CN111750420B - 一种清洁供暖系统的控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种清洁供暖系统的控制系统及方法，涉及清洁供暖系统控制技术领域；系统包括控制器、用于采集户外光照度的照度计、用于采集户外空气温度的第一测温仪、用于采集室内空气温度的第二测温仪、用于采集蓄热水箱出口供暖循环水温度的第三测温仪和用于采集室内入口供暖循环水温度的第四测温仪；方法包括S1加热循环控制的步骤，所述步骤S1加热循环控制包括S101数据采集、S102计算热量需求、S103计算运行时间和S104控制启停的步骤；其通过控制器、照度计和第一至第四测温仪等，实现了清洁供暖系统工作效率较高。

Description

一种清洁供暖系统的控制系统及方法
技术领域
本发明涉及清洁供暖系统控制技术领域，尤其涉及一种清洁供暖系统的控制系统及方法。
背景技术
北方地区冬季清洁取暖工作的推进，农村取暖是重点，也是难点问题。当前，针对农村取暖替代有很多方案，比如煤改电、煤改气等。大面积的煤改电对农村配电网容量造成了严重挑战，必须进行电网升级改造才能推广，同时电采暖费用也超出农民的承受能力，因此目前煤改电推进缓慢；煤改气由于天然气气源紧张，冬季采暖高峰期常出现天然气不够用的情况，同时，天然气取暖费用除去政府补贴部分仍然显得十分昂贵。此外，还有农户采用太阳能集热、空气源热泵、地源热泵、生物质炉、谷电锅炉加相变储能等方式进行取暖改造，但以上任一种取暖方式都存在一定弊端，系统运行成本高、供暖能力不足或用户端热负荷不稳定，无法靠单热源系统满足供暖需求。
多种清洁能源联合运行，采用多种热源互补，既能保证农户采暖热量供应，又可实现清洁无污染，是解决当前农村清洁取暖问题的重要途径。现有技术只是从结构上将多个清洁能源系统简单组合起来，具备同时运行保障供暖的能力，但不具备系统级协调优化控制能力，存在控制精度低，运行成本高，能源利用效率低的问题。
因此，目前农村清洁取暖问题尚未完全解决，仍需在现有技术基础上进行技术革新才有可能彻底解决农村清洁取暖难题。如果能够实现两到三种低成本清洁供暖系统联合供暖，互补运行，并以降低系统运行成本为目标进行系统级优化控制，将有效解决北方地区农村取暖问题，实现清洁供暖的大面积推广。
现有技术问题及思考：
如何解决清洁供暖系统工作效率较低的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种清洁供暖系统的控制系统及方法，其通过控制器、照度计和第一至第四测温仪等，实现了清洁供暖系统工作效率较高。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种清洁供暖系统的控制系统包括控制器、用于采集户外光照度的照度计、用于采集户外空气温度的第一测温仪、用于采集室内空气温度的第二测温仪、用于采集蓄热水箱出口供暖循环水温度的第三测温仪和用于采集室内入口供暖循环水温度的第四测温仪，所述照度计与控制器连接并单向通信，所述第一至第四测温仪分别与控制器连接并单向通信，控制器的控制端分别与集热器的控制端、生物质炉的控制端和加热器的控制端连接并单向通信。
进一步的技术方案在于：还包括加热循环控制模块，用于控制器获取户外光照度、户外空气温度、室内空气温度、蓄热水箱出口供暖循环水温度和室内入口供暖循环水温度的数据，计算并获得下一时段的热量需求以及集热器、生物质炉和加热器的运行时间，控制器根据集热器的运行时间生成集热器的启动或者停止指令并发送至集热器，控制器根据生物质炉的运行时间生成生物质炉的启动或者停止指令并发送至生物质炉，控制器根据加热器的运行时间生成加热器的启动或者停止指令并发送至加热器。
进一步的技术方案在于：还包括供热循环控制模块，用于控制器获取室内空气温度的数据，根据室内空气温度变化率计算并获得下一时刻室内空气温度值，根据下一时刻室内空气温度值计算获得供暖循环控制输出量并发送至第一泵。
进一步的技术方案在于：还包括集热器、蓄热水箱、生物质炉、加热器、第一泵、第二泵和室内的散热器，所述加热器位于蓄热水箱内，所述集热器、蓄热水箱和第二泵串联导通并形成第一环路，所述蓄热水箱、第一泵、生物质炉和散热器串联导通并形成第二环路；控制器的控制端分别与第一泵的控制端和第二泵的控制端连接并单向通信。
进一步的技术方案在于：加热循环控制模块，还用于照度计获取户外光照度的信息并发送至控制器，第一测温仪获取户外空气温度的信息并发送至控制器，第二测温仪获取室内空气温度的信息并发送至控制器，第三测温仪获取蓄热水箱出口供暖循环水温度的信息并发送至控制器，第四测温仪获取室内入口供暖循环水温度的信息并发送至控制器。
进一步的技术方案在于：供热循环控制模块，还用于第二测温仪获取室内空气温度的信息并发送至控制器。
一种清洁供暖系统的控制方法包括S1加热循环控制的步骤，所述步骤S1加热循环控制包括S101数据采集、S102计算热量需求、S103计算运行时间和S104控制启停的步骤，S101数据采集，采集户外光照度、户外空气温度、室内空气温度、蓄热水箱出口供暖循环水温度、室内入口供暖循环水温度；S102计算热量需求，根据户外空气温度、室内空气温度和蓄热水箱出口供暖循环水温度，计算下一时段热量需求；S103计算运行时间，根据热量需求和运行时长的约束条件，以最低运行成本为优化目标，通过寻优算法得到下一时段集热器、生物质炉和加热器的运行时间；S104控制启停，根据下一时段集热器、生物质炉和加热器的运行时间分别相应控制下一时段集热器、生物质炉和加热器的运行时间启动或者停止。
进一步的技术方案在于：所述步骤S1加热循环控制还包括S105循环的步骤，S105循环，判断当前时段是否运行结束，若运行结束，则返回S101步骤继续循环运行。
进一步的技术方案在于：还包括在步骤S1之后的S2供热循环控制的步骤，所述步骤S2供热循环控制包括S201采集户室内空气温度、S202预测未来温度值并获得供暖循环控制输出量和S203控制供暖循环水流量的步骤，S201采集户室内空气温度，采集户室内空气温度；S202预测未来温度值并获得供暖循环控制输出量，根据采集到的室内空气温度值进行温度预测，将预测后的温度值作为控制器的反馈输入，经控制器运算后得到供暖循环控制输出量，即供暖循环水泵控制PWM值；S203控制供暖循环水流量，控制器根据供暖循环控制输出量PWM值控制第一泵的转速，从而控制供暖循环水流量。
进一步的技术方案在于：在步骤S202中，根据室内空气温度变化率计算并获得下一时刻室内空气温度值，下一时刻室内空气温度值即预测后的温度值。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
一种清洁供暖系统的控制系统包括控制器、用于采集户外光照度的照度计、用于采集户外空气温度的第一测温仪、用于采集室内空气温度的第二测温仪、用于采集蓄热水箱出口供暖循环水温度的第三测温仪和用于采集室内入口供暖循环水温度的第四测温仪，所述照度计与控制器连接并单向通信，所述第一至第四测温仪分别与控制器连接并单向通信，控制器的控制端分别与集热器的控制端、生物质炉的控制端和加热器的控制端连接并单向通信。其通过控制器、照度计和第一至第四测温仪等，实现了清洁供暖系统工作效率较高。
一种清洁供暖系统的控制方法包括S1加热循环控制的步骤，所述步骤S1加热循环控制包括S101数据采集、S102计算热量需求、S103计算运行时间和S104控制启停的步骤，S101数据采集，采集户外光照度、户外空气温度、室内空气温度、蓄热水箱出口供暖循环水温度、室内入口供暖循环水温度；S102计算热量需求，根据户外空气温度、室内空气温度和蓄热水箱出口供暖循环水温度，计算下一时段热量需求；S103计算运行时间，根据热量需求和运行时长的约束条件，以最低运行成本为优化目标，通过寻优算法得到下一时段集热器、生物质炉和加热器的运行时间；S104控制启停，根据下一时段集热器、生物质炉和加热器的运行时间分别相应控制下一时段集热器、生物质炉和加热器的运行时间启动或者停止。其通过S1加热循环控制的步骤等，实现了清洁供暖系统工作效率较高。
详见具体实施方式部分描述。
附图说明
图1是本发明实施例1的原理框图；
图2是本发明实施例1的结构图；
图3是本发明实施例2的流程图；
图4是图3中S1步骤的流程图；
图5是图3中S2步骤的流程图；
图6是图4中S103步骤的流程图。
其中：51太阳能集热器、52蓄热水箱、53生物质炉、54电辅热加热器、55供热循环水泵、56加热循环水泵、57散热器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1：
如图1和图2所示，本发明公开了一种清洁供暖系统的控制系统包括集热器51、蓄热水箱52、生物质炉53、电辅热加热器54、供热循环水泵55、加热循环水泵56、室内的散热器57、控制器、用于采集户外光照度的照度计、用于采集户外空气温度的第一测温仪、用于采集室内空气温度的第二测温仪、用于采集蓄热水箱出口供暖循环水温度的第三测温仪和用于采集室内入口供暖循环水温度的第四测温仪以及加热循环控制模块和供热循环控制模块两个程序模块，所述电辅热加热器54位于蓄热水箱52内，供热循环水泵55为第一泵，加热循环水泵56为第二泵。
如图2所示，所述集热器51、蓄热水箱52和加热循环水泵56串联导通并形成第一环路，所述蓄热水箱52、供热循环水泵55、生物质炉53和散热器串联导通并形成第二环路。
如图1所示，所述照度计与控制器连接并单向通信，所述第一测温仪与控制器连接并单向通信，所述第二测温仪与控制器连接并单向通信，所述第三测温仪与控制器连接并单向通信，所述第四测温仪与控制器连接并单向通信，所述控制器的控制端分别与集热器51的控制端、生物质炉53的控制端、电辅热加热器54的控制端、供热循环水泵55的控制端和加热循环水泵56的控制端连接并单向通信。
加热循环控制模块，用于控制器获取户外光照度、户外空气温度、室内空气温度、蓄热水箱出口供暖循环水温度和室内入口供暖循环水温度的数据，计算并获得下一时段的热量需求以及集热器51、生物质炉53和电辅热加热器54的运行时间，控制器根据集热器51的运行时间生成集热器51的启动或者停止指令并发送至集热器51，控制器根据生物质炉53的运行时间生成生物质炉53的启动或者停止指令并发送至生物质炉53，控制器根据电辅热加热器54的运行时间生成电辅热加热器54的启动或者停止指令并发送至电辅热加热器54。
供热循环控制模块，用于控制器获取室内空气温度的数据，根据室内空气温度变化率计算并获得下一时刻室内空气温度值，根据下一时刻室内空气温度值计算获得供暖循环控制输出量并发送至供热循环水泵55。
本申请的硬件部分为组合发明，其中，控制器为单片机，集热器、蓄热水箱、生物质炉、电辅热加热器、供热循环水泵、加热循环水泵、室内的散热器、控制器、照度计和第一至第四测温仪本身以及相应的通信连接技术为现有技术在此不再赘述。
实施例2：
如图3～图6所示，本发明公开了一种清洁供暖系统的控制方法包括S1加热循环控制和S2供热循环控制的步骤，所述步骤S1加热循环控制包括S101数据采集、S102计算热量需求、S103计算运行时间、S104控制启停和S105循环的步骤，所述步骤S2供热循环控制包括S201采集户室内空气温度、S202预测未来温度值并获得供暖循环控制输出量和S203控制供暖循环水流量的步骤，具体如下。
S1加热循环控制
S101数据采集
采集户外光照度、户外空气温度、室内空气温度、蓄热水箱出口供暖循环水温度、室内入口供暖循环水温度。
S102计算热量需求
根据户外空气温度、室内空气温度和蓄热水箱出口供暖循环水温度，计算下一时段热量需求。
S103计算运行时间
根据热量需求和运行时长的约束条件，以最低运行成本为优化目标，通过寻优算法得到下一时段集热器、生物质炉和电辅热加热器的运行时间。
S104控制启停
根据下一时段集热器、生物质炉和电辅热加热器的运行时间分别相应控制下一时段集热器、生物质炉和电辅热加热器的运行时间启动或者停止。
S105循环
判断当前时段是否运行结束，若运行结束，则返回S101步骤继续循环运行。
S2供热循环控制
S201采集户室内空气温度
采集户室内空气温度。
S202预测未来温度值并获得供暖循环控制输出量
根据采集到的室内空气温度值进行温度预测，将预测后的温度值作为控制器的反馈输入，经控制器运算后得到供暖循环控制输出量，即供暖循环水泵控制PWM值。
S203控制供暖循环水流量
控制器根据供暖循环控制输出量PWM值控制循环水泵转速，从而控制供暖循环水流量。
本申请的发明构思：
解决现有清洁供暖系统控制精度低、单热源清洁供暖系统供热能力不足，多清洁能源系统联合运行能源利用效率低、系统运行成本高的问题，本发明提供一种基于太阳能、生物质炉和电辅热协调运行的清洁供暖系统控制方法及装置。
本发明涉及一种清洁供暖系统控制方法及装置。现有技术多采用单热源供暖系统，且对清洁供暖系统温度控制精度低，造成大量热能浪费或导致用户供暖不达标；或将多种清洁供暖系统简单组合起来运行，并未针对多种清洁能源系统的运行成本进行优化控制，导致系统运行成本高，能源利用效率低。
本发明的构思在于，提供一种太阳能、生物质炉、电辅热联合运行的清洁供暖系统控制方法，并以系统运行成本最低作为控制目标，对加热循环过程进行优化控制，可在满足供暖热量需求的前提下，降低系统运行成本，提高能源利用效率；根据距离供热末端的室内入口供暖循环水温度变化率和室内空气温度，得到供暖循环控制输出量，控制供热循环水流量，提高了供热温度控制精度，解决了室内温度控制滞后的问题，避免造成大量热能浪费或用户供暖不达标的情况。
本申请的技术贡献：
本发明提供了一种太阳能、生物质炉和电辅热联合运行清洁供暖系统的控制方法及装置，以至少解决现有清洁供暖系统控制精度低、单热源清洁供暖系统供热能力不足，多清洁能源系统联合运行能源利用效率低、系统运行成本高的问题。
种清洁供暖系统控制方法包括加热循环控制控制方法和供热循环控制方法。
加热循环控制方法步骤如下：
第一步，采集户外光照度、户外空气温度、室内空气温度、蓄热水箱出口供暖循环水温度、室内入口供暖循环水温度。
第二步，根据户外空气温度、室内空气温度、蓄热水箱出口供暖循环水温度，计算下一时段热量需求。
第三步，根据热量需求、运行时长等约束条件，以最低运行成本为优化目标，通过寻优算法得到下一时段太阳能、生物质炉和电辅热系统的运行时间。
第四步，根据各系统的运行时间分别控制太阳能、生物质炉和电辅热系统启停。
第五步，判断当前时段是否运行结束，若运行结束，则返回第一步继续循环运行。
供热循环控制方法步骤如下：
第一步，采集户室内空气温度。
第二步，根据采集到的室内空气温度值进行温度预测，将预测后的温度值作为PID控制器的反馈输入，经PID控制器运算后得到供暖循环控制输出量，即供暖循环水泵控制PWM值。
第三步，控制器根据供暖循环控制输出量PWM值控制循环水泵转速，从而控制供暖循环水流量。
如图1所示，采集单元包括用于采集户外光照度的照度计、用于采集户外空气温度的第一测温仪、用于采集室内空气温度的第二测温仪和用于采集蓄热水箱出口供暖循环水温度的第三测温仪；控制器包括处理单元，用于处理加热循环控制第二步、第三步运算，处理供热循环中第二步运算；控制器，用于控制太阳能加热循环水泵启停；控制器，用于控制生物质炉启停；控制器，用于控制电辅热加热器启停；控制器，用于控制供暖循环水流量。
技术方案说明：
如图2所示，集热器为太阳能集热器51、蓄热水箱52、生物质炉53、电辅热加热器54、供热循环水泵55、加热循环水泵56、室内的散热器57。
控制方法包括加热循环控制控制方法和供热循环控制方法。
如图4所示，加热循环控制方法流程图，包括如下步骤：
第一步，采集户外光照度、户外空气温度、室内空气温度、蓄热水箱出口供暖循环水温度；户外光照度检测装置安装在太阳能集热器同角度的无阳光遮挡位置，户外空气温度检测装置安装在户外通风状况良好的任意位置，室内空气温度检测装置安装在室内中心区域距离地面1米以上的位置，蓄热水箱出口供暖循环水温度检测装置安装在蓄热水箱供热循环出水口位置。
第二步，根据户外空气温度、室内空气温度、蓄热水箱出口供暖循环水温度，计算下一时段热量需求。
Qneed＝C*G*(T2-T1)*δ 公式1
Figure BDA0002500749790000091
Figure BDA0002500749790000092
其中Q表示需热量，C表示水的比热，G表示下一时段供热所需工质总流量，T2为蓄热水箱出口供暖循环水温度，T1为室内空气温度，为供热系数，T3表示户外空气温度，S表示户内面积。
如图6所示，第三步，根据热量需求、运行时长等约束条件，以最低运行成本为优化目标，通过寻优算法得到下一时段太阳能、生物质炉和电辅热系统的运行时间。
1.分别计算太阳能、生物质炉、电辅热三个子系统当前状态下的出力能力Q1，Q2，Q3以及当前系统的运行成本C1，C2，C3。
Figure BDA0002500749790000093
Q2＝Q2e 公式5
Q3＝Q3e 公式6
C1＝Ppump*1*E1 公式7
C2＝K*E2 公式8
C3＝Pheat*E1 公式9
其中Q1表示太阳能集热器此时的加热功率，单位KJ/s，Q1e表示太阳能集热器的额定功率，单位KJ/s，Φ1表示当前户外光照度，单位Lux，Φe表示太阳能集热器额定光照度，单位Lux。
Q2表示生物质炉此时的加热功率，单位KJ/s，Q2e表示生物质炉在当前燃料状态下的额定加热功率，单位KJ/s。
Q3表示电辅热系统此时的加热功率，单位KJ/s，Q3e表示电辅热系统额定加热功率，单位KJ/s。
C1表示太阳能集热器回路的单位时间运行成本，单位元/h，Ppump表示太阳能集热器回路的循环水泵电功率，单位KW，E1表示下一时段的峰谷电价价格，单位元/KWh。
C2表示生物质炉单位时间运行成本，单位元/h，K表示生物质炉单位时间消耗的燃料量，单位kg/h，E2表示单位质量燃料量的价格，单位元/kg。
C3表示电辅热系统的单位时间运行成本，单位元/h，Pheat表示电辅热系统的电加热功率，单位KW，E1表示下一时段的峰谷电价价格，单位元/KWh。
2.计算下时段系统整体运行产生的热量Qsupply以及消耗的成本C
Qsupply＝3600*(Q1*t1+Q2*t2+Q3*t3) 公式10
C＝C1*t1+C2*t2+C3*t3 公式11
其中Q表示下时段系统整体运行产生的热量，单位KJ；C表示下时段系统运行消耗的成本，单位元；t1、t2、t3分别表示太阳能、生物质炉、电辅热系统下时段分别运行的时间，单位为小时，用h表示。
3.计算系统运行的约束条件，其中Tc表示下时段的时间长度。
Figure BDA0002500749790000111
4.建立种群初始参数并初始化，确定蚁狮种群数N，最大迭代次数为Amax，变量维数dim，蚂蚁的位置为ANTPOS，蚁狮的位置为ANTLIONPOS；蚂蚁的适应度值为Fitant；蚁狮的适应度值为Fitantlion。
对种群进行初始化如下：
ANTPOSn，d＝0+rand*(Tc-0) 公式13
ANTPOSn，d表示蚂蚁的初始位置，n＝1，2…N；d＝1，2…dim；rand为随机数，取值范围为[0，1]。蚁狮的初始位置与蚂蚁相同。在本设计中，dim为3。
计算蚂蚁和蚁狮的适应度值，计算公式如下：
Fitant(n)＝C1*ANTPOSn，1+C2*ANTPOSn，2+C3*ANTPOSn，3 公式14
Fitantlion(n)＝C1*ANTLIONPOSn，1+C2*ANTLIONPOSn，2+C3*ANTLIONPOSn，3 公式15
根据计算出的蚂蚁、蚁狮适应度值进行排序，选取适应度值最小的蚁狮作为精英蚁狮RE。
5.为每只蚂蚁随机匹配一只蚁狮，根据匹配到的蚁狮位置计算蚂蚁游走范围的边界值，并让蚂蚁分别围绕精英蚁狮和及随机选中的蚁狮进行游走，并更新蚂蚁的位置，计算方法如下：
u(a)＝u(a)/I 公式16
d(a)＝d(a)/I 公式17
Figure BDA0002500749790000112
Figure BDA0002500749790000113
其中u(a)表示全部变量第a次迭代的上界，d(a)表示全部变量第a次迭代的下界；ω由当前迭代次数与最大迭代次数决定，a表示当前迭代次数，rand1，rand2，rand3分别为(0，1)之间的随机数。
Figure BDA0002500749790000121
Figure BDA0002500749790000122
每只蚂蚁在其位置所有的维度进行随机游走的位置计算公式为：
ANTPOS(a)＝[cumsum(2r(a1)-1...，cumsum(2r(an)-1] 公式22
Figure BDA0002500749790000123
ANTPOS(a)为蚂蚁第a次迭代的位置，cumsum为累加和，a为当前迭代次数，n为最大迭代次数，r(a)为随机函数，rand4为(0，1)随机数。
蚂蚁的游走位置ANTPOSn(a)进行归一化公式为：
Figure BDA0002500749790000124
其中min(ANTPOSd(a))表示蚂蚁第a次迭代第d个变量的最小值，max(ANTPOSd(a))表示蚂蚁第a次迭代第d个变量维度的最大值，ud(a)和dd(a)分别是第a次迭代第d个变量的上界和下界。
蚂蚁分别围绕精英蚁狮和及随机选中的蚁狮进行随机游走，第a代第n个蚂蚁在第d维的位置计算方法为：
Figure BDA0002500749790000125
其中RS(a)为蚂蚁在随机选择蚁狮周围随机游走时利用公式16-公式24计算出来的位置，RE(a)为蚂蚁在精英蚁狮周围随机游走时利用公式16-公式24计算出来的位置。并利用该位置作为下一代蚂蚁的初始位置。
6.利用公式14计算更新位置后的蚂蚁适应度值，并与蚁狮进行适应度值比较，当蚂蚁的适应度值小于蚁狮适应度值时，蚁狮对蚂蚁进行捕获，同时，蚁狮获得蚂蚁的位置：
ANTLIONPOS(a)＝ANTPOS(a)，Fitant(a)＜Fitantlion(a) 公式26
7.判断迭代次数a是否达到最大迭代次数Amax，若未达到最大，则重复步骤5-步骤6继续进行迭代，若达到最大迭代次数，则寻优算法结束，将当前精英蚁狮位置(t1，t2，t3)作为全局最优解输出。
第四步，根据各系统的运行时间分别控制太阳能、生物质炉和电辅热系统启停。根据第三步运算出来的全局最优解(t1，t2，t3)，t1、t2、t3分别为太阳能、生物质炉和电辅热系统的计划运行时间。在下一时段开始时刻t0，控制器根据(t1，t2，t3)值检查各子系统运行状态，若t1，t2，t3值不为0，则对应子系统需在t0时刻开启运行；当控制器监测到该时段内某子系统运行时长达到计划值且计划值小于当前时间段长度Tc，则在该时刻关闭该子系统。
第五步，控制器判断当前时段是否运行结束，若运行结束，则返回第一步继续循环运行。
如图5所示，清洁供暖系统的供热循环控制方法，具体步骤如下：
第一步，采集户室内空气温度。户内空气温度传感器安装在室内距离地面1米高度的位置，同时距离暖气片、窗户或其他热源/冷源3米以上。室内空气温度的采集周期为Ttemp，Ttemp为供暖控制回路的控制周期，在本实施例中取Ttemp＝100ms。
第二步，根据采集到的室内空气温度值进行温度预测，将预测后的温度值作为PID控制器的反馈输入，经PID控制器运算后得到供暖循环控制输出量，即供暖循环水泵控制PWM值。实现方法为在传统PID控制的基础上增加预测环节，预测环节实现对未来室内空气温度值的预测，从而在当前时刻通过室内空气温度及其变化率推导出未来室内空气的温度值，然后由PID控制器对未来温度值做闭环控制，可以有效克服系统的大迟延特性，提高温度控制的精度，解决了现有技术控制精度低，室内温度控制滞后的问题。
根据采集到的室内空气温度Troom进行预测。预测环节通过ta和ta-L两个时刻的室内空气温度值及其变化率即实现对未来ta+L时刻温度的预测。预测环节实现方法为：
y(ta+L)＝[2*y(ta)-y(ta-L)]+[y′(ta)-y′(ta-L)]*L 公式27
其中，ta为当前时刻，L为预测时长，y(ta+L)为未来ta+L时刻的室内温度值，y(ta)为当前时刻的室内温度值，y(ta-L)为ta-L时刻的室内温度值，y′(ta)为y(ta)的变化率，y′(ta-L)为y(ta-L)的变化率。
在本实施例中，预测时长L取300s。
2、将预测到的室内空气温度值作为PID控制器的反馈输入，进行PID运算，得到PID控制输出量，即供暖循环水泵控制PWM值。PID控制器的离散化方程可以用公式28表示：
Figure BDA0002500749790000141
其中Kp表示比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间，T为系统周期，R为设定值，u(k)表示PID控制器第k次运算的输出值，yk表示第k次运算周期时被控对象的输出值。
在本实施例中，Kp设置为1.35，Ti设置为60，Td为0.8。
第三步，控制器根据供暖循环控制输出量PWM值控制循环水泵转速，从而控制供暖循环水流量。PID控制器在当前运算周期的输出量u为循环水泵的输入控制量，当PID控制器输出量u改变时，循环水泵的转速随之改变，从而改变供热循环水流量，实现闭环调节。
本申请保密运行一段时间后，现场技术人员反馈的有益之处在于：
1、本发明能够实现多个清洁供暖子系统的协调控制运行，解决了单热源清洁供暖系统无法满足供暖需求的难题，可大大提高清洁取暖系统的供暖可靠性和实用性。
2、本发明以最低运行成本为优化目标，根据热量需求、运行时长等约束条件针对太阳能、生物质炉和电辅热系统的运行时间进行优化计算，可降低清洁供暖系统联合运行成本，提高能源利用效率。
3、本发明根据室内空气温度及其变化率进行未来室内温度预测，并以预测温度值作为PID控制器的反馈输入进行运算，能够提前控制供暖循环水流量，从而克服了供暖温度控制系统的大迟延特性，实现了室内供暖的精准控制，解决了现有技术控制精度低，室内温度控制滞后的问题。

Claims (9)

1.一种清洁供暖系统的控制方法，其特征在于：包括S1加热循环控制的步骤，所述步骤S1加热循环控制包括S101数据采集、S102计算热量需求、S103计算运行时间和S104控制启停的步骤，S101数据采集，采集户外光照度、户外空气温度、室内空气温度、蓄热水箱出口供暖循环水温度、室内入口供暖循环水温度；S102计算热量需求，根据户外空气温度、室内空气温度和蓄热水箱出口供暖循环水温度，计算下一时段热量需求；S103计算运行时间，根据热量需求和运行时长的约束条件，以最低运行成本为优化目标，通过寻优算法得到下一时段集热器、生物质炉和加热器的运行时间；S104控制启停，根据下一时段集热器、生物质炉和加热器的运行时间分别相应控制下一时段集热器、生物质炉和加热器的运行时间启动或者停止；还包括在步骤S1之后的S2供热循环控制的步骤，所述步骤S2供热循环控制包括S201采集户室内空气温度、S202预测未来温度值并获得供暖循环控制输出量和S203控制供暖循环水流量的步骤，S201采集户室内空气温度，采集户室内空气温度；S202预测未来温度值并获得供暖循环控制输出量，根据采集到的室内空气温度值进行温度预测，将预测后的温度值作为控制器的反馈输入，经控制器运算后得到供暖循环控制输出量，即供暖循环水泵控制PWM值；S203控制供暖循环水流量，控制器根据供暖循环控制输出量PWM值控制第一泵的转速，从而控制供暖循环水流量。
2.根据权利要求1所述的一种清洁供暖系统的控制方法，其特征在于：所述步骤S1加热循环控制还包括S105循环的步骤，S105循环，判断当前时段是否运行结束，若运行结束，则返回S101步骤继续循环运行。
3.根据权利要求1所述的一种清洁供暖系统的控制方法，其特征在于：在步骤S202中，根据室内空气温度变化率计算并获得下一时刻室内空气温度值，下一时刻室内空气温度值即预测后的温度值。
4.一种采用权利要求1中控制方法的清洁供暖系统的控制系统，其特征在于：包括控制器、用于采集户外光照度的照度计、用于采集户外空气温度的第一测温仪、用于采集室内空气温度的第二测温仪、用于采集蓄热水箱出口供暖循环水温度的第三测温仪和用于采集室内入口供暖循环水温度的第四测温仪，所述照度计与控制器连接并单向通信，所述第一至第四测温仪分别与控制器连接并单向通信，控制器的控制端分别与集热器的控制端、生物质炉的控制端和加热器的控制端连接并单向通信。
5.根据权利要求4所述的一种清洁供暖系统的控制系统，其特征在于：还包括加热循环控制模块，用于控制器获取户外光照度、户外空气温度、室内空气温度、蓄热水箱出口供暖循环水温度和室内入口供暖循环水温度的数据，计算并获得下一时段的热量需求以及集热器、生物质炉和加热器的运行时间，控制器根据集热器的运行时间生成集热器的启动或者停止指令并发送至集热器，控制器根据生物质炉的运行时间生成生物质炉的启动或者停止指令并发送至生物质炉，控制器根据加热器的运行时间生成加热器的启动或者停止指令并发送至加热器。
6.根据权利要求4所述的一种清洁供暖系统的控制系统，其特征在于：还包括供热循环控制模块，用于控制器获取室内空气温度的数据，根据室内空气温度变化率计算并获得下一时刻室内空气温度值，根据下一时刻室内空气温度值计算获得供暖循环控制输出量并发送至第一泵。
7.根据权利要求4所述的一种清洁供暖系统的控制系统，其特征在于：还包括集热器、蓄热水箱、生物质炉、加热器、第一泵、第二泵和室内的散热器，所述加热器位于蓄热水箱内，所述集热器、蓄热水箱和第二泵串联导通并形成第一环路，所述蓄热水箱、第一泵、生物质炉和散热器串联导通并形成第二环路；控制器的控制端分别与第一泵的控制端和第二泵的控制端连接并单向通信。
8.根据权利要求5所述的一种清洁供暖系统的控制系统，其特征在于：加热循环控制模块，还用于照度计获取户外光照度的信息并发送至控制器，第一测温仪获取户外空气温度的信息并发送至控制器，第二测温仪获取室内空气温度的信息并发送至控制器，第三测温仪获取蓄热水箱出口供暖循环水温度的信息并发送至控制器，第四测温仪获取室内入口供暖循环水温度的信息并发送至控制器。
9.根据权利要求6所述的一种清洁供暖系统的控制系统，其特征在于：供热循环控制模块，还用于第二测温仪获取室内空气温度的信息并发送至控制器。
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