CN109631150A - 一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法 - Google Patents

一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法，包括步骤S1：建立室外天气温度与室内温度的动态关系式；步骤S2：计算室内实际温度值C3与室内温度设定值C1的偏差值ΔC，通过偏差值ΔC计算二级管网温度设定值T1；步骤S3：将二级管网温度设定值与二级管网实际供温温度T2输入到模糊自适应PID控制系统进行PID计算，得到电磁阀的开度；步骤S4：建立二级管网的温度设定值与二级管网的压力设定值的动态平衡关系，将二级管网的压力设定值F1与二级管网的实际压力值F2进行PID计算，得到二级管网中循环泵的运行频率。本发明通过PID调节计算，实现了随着室外天气的温度变化，使得室内温度随着室外温度进行自动调节。

Description

一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法
技术领域
本发明涉及热网控制技术领域，特别涉及一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法。
背景技术
热力站按供热形式分直供站和间供站，前者是电厂直接供用户，温度高，控制难，浪费热能，因此现在多采用间供站，从热力电厂到供热站之间铺设的热源管网为一级管网，从换热站到用户之间铺设的管网为二级管网，其中换热站是北方居民生活小区冬季采暖的重要节点设施之一，主要功能是从热力电厂中提取热源，通过换热站转换输送到用户的室内以抵抗严寒的天气。现有技术中都是采用人工手动去调节二级管网中的电动阀以实现调节到用户室内的供热量，不仅费时费力，且具有延时，调节不精确，不能保证用户室内温度的恒定，此外现有技术很难解决换热站运行时，天气的变化对提取热源管网中热量的影响。
因此本发明提出一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法，通过采集室外温度、室内温度、以及二级管网的供温温度和压力四个参数，通过PID调节计算，实现了随着室外天气的温度变化，使得室内温度随着室外温度进行自动调节，使得屋内温度舒适，且不会造成热量的浪费，同时也保证了二级管网中的压力稳定在设定值附近，达到恒压供水的目的，避免压力过大对二级管网或用户造成不利影响，提高了安全性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法，通过采集室外温度、室内温度、以及二级管网的供温温度和压力四个参数，通过PID调节计算，实现了随着室外天气的温度变化，使得室内温度随着室外温度进行自动调节，使得屋内温度舒适，且不会造成热量的浪费，同时也保证了二级管网中的压力稳定在设定值附近，达到恒压供水的目的，避免压力过大对二级管网或用户造成不利影响，提高了安全性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：建立室外天气温度与室内温度的动态关系式：C2＝λC1，其中，C1为室外温度，C2为室内温度设定值，λ为室内温度与室外温度的动态平衡系数；
步骤S2：计算室内实际温度值C3与室内温度设定值C1的偏差值ΔC，将偏差值ΔC输出到“二级管网供温曲线设定”程序，计算二级管网温度设定值T1；
步骤S3：将二级管网温度设定值与二级管网实际供温温度T2输入到模糊自适应PID控制系统进行PID计算，得到安装在二级管网上的电磁阀的开度，以实现电磁阀的自动调节。
步骤S4：建立二级管网的温度设定值与二级管网的压力设定值的动态平衡关系，将二级管网的压力设定值F1与二级管网的实际压力值F2进行PID计算，得到二级管网中循环泵的运行频率，实现循环泵的自动调控，使二级管网的压力稳定在设定值附近，达到恒压供水的目的，避免压力过大对二级管网或用户造成不利影响。
进一步，所述模糊自适应PID控制系统包括比较器、A/D转换单元、PID控制器、D/A转换单元、传感器、二级管网、电磁阀，所述传感器实时采集二级管网的供温温度并反馈至比较器，比较器对二级管网的温度设定值和二级管网的温度反馈值进行比较后将差值输入至所述A/D转换单元，所述A/D转换单元将温度模拟信号转换为数字信号后输入至PID控制器进行PID调节，所述PID控制器将调节结果输出到所述D/A转换单元，将数字信号转换为模拟信号后发送至电磁阀，所述电磁阀进行开度调节，并将开度值输入到二级管网，实现二级管网的供温自动控制。
进一步，所述二级管网的实际供温温度T2与电磁阀开度建立动态响应模型
T2(k)＝aiΔUK，其中：T2(k)表示二级管网k时刻的实际供温温度，ai为描述动态特性的动态系数，ΔU为电磁阀开度变化的矩阵表示，ΔUK表示k时刻的电磁阀开度。
进一步，步骤S3中所述“二级管网供温曲线设定程序”计算过程为：
步骤S301：计算需要从二级管网中提取的热量其中，Rg为用户室内所需热量，η为换热站的换热效率，其中，Rg＝ΔQ*S*ΔC，ΔQ为单位面积内温度升高1℃所需的热量，S为用户的房屋面积，ΔC为用户室内外的温度偏差值；
步骤S302：计算二级管网的温度设定值其中，T1为二级管网的设定温度，T2为二级管网的实际供温温度，C为水的比热容，M为二级管网中单位流量的水的质量。
进一步，所述二级管网的压力设定值与二级管网的温度设定值之间建立动态平衡函数关系式：f(P,V,T1)＝0，F1＝P*S，其中，P为二级管网中水的压强设定值，S为二级管网的横截面积，V为二级管网中单位流量的水的体积。
本发明的优点在于：通过采集室外温度、室内温度、以及二级管网的供温温度和压力四个参数，通过PID调节计算，实现了随着室外天气的温度变化，使得室内温度随着室外温度进行自动调节，使得屋内温度舒适，且不会造成热量的浪费，同时也保证了二级管网中的压力稳定在设定值附近，达到恒压供水的目的，避免压力过大对二级管网或用户造成不利影响，提高了安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法的流程图；
图2为本发明的一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法的模糊自适应PID控制系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：建立室外天气温度与室内温度的动态关系式：C2＝λC1(1)，其中，C1为室外温度，C2为室内温度设定值，λ为室内温度与室外温度的动态平衡系数；室外温度与室内温度呈相反的趋势变化，室外温度越高，室内温度就要越低，室外温度越低，室内温度就越高，如，室外温度为0℃时，室内温度15℃就能满足居住要求，当室外温度-30℃时，室内温度需要25℃才能达到生居住要求，比如东北地区，那么当室外温度0℃时，如果室内温度超过15℃则造成浪费，因此室内温度需要随着室外天气温度的变化进行自动调节，采取一组不同时间的室外温度建立矩阵A，同时采取对应时间段内的适合居住的室内温度建立矩阵B，A＝λB，得出λ，那么通过C2＝λC1动态关系式，就能得出室内的温度设定值；其中，每个二级管网的温度、压力、每个小区内的每个居民用户内的室内温度、每个小区的室外温度等参数均为一个单独的点群，同时大批量输入到计算机平台后，计算机平台内后采用K-mean算法进行计算分类，自动对输入的数据进行分类，以实现快速自动的对每个用户的室内温度进行计算调节，需要说明的是，K-mean算法只是本实施例的一种实施方式，并不能用于限制本发明的保护范围，还可以采用K-mean算法实现数据的自动分类，其中，K-mean算法一种静态数据分析方法，常被用于机器学习、模式识别、数据挖掘等领域。通常认为，聚类是一种无监督式的机器学习方法，它的过程是这样的：在未知样本类别的情况下，通过计算样本彼此间的距离(欧式距离,马式距离，汉明距离，余弦距离等)来估计样本所属类别。从结构性来划分，聚类方法分为自上而下和自下而上两种方法，前者的算法是先把所有样本视为一类，然后不断从这个大类中分离出小类，直到不能再分为止；后者则相反，首先所有样本自成一类，然后不断两两合并，直到最终形成几个大类。
步骤S2：计算室内实际温度值C3与室内温度设定值C1的偏差值ΔC，将偏差值ΔC输出到“二级管网供温曲线设定”程序，计算二级管网温度设定值T1，具体地，所述“二级管网供温曲线设定程序”计算过程为：
步骤S301：计算需要从二级管网中提取的热量其中，Rg为用户室内所需热量，η为换热站的换热效率，其中，Rg＝ΔQ*S*ΔC(3)，ΔQ为单位面积内温度升高1℃所需的热量，S为用户的房屋面积，ΔC为用户室内外的温度偏差值；
步骤S302：计算二级管网的温度设定值其中，T1为二级管网的设定温度，T2为二级管网的实际供温温度，C为水的比热容，M为二级管网中单位流量的水的质量。
步骤S3：将二级管网温度设定值T1与二级管网实际供温温度T2输入到模糊自适应PID控制系统进行PID计算，通过PID闭环控制，使得二级管网的温度始终工作在温度设定值附近，不会造成热量的浪费，并且所述二级管网的实际供温温度T2与电磁阀开度建立动态响应模型T2(k)＝aiΔUK(5)，其中：T2(k)表示二级管网k时刻的实际供温温度，ai为描述动态特性的动态系数，ΔU为电磁阀开度变化的矩阵表示，ΔUK表示k时刻的电磁阀开度，通过二级管网的实际供温温度T2与电磁阀开度建立的动态响应模型就能得到安装在二级管网上的电磁阀的开度，以实现电磁阀的自动调节。
步骤S4：建立二级管网的温度设定值与二级管网的压力设定值的动态平衡关系，具体地，所述二级管网的压力设定值与二级管网的温度设定值之间建立动态平衡函数关系式：f(P,V,T1)＝0(6)，F1＝P*S(7)，其中，P为二级管网中水的压强设定值，S为二级管网的横截面积，V为二级管网中单位流量的水的体积。通过建立二级管网的温度设定值与二级管网的压力设定值的动态平衡关系，就能使二级管网的压力随着温度进行自动的调节，设定合适的压力标准值，并进一步通过将二级管网的压力设定值F1与二级管网的实际压力值F2进行PID计算，得到二级管网中循环泵的运行频率，实现循环泵的自动调控，使二级管网的压力稳定在设定值附近，达到恒压供水的目的，避免压力过大对二级管网或用户造成不利影响。
其中，上述公式(1)到(7)构成一个完整的室内温度控制动态模型，能够实时根据采集的室外温度、室内温度、二级管网的温度、压力四个参数来实时控制调节用户室内的温度，具体地，采集的室外温度通过贝叶斯网络能够预测未来一段时间内的室外温度，进而通过本发明的动态模型，能够预测下一时刻的室内温度、二级管网的温度、二级管网的压力，进而能够预测二级管网中的电磁阀下一时刻的开度量。其中，贝叶斯网络是一种概率网络，它是基于概率推理的图形化网络，而贝叶斯公式则是这个概率网络的基础。贝叶斯网络是基于概率推理的数学模型，所谓概率推理就是通过一些变量的信息来获取其他的概率信息的过程，基于概率推理的贝叶斯网络(Bayesian network)是为了解决不定性和不完整性问题而提出的，它对于解决复杂设备不确定性和关联性引起的故障有很大的优势，在多个领域中获得广泛应用。
如图2所示，所述模糊自适应PID控制系统包括比较器、A/D转换单元、PID控制器、D/A转换单元、传感器、二级管网、电磁阀，所述传感器实时采集二级管网的供温温度并反馈至比较器，比较器对二级管网的温度设定值和二级管网的温度反馈值进行比较后将差值输入至所述A/D转换单元，所述A/D转换单元将温度模拟信号转换为数字信号后输入至PID控制器进行PID调节，所述PID控制器将调节结果输出到所述D/A转换单元，将数字信号转换为模拟信号后发送至电磁阀，所述电磁阀进行开度调节，并将开度值输入到二级管网，实现二级管网的供温自动控制。
工作方式:通过采集室外温度、室内温度、以及二级管网的供温温度和压力四个参数，通过PID调节计算，实现了随着室外天气的温度变化，使得室内温度随着室外温度进行自动调节，使得屋内温度舒适，且不会造成热量的浪费，同时也保证了二级管网中的压力稳定在设定值附近，达到恒压供水的目的，避免压力过大对二级管网或用户造成不利影响，提高了安全性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：建立室外天气温度与室内温度的动态关系式：C2＝λC1，其中，C1为室外温度，C2为室内温度设定值，λ为室内温度与室外温度的动态平衡系数；
步骤S2：计算室内实际温度值C3与室内温度设定值C1的偏差值ΔC，将偏差值ΔC输出到“二级管网供温曲线设定”程序，计算二级管网温度设定值T1；
步骤S3：将二级管网温度设定值与二级管网实际供温温度T2输入到模糊自适应PID控制系统进行PID计算，得到安装在二级管网上的电磁阀的开度，以实现电磁阀的自动调节；
步骤S4：建立二级管网的温度设定值与二级管网的压力设定值的动态平衡关系，将二级管网的压力设定值F1与二级管网的实际压力值F2进行PID计算，得到二级管网中循环泵的运行频率，实现循环泵的自动调控。
2.根据权利要求1所述的一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法，其特征在于，所述模糊自适应PID控制系统包括比较器、A/D转换单元、PID控制器、D/A转换单元、传感器、二级管网、电磁阀，所述传感器实时采集二级管网的供温温度并反馈至比较器，比较器对二级管网的温度设定值和二级管网的温度反馈值进行比较后将差值输入至所述A/D转换单元，所述A/D转换单元将温度模拟信号转换为数字信号后输入至PID控制器进行PID调节，所述PID控制器将调节结果输出到所述D/A转换单元，将数字信号转换为模拟信号后发送至电磁阀，所述电磁阀进行开度调节，并将开度值输入到二级管网，实现二级管网的供温自动控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法，其特征在于，所述二级管网的实际供温温度T2与电磁阀开度建立动态响应模型T2(k)＝aiΔUK，其中：T2(k)表示二级管网k时刻的实际供温温度，ai为描述动态特性的动态系数，ΔU为电磁阀开度变化的矩阵表示，ΔUK表示k时刻的电磁阀开度。
4.根据权利要求1所述的一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法，其特征在于，步骤S3中所述“二级管网供温曲线设定程序”计算过程为：
步骤S301：计算需要从二级管网中提取的热量其中，Rg为用户室内所需热量，η为换热站的换热效率，其中，Rg＝ΔQ*S*ΔC，ΔQ为单位面积内温度升高1℃所需的热量，S为用户的房屋面积，ΔC为用户室内外的温度偏差值；
步骤S302：计算二级管网的温度设定值其中，T1为二级管网的设定温度，T2为二级管网的实际供温温度，C为水的比热容，M为二级管网中单位流量的水的质量。
5.根据权利要求1所述的一种基于二级管网的温度、压力及用户室温的精准供热方法，其特征在于，所述二级管网的压力设定值与二级管网的温度设定值之间建立动态平衡函数关系式：f(P,V,T1)＝0，F1＝P*S，其中，P为二级管网中水的压强设定值，S为二级管网的横截面积，V为二级管网中单位流量的水的体积。
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