CN103017252A - 一种室内电热膜地暖控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及室内地暖控制领域，具体涉及一种面向住宅单元的电热膜供暖控制装置及控制方法，本发明提出一种面向住宅单元的室内电热膜地暖控制装置，包括主温控器、多个终端温控器和多个测温探头；其中主温控器主要由主控制单元、策略存储单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元组成；终端温控器主要由主控制单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元组成。本发明在保证采暖舒适度的前提下实现了住宅单元内不同采暖房间的用电负荷的协同优化控制，进而降低了整个住宅单元的采暖负载功率，有效减少对既有电网的冲击，并且提高了系统易用性。

Description

一种室内电热膜地暖控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及室内地暖控制领域，具体涉及一种面向住宅单元的电热膜供暖控制装置及控制方法。

背景技术

近年来，电热膜供暖以其节能、使用寿命长、管理简单、安全可靠等特点越来越受到人们的广泛关注与欢迎，已成为最有潜力的室内供暖方式。现有的电热膜供暖控制方法主要基于单个房间，即每个房间安装一个温控器，同时在房间内和电热膜表面上分别安装一个测温探头，以实现按既定温度的负载控制。这种控制方法主要有如下不足，即每个房间单独控制，很有可能出现各房间同时加热的现象，按100W/m²设计功率计算，一个有效加热面积80m²的住宅单元则需要8000W的用电负载，这对既有电网的冲击较大，甚至会造成电网的局部损坏。目前，已经有一些研究人员提出了一些改进，例如专利[CN201852191U]提出了同一采暖空间的变功率控制的方法，然而该专利的方法对温控器要求较高，需要提供多组控制输出，并且安装部署难度加大，同时牺牲了一定的舒适度，并没有彻底克服各房间全负荷工作的现象；专利[CN101858618A]提出一种面向楼栋的集中供热分户控制的发热电缆供暖控制装置，进而实现了发热电缆功率的自动调节和用电量的控制，但是由于其采用了按房间测温、远程指挥协调、按户集中控制的方式，较适合于整个小区或整个楼栋的采暖控制，系统实施部署难度大，可靠性不高，特别是远程控制中心出现故障后整个被控对象将失控，同时牺牲了一定的用户舒适度。因此，如何在保障用户舒适度的前提下有效实现电热膜供暖系统的负载功率控制和用电量的控制，进而减少其对既有电网的冲击依然是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于无线网络的面向住宅单元的电热膜采暖控制装置及控制方法，其克服了现有技术的不足，在保证采暖舒适度的前提下实现了住宅单元内不同采暖房间的用电负荷的协同优化控制，进而降低了整个住宅单元的采暖负载功率，有效减少对既有电网的冲击，并且提高了系统易用性。

为了实现上述发明目的，本发明提出了一种面向住宅单元的室内电热膜地暖控制装置，包括主温控器、多个终端温控器和多个测温探头；其中主温控器主要由主控制单元、策略存储单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元组成；终端温控器主要由主控制单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元组成；主温控器和各终端温控器之间通过无线通信单元建立无线Ad hoc（点对点）通信网络；主温控器、终温控器的电热膜控制单元与其所在采暖空间内的电热膜相连接，以实现对所在采暖空间内电热膜的控制；主温控器、终端温控器的温度采集单元分别与若干个测温探头通过单总线连接，用于检测其所在采暖空间的室内温度和被控电热膜不同区域的表面温度。

进一步地，主温控器还包括GPRS单元，主温控器通过GPRS单元可以与指定号码的手机进行短信通信。

每个住宅单元设置一个主温控器和若干个终端温控器，每个温控器（主温控器和终端温控器统称为温控器）管控住宅单元内的一个采暖空间。

基于上述控制装置，本发明还提出了一种面向住宅单元的室内电热膜地暖控制方法，包括以下步骤：

（1）参数设置：在主温控器中设置并保存电热膜表面最高温度T_sufmax、控制下限阈值Th_sufb、各采暖空间的电热膜面积A_i等参数，由主温控器将这些相关参数发送到各终端温控器中；

（2）策略定义：对每个采暖空间定义控制策略，并保存在主温控器中，定义方法为：将设定的目标温度T_o和当前室内温度T_room的差值定义为控制接近度D，即D=T_o-T_room。按步长ΔD将[0,D_max]等分为多个区间（D_max为控制接近度D上限值），定义每个区间的控制策略S_i＝{T，P_Open，P_Close}，即每条控制策略定义了一个加热周期，其周期长度为T，加热和停止加热的时间长度比例分别为P_Open和P_Close，其中P_Open和P_Close之和为1，i为区间编号；

（3）初始预热：对需供暖的温控器设定目标温度T_o，并启动该温控器；由主温控器根据已启动的温控器所控制的电热膜面积由大到小对各温控器排序，同时将它们分成两个电热膜面积之和最接近的温控器集合S₁和S₂，并将控制最大面积的温控器归在集合S₁中。由主温控器控制发送命令给集合S₁中的所有温控器以启动其所控制的电热膜加热，即实现集合S₁中的所有温控器同时进入初始预热阶段。处于初始预热阶段的各温控器通过其温度采集单元采集被控电热膜不同区域的表面温度T_sufi，并计算得到被控电热膜的表面温度T_suf。当T_suf大于T_sufmax时，停止加热，进入协同控制阶段；当集合S₁中的所有温控器进入协同控制阶段后，根据温控器排序，将集合S₂中的温控器依次进入初始预热阶段，即首先启动集合S₂中的第一个温控器进入初始预热阶段，然后依次在每个温控器完成初始预热进入协同控制阶段后启动下一个温控器进入初预热阶段，直至集合S₂中的所有温控器完成初始预热；

（4）协同控制：处于协同控制阶段的各温控器通过其温度采集单元采集所在采暖空间的室内温度T_room与被控电热膜不同区域的表面温度T_sufi，计算出被控电热膜的表面温度T_suf，并计算出当前的控制接近度D上传到主温控器；主温控器根据各温控器的控制接近度D选择其控制策略，然后根据各温控器排序依据其控制策略进行错时控制，即首先启动第一个温控器执行加热周期，然后依次在每个温控器的加热周期的停止加热开始阶段启动下一个温控器的加热周期。在每个加热周期的加热阶段，如果温控器检测到被控电热膜的表面温度T_suf超出电热膜表面最高温度T_sufmax，则暂停加热；当检测到被控电热膜的表面温度T_suf低于控制下限阈值Th_sufb且还在加热阶段时，则继续加热；在每个加热周期的停止加热阶段，温控器停止对其电热膜进行加热。

上述步骤（3）、（4）中被控电热膜的表面温度T_suf的计算过程为：

（A.1）主温控器和各终端温控器通过其温度采集单元采集其被控电热膜不同区域的表面温度T_sufi；

（A.2）将被控电热膜不同区域的表面温度T_sufi从小到大排序为<T₁,T₂,…,T_TN>，并按公式（1-1）获取区间[T₁，T_TN]中的中位值T_M，其中TN为区域数 $T_M=T_{\frac{\mathrm{TN}+1}{2}}$ (TN为奇数)(1-1)； $T_M=\frac{T_{\frac{\mathrm{TN}}{2}}+T_{\frac{\mathrm{TN}}{2}+1}}{2}$ (TN为偶数)

（A.3）按公式（1-1）在区间[T₁，T_M]和区间[T_M，T_TN]中获取中位值F_L和F_U，定义数据集<T₁,T₂,…,T_TN>的离散度为dF=F_U-F_L；

（A.4）对<T₁,T₂,…,T_TN>中不满足公式（1-2）的数据进行剔除，然后对过滤后的数据进行算术平均获得被控电热膜的表面温度T_suf；

|T_i-T_M|>βdF   (β为过滤系数)(1-2)

（A.5）对于被剔除的温度数据点设置计数器C_i，用于记录该数据点被连续剔除的次数。如果C_i>C_max，则认为该点温度采集故障，并由温控器向主温控器上报该信息，进而由主温控器提示用户。

上述步骤（3）中的集合S₂中的温控器依次进入初始预热阶段的具体步骤如下：

（B.1）当处于协同控制阶段的最后一个温控器退出其加热阶段时，S2集合中选择一个排序在前的温控器进入初始预热阶段；

（B.2）在S₂集合中的某个温控器处于初始预热阶段时，所有处于协同控制阶段的温控器，如果其当前控制策略中的P_Open大于P_Close，则将其控制策略临时调整为P_Open=P_Close=1/2。当该温控器结束初始预热阶段后，被临时调整控制策略的温控器恢复其原来的控制策略；

（B.3）重复执行步骤（B.1）和（B.2），直至集合S₂中的所有温控器完成初始预热阶段。

作为本发明的一个具体实施例，本发明中的主温控器或终端温控器可以接收用户按键命令来改变其工作状态，即开始工作、停止工作、调整目标温度；并将其状态改变信息汇报给主温控器。主温控器也可以接收手机短信命令，用于查询各温控器的工作状态或控制各温控器。

本发明的有益效果主要表现在：1、引入了面向住宅单元的协同控制方式，将各采暖空间的电热膜预热过程串行化，同时对各采暖空间的电热膜保温过程采用错时加热的方式，有效降低了用电负载，减少了对既有电网的冲击；2、引入基于单总线的多点测温机制，在提高了测温准确度的情况下方便了系统部署；3、实现了手动操控和基于手机短信的远程实时监控相结合的操控手段，方便了用户使用。

附图说明

图1为室内电热膜地暖控制装置的结构示意图；

图2为室内电热膜地暖控制装置的一个具体实施例结构示意图；

图3为室内电热膜地暖控制装置的控制方法流程图；

图4为一个室内电热膜地暖控制装置的部署实例；

图5为室内电热膜地暖控制装置的加热流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，整个室内电热膜地暖控制装置包括主温控器、终端温控器、测温探头。其中主温控器由主控制单元、策略存储单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元；终端温控器由主控制单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元组成。每个住宅单元设置一个主温控器和若干个终端温控器，每个温控器（主温控器和终端温控器统称为温控器）管控住宅单元内的一个采暖空间，其电热膜控制单元连接该采暖空间中的电热膜；各温控器的温度采集单元分别与若干个测温探头之间通过单总线连接，其中包括一个用于检测其所在采暖空间的室内温度的测温探头和若干个用于测量被控电热膜不同区域的表面温度测温探头。同一住宅单元内的所有温控器之间通过无线通信单元建立无线Adhoc通信网络。图4描述了一个两室两厅一卫的住宅单元中温控器的部署和组网实例，即分成四个采暖空间，部署了1个主温控器和3个终端温控器，四个温控器通过其无线通信单元建立无线Ad hoc通信网络，进而实现信息交换。

作为本发明的一个具体实施例，如图2所示，本发明中的主温控器还包括GPRS单元，主温控器通过其GPRS单元可以与指定号码的手机进行短信通信，进而可以通过短信命令来查询各温控器的工作状态或控制各温控器。

在此基础上，本发明提供的室内电热膜地暖控制方法的具体实施流程如图3所示。

（1）图3中的步骤（a1）完成系统的相关参数设置，包括电热膜表面最高温度T_sufmax和控制下限阈值Th_sufb，设置各取暖空间的电热膜面积A_i，例如可以将T_sufmax设置为45℃，而Th_sufb设置为42℃，同时保存在主温控器中和对应的各温控器中；在此基础上，图3中的步骤（a2）完成对每个采暖空间的控制策略的定义，定义方法为：将设定目标温度T_o和当前室内温度T_room的差值定义为控制接近度D，即D=T_o-T_room。按步长ΔD将期间[0,D_max]等分为个区间（D_max为接近度上限值），定义每个区间的控制策略S_i，即S_i＝{T，P_Open，P_Close}，其中T为加热周期长度，一个加热周期分为加热阶段和停止加热阶段，而加热和停止加热的时间长度比例分别为P_Open和P_Close，其中P_Open和P_Close之和为1，i为区间编号。其中ΔD一般设置为2~5，D_max设置为30，而T可以设置在5s~10s范围内。表1为一个控制策略实例。

表1控制策略实例

Si	T	POpen	PClose
				1	10s	1/3	2/3
2	10s	1/2	1/2
				3	10s	2/3	1/3

（2）对要启动供暖的采暖空间，可以通过该采暖空间所对应的温控器设定目标温度并启动，也可以在主温控器中设定目标温度并启动，还可以通过所绑定的手机利用短信方式设定目标温度并启动，如图3中的步骤（a3）。启动后首先由主温控器协调调度，即由主温控器根据已启动的温控器所控制的电热膜面积由大到小对各温控器排序，同时将它们分成两个电热膜面积之和最接近的温控器集合S₁和S₂，并控制最大面积的温控器归在集合S₁中，如图3中的步骤（a4）。对于图4中的四个温控器的排序顺序为（主温控器，终端温控器2，终端温控器1，终端温控器3），而S₁=（主温控器，终端温控器3），S₂=（终端温控器2，终端温控器1）。

（3）首先S₁集合中的温控器同时进入初始预热阶段，如图3中步骤（a5）~（a8）。当S₁中所有温控器退出初始预热阶段进入协同控制阶段后，S₂集合中的温控器将将依据排序依次进入初始预热阶段，如图3步骤（a13）~（a16）；在初始预热过程中，电热膜各区域的测温探头不断测量各区域的表面温度，当综合处理后的电热膜表面温度T_suf达到最高温度T_sufmax时，进入协同控制阶段。

（4）进入协同控制阶段的各温控器，在主温控器的协调下开始其保温过程，如图3中步骤（a9）~（a12）所示。主温控器根据所收集到的处于协同控制阶段的各温控器的控制接近度D选择其控制策略，然后依据排序首先启动第一个温控器的加热周期，再依次在每个温控器的加热周期的停止加热开始阶段启动下一个温控器的加热周期，即实现各温控器的错时加热。每个工作温控器在每个加热周期的加热阶段对被控电热膜进行加热，在停止加热阶段则停止对被控电热膜加热，如此循环直至接收到改变控制策略命令或停止命令。在每个加热周期的加热阶段，电热膜各区域的测温探头不断测量各区域的表面温度，当综合处理后的电热膜表面温度T_suf。如果T_suf超出T_sufmax，则暂停加热；当检测到T_suf低于控制下限阈值Th_sufb并且还在当前加热周期的加热阶段时，继续恢复加热。同时在整个协同控制阶段，温控器不断采集其所控制的室内温度T_room，并根据设定目标温度T_o计算得到该温控器的控制接近度D，上传到主温控器用于调整控制策略。

（5）当S₂集合中的某个温控器处于初始预热阶段时，所有处于协同控制阶段的温控器，如果其当前控制策略中的P_Open大于P_Close，则将其控制策略临时调整为P_Open=P_Close=1/2。当该温控器结束初始预热阶段后，被临时调整控制策略的温控器恢复其原来的控制策略。如图5中的主温控器在终端温控器2和终端温控器1处于初始预热阶段时，临时调整其控制策略，直至终端温控器1进入协同控制阶段后恢复其控制策略；而终端温控器3则分别在终端温控器2和终端温控器1处于初始预热阶段时，临时调整其控制策略，进入协同控制阶段后恢复其控制策略；而终端温控器2则在终端温控器1处于初始预热阶段时，临时调整其控制策略，直至终端温控器1进入协同控制阶段后恢复其控制策略。

图5描述了初始预热阶段和协同控制阶段主温控器对各已启动温控器的调度效果实例，其中主温控器和终端温控器3组成集合S₁，而终端温控器1和终端温控器2组成集合S₂，在主温控器的协同控制下主温控器和终端温控器3率先进入初始预热阶段，然后S₂中的终端温控器2和终端温控器1依次进入初始预热阶段。在协同控制阶段，各温控器依据其前一温控器的控制周期依次调整自己的控制周期，以实现各温控器的错时加热控制。从图5中不难看出，采用主温控器的协同调度，在保证舒适度的前提下，系统运行时有效降低了用电负载，减少了对既有电网的冲击。

Claims (8)

1.一种室内电热膜地暖控制装置，包括电热膜，其特征在于，还包括主温控器、多个终端温控器和多个测温探头；其中主温控器包括主控制单元、策略存储单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元；终端温控器包括控制单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元；主温控器和各终端温控器之间通过无线通信单元建立无线Ad hoc通信网络；主温控器、终温控器的电热膜控制单元与其所在采暖空间内的电热膜相连接，以实现对所在采暖空间内电热膜的控制；主温控器、终端温控器的温度采集单元分别与若干个测温探头通过单总线连接，用于检测其所在采暖空间的室内温度和被控电热膜不同区域的表面温度。

2.如权力要求1所述的室内电热膜地暖控制装置，其特征在于主温控器还包括GPRS单元，用于主温控器与指定号码的手机进行短信通信。

3.如权利要求1所述的室内电热膜地暖控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

（1）参数设置：在主温控器中设置并保存电热膜表面最高温度T_sufmax、控制下限阈值Th_sufb、各采暖空间的电热膜面积A_i等参数，由主温控器将该相关参数发送到各终端温控器中；

（2）策略定义：对每个采暖空间定义控制策略，并保存在主温控器中，定义方法为：将设定的目标温度T_o和当前室内温度T_room的差值定义为控制接近度D，即D=T_o-T_room，按步长ΔD将[0,D_max]等分为多个区间（D_max为控制接近度D上限值），定义每个区间的控制策略S_i＝{T，P_Open，P_Close}，即每条控制策略定义了一个加热周期，其周期长度为T，加热和停止加热的时间长度比例P_Open和P_Close，其中P_Open和P_Close之和为1，i为区间编号；

（3）初始预热：对需供暖的温控器设定目标温度T_o，并启动该温控器；由主温控器根据已启动的温控器所控制的电热膜面积大小对各温控器排序，将它们分成两个电热膜面积之和最接近的温控器集合S₁和S₂；由主温控器发送控制命令给集合S₁中所有的温控器以启动其所控制的电热膜加热，即实现集合S₁中的所有温控器同时进入初始预热阶段；处于初始预热阶段的各温控器通过其温度采集单元采集被控电热膜不同区域的表面温度T_sufi，并计算得到被控电热膜的表面温度T_suf，当T_suf大于T_sufmax时，停止加热，进入协同控制阶段；当集合S₁中的所有温控器进入协同控制阶段后，将集合S₂中的温控器依次进入初始预热阶段，即首先启动集合S₂中的第一个温控器进入初始预热阶段，然后依次在每个温控器完成初始预热进入协同控制阶段后启动下一个温控器进入初预热阶段，直至集合S₂中的所有温控器完成初始预热；

（4）协同控制：处于协同控制阶段的各温控器通过其温度采集单元采集所在采暖空间的室内温度T_room与被控电热膜不同区域的表面温度T_sufi，计算出被控电热膜的表面温度T_suf，并计算出当前的控制接近度D上传到主温控器；主温控器根据各温控器的控制接近度D选择其控制策略，然后根据各温控器排序按照其控制策略进行错时控制。

4.如权利要求3所述的室内电热膜地暖控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：主温控器或终端温控器可以接收用户按键命令来改变其工作状态，即开始工作、停止工作、调整目标温度；并将其状态改变信息汇报给主温控器。

5.如权利要求3所述的室内电热膜地暖控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：主温控器可以接收手机短信命令，用于查询各温控器的工作状态或控制各温控器的工作状态。

6.如权利要求3所述的室内电热膜地暖控制装置的控制方法，其特征在于，步骤（4）中的错时控制方式具体包括：依据温控器的排序，首先启动其中一个温控器的加热周期，然后依次在每个温控器的加热周期的停止加热开始阶段启动下一个温控器的加热周期；温控器在加热周期的加热阶段对被控电热膜进行加热，在停止加热阶段停止对被控电热膜加热，如此循环直至接收到改变控制策略命令或停止命令；在每个加热周期的加热阶段，如果温控器检测到被控电热膜的表面温度T_suf超出电热膜表面最高温度T_sufimax，则暂停加热；当检测到被控电热膜的表面温度T_suf低于控制下限阈值Th_sufb且还在加热阶段时，则继续加热；在每个加热周期的停止加热阶段，温控器停止对其电热膜进行加热。

7.如权利要求3所述的室内电热膜地暖控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法步骤（3）、（4）中被控电热膜的表面温度T_suf的计算步骤包括：

（A.1）主温控器和各终端温控器通过其温度采集单元采集其被控电热膜不同区域的表面温度T_sufi；

（A.2）将被控电热膜不同区域的表面温度T_sufi从小到大排序为<T₁,T₂,…,T_TN>，并按公式（1-1）获取区间[T₁，T_TN]中的中位值T_M，其中TN为区域数 $T_M=\frac{T_{\mathrm{TN}+1}}{2}$ (TN为奇数)(1-1)； $T_M=\frac{T_{\frac{\mathrm{TN}}{2}}+T_{\frac{\mathrm{TN}}{2}+1}}{2}$ (TN为偶数)

（A.3）按公式（1-1）在区间[T₁，T_M]和区间[T_M，T_TN]中获取中位值F_L和F_U，定义数据集<T₁,T₂,…,T_TN>的离散度为dF=F_U-F_L；

（A.4）对<T₁,T₂,…,T_TN>中不满足公式（1-2）的数据进行剔除，然后对过滤后的数据进行算术平均获得被控电热膜的表面温度T_suf；

|T_i-T_M|>βdF    (β为过滤系数)  (1-2)

（A.5）对于被剔除的温度数据点设置计数器Ci，用于记录该数据点被连续剔除的次数；如果Ci>Cmax，则认为该点温度采集故障，并由温控器向主温控器上报该信息，进而由主温控器提示用户。

8.如权利要求3所述的室内电热膜地暖控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法步骤（3）中集合S₂中的温控器依次进入初始预热阶段的具体步骤如下：

（B.1）当处于协同控制阶段的最后一个温控器退出其加热阶段时，S2集合中选择一个排序在前的温控器进入初始预热阶段；

（B.2）在S₂集合中的某个温控器处于初始预热阶段时，所有处于协同控制阶段的温控器，如果其当前控制策略中的P_Open大于P_Close，则将其控制策略临时调整为P_Open=P_Close=1/2；当该温控器结束初始预热阶段后，被临时调整控制策略的温控器恢复其原来的控制策略；

（B.3）重复执行步骤（B.1）和（B.2），直至集合S₂中的所有温控器完成初始预热阶段。

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