)是按需供熱，即通過負(fù)荷預(yù)測，調(diào)整熱源總供熱量得以實(shí)現(xiàn)。但集中供熱系統(tǒng)具有多設(shè)備、多變量、大滯后、非線性的特點(diǎn)，對于這樣的系統(tǒng)，既要保證人體的舒適性又要達(dá)到節(jié)能目標(biāo)，單靠采用多個(gè)常規(guī)控制器的組合，是無法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能控制的。只有多輸人、多輸出的多環(huán)隨動計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，才具有:及時(shí)檢測參數(shù)，了解系統(tǒng)工況;均勻調(diào)節(jié)流量，消除冷熱不均;合理匹配工況，保證按需供熱;及時(shí)診斷故障，確保安全運(yùn)行;健全運(yùn)行檔案，實(shí)現(xiàn)量化管理的功能，它的供熱效果節(jié)能目的才能最終實(shí)現(xiàn)［1-2］。熱網(wǎng)控制方面，由于其數(shù)學(xué)模型不容易建立，且待調(diào)整的各熱力站一次網(wǎng)流量值很難通過公式求得其最優(yōu)解，常規(guī)的PID控制又很難解決各熱力站間的水力耦合現(xiàn)象，所以宜采用不基于模型的智能控制方案和整體控制方案［3-4］。

基于上述分析，本文以實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)為研究對象，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解耦性以及不依賴于對象模型的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制器，同時(shí)從硬件設(shè)計(jì)，和監(jiān)控平臺軟件開發(fā)兩個(gè)方面入手搭建了實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)控制系統(tǒng)，對提高供熱系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平和能源利用率進(jìn)行了有益的探索。

1 實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1．1 硬件組成

搭建的實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)由3個(gè)熱用戶(3臺可手動變換風(fēng)力和風(fēng)向的熱水空調(diào)來替代)組成，采用間接連接的供熱方式:電加熱爐的高溫?zé)崴?jīng)循環(huán)水泵送至熱網(wǎng)，熱水在1次管網(wǎng)內(nèi)分別流過1個(gè)管式換熱器和2個(gè)板式換熱器后，二次網(wǎng)的冷水經(jīng)換熱器換熱升溫，然后送至各個(gè)熱用戶，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)系統(tǒng)共需要采集35個(gè)來自現(xiàn)場的模擬輸入信號，輸出4個(gè)電動調(diào)節(jié)閥控制信號，一共39個(gè)點(diǎn)，詳細(xì)情況如表1所示。采集到的信號通過物理線路接入至控制柜中的控制器上，控制器與中央控制機(jī)之間采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的Modbus總線進(jìn)行通訊并傳輸數(shù)據(jù)，然后由計(jì)算機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

表1 實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)模擬輸入信號

實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)的控制器選用的是由大連理工計(jì)算機(jī)控制工程有限公司自主研發(fā)的DUT7000可編程控制模塊和DUT6000控溫模塊，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)需要用到兩個(gè)DUT7000模塊和四個(gè)DUT6000模塊，其組態(tài)是由PLC_config組態(tài)軟件完成的。組態(tài)界面如圖2所示，PLC_Config將DUT模塊按照主從關(guān)系進(jìn)行配置，設(shè)定主通訊模塊的IP和端口號后，和監(jiān)控的主機(jī)進(jìn)行通訊。

圖2 PLC_Config的組態(tài)界面

1．2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制器設(shè)計(jì)

熱網(wǎng)控制的目標(biāo)是消除用戶之間的熱力水平失調(diào)，實(shí)現(xiàn)均勻供熱。一方面，熱網(wǎng)屬于多變量系統(tǒng)控制范疇，應(yīng)用中應(yīng)該把它們分別看成獨(dú)立的變量，所以針對由3個(gè)熱用戶組成實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)，具體的控制策略是:把二次網(wǎng)供回水平均溫度分別看成3個(gè)獨(dú)立的變量，用3個(gè)控制器來對其二次網(wǎng)供回水平均溫度進(jìn)行獨(dú)立的控制;另一方面，由于供熱管網(wǎng)的復(fù)雜性，確定各回路的耦合性質(zhì)之后，大多數(shù)回路還不能用簡單的控制方法完成控制，所以還需要對系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制;綜合這兩個(gè)方面的要求，本文將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對熱網(wǎng)的解耦控制，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的對多輸入多輸出非線性系統(tǒng)的映射能力來實(shí)現(xiàn)對熱網(wǎng)的非線性控制［5-14］，搭建了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID多變量控制系統(tǒng)，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制器。該控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其特點(diǎn)是:輸入層分別為3個(gè)熱用戶的實(shí)際二次網(wǎng)供回水平均溫度與設(shè)定溫度的偏差、偏差的和、偏差的變化;隱含層共采用24個(gè)神經(jīng)元;輸出層為PID控制器的3個(gè)可調(diào)參數(shù)Kp、Ki、Kd;輸入層和隱含層之間互相獨(dú)立，而隱含層和輸出層之間不獨(dú)立，互相有連接權(quán)。

此控制器由兩部分組成:

(1)經(jīng)典PID控制器。Kp，Ki，Kd3個(gè)參數(shù)為在線整定，直接對被控對象進(jìn)行閉環(huán)控制。

(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN。PID控制器的3個(gè)可調(diào)參數(shù)Kp、Ki、Kd對應(yīng)于輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)，調(diào)整權(quán)系數(shù)，使輸出層神經(jīng)元的穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)于某種最優(yōu)控制下的PID控制器參數(shù)。

具體控制方案為:

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制器結(jié)構(gòu)

(1)首先根據(jù)室外溫度確定二次網(wǎng)的供回水溫度，同時(shí)計(jì)算其平均溫度。

(2)一次網(wǎng)供水溫度達(dá)到目標(biāo)值后，計(jì)算二次網(wǎng)供回水平均溫度與目標(biāo)值的下面3個(gè)參數(shù):偏差、偏差的和、偏差的變化(正、負(fù))。

(3)隨后，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制器得到各熱力站水－水換熱器一次網(wǎng)熱水最佳流量。

(4)最后，將上述流量值作為流量控制的期望值，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥合理分配一次網(wǎng)熱水流量，實(shí)現(xiàn)某一室外溫度下二次網(wǎng)的供回水溫度最終達(dá)到期望值。

1．3 監(jiān)控平臺的軟件開發(fā)

實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)監(jiān)控平臺軟件的設(shè)計(jì)主要是為了數(shù)據(jù)的采集、顯示、保存與分析，通過監(jiān)控平臺既要使供熱過程可視化，又要使管理員在監(jiān)控畫面上能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并予以解決［15-17］，監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖

(1)通訊部分。DUT7000與中央控制計(jì)算機(jī)之間通過以太網(wǎng)卡接口實(shí)現(xiàn)，基于Modbus通訊，根據(jù)讀、寫數(shù)據(jù)的協(xié)議對連接成功與否進(jìn)行確認(rèn)。

(2)監(jiān)控界面。開發(fā)的監(jiān)控界面如圖5所示，操作人員能夠查看系統(tǒng)的運(yùn)行模擬圖和現(xiàn)場采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，窗體刷新周期為3 s。各測量點(diǎn)的工程值依實(shí)際情況在相應(yīng)位置進(jìn)行顯示，并用顏色給予了區(qū)分，其中:FV為電動調(diào)節(jié)閥;FT為渦街流量計(jì);PT為壓力變送器;TT為溫度變送器。

圖5 監(jiān)控界面圖

(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦算法控制。考慮到工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了手動控制和自動控制。手動控制的目的是為了實(shí)現(xiàn)對二次網(wǎng)側(cè)的用戶室內(nèi)溫度的初調(diào)節(jié)，避免在系統(tǒng)運(yùn)行的初期電動調(diào)節(jié)閥的開度全為零。等系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定，點(diǎn)擊自動控制按鈕進(jìn)入自動控制，將系統(tǒng)采集到的二次網(wǎng)各用戶的供回水平均溫度與設(shè)定值的偏差、偏差的和、偏差的變化作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的輸入，輸出的PID參數(shù)調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)二次網(wǎng)各用戶均勻供熱的目的。

(4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。采用可靠性較高的SQL SERVER 2000設(shè)計(jì)熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，主要用到了數(shù)據(jù)庫的檢索、修改和保存等功能，并要求動態(tài)的顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制操作結(jié)束后，可以從數(shù)據(jù)庫中取出數(shù)據(jù)生成曲線。

2 實(shí)際控制效果分析

2．1 實(shí)際控制參數(shù)的確定

對于大慣性、大滯后的系統(tǒng)的熱網(wǎng)而言，二次側(cè)回水溫度是通過一次側(cè)流量的改變實(shí)現(xiàn)的，這就需要經(jīng)過一段時(shí)間，如果控制周期過短，調(diào)節(jié)閥動作將過于頻繁，這樣會嚴(yán)重影響供熱系統(tǒng)的設(shè)備壽命，更為不利地是會使供熱系統(tǒng)的水力狀況處于擾動狀態(tài)。所以，為了因應(yīng)延遲造成的影響，避兔產(chǎn)生振蕩，宜對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行間歇性調(diào)節(jié)，即采用采樣調(diào)節(jié)方法對熱網(wǎng)進(jìn)行控制［10-12］。根據(jù)本系統(tǒng)的規(guī)模和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，選擇控制周期為30 s，即在點(diǎn)擊控制界面的自動控制(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制)按鈕后，每隔30 s就對熱網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行1次控制。

設(shè)定系統(tǒng)經(jīng)加熱爐加熱后的熱水溫度(一次網(wǎng)的供水溫度)為45℃左右，二次網(wǎng)經(jīng)換熱后的溫度(二次網(wǎng)的供水溫度)t2gr為37．5℃左右，同時(shí)假定該裝置的一次網(wǎng)相對流量和二次網(wǎng)相對流量和都為 1，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室外溫度 tw為 －5℃時(shí)，由經(jīng)驗(yàn)公式［7］t2hr=37．5+0．6tw可知室內(nèi)溫度 t2hr為34．5℃，依據(jù)二次網(wǎng)供回水溫度的期望值求取公式可以確定二次網(wǎng)供回水平均溫度值期望值t2pr為36℃，亦是本次調(diào)節(jié)的最終溫度。

2．2 實(shí)際溫度控制效果分析

本實(shí)驗(yàn)共分20次采集了20000多組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中為了既不增加太多的計(jì)算量，又使步長得到合理的調(diào)整，設(shè)置預(yù)定誤差 pre_error=0．01，初始步長 r=0．1，若一次迭代后誤差減小，則將步長乘一個(gè)大于1的常數(shù)φ，反之則將步長乘以小于1的常數(shù)β，并沿原方向重新計(jì)算下一個(gè)迭代點(diǎn)。

為了對設(shè)計(jì)控制器的有效性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了未加入控制算法(傳統(tǒng)PID控制)和加入控制算法(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制)兩類實(shí)驗(yàn);同時(shí)為了驗(yàn)證控制器的可靠性，在第二類實(shí)驗(yàn)中又設(shè)計(jì)了加入控制算法(初始溫差較大)和加入控制算法(初始溫差較小)兩組實(shí)驗(yàn);即實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分3種情況進(jìn)行，將實(shí)際所控制的效果得到如表2所示的控制效果比較表。

表2 控制效果比較表

對于第一類未加入控制算法的分組實(shí)驗(yàn)如圖6所示。由圖可見，二次網(wǎng)各用戶的供回水平均溫度盡管在上升，但是與二次網(wǎng)供回水平均溫度值期望值36℃相比，仍然存在較大的溫差，難以實(shí)現(xiàn)均勻供熱，因此需要加入適當(dāng)?shù)目刂扑惴▉韺峋W(wǎng)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。

圖6 未加入控制算法的溫度曲線圖

對于加入控制算法的第二類實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)開始運(yùn)行為手動控制，3個(gè)用戶的溫差較大，進(jìn)行一段短時(shí)間的初調(diào)節(jié)后參數(shù)趨于穩(wěn)定;

(2)進(jìn)入自動控制，系統(tǒng)進(jìn)入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的參數(shù)自調(diào)整(通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)的調(diào)整來調(diào)整3個(gè)回路的PID參數(shù))，控制界面如圖7所示。

圖7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法控制界面

(3)經(jīng)過多次迭代運(yùn)算，二次網(wǎng)各用戶的溫度接近，逐漸趨于穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期均勻供熱的目標(biāo)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示如圖8所示，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)生成的曲線如圖9和圖10所示。

第一類和第二類實(shí)驗(yàn)的對比分析表明設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制器能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)流量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)均勻供熱的目標(biāo)，證明了設(shè)計(jì)的控制器是正確的、有效的;而通過圖9和圖10的對比實(shí)驗(yàn)表明，初始溫度相差越小，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法所需的調(diào)節(jié)時(shí)間越短，效果越明顯，達(dá)到的控制效果也越理想，同時(shí)也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的控制器是可靠的。

圖8 數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)顯示界面

圖9 加入控制算法(初始溫差較大)的溫度曲線

圖10 加入控制算法(初始溫差較小)的溫度曲線

3 結(jié)語

(1)搭建的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)一次網(wǎng)的流量分配和二次網(wǎng)各用戶供回水溫度的監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定供熱和均勻供熱的整體目標(biāo)。

(2)通過分類、分組實(shí)驗(yàn)，既驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制器的可靠性，又證明了該控制器對于處理實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)這種多輸入、多輸出、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)有著明顯的控制效果。

(3)本文是以實(shí)驗(yàn)室集中供熱系統(tǒng)為研究對象，針對當(dāng)前采集的溫度系數(shù)來進(jìn)行在線的計(jì)算與調(diào)節(jié)，所以具有一定的滯后性，對實(shí)際的大型熱網(wǎng)系統(tǒng)而言需要更多的輸入輸出節(jié)點(diǎn)，其計(jì)算的復(fù)雜程度以及計(jì)算時(shí)間將加大;另外，未能將現(xiàn)場條件下的一些干擾以及復(fù)雜的外部環(huán)境包括進(jìn)去;這些方面都有待于進(jìn)一步的探討，但研究成果對實(shí)際的集中供熱系統(tǒng)同樣具有指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值．

總之，結(jié)合熱實(shí)驗(yàn)室熱網(wǎng)控制這一工程實(shí)例，在實(shí)際教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)中能使學(xué)生加強(qiáng)對復(fù)雜控制系統(tǒng)和智能控制特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制算法的理解和把握，提高學(xué)生分析和解決復(fù)雜控制系統(tǒng)控制問題的能力和水平，推動了自動控制理論和智能控制等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

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