Моделі та методи енергозберігаючого керування розподіленими тепловими об'єктами з використанням систем з прогнозуючим фільтром

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.13.03 «Системи та процеси керування» (151 – Автоматизація та комп’ютерно інтегровані технології) – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2018 р. Дисертацію присвячено аналізу систем керування розподіленими тепловими об’єктами, визначенню їх недоліків для розробки нових енергоефективних методів керування теплопостачанням адміністративних та офісних будівель з використанням систем з прогнозуванням. Розглянуто проблеми розробки енергозберігаючого керування тепловими об’єктами. Проаналізовано розподілені теплові об’єкти. Проведено класифікацію теплових об’єктів керування залежно від кількості використовуваних видів енергоносіїв, структури, режиму роботи опалювального обладнання. Досліджено існуючі методи синтезу систем керування розподіленими тепловими об’єктами та систем керування тепловою енергією. Розглянуто основні чинники, які впливають на температуру в приміщенні. Проаналізовано регулятори з прогнозуванням. Досліджено існуючі тенденції розвитку методів енергозберігаючого керування, які застосовуються у системах теплопостачання. Встановлено, що існуючі регулятори температури з прогнозуванням підтримують температуру в приміщенні в діапазоні від +19 °C до +22 °C з точністю ± 1 °C. Також встановлено, що регулятори, основані на погодозалежному, ПІД- та двопозиційному законах керування, скорочують витрати на енергоспоживання на 15%, а використання регуляторів з прогнозуванням зменшує енергоспоживання на 25–35%. Обґрунтовано перспективність розробки енергозберігаючих методів керування розподіленими тепловими об’єктами з прогнозуванням. Проведено аналіз поведінки розподілених теплових об’єктів керування, їх властивостей. Сформульовано вимоги до синтезу енергозберігаючих законів керування тепловими об’єктами. Визначено область досяжності, початкові і граничні умови при початковій стадії дослідження і моделювання об’єкта для знаходження ефективного рішення. Теоретично обґрунтовані передумови і обмеження для розробки методів енергозберігаючого керування. Проведено класифікацію регуляторів для керування розподіленими тепловими об’єктами в залежності від величини відношення часу транспортного запізнення до часу перехідних процесів. Розроблено алгоритм розв’язання задачі розрахунку розподілення тепла всередині офісного приміщення за допомогою моделі в середовищі ANSYS. Розроблено методику поділу структури приміщення на n об’єктів з зосередженими параметрами з однаковими властивостями простору. Розглянуті основні проблеми керування розподіленими тепловими об’єктами. Набув подальшого розвитку метод керування тепловим об’єктом з розподіленими параметрами за допомогою ступінчастої функції. Розроблено формули, які дозволяють перейти від керування об’єктом з зосередженими параметрами до керування об’єктом з розподіленими параметрами. Розроблено спосіб програмного керування тепловим об’єктом з розподіленими параметрами за допомогою широтно-імпульсної модуляції та прогнозуючого фільтра, де вектор цільової функції формується з помилки керування в поточний момент часу і прогнозованої помилки неузгодженості, що визначається як різниця між заданою температурою і температурою моделі регулятора. Розроблено мікроконтролерну систему керування теплопостачанням, яка складається з підсистеми збору інформації, підсистеми видачі керуючого впливу, центрального обчислювача та пульту керування. Встановлено, що для діагностування несправностей підсистеми збору інформації та видачі керуючого впливу повинні бути замкнуті в кільце. Розроблено алгоритми діагностики справності ліній даних, керування температурою об’єкта та реєстрації перехідних характеристик об'єкта керування. Встановлено, що реалізацію керуючого впливу у вигляді ступінчастої функції можна здійснювати за допомогою паралельного з’єднання нагрівачів різних потужностей. Запропоновано перейти до керування тепловим об’єктом за допомогою широтно-імпульсної модуляції, при якому регулюючий елемент працює в ключовому режимі через наявність недоліків у реалізації керуючого впливу у вигляді ступінчастої функції. На основі вимірів на реальному об’єкті побудована повна тривимірна модель приміщення з урахуванням зовнішніх обводів і точної внутрішньої геометрії. Побудована об’ємна розрахункова сітка з гексаедрів. Задані граничні умови з урахуванням системи опалення, системи вентиляції повітря, теплопровідності стін, температури зовнішнього повітря. Отримано перехідні криві впливу зовнішньої температури, вентиляції з температурою повітря, що дорівнює 20 °C, нагрівача потужністю 1.75 кВт на температуру в приміщенні. Створено програму-макрос (udf файл) на мові С у середовищі ANSYS для проведення експерименту. Задані умови для проведення моделювання: зовнішня температура змінюється від мінус 7 °С до + 5 °С, залежно від часу доби, початкова температура повітря в приміщенні + 18 °С, швидкість приточної та витяжної вентиляції 0.018 кг / с, температура приточної вентиляції + 20 °С. Проведено експеримент з підтримання заданого добового температурного режиму в приміщенні: з 00:00 до 08:00 + 10 °С, з 09:00 до 17:00 + 18 °С, з 18:00 до 00:00 + 15 °С. Порівняно розроблений метод ШІМ-регулювання з прогнозуванням з найбільш поширеними: двопозиційним регулюванням з гістерезисом ± 2 ° C, двопозиційним регулюванням без гістерезису і ПІД-регулюванням. За результатами моделювання встановлено, що найвищу точність показав метод ШІМ-регулювання з прогнозуванням. Найменш ефективним виявився метод двопозиційного регулювання з гістерезисом, рівним ± 2 ° C, який завдяки наявності інерції теплового об’єкта перевищив задану температуру в приміщенні. Отримано сумарний час роботи нагрівача протягом доби. Методи регулювання температурою за допомогою ПІД регулятора і регулятора з прогнозуванням показали приблизно однаковий час роботи нагрівача (39.89% проти 39.24%). Відповідно до місячної вартості за 1 кВт електроенергії, загального часу роботи нагрівача, потужності обчислено витрати на опалення для приміщень з однозмінним режимом роботи без вихідних для добового та місячного режимів. Встановлено, що відмова від безперервної роботи нагрівача і застосування регулятора з прогнозуванням дозволить зменшити час роботи опалювального обладнання на 56%: з 24-х до 10.5 год. За результатами моделювання побудовано температурні зони приміщення, які дають вихідну інформацію, в яких точках приміщення необхідно розташовувати датчики температури. Для експериментальних досліджень об’єктами керування обрано порожнистий сталевий стержень з розмірами: довжина 35.5 см, зовнішній діаметр 3.2 см, внутрішній діаметр 2.8 см, з намотаним на одному кінці нагрівачем довжиною 8.2 см від початку труби опором 19 Ом, і стерилізатор ГП-80. Для здійснення натурного експерименту зібрано експериментальну установку на базі мікроконтролера ATMega16, використано датчики DS18B20, мікросхему пам’яті AT24C256B-PU. Написано програму керування температурою об’єкта для мікроконтролера ATMega16. Для кожного з обраних об’єктів керування отримані перехідні криві та проведено експерименти з підтримання заданих температурних умов. Результати досліджень підтвердили правильність теоретичних передумов, покладених в основу розробки апаратно-програмного комплексу, і перспективність цього напрямку. Вирішено задачу пошуку оптимального співвідношення параметрів потужності нагрівача й інтервалу прогнозування за допомогою методу найменших квадратів. Встановлено, що для зменшення помилки регулювання імпульс керуючого впливу слід виробляти на початку інтервалу програмного регулювання з урахуванням величини перерегулювання. Результати наукових досліджень впроваджені в практику проектування систем автоматичного керування тепловими об’єктами, технологічними процесами підприємства ТОВ «ВО ОВЕН» (м. Харків). Матеріали дисертації використовуються в лекційних курсах «Теорія автоматичного керування» і «Програмні засоби систем керування» на кафедрі «АіУТС» НТУ «ХПІ».Thesis for granting the Degree of Candidate of Technical sciences (PhD degree) in specialty 05.13.03 «Management systems and processes» (151 – Automation and computer-integrated technologies) National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute» of Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2018. The thesis is devoted to the analysis of distributed thermal objects control using prediction systems to determine their disadvantages and development of new energy-efficient heat control methods for administrative and office buildings. The problems of thermal objects energy-saving control development are considered. Distributed thermal objects are analyzed. The author suggests a classification of thermal objects according to the number of used energy sources, structure, working mode of the heating equipment. Existing synthesis methods of control systems for distributed thermal objects and thermal energy control systems are investigated. The main factors affecting temperature in premises are considered. The regulators with prediction are analyzed. The existing tendencies in the development of energy saving control methods applied in heat supply systems are explored. It has been found that existing temperature controllers with prediction maintain temperature in the premises in the range from +19 °C to +22 °C with accuracy ± 1 °C. It has also been demonstrated that regulators based on weather-dependent, PID-, on–off control laws reduce energy consumption by 15%, using regulators with prediction reduces power consumption by 25-35%. Perspective of energy-saving methods control of distributed thermal objects with prediction is substantiated. The author has carried out an analysis of the behavior and properties of distributed thermal control objects. The requirements for the synthesis of energy-saving thermal objects control laws are formulated. Feasible region, initial and boundary conditions at the initial stage of research, modeling of the object for finding an effective solution have been determined. Prerequisites and constraints for the development of methods of energy saving management are theoretically justified. A classification of distributed thermal objects regulators, depending on the ratio of the transport delay time to the time of transient processes, has been carried out. The author developed an algorithm for solving the problem of calculation the heat distribution inside an office premises. A model of the room in the ANSYS environment is created. The method of dividing the structure of the premises into n objects with lumped parameters with the same properties of space is developed. The basic problems of distributed thermal objects control are considered. The control method of thermal object with distributed parameters using a step function have been further developed. Formulas that allow to refuse from an object with lumped parameters control to an object with distributed parameters control has been developed. The author developed a method of thermal object with distributed parameters control using pulse-width modulation with prediction filter, where the target function vector is formed from the control error at the current time and the predicted mismatch error, that is defined as the difference between the given temperature and the temperature of the regulator model. A microcontroller system of heat supply control, that consists of a subsystem of getting information, a subsystem of issuing control influence, central controller and control panel have been developed. It has been established that in order to identify the refusal of the subsystem of information gathering and the issuance of controlling influence, they must be closed in the circle. The algorithms of diagnosing the data linesї efficiency, controlling the temperature of the object and recording the transient characteristics of the control object are developed. It is established that the implementation of control influence in the form of a stepped function can be carried out with the help of a parallel connection of heaters of various power. It is suggested to control the temperature of a thermal object with pulse-width modulation, in which the control element operates in key mode due to the disadvantages of implementing a control effect in the form of a stepped function. On the basis of measurements on a real object, a complete three-dimensional model of the room taking into account external contours and exact internal geometry was constructed. Volumetric netting of hexahedrons was built. Boundary conditions taking into account the heating system, ventilation system, heat conductivity of walls, the temperature of the outside air were specified. Transient curves of influence on the room of external temperature, ventilation with air temperature equal to 20 °C, a 1.75 kW power heater temperature were obtained. A program macro (udf file) on C language in the ANSYS environment for the experiment was created. The conditions for the simulation: the external temperature varies from minus 7 °C to plus 5 °C, depending on the time of day, the initial air temperature in the room +18 °C, the speed of intake and exhaust ventilation 0.018 kg/s, the temperature of the intake ventilation + 20 °C were specified. An experiment to maintain a setting daily temperature mode in the room: from 00:00 to 08:00 + 10 °С, from 9:00 to 17:00 + 18 °С, from 18:00 to 00:00 + 15 ° С was conducted. Method of PWM regulation with prediction to the most common: twoposition regulation with hysteresis ± 2 ° C, two-position regulation without hysteresis and PID-regulation were compared. According to the simulation results, the PWM control with prediction the highest accuracy was exhibited. The least effective method was two-position regulation with hysteresis equal to ± 2 °C, which due to the inertia of the thermal object exceeded the given temperature in the room. The total time of the heater operation during the day is obtained. The methods of temperature control with the PID regulation and PWM with prediction control roughly the same time of operation of the heater (39.89% vs. 39.24%) were showed. According to the monthly cost of 1 kW of electricity, the total operating time of t he heater, heater power for the heating costs for rooms with one-shift operating mode without a weekend for day and month modes were calculated. It has been established that the refusal of continuous operation of the heater and using regulator with prediction will reduce the operating time of the heating equipment by 56%: from 24 to 10.5 h. According to the simulation results, the temperature modes of the premises that give the source information in which points of the room it is necessary to place the temperature sensors are obtained. For experimental studies, a hollow steel rod with dimensions: length 35.5 cm, outer diameter 3.2 cm, internal diameter 2.8 cm, wound on one end with a heater length of 8.2 cm from the beginning of the tube with a resistance of 19 Ohms, and sterilizer GP-80 were selected. For a real experiment, an experimental installation based on the ATMega16 microcontroller, sensors DS18B20, microchip memory AT24C256B-PU was used. A program of the object temperature control on the ATMega16 microcontroller is written. For each of the selected control objects transition curves were obtained and experiments of maintaining the specified temperature conditions were carried out. The correctness of the theoretical prerequisites for the development of the hardware and software complex was confirmed by the results of the research. The problem of finding the optimal ratio of heater power parameters and forecasting interval using the least squares method is solved. It was found that to reduce the control error, the control impulse pulse should be made at the beginning of the program control interval, taking into account the amount of overshoot. The results of scientific research were introduced into the practice of designing systems for automatic control of thermal objects, technological processes of the enterprise VO OWEN (Kharkiv). The materials of the dissertation are used in lecture courses "Theory of automatic control" and "Software tools of control systems" at the department automation and control systems NTU "KhPI".