Автоматизация процесса управления пиковым теплоисточником в комбинированной системе теплоснабжения в условиях воздействия внешних возмущающих факторов с использованием нечетких алгоритмов

Рассматривая процесс теплоснабжения городов России можно констатировать, что в городах оно осуществляется в основном от тепло-электро централи (ТЭЦ) посредством системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) и от территориально распределенных котельных. Основным недостатком теплоснабжения от ТЭЦ является транспортное запаздывание (ТРЗ), в связи с чем, в периоды резкого изменения температуры наружного воздуха (ТНВ), потребители испытывают острый температурный дискомфорт. ТРЗ снижает качество теплоснабжения потребителей и устойчивость системы управления (СУ), причем, ТРЗ может вызвать не просто ухудшение качества управления, но и полную потерю устойчивости СУ.

Одной из приоритетных задач государственной энергетической политики на период до 2020 года является разработка эффективных систем управления централизованным теплоснабжением, обеспечивающих на объектах промышленного и гражданского назначения заданное качество теплового режима и экономию топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), чем и определяется актуальность представляемой работы.

Стоимость тепловой энергии в СЦТ даже с учетом тепловых потерь в тепловых сетях в 1,5 раза меньше, чем у автономно работающих теплоисточников (котельных). Например, в городе Орле стоимость тепловой энергии в СЦТ (ТЭЦ) составляет 487 руб./Гкал, а в котельных — 912,5 руб./Гкал. Поэтому минимальное использование автономных котельных и максимальное использование объектами промышленного и гражданского назначения тепловой энергии от СЦТ с уменьшением влияния ТРЗ может обеспечить заметное снижение затрат на теплоснабжение.

Для уменьшения влияния ТРЗ на качество управления в технических системах (ТС) используются различные методы. Известен метод компенсации ТРЗ, когда в систему управления вводится упреждение с тем, чтобы управляющие воздействия системы с запаздыванием и без запаздывания совпадали [Р. Бесс, 1970].

При таком методе, применительно к теплоснабжению, важное значение имеет высокая точность прогнозирования температуры наружного воздуха, что трудно осуществимо, поэтому на практике ограничиваются применением приближенных (квазиоптимальных) алгоритмов управления.

Саратовским [А.И. Андрющенко, 1997], Ульяновским [В.И. Шарапов, 1999, 2002] государственными техническими университетами и Академическим центром теплоэнергоэффективных технологий [С.А.Чистович, 1987, 2008] предложены технологические решения повышения качества теплоснабжения за счет подогрева теплоносителя пиковыми теплоисточниками у конечных потребителей. Однако до настоящего времени они до конца не реализованы, т.к. не разработаны структура и принципы управления комбинированным теплоснабжением объектов промышленного и гражданского назначения. В работах ФГБОУ ВПО «Госуниверситет — УНПК» [А.И.Суздальцев, С. П. Петров, 2006;2010] предложена новая структура комбинированной системы теплоснабжения (КСТ), основой которой является независимое подключение локальных контуров с пиковыми теплоисточниками к главному контуру через теплообменные станции с дозированным уровнем отпуска тепловой энергии и непосредственное подключение пиковых теплоисточников к объектам промышленного и гражданского назначения. В качестве пиковых теплоисточников используются котельные. Здесь представлены методология анализа КСТ, графо-параметрический метод исследования динамики СУ КСТ и обобщенные модели и алгоритмы управления тепловым режимом в КСТ, однако управление конкретным пиковым источником (водогрейным котлом) в составе КСТ рассмотрено недостаточно.

Управление водогрейным котлом включает множество разнородных подсистем управления: разряжением и подачей воздуха, горячим водоснабжением, подпиткой воды, процессом горения газа в топке, температурой теплоносителя на выходе котла, аварийной защитой и базируются на различных алгоритмах. В данной работе рассматривается проблема управление только тепловым режимом котла в составе КСТ с использованием одного из прогрессивных направлений — теории нечетких множеств.

Цель работы — обеспечение заданного теплового режима на выходе ПТ при резких изменениях ТНВ при одновременном сокращении объема сжигаемого газа в отопительный период.

Задачи исследования:

1. Провести анализ систем и подсистем управления тепловым режимом в СЦТ.

2. Разработать подсистему подачи теплоносителя и газа в ПТ КСТ с алгоритмами управления тепловым режимом ПТ в составе КСТ.

3. Разработать общие алгоритмы управления ПТ в периоды резких положительных и отрицательных изменений ТНВ.

4. Разработать математическую модель управления режимом подогрева теплоносителя в пиковом теплоисточнике в составе КСТ.

5. Разработать компьютерную модель СУ температурой теплоносителя на выходе ПТ с использованием системы МаИ, аЬ, адаптированной к нечеткой модели принятия решений в пиковые моменты изменения ТНВ.

6. Разработать методику исследования изменения температуры теплоносителя на выходе ПТ при резких изменениях ТНВ на компьютерной нечеткой модели.

7. Провести экспериментальные исследования на имитационной компьютерной модели формирования управляющих воздействий для исполнительных механизмов ПТ при изменении ТНВ в пиковые моменты времени.

Методы исследования.

Разработанные в диссертации научные положения базируются на системном подходе к исследованию тепловых режимов КСТ.

Для решения поставленных задач в диссертации применялись разнообразные математические методы с использованием имитационного моделирования, а также методы теории вероятностей и математической статистики, теории искусственного интеллекта, теории нечетких множеств и НЛ, математического анализа линейных и нелинейных динамических систем, методов классической и современной теории автоматического управления (ТАУ).

Научная новизна диссертационной работы:

1. Предложена подсистема подачи теплоносителя и газа в ПТ КСТ с алгоритмами управления тепловым режимом ПТ для двух типов исполнительных механизмов.

2. Разработана математическая модель управления подачей газа в ПТ в режиме «подогрева» при резких воздействиях внешних возмущающих факторов, основанная на представлении температурных параметров процесса в виде лингвистических переменных с нечеткими подмножествами Ь-Ятипа, функциями принадлежности (ФП) в виде унимодальных и толерантных нечетких чисел и специальными правилами принятия решений.

3. Разработан моделирующий алгоритм управления тепловым режимом ПТ, базирующийся на нечеткой математической модели управления подачей газа в ПТ и принципах имитационного моделирования на ЭВМ.

4. Разработана методика экспериментальных исследований на имитационной модели процесса управления тепловым режимом ПТ, основанная на моделирующем алгоритме и включающая подпрограмму проверки достоверности правил нечеткого вывода в нечеткой модели и подсистему автоматического отображения результатов моделирования на ЭВМ.

Практическая значимость работы.

1. Разработана структура подсистемы подачи теплоносителя и газа в ПТ КСТ с алгоритмами управления тепловым режимом ПТ для двух типов исполнительных механизмов, защищенная патентами Российской Федерации на полезную модель № 72 748 и № 78 907.

2. Разработана имитационная модель управления ПТ, базирующийся на нечеткой математической модели управления подачей газа в ПТ и принципах имитационного моделирования на ЭВМ.

3. Предложена методика экспериментальных исследований на имитационной модели процесса управления тепловым режимом ПТ, основанная на моделирующем алгоритме и включающая подпрограмму проверки достоверности правил нечеткого вывода в нечеткой модели и подсистему автоматического отображения результатов моделирования на ЭВМ.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертации приняты к внедрению в учебный процесс при проведении занятий по дисциплине «Проектирование сложных систем» в магистерской учебной программе по направлению 211 000.68 «Конструирование и технология электронных средств» на кафедре ЭВТ ИБ УНИИ ИТ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на: 3-й международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (2008 г. Орел), 6-й международной научно-практической интернет конференции «Энергои ресурсосбережение XXI век», научно-технических конференциях кафедры ЭВТ ИБ в 2010, 2011 и 2012 г. г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Основные результаты работы опубликованы в 7-ми научных изданиях, 4 из которых в рецензируемых научно-технических журналах, рекомендованных ВАК РФ, описаниях к 2-м патентам РФ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 101 наименования. Основной материал изложен на 166 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 13 таблиц и 9 приложений.

3.6 Выводы.

1. Используя принципы имитационного моделирования на ЭВМ и нечеткую математическую модель разработан моделирующий алгоритм нечеткой модели управления тепловым режимом пикового теплоисточника.

2. На основе теоретических данных главы 2, используя программный пакет Fuzzy Logic Toolbox среды MatLab, разработаны две нечеткие программные модели управления тепловым режимом пикового теплоисточника, получивших названия: modell. fis и model2.fis.

3. Для экспериментального исследования процессов управления тепловым режимом пикового теплоисточника на указанных программных нечетких моделях разработан программно-технический комплекс, включающий персональный компьютер на платформе — Windows ХР, с процессором — Intel Pentium 1 GHz и выше, оперативной памятью — 512мб и выше, жестким диском с 2Гб свободного места.

4. Разработана методика экспериментальных исследований на имитационной модели процесса управления тепловым режимом пикового теплоисточника, основанная на моделирующем алгоритме и включающая подпрограмму проверки достоверности правил нечеткого вывода в нечеткой модели и подсистему автоматического отображения результатов моделирования на ЭВМ.

5. Разработанные программные модели и методика экспериментальных исследований позволяют провести моделирование процессов управления тепловым режимом пикового теплоисточника с реальными входными данными и получить возможность оценки использования программных моделей в структуре управления пиковым теплоисточником в составе КСТ.

Глава 4. Экспериментальные исследования 4.1 Расчет количества экспериментов.

Количество экспериментов на программной нечеткой модели рассчитывают в соответствии с п. 3.4.1.

Точность измерения экспериментальных замеров температуры наружного воздуха (исходные данные натурных экспериментальных замеров температуры наружного воздуха взяты из [54] и приведены в Приложении 4) составляет 5х = 0,1°С .

Среднее арифметическое измерений значений температуры наружного воздуха расчитывают в соответствии с выражением:

2>. х.

Тн п.

4.1).

Подставив в выражение 4.1 значения из Приложения 4 рассчитывают среднее арифметическое измерений значений температуры наружного воздуха:

— 322,1.

ХТн.

20 -16,1(С),.

Расчет среднеквадратического отклонения результатов натурных измерений температуры наружного воздуха в соответствии с выражением 3.1 приведен в таблице 4.1.