Математическое моделирование в задачах оптимального управления системами централизованного теплоснабжения

Михайленко, Илья Михайлович

Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математическое моделирование в задачах оптимального управления системами централизованного теплоснабжения

доктора технических наук: Михайленко, Илья Михайлович
город: Санкт-Петербург
год: 1998
специальность ВАК РФ: 05.13.16

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Математическое моделирование в задачах оптимального управления системами централизованного теплоснабжения»

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование в задачах оптимального управления системами централизованного теплоснабжения"

ТВ ОЛ

~ СЕ!! 1508

На правах рукописи

МИХАЙЛЕНКО Илья Михайлович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЗАДАЧАХ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург -1998

Работа выполнена в Научно-исследовательском и проектно-технологическом институте механизации и электрификации сельского хозяйства Нечерноземной зоны Российской федерации

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Полуэктов Р. А. доктор технических наук, профессор Аверьянов В. К. доктор технических наук, профессор Пономарев В.М.

Ведущая организация -Санкт-Петербургский государственный технический университет.

Защита состоится "Щ сен/яя~с>/эя 1998 года на заседании диссертационного совета Д.003.62.01 Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации Российской Академии наук, 199178, Санкт-Петербург, 14 линия, д.39

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации Российской Академии наук

Автореферат разослан оВг^ста 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета:

Копыльцов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергосбережение является одной из ключевых проблем современной экономической реформы России. Особенно остро она проявляется в теплоснабжении, на нужды которого расходуется до 40-45% всех потребляемых в стране топливно-энергетических ресурсов. Расходы тепловой энергии на единицу промышленной продукции и на квадратный метр жилой площади в РФ почти в 2 раза превышают уровни западноевропейских стран для идентичных климатических условий.

Для теплоснабжения промышленных предприятий и жилищно-коммунального сектора используется тепловая энергия низкого потенциала, большая часть которой в России и странах СНГ вырабатывается системами централизованного теплоснабжения. В последние 10-15 лет этот вид теплоснабжения получает все большее распространение в европейских странах, Китае, США и в Канаде. Обладая более высокой экономичностью и оказывая меньшее вредное влияние на экологическую обстановку, централизация теплоснабжения является одним из наиболее эффективных мероприятий по экономии топлива и эксплуатационных затрат.

Длительный опыт эксплуатации СЦТ в РФ показал, что не все их преимущества ощущаются потребителями тепловой энергии. Под воздействием случайных климатических возмущений они часто испытывают тепловой дискомфорт и перебои с подачей горячей воды на бытовые нужды.

Одной из основных причин низкой эффективности и экономичности СЦТ в РФ и других странах СНГ является практически полное отсутствие элементов автоматизации основных технологических процессов. До настоящего времени СЦТ не управляется как единый технологический комплекс. Это является одним из сдерживающих факторов, ограничивающих дальнейшее развитие этого вида теплоснабжения.

Анализ работ в области автоматизации СЦТ показал, что до настоящего времени еще не разработана общая теория управления системами данного вида, а усилия исследователей чаще всего были направлены на автоматизацию их отдельных технологических звеньев.

Высокая сложность технологических процессов в системах централизованного теплоснабжения (СЦТ) влечет за собой и значительное усложнение всего комплекса работ по их исследованию и управлению. Положение усугубляется наличием в СЦТ большого числа технологических подсистем, звеньев и устройств, что делает их исследование чрезвычайно трудоемким и высокозатратным. Проблема комплексного исследования таких сложных технических объектов может быть успешно решена только при широком применении вычислительной техники и автоматизации как самих технологических процессов на СЦТ, так и их научного исследования. Диссертация посвящена решению про-

блемы значительного повышения экономичности СЦТ за счет их системной автоматизации и оптимизации.

Разработан комплекс математических моделей, описывающих весь процесс движения теплоносителя и преобразования тепловой энергии во всех технологических звеньях СЦТ. На базе комплекса математических моделей обоснована система критериев оптимизации и синтезированы алгоритмы оптимального управления СЦТ, позволяющие автоматизировать процесс исследования основных звеньев системы и реализовать управление ими.

Цель исследования - заключается в создании математических моделей и алгоритмов управления системами централизованного теплоснабжения, позволяющих автоматизировать исследования и автоматизировать режимы их функционирования на всех основных технологических уровнях.

Объект исследования - система централизованного теплоснабжения с источниками районного уровня и тепловой нагрузкой, где большая часть абонентов являются объектами жилищно-коммунального и социально-бытового назначения.

Экспериментальные исследования проводились на системе централизованного теплоснабжения "Комендантский аэродром", от районной котельной "Молодежная" г. Санкт-Петербурга, а также на опытно-экспериментальной установке теплоснабжения административных зданий ВНИИГС.

Методы исследования основаны на использовании численных схем моделирования многомерных динамических стохастических систем, структурной и параметрической оптимизации, а также полунатурного моделирования с фрагментами реальной системы централизованного теплоснабжения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработаны математические модели и алгоритмы оптимизации режимов функционирования системы централизованного теплоснабжения как единым технологическим и динамическим объектом.

2. Предложена классификация систем централизованного теплоснабжения как объекта управления, представляющего собой несплошную и неоднородную макросреду с сосредоточенным управляемым подводом и рассредоточенными по ее элементам управляемыми стоками теплоты и потока массы энергоносителя, при малых скоростях движения энергоносителя и гиперинерционных элементах среды, состояния которых коррелированны между собой.

3. Разработана математическая модель множества абонентов СЦТ, содержащая два основных динамических блока пространственных статистик теплового состояния с векторной и матричными переменными, дополненных моделями тепловой сети и тепловых пунктов.

4. Разработана базовая математическая модель теплового состояния абонентов, представляющая собой систему полилинейных дифференциальных

уравнений, минимальный порядок которой равен четырем с составом компонент, позволяющим оценивать уровень теплового комфорта и величину энергетических потерь, в зависимости от климатических факторов и выбранной стратегии формирования температурного и гидравлического режима.

5. Предложена совокупность общесистемных и частных целей управления и критериев оптимизации, позволяющая решить задачу управления объектом такого класса.

6. Предложена стратегия формирования температурного и гидравлического режима СЦТ в виде оптимального сочетания вектора средних значений и пространственной ковариации температуры и расхода теплоносителя, реализуемая подсистемами централизованного балансного и локально-корректирующего управлений.

7. Разработан алгоритм централизованного балансного управления в форме суточных программ изменения температуры теплоносителя в тепловой сети и расхода теплоносителя на тепловых пунктах абонентов или их групп, осуществляемого по прогнозам климатических факторов и тепловых нагрузок абонентов, используемых для формирования единой для множества абонентов задающей программы теплового комфорта.

8. Предложен способ формирования программ управления ля каждого технологического режима по собственным критериям оптимизации, отражающим реально достижимые цели управления, с последующим формированием внережимных программ, осредненных по прогнозам условных вероятностей появления этих режимов.

9. Обосновано разделение локально-корректирующего управления на две взаимосвязанные задачи - определение числа независимо управляемых групп (фокусировка ЛК) и формирование оперативных управлений в группах в форме параметризованных стратегий замкнутого типа.

10. Разработан метод оценивания параметров математических моделей контуров ЦБУ и ЛКУ в форме параметрической оптимизации по интегральному критерию качества.

На защиту выносятся результаты по пп. 1-9.

Практическая ценность заключается в обосновании и использовании на практике принципов технической и программной реализации оптимального управления и исследования во всех технологических подсистемах СЦТ.

Эти принципы заключаются в следующем:

1. Отделении синтезирующей и формирующей частей от исполнительной части управляющей системы, что обеспечивает легкую внедряемость результатов для любой технологической конфигурации СЦТ, и автоматизацию процессов исследования ее основных подсистем.

2. Учете всех реальных технологических режимов функционирования СЦТ, что обеспечивает высокую экономичность управлений в любой режимной ситуации, вплоть до аварийной.

3. Адаптивности стратегий управления как на синтезирующем (задающем), так и на исполнительном уровнях, чем достигается простота ввода в эксплуатацию экспериментальных систем и значительное сокращение пуско-наладочных работ.

4. Оптимизации параметров технологического оборудования облегчает наладку и проектирование новых и реконструируемых подсистем СЦТ.

На основании результатов исследования были разработаны техническое задание на проектирование АСУ ТП и пакет прикладных программ для исследования и управления СЦТ, который был передан во Всероссийский НИИ гидротехники и специальных строительных работ (ВНИИГС, Санкт-Петербург).

Результаты исследований были использованы Научно-внедренческой фирмой "АСУ-РОСТ", которая осуществила доработку пакета прикладных программ и разработала типовое техническое задание на разработку АСУ ТП централизованного теплоснабжения, которые были переданы для внедрения в Курские тепловые сети и на Курскую атомную станцию.

Результаты исследования в части управления центральными тепловыми пунктами СЦТ были переданы для использования в своих разработках в НИИ Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова.

Алгоритмы идентификации математических моделей и синтеза оптимальных управлений в форме прикладных исследовательских программ и методических рекомендаций внедрены в НИПТИМЭСХ НЗ РФ.

Апробация. Основные материалы диссертации обсуждались и были одобрены на Научно-техническом совете ВНИИГС в 1985-1989 гг., на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ЛСХИ (Санкт-Петербург, 1986 и 1987 гг.). Отдельные результаты исследований обсуждались: на научно-техническом совещании по проблемам экономии тепловой энергии в тепличном овощеводстве (г. Ворошиловград, апрель 1981 г.); на Ш Всесоюзном совещании по автоматизации в овощеводстве (г. Каунас, июнь 1982 г.); на IV Конгрессе по адаптивным системам (г. Ленинград, июнь 1985 г.); на Всесоюзном научно-техническом совещании по проблемам экономии тепловой и электрической энергии в системах теплоснабжения (г. Киев, апрель 1988 г.); на Всесоюзном научно-техническом совещании по проблемам автоматизации систем теплоснабжения (г. Горький, сентябрь 1989 г.); на российско-германском симпозиуме по централизованному теплоснабжению (г. Владимир, апрель 1991 г.).

Кроме того, результаты исследования в части управления тепловыми сетями и проекта АСУ ТП СЦТ были представлены на 25-ом Конгрессе "УНШПАЛЬ" в Будапеште в 1991 г., а по управлению отпуском и распределением тепловой энергией в СЦТ и на 26-ом Конгрессе "УНИШАЛЬ" в Париже в 1992 г.

Публикация. Основные результаты опубликованы в 38 работах.

Объем работы. Диссертация изложена на 300 страницах и включает введение, семь глав, заключение, 74 рисунка, 9 таблиц, список литературы (228 наименований, из них 31 на иностранных языках).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика СЦТ, их основные потенциальные преимущества, которые не реализованы полностью из-за низкого уровня их автоматизации и отсутствия научно обоснованной концепции управления ими как единой технологической системой. Этот факт обусловил пока еще низкую эффективность средств, вложенных в автоматизацию СЦТ.

В диссертации сформулирован системный подход к проблеме автоматизации исследования и управления СЦТ и разработаны математические модели и алгоритмы исследования и оптимизации режимов СЦТ.

В Главе 1 дана развернутая характеристика объекта исследования, которым является СЦТ с крупной (не менее 100 Мвт) районной котельной. Такие системы имеют широкое распространение и могут рассматриваться как базовые блоки более крупных СЦТ.

Приведена полная технологическая схема СЦТ (рис.1) и функциональное назначение всех ее элементов и подсистем. Выполнен структурный анализ технологического процесса с выявлением всех существенных состояний, управлений и возмущений.

Рис. I. Общая технологическая схема СЦТ:

1 - ЦИТЭ;

2 - магистральные сети; 3-ЦТП;

4 - распределительные сети; 5-ИТП;

6 - здание-абонент СЦТ;

7 - блок отапливаемых помещений;

8 - отопительные приборы.

М реэсрами цита;

Установлены границы объекта исследования: сверху - это единственный источник централизованного теплоснабжения, снизу - здание и сооружение, как абонент СЦТ.

Целью функционирования СЦТ является обеспечение множества абонентов тепловой энергией и горячей водой от одного источника для создания в помещениях комфортных условий для различного рода жизнедеятельности людей, сохранения материальных ценностей или протекания технологических процессов.

Каждый абонент и источник тепловой энергии представляют собой сложный управляемый динамический объект, объединенные между собой тепловыми сетями. Наличие единственного источника, связь через ТС, общность возмущений делают тепловые состояния совокупности абонентов коррелированными между собой. Это обстоятельство позволило разработать общую интегрированную математическую модель теплового состояния СЦТ.

Сформулированы основные проблемы исследования и управления СЦТ:

1. Рассредоточенность элементов системы, каждый из которых представляет собой сложную управляемую систему.

2. Взаимовлияние элементов системы друг на друга через каналы управления, что делает процесс централизованного теплоснабжения неустойчивым. Наличие общесистемной обратной связи через обратные трубопроводы ТС, что является фактором общей тепловой неустойчивости.

3. Стохастичность динамических свойств системы, что связано со случайными изменениями теплоотдачи элементов, изменениями гидравлических характеристик ТС и ТП, наличием неконтролируемых переключений в системе, изменением теплотворной способности топлива, влияние случайных климатических возмущений и нагрузок горячего водоснабжения.

4. Наличие в системе групп абонентов с различным социальным и функциональным назначением и, соответственно, с различными требованиями к величине и характеру изменения теплового комфорта приводит к нечеткости в определении цели управления в СЦТ. Эти различия дополняются существенными различиями в динамических свойствах абонентов и мощности тепловых потерь. Отдельные технологические подсистемы СЦТ принадлежат к разным владельцам, имеющим различные экономические интересы и собственные цели функционирования. Это вносит в процесс управления элемент общесистемной неустойчивости и дополнительной целевой неопределенности.

В Главе 2 анализируются существующие системы управления СЦТ и формулируются основные задачи исследования. Анализ проводился по четырем основным направлениям: управление отдельными абонентами, центральными тепловыми пунктами, системы центрального регулирования, управления централизованным источником. Кроме того, анализировались системы управления

тепловыми процессами в других областях, в частности, в космических летательных аппаратах, где использованы самые передовые достижения науки об управлении.

Анализ существующих методов и способов управления в отдельных технологических уровнях СЦТ показал, что здесь не решена ни одна из сформулированных в Главе 1 проблем управления. Поэтому цель исследования должна быть ориентирована не на развитие отдельных существующих направлений, а на прямое решение основных проблем управления СЦТ.

В Главе 3 выполнена формализация общей задачи управления СЦТ и ее декомпозиция.

Среди множества тепловых состояний абонентов выделяются те, которые формируют тепловой комфорт, нормированный санитарно-гигиеническими требованиями для различного рода деятельности человека,

ота=аив + Рир (1)

где

Une - показатель теплового комфорта отапливаемого помещения, "С;

хзв - средняя температура отапливаемых помещений, °С;

ир - средняя радиационная температура, измеряемая специальным радиационным термометром (датчиком), "С;

а, Р - весовые множители.

Рассматриваются различные виды деятельности человека, называемые S-состояниями, это:

S=1 - неактивный отдых, сон;

S=2 - активный отдых;

S=3 - умственный труд;

S =4 - легкий физический труд;

S=5 - тяжелый физический труд;

S=0 - отсутствие человека в отапливаемых помещениях.

С учетом введенных состояний цель управления в СЦТ формулируется следующим образом:

STKÎt(l/Sl,F,T,G)-»STC(t/S),

ÔRÎt/Si.F.T.Gj-^t/S),

n n

2 Ет, (Т, G, F), £ Е э, (т, G, F), min

¡=1 i=t U(T.G)enT,C

где

7=1 ,Ы - индексы и общее число абонентов СЦТ;

9 ткО IS)- суточные программы заданного изменения показателя теплового комфорта для каждого S-состояния; 9Г - температура горячей воды на бытовые нужды, °С; U(T,G) - стратегия формирования температурного и гидравлического режима в СЦТ;

F - вектор основных возмущений в системе;

Ет, Еэ - мощность тепловой и электрической энергии, расходуемых на формирование режимов в СЦТ;

Qt.g - ограничения на выбор допустимых стратегий температурного и гидравлического режима.

С учетом сгохастичности процессов и пространственной неоднородности абонентов цель управления имеет следующую форму:

Pft/F.G.T+A-jx ±Arl min,'

Et(T,G,F),E3(T,G,F) min

U(T,G)6nT>G

где P[t / F, G, T,± Д тк ,±Аг ] - вероятность одновременного выхода показателя теплового комфорта и температуры горячей воды на всех абонентах за заданные допуски ±ДТК+ДГ.

Сформулированы основные требования, предъявляемые к математической модели СЦТ как ОУ :

1. Обеспечивать генерацию множества целеобразующих состояний, позволяющих оценить вероятность обеспечения заданного уровня теплового комфорта.

2. Учитывать влияние случайных возмущений и стратегии формирования температурного и гидравлического режима на вероятность обеспечения заданного уровня теплового комфорта.

3. Оценивать общие энергетические потери в системе.

4. Максимально возможно отражать технологические особенности СЦТ, что позволяет сравнивать различные варианты схем и организовать эффективную перестройку ее структуры.

Модель СЦТ, отвечающая вышеуказанным требованиям, содержит следующие основные блоки:

а) множества тепловых состояний абонентов:

X = 0(X,U,A,F,t) + 5(t),X(0) = X0 (4)

ё(о) = е0; I

0их=А(1)0^+В(1)©и> ©„(<>) = О 0ХР = А(1)0РХ + С(1)0Р> 0РХ(О) = О;

©хл = А"

©их = 0хи = и7]' 0рх = 0хр = М1[х1Р-Г], 0хл = 0лх = М|[х 4 0и = М,[ц иГ

0Р = М1

йй . 0л = м;

б) тепловой сети: (гидравлический режим)

Е^сГ+ЕЯ^МОоН, к=1 ' "

к=1

в л ~ в [2) + Г4;.

(тепловой режим)

(6)

(7)

(8)

(9) (10) (П)

(12)

(13)

(14)

(15)

в) тепловые пункты (индивидуальный)

^М=Р^(1)А(0|п]. (18)

(центральный)

Т"с(0 = РсКс(0;Ьс(фс>Пс} (19)

Система (4)-(19) описывает динамику состояния всех основных технологических элементов СЦТ без централизованного источника, модель которого рассматривается самостоятельно.

Здесь приняты следующие обозначения:

ХТ=[ЭТН, Зв< 9р] - вектор пространственных средних тепловых состояний абонентов СЦТ, компонентами которого являются средняя температура обратного теплоносителя на выходах систем отопления абонентов; средняя температура воздуха в отапливаемых помещениях и средняя радиационная температура отапливаемых помещений, "С;

ит=[ Этн(1), Стн(1)]- вектор пространственных средних управлений в СЦТ, компонентами которого являются температура и расход теплоносителя в системах отопления абонентов;

Рт=[&н, q]- вектор пространственных средних внешних климатических возмущений, компонентами которого являются температура наружного воздуха, скорость ветра и интенсивность солнечной радиации;

А [15]- вектор параметров динамической модели пространственного среднего состояния;

(0 -[з]- вектор динамических помех в модели пространственного среднего, отражающих различные источники неопределенностей в модели и являющихся случайными процессами с нулевым вектором средних и ковариационной матрицей

©их=©хи> ©х^ввс; ©хл=©лх - матрицы пространственных взаимных ковариаций векторов состояния с векторами управления, внешних возмущений и параметров, соответствующей размерности;

©и [2 х 2], ©р [3 х 3], ©л [15 х 15], - матрицы пространственных ковариаций векторов управлений, возмущений и параметров;

А(Х), В(1), 0(0, 0(0 - матрицы модели пространственной ковариации теплового состояния соответствующей размерности;

Ао - [з], А- [3 х 3]- вектор и матрицы параметров модели внешних климатических возмущений;

^(0 " [3] * вектор динамических помех в модели внешних возмущений с нулевым средним и ковариационной матрицей <3Р;

Ут=[иВ; 1)р] - вектор выходных целеобразующих состояний; W - [1 х 3] - матрица срока выхода системы; У - [3] - вектор измеряемых величин, фиксируемых датчиками; Нф - [3 х 3] - матрица, задающая структуру измерителя состояния; Г)(г) - [3] - вектор ошибок измерений теплового состояния;

- расход теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах,

т/час;

О^, Ои - температура теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах, а также на выходе источника, "С;

Р(Со) - напор теплоносителя на выходе централизованного источника, являющегося функцией суммарного расхода теплоносителя в сети Со",

Т(2>, - транспортное запаздывание в прямом и обратном трубопроводах сети;

- гидравлические характеристики участков прямого и обратного трубопроводов сети;

<А\матрицы соединений абонентов с соответствующими участками сети;

Р 4- расходы в системах горячего водоснабжения (ТВ) на абонентах; Ь\-Ь%, с\-с% - параметры модели теплового режима сети; 'Уи - векторы выходных состояний тепловых пунктов; ©, ТУ - векторы входных переменных тепловых пунктов; И - векторы положений РО тепловых пунктов;

П - векторы параметров математических моделей тепловых пунктов;

Ф, ¿Г - операторы математических моделей;

/=1, N - индексы и общее число абонентов СЦТ;

С=1, С - то же центральных тепловых пунктов;

К=1 ,К - то же участков сети;

Вектор х и матрица 0 являются моделируемыми пространственными статистиками теплового состояния абонентов при гауссовой аппроксимации плотности совместной вероятности его распределения.

Измеряемые статистики получают по наблюдениям состояний выборки Ив из общего числа N абонентов СЦТ

(20)

— Nb г _ , г _ ,т

®(t)=ZBi Xi(t)-x(t)][xi(t)-x(t)] . (21)

i=I

где g;(t) - весовые множители, удовлетворяющие условию несмещенности оценок x(t) и ©(t), y_i - наблюдаемые состояния /-го абонента

£gi = l (22) i=l

Измеряемые пространственные статистики для векторов управлений V„ возмущений F( и параметров Л, определяются аналогично.

Выбор весовых множителей g,{t) зависит от физической сущности оцениваемых величин. Так при осреднении векторов теплового состояния учитывается их энергетических вклад в общий баланс измеряемых абонентов

gi(t) = Q'(Xi'% (23)

/ EQi(*i.Ui)

/ i=I

где Qj^j.Ui) " мощность тепловых потерь i-oro абонента, определяемая парой

векторов (j^.Ui) ™ (Zj'ft)

Для остальных векторов Ui>Fi>Ai осреднение производится по принципу среднеарифметического, с равными весами.

Такая аппроксимация пространственного распределения теплового состояния множества абонентов позволяет общую стратегию формирования тепло-гидравлического режима СЦТ определить как задачу управления пространственными статистиками

и(Т,О)={и,0;}

Ц-Дп.Д^-Дг^Дгг)-* Jllin

U.eilu

D|(-Au>Ai2'~A2i'A22)"> min

ET(u,F)^ jnin ,Еэ(©и'©р)^тт,

©и

При такой декомпозиции максимум вероятности невыхода ошибки управления £■ за принятые границы обеспечивается одновременной минимизацией

ее пространственного математического ожидания £ и дисперсии ([)с. Сама стратегия управления сводится к выбору пространственных статистик вектора управляемых переменных, среднего и и ковариации ©и. При этом минимизация расхода тепловой энергии Ет достигается выбором среднего значения вектора управления и, чем подчеркивается балансный физический смысл задачи управления, а минимизация электрической энергии Еэ, затрачиваемой на перераспределение тепловой энергии на абонентах обеспечивается соответствующим выбором ковариации вектора управления ©ц. Здесь изменение пространственной ковариации теплового состояния требует соответствующего изменения ковариации и управляемых переменных.

Выбор пространственного среднего вектора управляемых переменных и сводится к управлению балансами тепловой энергии в СЦТ. Оно реализуется через централизованный источник, на выходе которого формируется темпера-турно-расходпый режим, совпадающий со значениями вектора среднего и. Этот вид управления имеет наименование "централизованное балансное управление" (ЦБУ) и определяет оптимальные значения вектора среднего и, но не указывает способа его технической реализации. Поэтому необходимо введение уровня его исполнительного управления, а именно "управление состоянием централизованного источника тепловой энергии" (УЦИТЭ).

Управление перераспределением тепловой энергии на множестве абонентов имеет смысл локальной коррекции их состояния и поэтому этот уровень может быть назван "локально-корректирующее управление" (ЛКУ). Технически оно реализуется через тепловые пункты абонентов.

Управление на уровне ЦТТТ, также являясь распределительным, воздействует на состояние группы абонентов и поэтому может быть названо "групповое корректирующее управление" (ГрКУ).

На рис.2 представлена блок-схема основных уровней управления СЦТ, принятых согласно декомпозиции общей задачи. Самым верхним уровнем является ЦБУ, который является общесистемным и координирующим, так как здесь формируются задания всем остальным уровням.

Самым нижним 4-ым уровнем является ЛКУ. Это основной исполнительный уровень системы, так как здесь реализуются все функции локального управления абонентами и некоторые управляющие функции ЦБУ.

Рис.2. Блок-схема системной декомпозиции общей задачи управления СЦТ.

- информационные связи, к - технологические связи.

На рис.3 приведена блок-схема технологической декомпозиции общей задачи управления и ее связь с общесистемной декомпозицией.

Здесь только подсистема, реализующая ЦБУ не закреплена за определенным технологическим уровнем, а является чисто информационно-управляющей частью АСУ. Остальные системные уровни жестко связаны с соответствующими технологическими уровнями СЦТ. Так, в подсистеме УЦИТЭ воспроизводится оптимальный температурный режим, а в подсистеме управления тепловой сетью (ПУТС) - оптимальный гидравлический режим, воспринимаемый в ПУЦИТЭ как возмущение. В то же время, реализация управления ТС осуществляется одновременно на централизованном источнике, индивидуальных и центральных ТП. Кроме того, на ИТП и ЦТП реализуется ЛКУ и ГрКУ по тепловому состоянию отдельных абонентов или их групп.

ПЦБУ _|1_

ПУЦИТЭ Л

ПУТС

Рис.3. Блок-схема технологической декомпозиции общей задачи управления СЦТ.

:•' ЛКУ —\ ПУИТП ПУЦТП А- ГрКУ. :

-у ч~

В Главе 4 исследуются алгоритмы оптимального управления в контуре ЦБУ для всех основных технологических режимов СЦТ.

Цель управления в контуре ЦБУ выглядит следующим образом: "обеспечить заданный суточный ход показателя теплового комфорта в СЦТ в среднем на множестве абонентов, при минимальных общих затратах на тепловую и электрическую энергию".

Этой цели соответствует следующий критерий оптимальности

= +В2и2(1Хи1(0-х1(1)) + 8зи1(0 ]сй| (25)

где

ёгЕг'Йз" весовые множители критерия, определяющие "стоимость" отдельных компонент;

(О, Т) - интервал управления (суточный).

Приведенная цель и критерий соответствуют номинальному режиму функционирования СЦТ. Он характеризуется одновременным сочетанием низкой наружной температуры, не превышающей заданного расчетного значения

нагрузки горячего водоснабжения, не превышающей 50% всей тепловой нагрузки СЦТ, и технически исправному состоянию системы. Эти условия записываются как система ограничений:

Ш; д0,тт<д0(1)<д0,тах; 15 = 1 (26)

где

до,дт - тепловые нагрузки отопления и горячего водоснабжения,

= 1 - исправное состояние СЦТ. Нарушение любого из условий (26) приводит к появлению режимов, отличных от номинального, и недостижимости цели управления. Здесь может обнаружиться дефицит мощности источника, дефицит суточного расхода топлива, ограничения на пропускную способность ТС или невозможность использования отдельных технологических элементов СЦТ.

Кроме номинального, в диссертации рассматриваются еще четыре технологических режима:

пиковых отопительных нагрузок:

Я2: (^Х^тах, 10

К^Лр и^ХшОЬх^н, к0Хи,(0-х,(0)^р

(27)

где

Д|,И,Я - ограничения на максимальное снижение теплового комфорта, мощность ЦИТЭ и суточный расход топлива; периодического протанливания:

КЗ: до<до,™п; Гз(0>0;

Ь = М^/^иг^и^О - х,(0) + 8зи|(0]сй},

пиковых нагрузок горячего водоснабжения:

14 = 1г ]

аварийный (при повреждениях одного из трубопроводов сети):

115:15 = 2 т

15=мШ[82и2(1Хи1(0- х,(0) + 83^(0+ о

+84(»2(0-г4(0хх1(0-»п(0)]л1

|4(0(<Д2> ё4 =82, если Ц2(0-и(0)0,

=0, если и2(0-Г4(1)<О,и2(1)-О1В <Отс,

(28)

(28-а)

(29)

где

температура подпиточной воды в СЦТ,

Отс- максимальная пропускная способность тепловой сети.

Кроме ограничений, определяющих режимы Ш - И5, существуют и общережимные технологические ограничения, свойственные конкретной СЦТ:

Т1 = и КО* т2, в! < игСО^гЙ

(30)

где

у - коэффициент отбора теплоносителя из прямого трубопровода в СГВ. Для решения задачи синтеза для любого из технологических режимов должна быть определена программа требуемого уровня показателя теплового комфорта д*к (1). Учитывая тот факт, что среди множества абонентов содержатся различные по своему социальному назначению здания и сооружения, а раз-

личные виды деятельности людей требуют существенно разного уровня теплового комфорта, то синтез этой программы не является очевидным.

Каждый из возможных видов деятельности рассматривается как одно из Б-состояний: Б -отсутствие человека в помещении; Б = 1 - неактивный отдых, сон; 8 = 2- активный отдых; 8 = 3- умственный труд; 8 =4 - легкий физический труд; Б=5 - тяжелый физический труд.

В зависимости от сочетания Б-состояний все абоненты СЦТ разделяются на следующие Ь - классы: Ь=1 - промышленные и производственные объекты 8=(0,4.5); Ь=2 - объекты коммунального хозяйства и торговли Б=(0,4); Ь=3 -объекты соцкультбыта 8=(0,2); Ь=4 - учебные учреждения 8=(0,3,4); Ь=5 - жи-лшцно-бытовые объекты 5=(0,1,2); Ь=6 - лечебные учреждения Б = (], 3, 4); Ь=7 - научные учреждения Б = (0, 3).

Искомая программа суточного изменения показателя теплового комфорта определяется специальной процедурой голосования для каждого дискретного момента времени "п"

где

- вектор безусловных вероятностей Б-состояний, объединенных в вектор 05

Вектор 5Т5[п]определяется из решения уравнения Колмогорова-Чэпмэна для условных вероятностей переходов Б-состояний для каждого из Ь-классов, с последующим энергетическим взвешиванием" абонентов внутри Ь-классов и самих Ь-классов по всему множеству абонентов.

Модель (4), используемая для синтеза оптимальных программ управления для всех технологических режимов, имеет следующий вид:

Р^хх+Ргхг+РзигСОМО-х^О) Р4х1 + Р5х2 + Рбх3 + Р7?1(1) +

ф(х,у,Л,Р,0 =

(р8 + ?9 ^ 2 (ОХГЗ 0) - х 2 (0> (32)

Р10Х1 + Р11*2 + Р12ХЗ + Р13Г1(1)+ +¿14+2(0)Сгз («Ь хз(0)

Динамическая модель (4), (32) дополняется статической моделью прогноза тепловой нагрузки абонента

д.'аиП + Сха+аз/Гг^та-Гз)^ (33)

используемой для операций энергетического взвешивания и проверки условий существования технологических режимов.

На рис.4 представлена блок-схема алгоритма синтеза управления в контуре ЦБУ.

Прогнозирование возмущений

Время

Прогнозирование тепловых нагрузок

F(t)

Формирование задающих программ_

Прогнозирование технологических режимов

Р(*10

Синтез режимных программ управления

u*(RIO

Синтез общих программ управления

1 u-(t)

Рис. 4. Блок-схема алгоритма синтеза управления в контуре ЦБУ Центральной процедурой алгоритма является синтез оптимальных программ управления для каждого из технологических режимов U*(R|t) который

для получения результата использует прогнозы возмущений, тепловых нагрузок и технологических режимов. Синтез этих управляющих программ осуществляется на уровне задающих программ теплового комфорта.

Общая программа управления определяется с учетом прогнозов априорных вероятностей смены режимов

U*(t)= S p(ft|s«(t)), u-(R|t), (34)

м=1 4 1

которые рассчитываются на основании результатов прогнозирования возмущений и тепловых нагрузок.

Подавая на модель (32) прогнозы возмущений и оптимальные программы управления (34), получают прогнозы для показателя теплового комфорта, кото-

эые используются для уточнения прогнозов тепловых нагрузок. Это замыкает троцедуру синтеза и повышает точность полученных программ управления.

Исходной информацией для синтеза режимных программ управления яв-гяются оценки начального состояния ОУ, оценки параметров модели, полученные по результатам идентификации на предыдущем интервале управления, и прогнозы внешних климатических возмущений.

Оптимальные априорные программы управления воспроизводятся в реальном времени путем формирования заданий регуляторам расхода и^) на ИТП и регуляторам расхода и^^И и температуры м*(г + т) на ЦИТЭ. При этом в температурной компоненте управления и* ((^компенсируется влияние тепловой сети по величине и по транспортному запаздыванию.

В исследование номинального режима входило выявление влияния весового множителя g1 при целевой компоненте критерия оптимальности (25), неточности идентификации параметров математической модели ОУ и ошибок измерений начального состояния.

Установлено, что параметр критерия является одним из существенных факторов управления задачей оптимизации режима управления и для каждого сочетания внешних возмущений существует его оптимальное значение. С точки зрения экономии энергии целесообразно введение различных весов для штрафа положительных и отрицательных ошибок управления. Здесь величина штрафа положительных ошибок более чем в 10 раз превышает штраф на область отрицательных ошибок.

Влияние параметрических возмущений математической модели ОУ является существенным и значительно ухудшает показатели управления.

Поэтому введение в общий алгоритм синтеза процедуры идентификации является оправданным.

Существенное влияние на результаты оптимизации оказывают и ошибки измерения начального состояния ОУ, что обусловило необходимость оценивания начального состояния, где учитываются ошибки измерения.

Для режима пиковых отопительных нагрузок существенным являются ограничения на мощность ЦИТЭ и на суточный расход топлива. Поэтому дополнительным управляющим параметром алгоритма синтеза является параметр при штрафной компоненте на суммарный расход топлива, для которого существует свое оптимальное значение для каждого сочетания условий.

В режиме периодического протапливания, где допускается отключение систем отопления абонентов от сети и который характеризуется малыми расходами энергии, наилучшие результаты достигаются при симметричном штрафе на положительные и отрицательные области ошибок управления.

Исследован особый режим управления теплоснабжением, который может быть использован для любых технологических режимов. Такой режим управления обеспечивает наибольшую экономию тепловой и электрической энергии,

при незначительном ухудшении точности управления. Здесь для каждого сочетания условий существует оптимальная длительность ймпульсов включения систем отопления абонентов. |

Для режима пиковых нагрузок горячего водоснабжения, сочетающихся с малыми нагрузками отопления, был исследован режим с перестройкой технологической структуры СЦТ (см. рис.5). !

) I

Рис.5 Схема управления СЦТ с пе-рестройкой;технологической струк-1 ТУРЫ

Сравнение его с номинальным режимом показывает, что перестройка структуры СЦТ позволяет в 1,5 раза уменьшить расход тепловой и более, чем в 3,5 раза - расход электрической энергии.

В Главе 5 проводится исследование алгоритмов локально-корректирующего управления и анализ эффективности его различных вариантов структур.

Функциональным назначением ЛКУ является компенсация локальных отклонений от заданного значения показателя теплового комфорта на отдельных абонентах или их группах. Анализ вариантов структур ЛКУ показал, что правильный учет всех локальных свойств абонентов и воздействующих на них возмущений позволяет реализовать групповое ЖУ, когда в один контур ЖУ управления включаются сразу несколько близких по своим динамическим свойствам абонентов. Это позволяет существенно снизить стоимость технической реализации ЛКУ. При этом группирование целесообразно производить не по технологическому, а по сигнальному принципу, т. е. не подключением группы абонентов к общему узлу тепловой сети, а подключением их управляющих устройств к общему регулятору.

При выборе критерия оптимизации в отдельных контурах ЛКУ требует дополнительного обоснования целесообразность учета кроме штрафных компо-

нент на ошибку управления, всех видов потерь энергии, т. е. выбора одного из двух вариантов функционала

1|1} = М(Д Дё1(э*к(0- + 82и21.(0 X (и2/ (О - Я„(0) + 8зи^)]сзД(35)

(36)

где М, - математическое ожидание по временной переменной.

Сами локально-корректирующие управления определяются в форме параметризованных стратегий замкнутого типа:

„Р(0=к|,>г|(1),. • (з?)

или

иРоЬкДОг, (О-ФО),. (38)

Лучший из всех рассматриваемых вариантов выбирается по минимуму сравнения (П - критерию), включающего в себя прямую сумму штрафной и всех энергетических компонент.

Для синтеза, управлений по всем используемым вариантам использовалась следующая модель абонента

= +р2Д2<- +р3/[^(0^2Д0 + и21.(1)]>

+(О + и2/(0-X,(0], X„(0)=хт-

% у (О) = %ш;

** =Р1оД„. +Рц^2,- + Р1зЛ(0 +

+(Р.4,- +Р1^2(#з(0-^3/(0), % у (0) = %ш

где У]*^), У2 (1) - программные компоненты контура ЦБУ,

(1), У/2(. (1) - локальные возмущения в каналах управления абонентами.

Наличие в модели (39) программной компоненты управления не позволяет реализовать метод синтеза Калмана-Летова. Поэтому в диссертации использовалась численная процедура прямой оптимизации по параметрам регуляторов.

Сравнение вариантов структур регуляторов ЖУ показало преимущество комбинированного управления, независимо от вариантов используемых синтезирующих критериев. В то же время учет энергетических компонент оказывает слабое влияние на дальнейшую эффективность ЛКУ. Влияние технологического режима на результаты синтеза является существенным, что приводит к необ-

(39)

ходимости синхронного синтеза ЛКУ с ЦБУ, так как для каждого технологического режима существуют свои оптимальные параметры.

В Главе 6 исследуются алгоритмы управления основными технологическими подсистемами, центральными тепловыми пунктами (ЦТП) и индивидуальными тепловыми пунктами абонентов (ИТП).

Указанные уровни управления являются исполнительными по отношению к уровням ЦБУ и ЛКУ, где формируются задающие программы для технологических подсистем.

Для каждой из технологических подсистем разрабатываются математические модели их теплового и гидравлического состояния. При этом сложные подсистемы разделяются на отдельные технологические агрегаты, имеющие самостоятельные управляющие входы.

Целью управления любой из технологических подсистем является воспроизводство в реальном времени требуемых программ изменения температуры и расхода теплоносителя на выходных коллекторах. Эта цель должна достигаться с минимальными потерями топлива, тепловой и электрической энергии.

Важнейшей особенностью управления технологическими подсистемами всех уровней является то, что наряду с континуальным воздействием, заключающимся в изменении расхода топлива, теплоносителя, гидравлического сопротивления регулирующих органов, здесь присутствует и управление структурной перестройкой, за счет которой выбирается наилучший вариант технологической схемы подсистемы.

Основные особенности управления ИТП заключаются в их небольшой мощности и более простой по сравнению с ЦТП технологической схемой. Это позволяет использовать реализовать управление посредством простейших параметрических регуляторов ОС.

Анализ результатов оптимизации режимов ИТП для различных сочетаний входных возмущений и заданий регуляторам подтвердил актуальность оптимизации схемно-конструктивных параметров тепловых пунктов, устраняющей "узкие места".

Поэтому были проведены дополнительные исследования управляемых ИТП с одновременной оптимизацией параметров оборудования для двух различных подходов- минимизация выбранного критерия для средних значений входных возмущений и для экстремальной ситуации. Анализ результатов исследований показал, что оптимальный выбор параметров схем ТП существенно расширяет возможности оперативного управления.

При этом более предпочтителен выбор параметров из условия минимизации по среднему значению входных возмущений.

В Главе 7 исследуются алгоритмы оценивания параметров математических моделей и состояний ОУ в контурах ЦБУ и ЛКУ, а также параметров прогнозирующих моделей для основных климатических возмущений.

Особенность управления в контурах ЦБУ и ЛКУ в виде многократно повторяющейся процедуры, реализуемой на фиксированном интервале времени обуславливает и порядок оценивания используемых динамических моделей в

янтервалыюй форме. Кроме того, интервальное оценивание позволяет разомкнуть алгоритмы управления относительно процедуры оценивания параметров и гем самым исключить явления неустойчивости управления. Кроме того, сами алгоритмы оценивания значительно упрощаются и становятся реализуемыми.

При этом устойчивость адаптивного управления достигается за счет существенного уменьшения темпа эволюции оценок параметров, по сравнению с состоянием системы.

Разработанный алгоритм оценивания параметров динамических моделей разрешает компромисс между точностью локальной настройки модели по реальному состоянию ОУ и прогностическими свойствами модели (свойствами регулярности), чему соответствует следующий критерий эффективности процедуры оценивания

ГТг

'О ~ у

<к

(40)

где к=1.2,... - номера рабочих интервалов управления; Р - вектор оценок параметров модели; X - параметр, посредством которого разрешается компромисс, выбираемый от интервала к интервалу способом, обеспечивающим сходимость алгоритма оценивания по критерию ошибок апостериорного прогнозирования.

На основании полученных результатов можно сделать вывод об устойчивости разработанного алгоритма и наличии факта сходимости по критерию точности апостериорного прогнозирования. Выбран параметр управления процессом оценивания и определен его оптимальное значение, обеспечивающее наибольшую скорость сходимости и требуемые прогностические свойства модели.

Постепенное сближение качества априорных и апостериорных прогнозов говорит о регулярности используемых моделей и возможности принятия решений об остановке процедуры оценивания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании приведенных в диссертации исследований получены следующие результаты.

1. Обоснована классификация системы централизованного теплоснабжения, как нового и мало изученного объекта управления, представляющего собой несплошную, неоднородную макросреду с сосредоточенным управляемым источником и рассредоточенными по элементам среды управляемыми стоками тепловой энергии и потока массы теплоносителя. Наличие в системе единой замкнутой контурной тепловой сети обуславливает коррелированность состояний множества абонентов системы и неустойчивость процесса управления. Раз-ггичия в динамических свойствах и функциональном назначении множества абонентов превращает систему централизованного теплоснабжения в объект с нечеткой целью управления.

2. Установлено, что стохастический характер технологических процессов в системе централизованного теплоснабжения приводит к необходимости использовать вероятностный критерий оптимизации в сочетании с энергетическими компонентами, а стратегию формирования температурного и гидравлического режима к определению вектора средних значений управляемых переменных и его пространственной ковариации. При этом общая задача управления содержит три основных уровня: централизованное балансное управление (ЦБУ), согласующее работу источника с множеством абонентов; управление централизованным источником, являющееся исполнительным уровнем ЦБУ и локально-корректирующее управление (ЛКУ) абонентами, реализуемое через их тепловые пункты.

3. Разработана математическая модель, которая при гауссовой аппроксимации плотности распределения вероятностей теплового состояния абонентов, содержит два основных динамических блока пространственных статистик с векторной и матричной переменными и дополняется моделями тепловой сети и тепловых пунктов. При этом базовой моделью теплового состояния абонентов является система полилинейных дифференциальных уравнений, минимальный порядок которой равен четырем с составом компонент, позволяющим оценить уровень теплового комфорта и величину энергетических потерь, как на отдельном абоненте, так и во всей системе в целом, в зависимости от сочетания действующих климатических возмущений и выбранной стратегии формирования температурного и гидравлического режима. Такими компонентами являются температура теплоносителя, возвращаемого из системы отопления абонента в сеть, средняя температура отапливаемых помещений, средняя радиационная температура помещений и температура воды в системе горячего водоснабжения.

4. Обосновано согласование процессов управления множеством различных по своему назначению и динамическим свойствам абонентов системы и централизованного источника тепловой энергии, которое реализуется в специально вводимом контуре ЦБУ, где обеспечивается наиболее экономичное воспроизводство требуемого суточного хода среднего показателя теплового комфорта отапливаемых помещений. Управления в контуре ЦБУ представляют собой априорные программы изменения температуры и расхода прямого теплоносителя на выходе источника, синтезируемые на основании прогнозов метеоусловий и тепловых отопительных нагрузок абонентов, используемых для формирования единой для всей системы задающей программы теплового комфорта. Наличие неопределенностей в системе приводит к необходимости коррекции априорных программ по наблюдаемым возмущениям путем повторного синтеза и локальным управлением, осуществляемым по замкнутому циклу для всех ненаблюдаемых случайных возмущений.

5. Разработана общая процедура синтеза оптимальных программ управления в контуре ЦБУ включающая в себя синтез частных программ для каждогс

юзможного технологического режима системы и последующего уточнения ап-)иорных условных вероятностей появления режимов, на основании которой ¡троится единая внережимная программа управления. Процедура замыкается 1утем повторного уточнения режимных программ управления и условных веро-[тностей их появления. При этом синтез режимных программ выполняется по ;обственным критериям оптимизации и ограничениям, отражающим реально юстижимые цели управления. Для реализации процедуры синтеза априорных фограмм производится предварительно накопление информации о состоянии сонтура ЦБУ, реально действующих возмущениях и управлениях, на основании соторой строятся оценки параметров динамических моделей ОУ и оценка его тчальных условий в начале очередного интервала управления.

6. Обосновано, что локально-корректирующее управление в ЦТ имеет :воей целью минимизацию пространственной ковариации теплового состояния множества абонентов и разделяется на две связанные между собой задачи - оп->еделение числа независимо управляемых групп (фокусировка ЛК) и формиро-гание управлений в группах в виде параметризованных стратегий замкнутого типа. При этом синтез ЛКУ осуществляется около базовой программной траек--ории, реализуемой за счет управлений в контуре ЦБУ, и реализуется методом юследовательного улучшения управлений по откликам модели ОУ или реаль-юго объекта - при определении числа независимо управляемых групп и прямой >птимизацией интегрального показателя качества по параметрам при синтезе эмуляторов отдельных групп. Наличие внешних нестационарных возмущений и фограммной компоненты управления приводит к необходимости осуществлять ювторный синтез регуляторов групп одновременно с синтезом управляющих фограмм в контуре ЦБУ.

7. Установлено, что оперативная оптимизация гидравлического и тепло-юго режимов центральных и первичных тепловых пунктов невозможна без федварительного оптимального выбора параметров схем и используемого обо->удования, где более предпочтительна оптимизация в среднем по ансамблю юзможных технологических ситуаций. Более целесообразным является исполь-ювание схем тепловых пунктов, допускающих оперативную технологическую герестройку и адаптацию характеристик оборудования.

8. Доказано, что наличие в СЦТ существенно нестационарных возмуще-шй, а также периодичность процедур синтеза управлений на ограниченном интервале времени с интегральными критериями эффективности, обуславливает шобходимость периодичности и процедур оценивания параметров динамиче-:ких моделей основных подсистем. При этом идентифицируемые модели долж-вд обладать требуемыми прогностическими свойствами, что обеспечивается ^пользованием итерационного алгоритма оценивания, являющегося по своей ;ути процедурой параметрической оптимизации по интегральному критерию ;ачества, включающего в себя комбинацию критерия точности текущей на-ггройки и критерия смещения. Алгоритм оптимизации параметров дополняется

решающим правилом останова по достижении модели требуемых прогностических свойств и правилам коррекции весового множителя общего критерия эффективности по межитерационной разности критерия точности апостериорного прогнозирования.

Разработанные в диссертации математические модели, критерии оптимизации и алгоритмы моделирования и управления позволили создать пакет прикладных программ, используемых как инструментарий автоматизации исследования и управления СЦТ. Они вписываются в современные компьютерные сетевые технологии, широко используемые за рубежом и интенсивно развиваются в отечественной теплоэнергетике и коммунальном хозяйстве. Они позволяют реализовать наиболее экономичные режимы функционирования СЦТ в любых погодных условиях, независимо от сложности их технологической конфигурации.

Совокупность выполненных автором исследований позволяет квалифицировать их как новое крупное достижение в науке об управлении системами централизованного теплоснабжения, имеющее важное народнохозяйственное значение, и тем самым получить экономию тепловой энергии не менее чем на 1520%.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Михайленко ИМ. Исследование регулирующего органа в системе стабилизации температуры в теплицах // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1980, №1. - С. 11-15.

2. Михайленко ИМ., Бернер Ю.С., Михеев В.Ф. Устройство для регулирования расхода тепла в системах централизованного отопления: A.C. 887887 СССР // Б.И. 1981, №45.

3. Михайленко ИМ., Бернер Ю.С., Михеев В.Ф., Зарицкий B.C., Апостолов Ю.И. Устройство регулирования системы водяного отопления: A.C. 779747 СССР // Б.И. 1980, №42.

4. Михайленко ИМ. Анализ существующих и перспективных схем теплоснабжения крупных тепличных комплексов с учетом требований по экономии топливно-энергетических ресурсов и регулирования параметров микроклимата в теплицах // Материалы научно-технического совещания по проблемам экономии тепловой энергии в тепличном овощеводстве 21-25 апреля, Ворошилово-град, 1981. -С. 21-24.

5. Михайленко ИМ., Михеев В.Ф. Способ управления температурного и влажно-стного состояния продукта хранения: A.C. 937909 СССР // Б.И. 1982, №23.

6. Михайленко ИМ., Михеев В.Ф. Устройство для управления температурно-влажностным состоянием продукта хранения: A.C. 937909 СССР // Б.И. 1982, №23.

7. Михайленко ИМ. Устройство для регулирования температуры: A.C. 920658 СССР// Б.И. 1982, №14.

-29!. Михаила!ко И.М., Судаченко В.Н., Зарицкий B.C. Устройство для отопления и ¡егулирования температуры теплиц и парников: A.C. 815428 СССР // Б.И. 1981, »feil.

). Михайленко И.М., Судаченко В.Н., Чернобай Г.В. Регулирующая установка щя теплового объекта: A.C. 822157 СССР//Б.И. 1981, №14.

10. Михайленко И.М., Бериенр Ю.С., Михеев В. Ф Устройство для регулирования температуры в теплице: A.C. 935890 СССР // Б.И. 1982, №22.

11. Михайленко И.М., Судаченко В.Н. Устройство для обогрева грунта: A.C. 1028281 СССР//Б.И. 1983, №26.

12. Михайленко И.М. Структурно-параметрическая оптимизация систем венти-тяции // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйст-äa, 1981,№11.-С. 21-23.

13. Михайленко И.М. Структурно-параметрический синтез автоматизированных :истем отопления в теплицах// Научные труды НИПТИМЭСХ НЗ РСФСР, Л.Пушкин, 1982.-С. 19-21.

14. Михайленко И.М. Принципы построения самоорганизующихся систем управления температурой воздуха в теплицах // Материалы III Всесоюзного совещания по автоматизации в растениеводстве, 29.06-02.07 1982. - Каунас: Изд. ВИМ, 1982. -С. 91-92.

15. Михайленко И.М. Устройство для регулирования температуры теплиц с естественной вентиляцией: A.C. 1105156 СССР//Б.И. 1984, №28.

16. Михайленко И.М., Чистович A.C. Оптимальное измерение тепловой нагрузки в системах централизованного теплоснабжения // Труды АКХ им. Памфилова - Л. 1983. - С. 14-18.

17. Михайленко И.М., Волге А.М., Сафина А.Н., Методические указания по идентификации динамических объектов во временной области // НИПТИМЭСХ НЗ РСФСР. - Л.-Пушкин, 1984,27 с.

18. Михайленко И.М., Светник В.Б., Федорова Е.П., Оптимальное управление температурой в теплице в условиях воздействия внутренних и внешних тепловых возмущений //Сборник научных трудов ЛСХИ, 1984. - С. 78-82.

19. Михайленко И.М. Устройство для регулирования параметров микроклимата в теплицах: A.C. 1189391 СССР//Б.И. 1985, №41.

20. Михайленко И.М. Устройство для регулирования параметров микроклимата в теплицах: A.C. 1200866 СССР // Б.И. 1985, №48.

21. Михайленко И.М. Устройство для регулирования температуры в помещениях: A.C. 1193378 СССР // Б.И. 1985, №43.

22. Михайленко И.М., Федорова Е.П. Идентификация моделей теплиц с жалю-зийными экранами II Сборник научных трудов ЛСХИ: Автоматизация технологических процессов в сельском хозяйстве на базе микропроцессоров и ЭВМ. -Л.-Пушкин, 1986. - С. 38-44.

-3023. Михайленко ИМ., Кромана JIM. Оптимизация режимов и схем абонентских тепловых пунктов в АСУ ТП централизованного теплоснабжения // Сборник научных трудов ВНИИГС: Индустриальные автоматизированные системы теплоснабжения и вентиляции. - J1. 1987.. - С. 54-61.

24. Михайленко ИМ., С.афина А.Н. Математическое моделирование обогреваемых теплиц // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1984, №4. -С. 26-29.

25. Михайпенко ИМ., Чистович A.C. Принципы оптимального проектирования систем теплоснабжения зданий // Вопросы совершенствования технико-экономических расчетов в энергетике. Тезисы докладов к Всесоюзной НТС ЛПИ им. Калинина. - Л., 1987. - С. 96-97.

26. Михайпенко ИМ., Кошелева A.A. Прогнозирование временных случайных процессов // Научные труды НИПТИМЭСХ НЗ РСФСР. - Л.-Пушкин, 1987. - С. 33-38.

27. Михайленко ИМ., Кромина JIM. Устройство для регулирования температуры воздуха в помещении: A.C. 1441137 СССР // Б.И. 1988, №44.

28. Михайленко ИМ., Мякишев H.H. Устройство для регулирования температуры и облученности в теплицах: A.C. 1402291 СССР // Б.И. 1988, №22.

29. Михайленко ИМ., Федорова Е.П., Мякишев H.H., Шарупич В.П., Зарицкий B.C. Устройство для управления параметрами микроклимата в теплицах: A.C. 1407450 СССР//Б.И. 1988, №25.

30. Михайленко ИМ., Федорова Е.П., Мякишев H.H., Шарупич В.П., Зарицкий B.C. Способ управления параметрами микроклимата в теплицах: A.C. 1407450 СССР//Б.И. 1988, №25.

31. Михайленко И.М., Волге A.M., Бровцин В.Н. Методические рекомендации по идентификации математических моделей // НИПТИМЭСХ НЗ РСФСР. - Л., 1988, 32 с.

32. Михайленко ИМ., Кромина Л.М. Классификационный анализ и синтез технологических схем автоматизированных абонентских тепловых пунктов // Энергосберегающие индустриальные системы теплоснабжения и вентиляции. Сборник научных трудов ВНИИГС - Л., 1988. - С. 61-69.

33. Михайленко ИМ. Пакет прикладных программ АСУ ТП систем централизованного теплоснабжения // Материалы Всесоюзного совещания по проблемам автоматизации систем теплоснабжения. - Горький, 1989. - С. 21-26.

34. Михайленко ИМ. Устройство для управления температурой: A.C. 1648198 СССР//1990, ДСП.

35. Михайленко ИМ. Способ управления температурой в системах централизованного теплоснабжения: A.C. 1630524 СССР//1990, ДСП.

36. Михайленко ИМ. Устройство для отпуска теплоты в централизованных системах теплоснабжения: A.C. 1649938 СССР //1990, ДСП.

37. Михайленко ИМ. Управление распределением теплоносителя в системах централизованного теплоснабжения // Материалы Конгресса, Будапешт, 1991/ Ежегодник УНИШАЛЬ, 1991, с. 15-19.

38. Михайленко ИМ., Чистович A.C. проект интегрированной автоматизированной информационно-управляющей системы централизованного теплоснабжения// Материалы Конгресса, Будапешт, 1991;/ ежегодник УНИШАЛЬ, 1991. -С. 24-38.

39. Михайленко И.М. Автоматизированные системы управления централизованного теплоснабжения: диспетчерские и предприятием теплоснабжения // Инженерное оборудование зданий и сооружений. Энциклопедия.- М.: Стройиздат, 1994. - С. 22-24.

Заказ 246. 20.08.1998г. тираж 100 экз.

00 "Санкт-Петербургское общество экономического

просвещения"

193311, Санкт-Петербург, ул. Смольного, д.З

Текст работы Михайленко, Илья Михайлович, диссертация по теме Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК с ОТДЕЛЕНИЕ ПО НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЕ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МИХАЙЛЕНКО Илья Михайлович

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники,

математического моделирования и

математических методов в научных исследованиях

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Пи .....:......——-----

■ ' > л и у М ;1а К ? г: . г и ^

. Т ■ /У И^ г >* Щ/66

I .И. V л,*, у т А Ь Т Э А

__у* 1

" ч 'ьши* V»лк «хеше *

..........__ ........&

Санкт-Петербург - 1998

- СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение 5

1. Характеристика объекта исследования 10

1.1 Технологический процесс централизованного теплоснабжения 10

1.2 Характеристика СЦТ как объекта управления 16

1.3 Основные проблемы управления 17

1.4 Выводы по главе 19

2. Анализ существующих систем управления теплоснабжением и задачи исследования 20

^ 2.1 Общие замечания 20

2.2 Системы регулирования отдельных абонентов 20

2.3 Системы управления центральными тепловыми Пунктами 26

2.4 Системы центрального регулирования 27

2.5 Системы управления централизованным источником 32

2.6 Системы управления тепловыми процессами в других областях 36

2.7 Основные задачи исследования 37

3. Формализация задачи управления СЦТ и ее декомпозиция 40

3.1 Цель управления системой 40

3.2 Критерий оптимальности 42

3.3 Математическая модель системы централизованного

ф теплоснабжения как объекта управления 44

3.3.1 Общие требования к модели 44

3.3.2 Модель единичного абонента системы 46

3.3.3 Модель тепловой сети 57

3.3.4 Модель индивидуального теплового пункта 66

3.3.5 Модель центрального теплового пункта 67

3.3.6 Индукция общей модели СЦТ 68

3.4 Декомпозиция общей задачи управления по системному

принципу 73

3.5 Декомпозиция общей задачи управления по технологическому принципу 76

# 3.6 Предварительный анализ вариантов структуры А СУ СЦТ 76

3.7 Выводы по главе 87

4. Централизованное балансное управление 89

* Стр.

4.1 Общая характеристика задачи 89

4.2 Математическая модел ь контура ЦБ У 95

4.3 Синтез управляющих программ для номинального

технологического режима 97

4.3.1 Возмущаемостъ управляющих программ и принятие решения об

их уточнении 103

4.3.2 Коррекция управляющих программ с учетом влияния тепловой

сети 105

4.3.3 Анапиз эффективности управления и выбор параметров целевой функции 107

ф 4.3.4 Анализ эффективности управления с учетом ошибок измерения и

параметрических возмущений 119

4.4 Синтез управляющих программ с учетом смены технологических режимов 125

4.4.1 Режим пиковых отопительных нагрузок 125

4.4.2 Режим периодического протапливания 134

4.4.3 Режим пиковых нагрузок горячего теплоснабжения 138

4.4.4 Режим аварийного теплоснабжения 140

4.4.5 Особенности управления при сочетании режимов 140

4.5 анализ особых режимов управления теплоснабжением 144 4.5.1 Импульсное теплоснабжение 144

щ 4.5.2 Управление с перестройкой технологической схемы системы 154

4.6 Реализация программных управлений в контуре ЦБУ 169

4.7 Выводы по главе 173 5. Локально-корректирующее управление 176

5.1 Цель управления и критерий оптимальности 176

5.2 Синтез оптимальной структуры ЛКУ 180

5.3 Синтез локально-корректирующего управления.

Идентификационный подход 184

5.4 А нализ эффективности локально-корректирующего управления 194

5.4.1 Цели и задачи анализа 194

5.4.2 Синтез по показателю точности 196 ♦ 5.4.3 Синтез по обобщенному критерию 201

5.5 Техническая реализация ЛКУ. Прямое иерархическое управление 208

5.6 Выводы по главе 211

Стр.

6. Управление'основными технологическими подсистемами 212

6.1 Управление центральными тепловыми пунктами 212

6.1.1 Технологический процесс на ЦТП 212

6.1.2 Цель управления и критерий оптимальности 214

6.1.3 Математическая модель ЦТП 216

6.1.4 Оптимизация исполнительного управления ЦТП 218

6.1.5 Анализ эффективности алгоритма оптимизации режимов ЦТП 224

6.2 Управление индивидуальными тепловыми пунктами 226

6.3 Оптимизация параметров и схем тепловых пунктов 233

6.4 Выводы по главе 244

7. Идентификация параметров математических моделей и оценивание положения 245

7.1 Общие положения 245

7.2 Идентификация динамических моделей элементов СЦТ 245

7.2.1 Условия идентификации, цель и критерии эффективности 245

7.2.2 Обоснование алгоритма идентификации 248

7.2.3 Анализ алгоритмов идентификации 252

7.3 Оценивание состояния абонентов и подсистемы ЦБУ 255 7.3.1 Общие положения 255

7.4 Оценивание параметров, моделей основных возмущений 264

7.4.1 Вводные замечания 264

7.4.2 Алгоритм линейного фильтра 265

7.4.3 Алгоритм линеаризованного фильтра 267

7.4.4 Алгоритм расширенного фильтра 211

7.4.5 Алгоритм оптимального оценивания параметров по модели наблюдения 211

7.5 Выводы по главе 215

8. Заключение 277 Список литературы 280

ВВЕДЕНИЕ

Для теплоснабжения промышленных предприятий и жилищно-коммунального сектора используется тепловая энергия низкого потенциала, большая часть которой в России и странах СНГ вырабатывается системами централизованного теплоснабжения. В последние .10-15. лег этот вид теплоснабжения получает все большее распространение в европейских странах, Китае, США и в Канаде. Обладая более высокой экономичностью и оказывая меньшее вредное влияние на экологическую обстановку, централизация теплоснабжения является одним из наиболее эффективных мероприятий по экономии топлива и эксплуатационных затрат.

Анализ работ в области автоматизации СЦТ показал, что до настоящего времени еще не разработана общая теория управления системами данного вида, а

усилия исследователей чаще всего были направлены на автоматизацию их отдельных технологических звеньев.

экспериментальной установке теплоснабжения административных зданий ВНИИГС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

]. Впервые разработаны математические модели и алгоритмы оптимизации режимов функционирования системы централизованного теплоснабжения, как единым технологическим и динамическим объектом.

2. Предложена классификация систем централизованного теплоснабжения, как объекта управления, представляющего собой несплошную и неоднородную макросреду с сосредоточенным управляемым подводом и рассредоточенными по ее элементам управляемыми стоками теплоты и потока массы энергоносителя, при малых скоростях движения энергоносителя и гиперинерционных элементах среды, состояния которых коррелированны между собой.

4. Разработана базовая математическая модель теплового состояния абонентов, представляющая собой систему полилинейных дифференциальных уравнений, минимальный порядок которой равен четырем с составом компонент, позволяющим оценивать уровень теплового комфорта и величину энергетических потерь, в зависимости от климатических факторов и выбранной стратегии формирования температурного и гидравлического режима.

6. Предложена стратегия формирования температурного и гидравлического режима СЦТ в "виде оптимального сочетания вектора средних значений и пространственной ковариации температуры и расхода теплоносителя, реализуемая подсистемами централизованного балансного и локально-корректирующего управлений.

9. Обосновано разделение локально-корректирующего управления на две взаимосвязанные задачи - определение числа независимо управляемых групп (фокусировка ЛКУ) и формирование оперативных управлений в группах в форме параметризованных стратегий замкнутого типа.

На защиту выносятся результаты по п.п. 1-9.

Основные обозначения и сокращения:

а) физические величины:

3 - температура среды, °С;

О - расход теплоносителя, т/час;

- расход воздуха, топлива, м3/час;

р - давление теплоносителя, мПа; V - скорость ветра, м/с;

С[ - интенсивность радиации, Вт/м -час; Е - расход энергии, Мвт-час; / - время, час;

Т - транспортное запаздывание, час;

К, И - положения регулирующего органа, мм, %. б) математические переменные

X, X - канонические переменные состояния, вектор и скаляр;

У, У - канонические измеряемы величины;

и, 11 - управляемые переменные;

V, V - выходные величины;

Р, Г- внешние возмущения;

М{-} - операция математического ожидания;

Ш(.) - математическое ожидание переменной;

0(.) - матрицы ковариации;

ш[*] - плотности распределения вероятностей;

Р[*] - вероятности событий;

-10-

- состояние деятельности людей;

Л - режимы теплоснабжения;

с(') " параметры канонических форм моделей;

П(.) - векторы схемно-конструктивных параметров;

Л(.) - векторы параметров динамических моделей;

Ф (•) & (•) - операторы математических моделей. в) сокращения:

ИТП - индивидуальный тепловой пункт;

ЦТП - центральный тепловой пункт;

ЦИТЭ - централизованный источник тепловой энергии;

ТС - тепловая сеть;

ЦБУ - централизованное балансное управление; ГрКУ - групповое корректирующее управление; ЛКУ - локально-корректирующее управление.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Технологический процесс централизованного теплоснабжения.

Объектом исследования в диссертации являлась система централизованного теплоснабжения, где в качестве источника используется крупная районная котельная. Выбор именно такого объекта исследования связан как с перспективностью систем такого типа, так и в связи с тем, что они являются базовым блоком любой более сложной системы теплоснабжения. Результаты исследования такого базового блока могут быть использованы и более широко.

На рис. 1.1. представлена принципиальная технологическая схема СЦТ с районной котельной. Здесь реализуются восемь ступеней различного преобразования состояния теплоносителя на пути от централизованного источника теплоты до отдельного отопительного прибора. Каждая ступень или цикл реализуется на самостоятельных технологических объектах СЦТ, на которых имеется возможность независимо друг от друга изменять состояния теплоносителя.

Мощность централизованного источника тепловой энергии (ЦИТЭ) данного типа не превышает 1000 МВт, а расход теплоносителя - 10000 м3/ч.

Магистральные тепловые сети (МТС) в таких СЦТ выполняются двухтрубными и чаще всего имеют древовидную структуру. Они включают в себя повысительные насосные станции (НС) на прямом и обратном трубопроводах.

Функциональным назначением центральных тепловых пунктов (ЦТП) является дополнительная коррекция состояния теплоносителя в распределительных тепловых сетях (РТС). Независимость гидравлических и температурных режимов в РТС от режимов в МТС повышает надежность и управляемость СЦТ. Кроме того, в закрытых системах горячего водоснабжения (СГВ) на ЦТП нередко размещают оборудование химической очистки воды и баки-аккумуляторы. В этом случае распределительные тепловые сети выполняются трехтрубными, с циркуляционной линией.

Функциональным назначением индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) является регулирование отбора тепловой энергии из тепловой сети для восполнения тепловых потерь конкретных абонентов, в качестве которых могут вступать здания и сооружения различного назначения. При этом отдельные здания могут иметь несколько ИТП.

Сами здания и сооружения, как абоненты СЦТ, представляют особой совокупность отапливаемых помещений (ОП), оборудованных системами отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Если здание секционировано, то системы отопления и ГВС запитываются от самостоятельного ИТП, при общем тепловом вводе, на котором устанавливается запорная арматура и приборы учета.

пп

т'

? I 4

Распределительные

Холодная вода

I------>—----------1

Рис. 1.1 Принципиальная технологическая сх^ма СЦТ

В каждом здании ОП объединяются в отдельные изолированные блоки-квартиры, цеха кли складские помещения. Деление здания на такие блоки обусловлено различиями в видах деятельности или наличием различных владельцев этих помещений. Каждый из таких блоков может иметь собственный тепловой ввод, со своими приборами учета. Однако в СССР жилые здания не имеют поквартирной разводки, а отопительные приборы соединены в секции исходя из соображений удобства и экономичности.

Отопительные приборы (ОП) устанавливаются в помещениях по одному или соединяются в секции, имеющие общий регулирующий орган (РО) для изменения их те�

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00