CN109539359A - 分工况pid+自适应前馈补偿的相变电蓄热供暖系统及方法 - Google Patents
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Abstract
分工况PID+自适应前馈补偿的相变电蓄热供暖系统及方法，该系统包括风循环系统和水循环系统，所述水循环系统与风循环系统通过换热器进行换热，输出供暖热水；所述风循环系统包括变频风机（1）、下风道（3）、相变蓄热炉（4）和上风道（5）；分工况PID+自适应前馈补偿控制策略，可根据系统所处的工况对相变电蓄热供暖系统进行控制，解决了供暖系统工况变化时，传统单闭环控制难以适应系统参数变化剧烈的问题，且前馈补偿可快速抑制由于炉温扰动引起的偏差，采用分工况PID+自适应前馈补偿控制策略时，供水温度波动范围小，解决了相变储热供暖系统控制供暖稳定性不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及自动化技术领域，具体涉及一种分工况PID+自适应前馈补偿的相变电蓄热供暖系统控制方法。
背景技术
为解决目前空气污染和雾霾等问题，中央和各地政府纷纷出台政策，取缔小型燃煤锅炉，且要求全国各省市供电局向工商业及普通居民在每天23点至第二天早晨6点时段提供5折优惠电价，以鼓励夜间电力消费，从而提高各地区电力供应部门的经济效益，优惠夜间电价在全国范围内逐步实施显然已成为大势所趋，因此利用夜间谷电供热成为了未来发展的必然趋势。
储热技术主要分为热化学储热、显热储热和相变储热。热化学储热虽然蓄热密度大，但不安全且蓄热过程不可控，严重影响其推广应用。显热储热是目前应用最广的一种储热方式，然而它的储热密度小。相比之下，相变储热的储热密度是显热储热的5-10倍甚至更高。由于具有温度恒定和蓄热密度大的优点，相变蓄热技术得到了广泛的研究，尤其适用于热量供给不连续或供给与需求不协调的工况下。相变储热系统作为解决能源供应时间与空间矛盾的有效手段，是提高能源利用率的重要途径之一。因此相变储热供暖具有广阔的应用前景。
相变储热供暖采用电加热技术将夜间谷电以热的形式储存起来，并以热水供暖的方式实现热能的稳定输出，供暖系统是一个非线性、多变量、大时滞系统，传统的单闭环控制难以解决相变电蓄热供暖系统在供暖时系统参数变化剧烈的问题，往往不能满足电热储能控制的动态特性要求，温度调节过程中超调量大，调节时间长，易受外界干扰，且供暖出水口温度波动大，供暖稳定性差。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种分工况PID+自适应前馈补偿的相变电蓄热供暖系统及方法，其目的是解决以往所存在的问题；本发明是针对有夜间谷电时间段既加热又放热供暖和谷峰、谷平时间段单纯放热供暖两种不同工况的相变电蓄热系统，针对在供暖过程中蓄热体的温度一直在变化，供暖出水口温度与风温、风速、蓄热体温度变化关系复杂的问题，针对在供暖出水温度调节过程中传统是控制往往不能满足电热储能控制的动态特性要求，温度调节过程中超调量大，调节时间长，易受外界干扰的问题。
技术方案：
本发明的技术方案是：
一种分工况PID+自适应前馈补偿相变电蓄热供暖系统，其特征在于：该系统包括风循环系统和水循环系统，所述水循环系统与风循环系统通过换热器进行换热，输出供暖热水；所述风循环系统包括变频风机(1)、下风道(3)、相变蓄热炉(4)和上风道(5)；
水循环系统包括换热器(6)和供暖管线(7)；
变频风机(1)通过下风道(3)连接至相变蓄热炉(4)，相变蓄热炉(4)通过上风道(5)连接至换热器(6)，上风道(5)与换热器(6)入口端相连，换热器(6)连接供暖管线(7)和变频风机(1)。
所述相变蓄热锅炉(4)、变频风机(1)、换热器(6)依次通过供暖循环管路(7)连接；
所述相变电蓄热供暖系统还包括上位机、控制器(8)、执行器(2)、温度检测装置(9)；换热器(6)和相变蓄热炉(4)分别接有温度检测装置(9)，温度检测装置(9)与上位机相连；控制器(8)与换热器(6)和执行器(2)相连，执行器(2)与变频风机(1)相连；即换热器(6)连接供暖管线(7)和控制器(8)，控制器(8)连接执行器(2)，执行器(2)连接变频风机(1)；
所述相变电蓄热系统有夜间谷电时间段既对储热炉加热又放热供暖和谷峰、谷平时间段单纯放热供暖两种不同的工况，蓄热体的温度一直在变化，供暖出水口温度与风温、风速、蓄热体温度变化关系复杂，耦合度高。
以根据天气预报确定合适的供暖出水温度Tr(t)作为控制目标；设计了包括分工况选择PID和自适应前馈控制两部分的控制方案，分工况选择PID部分采集供暖系统的出水温度T(t)，同时检测相变电蓄热供暖系统处于何种工况，根据相变电蓄热供暖系统所处工况，选择对应的PID控制器，得到PID控制器输出的控制量u1(t)。自适应前馈控制部分，采集风速u(t)、相变蓄热炉炉温Tl(t)和供暖出水口温度T(t)，实时自适应调整前馈补偿控制单元模型Gff(z-1)的参数。用采集的相变电蓄热炉炉温Tl(t)，作为可测干扰输入到前馈补偿单元，由前馈补偿控制单元产生前馈补偿控制量u2(t)＝Gff(z-1)T1(t)。将前馈与反馈两部分得到的控制量求和，得到系统总的控制量u(t)＝u1(t)+u2(t)，并以此控制量来控制变频风机，实现供暖系统出水温度的控制。
所述的相变电蓄热供暖系统的控制方法，分工况选择PID控制器，可根据系统存在的谷电加热又放热供暖和谷峰、谷平时间段单纯放热供暖两种不同的工况，分别设计两个PID控制器PID1和PID2，对应的PID参数分别为KP1,KI1,KD1和KP2,KI2,KD2；设计好两个PID控制器参数后，分工况PID控制器的实现步骤如下：
采样供暖出水温度T(t)，计算供水温度误差e(t)＝Tr(t)-T(t)；
实时检测储热炉是否进行加热来选择对应的PID控制器，加热时选择PID1，不加热时选择PID2；
按选择的PID控制器，两种工况下的PID控制器的输出分别为：
相变电蓄热供暖系统的控制方法，自适应调整前馈控制器参数部分，包括如下步骤：
前馈控制模型的确定
设以风机风速u(t)为输入，供暖出水口温度T(t)为输出的系统模型为Go(z-1)，以扰动相变蓄热炉炉温Tl(t)为输入，供暖出水口温度T(t)为输出的扰动模型为Gd(z-1)，当系统只有扰动相变蓄热炉炉温Tl(t)输入时，产生的温度输出为T(t)＝Go(z-1)Gff(z-1)T1(t)+Gd(z-1)T1(t)
当储热炉温度变化时，产生的温度输出为零，即达到储热炉温度扰动对系统输出没有影响，此时
T(t)＝Gff(z-1)Go(z-1)T1(t)+Gd(z-1)T1(t)＝0
由此可得前馈控制的模型为：
储热供暖系统最小二乘辨识模型的建立，设系统模型Go(z-1)和扰动模型Gd(z-1)分别为：
根据系统模型Go(z-1)和扰动模型Gd(z-1)，则供暖出水口温度T(t)为
式中，ξ(t)为白噪声。
选择采样周期Ts，则t＝kTs，根据供暖出水口温度T(t)表达式，可以建立系统模型和扰动模型的最小二乘表达式
式中：θ(k)为
储热供暖系统的系统模型Go(z-1)和扰动模型Gd(z-1)的辨识
基于建立的包括系统模型和扰动模型的最小二乘表达式，确定相变蓄热供暖系统模型A(z-1)、B(z-1)、C(z-1)的阶次na、nb、nc和延迟步数d；
初始化估计参数向量的初值和数据向量的初值
P(0)，P(0)＝106I，I为单位矩阵；
采样当前供暖出水温度T(k)、相变蓄热炉炉温Tl(t)和循环热风风速u(k)；
更新数据向量
利用下式计算K(k)、和P(k)；
k→k+1，返回采样当前供暖出水温度T(k)、相变蓄热炉炉温Tl(t)和循环热风风速u(k)，循环；
循环次数到时结束循环，得到以风机风速u(t)为输入，供暖出水口温度T(t)为输出的系统模型Go(z-1)，以扰动相变蓄热炉炉温Tl(t)为输入，供暖出水口温度T(t)为输出的扰动模型Gd(z-1)。
利用辨识输出的系统模型Go(z-1)和扰动模型Gd(z-1)，实时自适应调整前馈控制器模型
有益效果
分工况PID+自适应前馈补偿控制策略，可根据系统所处的工况对相变电蓄热供暖系统进行控制，解决了供暖系统工况变化时，传统单闭环控制难以适应系统参数变化剧烈的问题，且前馈补偿可快速抑制由于炉温扰动引起的偏差，采用分工况PID+自适应前馈补偿控制策略时，供水温度波动范围小，解决了相变储热供暖系统控制供暖稳定性不高的问题。
附图说明
图1表示本发明实例所述的一种相变电蓄热供暖系统的结构示意图。
图2表示本发明实例所述的一种分工况PID+自适应前馈补偿相变电蓄热供暖系统控制框图。
图3表示本发明实例述的一种分工况PID+自适应前馈补偿相变电蓄热系统运行方案实施流程图。
图4表示本发明实例所述的一种前馈补偿结构图。
图5表示本发明实例所述的前馈补偿器自适应最小二乘法辨识流程图。
图6表示本发明实例既加热又放热时分工况PID+自适应前馈补偿控制方法与传统PID控制方法实际运行结果对比。
图7表示本发明实例单纯放热时分工况PID+自适应前馈补偿控制方法与传统PID控制方法实际运行结果对比。
具体实施方式
一种分工况PID+自适应前馈补偿相变电蓄热供暖系统，其特征在于：该系统包括风循环系统和水循环系统，所述水循环系统与风循环系统通过换热器进行换热，输出供暖热水；所述风循环系统包括变频风机(1)、下风道(3)、相变蓄热炉(4)和上风道(5)；
水循环系统包括换热器(6)和供暖管线(7)；
变频风机(1)通过下风道(3)连接至相变蓄热炉(4)，相变蓄热炉(4)通过上风道(5)连接至换热器(6)，上风道(5)与换热器(6)入口端相连，换热器(6)连接供暖管线(7)和变频风机(1)。
所述相变蓄热锅炉(4)、变频风机(1)、换热器(6)依次通过供暖循环管路(7)连接；
所述相变电蓄热供暖系统还包括上位机、控制器(8)、执行器(2)、温度检测装置(9)；换热器(6)和相变蓄热炉(4)分别接有温度检测装置(9)，温度检测装置(9)与上位机相连；控制器(8)与换热器(6)和执行器(2)相连，执行器(2)与变频风机(1)相连；即换热器(6)连接供暖管线(7)和控制器(8)，控制器(8)连接执行器(2)，执行器(2)连接变频风机(1)；
为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
如图1所示，所述相变电蓄热供暖系统包括风循环系统和水循环系统，风循环系统与水循环系统通过换热器进行换热；所述风循环系统包括相变蓄热炉(4)、变频风机(1)、下风道(3)、上风道(5)，控制器(8)，执行器(2)，所述相变蓄热锅炉(4)、变频风机(1)、换热器(6)依次通过供暖循环管路(7)连接；变频风机(1)和下风道(3)相连；上风道(5)与换热器(6)入口端相连；换热器(6)出口端与供暖管线(7)相连。
在相变电蓄热供暖系统中还包括上位机、控制器(8)、执行器(2)、温度检测装置(9)。上位机与温度检测装置(9)相连，控制器(8)与执行器(2)相连，执行器(2)与变频风机(1)相连；换热器(6)、相变蓄热炉(4)分别接有温度检测装置(9)。
该相变电蓄热供暖系统有夜间谷电时间段既对储热炉加热又放热供暖和谷峰、谷平时间段单纯放热供暖两种不同的工况，蓄热体的温度一直在变化，供暖出水口温度与风温、风速、蓄热体温度变化关系复杂，耦合度高。有既加热又放热供暖和单纯放热供暖两种不同的工况，且不同工况下系统参数相差巨大。
针对上述储热炉具体工况，使用提出的如图2所示的分工况PID+自适应前馈补偿相变电蓄热供暖系统控制方法，具体实施步骤如图3所示：
根据天气预报确定合适的供暖出水温度Tr(t)作为控制目标；
分工况选择PID控制器，可根据系统存在的谷电加热又放热供暖和谷峰、谷平时间段单纯放热供暖两种不同的工况，分别设计两个PID控制器PID1和PID2，对应的PID参数分别为KP1,KI1,KD1和KP2,KI2,KD2；设计好两个PID控制器参数后，分工况PID控制器的实现步骤如下：
采样供暖出水温度T(t)，计算供水温度误差e(t)＝Tr(t)-T(t)；
实时检测储热炉是否进行加热来选择对应的PID控制器，加热时选择PID1，不加热时选择PID2；
按选择的PID控制器，两种工况下的PID控制器的输出分别为：
在实施对象上选定的两工况的PID参数分别为：
加热：KP1＝-15，KI1＝0.003，KD1＝25；
不加热：KP2＝-16,KI2＝0.3533,KD2＝1.2
采集风速u(t)、相变蓄热炉炉温Tl(t)和供暖出水口温度T(t)，实时自适应调整前馈补偿控制单元模型Gff(z-1)的参数，按如下方法实现：
前馈控制模型的确定，如图4所示，以风机风速u(t)为输入，供暖出水口温度T(t)为输出的系统模型为Go(z-1)，以扰动相变蓄热炉炉温Tl(t)为输入，供暖出水口温度T(t)为输出的扰动模型为Gd(z-1)，当系统只有扰动相变蓄热炉炉温Tl(t)输入时，产生的温度输出为：
T(t)＝Go(z-1)Gff(z-1)T1(t)+Gd(z-1)T1(t)
当储热炉温度变化时，产生的温度输出为零，即达到储热炉温度扰动对系统输出没有影响，此时
T(t)＝Gff(z-1)Go(z-1)T1(t)+Gd(z-1)T1(t)＝0
由此可得前馈控制的模型为：
储热供暖系统最小二乘辨识模型的建立，设系统模型Go(z-1)和扰动模型Gd(z-1)分别为：
根据系统模型Go(z-1)和扰动模型Gd(z-1)，则供暖出水口温度T(t)为
式中
ξ(t)为白噪声。
选择采样周期Ts，则t＝kTs，根据供暖出水口温度T(t)表达式，可以建立系统模型和扰动模型的最小二乘表达式
省略Ts，可表示为
式中：
θ(k)为
确定相变蓄热供暖系统模型A(z-1)、B(z-1)、C(z-1)的阶次na、nb、nc和延迟步数d；
基于建立的包括系统模型和扰动模型的最小二乘表达式，初始化估计参数向量的初值和数据向量的初值P(0)，P(0)＝106I，I为单位矩阵；
采样当前供暖出水温度T(k)、储热炉的温度T1(k)和循环热风风速u(k)；
更新数据向量
利用下式计算K(k)、和P(k)；
k→k+1，返回采样当前供暖出水温度T(k)、相变蓄热炉炉温Tl(t)和循环热风风速u(k)，循环；
循环次数到时，结束循环，得到以风机风速u(t)为输入，供暖出水口温度T(t)为输出的系统模型Go(z-1)，以扰动相变蓄热炉炉温Tl(t)为输入，供暖出水口温度T(t)为输出的扰动模型Gd(z-1)。
利用辨识输出的系统模型Go(z-1)和扰动模型Gd(z-1)，实时自适应调整前馈控制器模型
在具体实施对象上，检测到相变电蓄热系统处于加热状态时，按上述步骤，确定相变蓄热供暖系统模型A、B、C的阶次na＝4、nb＝2、nc＝3，延迟步数d＝1，采样时间为600秒，即延迟时间为10分钟。
经递推增广最小二乘辨识，得到既加热又放热工况下以风机风速u(k)为输入，供暖出水口温度T(k)为输出，可测电蓄热炉炉温T1(k)为扰动的系统模型：
A1(z-1)T(k)＝B1(z-1)u(k)+C1(z-1)T1(k)，
其中：
A1(z-1)＝1-0.4140z-1+0.2657z-2-0.5711z-3-0.2830z-4，
B1(z-1)＝-0.0154z-1+0.0172z-2-0.0031z-3，
C1(z)＝1+0.000543z-1+0.000087z-2-0.000029z-3。
得到输入为电蓄热炉炉温T1(k)，输出为供暖出水温度T(k)的扰动模型Gd1(z)，
得到输入为风机风速u(k)，输出为供暖出水温度T(k)的系统模型Go1(z)，
得到既加热又放热工况时，前馈补偿控制单元的模型Gff1(z)，
将采集的相变电蓄热炉炉温Tl(t)，作为可测干扰输入到前馈补偿单元，由前馈补偿控制单元产生前馈补偿控制量u2(t)＝Gff1(z-1)T1(t)。
将前馈与反馈两部分得到的控制量求和，得到系统总的控制量u(t)＝u1(t)+u2(t)，并以此控制量来控制变频风机。
实施实例的既加热又放热供暖工况的控制效果如图6所示，既加热又放热供暖工况从0:00到06：00，大约持续6个小时。如图6所示，与传统PID控制相比，本专利所提方法大幅降低了既加热又放热供暖工况下供暖出水口温度的波动，提高了相变电蓄热系统供暖的稳定性和可靠性。
在实施实例上，检测到相变电蓄热系统处于单纯放热供暖工况时，确定相变蓄热供暖系统模型A2、B2、C2的阶次na＝4、nb＝2、nc＝3，延迟步数d＝1，采样时间为600秒，即延迟时间为10分钟。
经递推增广最小二乘辨识，得到单纯放热工况下，以风机风速u(k)为输入，供暖出水口温度T(k)为输出，可测电蓄热炉炉温T1(k)为扰动的系统模型：
A2(z-1)T(k)＝B2(z-1)u(k)+C2(z-1)T1(k)，
其中
A2(z-1)＝1-0.3301z-1-0.3644z-2-0.2367z-3-0.0704z-4，
B2(z)＝0.0014z-1-0.000862z-2-0.0029z-3，
C2(z-1)＝1-0.000707z-1+0.000621z-2-0.000913z-3。
得到输入为电蓄热炉炉温T1(k)，输出为供暖出水温度T(k)的扰动模型
Gd2(z)，
得到输入为风机风速u(k)，输出为供暖出水温度T(k)的系统模型Go2(z)，
得到单纯放热工况时前馈补偿控制单元的模型Gff2(z)，
用采集的相变电蓄热炉炉温Tl(t)，作为可测干扰输入到前馈补偿单元，由前馈补偿控制单元产生前馈补偿控制量u2(t)＝Gff2(z-1)T1(t)。
将前馈与反馈两部分得到的控制量求和，得到系统总的控制量u(t)＝u1(t)+u2(t)，并以此控制量来控制变频风机。
实施实例的单纯放热供暖工况的控制效果如图7所示，单纯放热供暖工况从06:00到次日00:00，大约持续18个小时。如图7所示与传统PID控制相比，本专利所提方法大幅降低了相变电蓄热系统单纯放热供暖工况下供暖出水口温度的波动，提高了相变电蓄热系统供暖的稳定性和可靠性。
Claims (5)
1.一种分工况PID+自适应前馈补偿相变电蓄热供暖系统，其特征在于：该系统包括风循环系统和水循环系统，所述水循环系统与风循环系统通过换热器进行换热，输出供暖热水；所述风循环系统包括变频风机(1)、下风道(3)、相变蓄热炉(4)和上风道(5)；
水循环系统包括换热器(6)和供暖管线(7)；
变频风机(1)通过下风道(3)连接至相变蓄热炉(4)，相变蓄热炉(4)通过上风道(5)连接至换热器(6)，上风道(5)与换热器(6)入口端相连，换热器(6)连接供暖管线(7)和变频风机(1)。
2.根据权利要求1所述的分工况PID+自适应前馈补偿相变电蓄热供暖系统，其特征在于：所述相变电蓄热供暖系统还包括上位机、控制器(8)、执行器(2)、温度检测装置(9)；换热器(6)和相变蓄热炉(4)分别接有温度检测装置(9)，温度检测装置(9)与上位机相连；控制器(8)与换热器(6)和执行器(2)相连，执行器(2)与变频风机(1)相连。
3.针对权利要求1所述的分工况PID+自适应前馈补偿相变电蓄热供暖系统所实施的供暖系统控制方法，其特征在于：
所述控制方法包括以下几个步骤：
S1：根据天气预报确定合适的供暖出水温度Tr(t)作为控制目标；
S2：采集供暖系统的出水温度T(t)，同时检测相变电蓄热供暖系统处于何种工况，根据相变电蓄热供暖系统所处工况，选择对应的PID控制器，得到PID控制器输出的控制量u1(t)；
S3：采集风速u(t)、相变蓄热炉炉温Tl(t)和供暖出水口温度T(t)，实时自适应调整前馈补偿控制单元模型Gff(z-1)的参数；
S4：用采集的相变电蓄热炉炉温Tl(t)，作为可测干扰输入到前馈补偿单元，由前馈补偿控制单元产生前馈补偿控制量u2(t)＝Gff(z-1)T1(t)；
S5：将前馈与反馈两部分得到的控制量求和，得到系统总的控制量u(t)＝u1(t)+u2(t)，并以此控制量来控制变频风机。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，步骤S2分工况选择PID控制器，根据系统存在的谷电加热又放热供暖和谷峰、谷平时间段单纯放热供暖两种不同的工况，分别设计两个PID控制器：PID1和PID2，对应的PID参数分别为KP1,KI1,KD1和KP2,KI2,KD2；设计好两个PID控制器参数后，分工况PID控制器的实现步骤如下：
S21:采样供暖出水温度T(t)，计算供水温度误差e(t)＝Tr(t)-T(t)；
S22:实时检测储热炉是否进行加热来进行工况判断，选择对应的PID控制器，加热时选择PID1，不加热时选择PID2；
S23:按选择的PID控制器，两种工况下的PID控制器的输出分别为：
5.根据权利要求3所述的相变电蓄热供暖系统的控制方法，其特征在于，步骤S3自适应调整前馈控制器参数，按如下方法实现：
S31:前馈控制模型的确定，设以风机风速u(t)为输入，供暖出水口温度T(t)为输出的系统模型为Go(z-1)，以扰动相变蓄热炉炉温Tl(t)为输入，供暖出水口温度T(t)为输出的扰动模型为Gd(z-1)，当系统只有扰动相变蓄热炉炉温Tl(t)输入时，产生的温度输出为：
T(t)＝Go(z-1)Gff(z-1)T1(t)+Gd(z-1)T1(t)
当储热炉温度变化时，产生的温度输出为零，即达到储热炉温度扰动对系统输出没有影响，此时
T(t)＝Gff(z-1)Go(z-1)T1(t)+Gd(z-1)T1(t)＝0
由此可得前馈控制的模型为：
S32：储热供暖系统最小二乘辨识模型的建立，设系统模型Go(z-1)和扰动模型Gd(z-1)分别为：
根据系统模型Go(z-1)和扰动模型Gd(z-1)，则供暖出水口温度T(t)为
式中
ξ(t)为白噪声；
na、nb、nc为蓄热供暖系统模型A(z-1)、B(z-1)、C(z-1)的阶次；
d为延迟步数；
选择采样周期Ts，则t＝kTs，根据供暖出水口温度T(t)表达式，可以建立系统模型和扰动模型的最小二乘表达式
省略Ts，可表示为
式中：
S33：确定相变蓄热供暖系统模型A(z-1)、B(z-1)、C(z-1)的阶次na、nb、nc和延迟步数d；
S34：基于建立的包括系统模型和扰动模型的最小二乘表达式，初始化估计参数向量的初值和数据向量的初值P(0)，P(0)＝106I，I为单位矩阵；
S35：采样当前供暖出水温度T(k)、相变蓄热炉炉温Tl(t)和风机风速u(k)；
S36：更新数据向量
S37：利用下式计算K(k)、和P(k)；
S38：k→k+1，返回S35循环；
S39：循环次数到时结束循环，得到以风机风速u(t)为输入，供暖出水口温度T(t)为输出的系统模型Go(z-1)，以扰动相变蓄热炉炉温Tl(t)为输入，供暖出水口温度T(t)为输出的扰动模型Gd(z-1)；
S310：利用辨识输出的系统模型Go(z-1)和扰动模型Gd(z-1)，实时自适应调整前馈控制器模型
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