Современный подход к системам автоматического управления отопления здания

СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К СИСТЕМАМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ

Савин Даниил Викторович

аспирант, Костромской Государственный Технологический Университет, РФ,

г. Кострома E-mail: meolom @mail.ru Дроздов Владимир Георгиевич

канд. техн. наук, профессор, Костромской Государственный Технологический

Университет, РФ, г. Кострома

MODERN APPROACH TO SYSTEMS AUTOMATIC CONTROL HEATING

BUILDING

Daniil Savin

graduate student, Kostroma State Technological University, Russia Kostroma

Vladimir Drozdov

candidate of Science, professor, Kostroma State Technological University, Russia

Kostroma

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены актуальные вопросы создания систем автоматического регулирования температуры в зданиях. Особое внимание уделено анализу возмущающих воздействий, определяющих подходы к выбору принципов управления системой. На основе проведённого исследования обосновывается необходимость применения в системе отопления здания адаптивной нечёткой системы автоматического управления построенной по технологии нечеткой логики и нейросетевого подхода, обеспечивающую экономию энергоресурсов и комфортную температуру в помещениях здания.

ABSTRACT

The article discusses current issues of creating automatic temperature control systems in buildings. Particular attention is paid to the analysis revolting influences, defining approaches to the selection principles of management system. Based on the research substantiates the need for the heating system of the building adaptive fuzzy automatic control system built on the technology of fuzzy logic and neural network approach, providing energy savings and a comfortable temperature in the rooms of the building.

Ключевые слова: возмущающее воздействие; система отопления здания; система автоматического управления (САУ); САУ с нечетким контроллером, гибридная нечеткая САУ; адаптивная нечеткая САУ.

Keywords: disturbance; heating system of the building; automatic control system (ACS); ACS fuzzy controller; hybrid fuzzy ACS; adaptive fuzzy ACS.

В настоящее время реализуются программы по строительству нового жилья. Немаловажную роль в создании комфортных условий проживания и домашнего уюта играет температура внутри помещения/квартиры, особенно в зимний и переходные периоды года. Отопление — одна из дорогих систем, стоимость которой составляет 4—6 % единовременных затрат на строительство здания и 40—50 % эксплуатационных затрат. А эффективность работы данной системы выражается ещё в большем эквиваленте [3].

Отапливаемое помещение является объектом со сложными динамическими свойствами, переходные тепловые процессы в отапливаемых помещениях характеризуются непрерывным обменом энергии между отдельными емкостями (воздух, внутренние стены и др.). Которые, в свою очередь, обусловлены наружными возмущающими воздействиями, поступающие в здание через теплоемкие и нетеплоемкие ограждающие конструкции, т. е. проникают по каналам медленных и быстрых теплопотерь [8], — ветер, солнечная радиация, температура наружного воздуха, а также внутренними (воздействующие непосредственно на температуру воздуха в помещении) — бытовое выделение тепла (тепловыделение от работающего оборудования). А сама система отопления имеет большую инерционность и большое время запаздывания.

Нарушение равновесия между поступлением и потерями тепла вызывает изменение регулируемой величины — температуры воздуха в помещении ^вн), рис. 1. В случае превышения теплопоступлений от приборов отопления ^пр) и бытовых тепловыделений ^быт) избыточное тепло затрачивается частично на нагрев внутреннего воздуха ^в) и частично аккумулируется ^ак) в

ограждающих конструкциях, мебели и других предметах, находящихся в помещении, или охлаждается/переносится по средствам искусственной вентиляции воздуха (Овв). При уменьшении поступлений тепла от системы отопления и понижении внутренней температуры происходит выделение аккумулированного тепла (Оак + Qогр).

Рисунок 1. Поступления и потери тепла в помещении здания

Всем вышеперечисленным наружным и внутренним возмущениям свойственно изменяться во времени и «случайным» образом, поэтому всегда есть величины, которые влияют на результат, но не измеряются при проведении эксперимента для построения модели. Температура наружного воздуха, внутренние тепловыделения (по периодам времени суток/недели/года) — имеют систематический характер; скорость ветра, солнечная радиация, внутренние тепловыделения (количество человек и работающих электроприборов в помещении) — случайный [5]. В совокупности с погрешностью измерений (наличия зашумлённости) и течением времени — старения здания, происходит изменение коэффициентов модели.

Все это требует от математической модели способности изменять структуру моделирования, анализировать зашумленные данные, быть устойчивой по отношению к изменениям нагрузки на отопительную систему и

отрабатывать возмущающие воздействия (с учётом запаздывания и инерционности). Поэтому, в таких случаях, необходимо применение нелинейных математических моделей.

В настоящее время для непрерывного управления в системах отопления применяются релейные (двухпозиционные) или ПИ, ПИД-регуляторы. Последние работают хорошо, когда управляемый объект находится в устойчивом режиме, и зарекомендовали себя при относительно невысокой сложности объекта управления и наличии достаточно полной информации о нем. В системах с сильными помехами, постоянным изменением параметров во времени и наличия запаздывания, чем и является система отопления зданием, — традиционные регуляторы (их математический аппарат) могут не справиться со своей задачей, поскольку исходное для них предположение о линейности объекта уже не действует. В связи с чем, модель не может точно учесть влияние случайных возмущений в каждом отдельном измерении, она показывает лишь некоторые усредненные характеристики не отражающие протекающие явления достаточно точно.

Для решения поставленной задачи требуется интеллектуальная система с возможностью работы с нечеткой информацией и знаниями, а также способностью к самостоятельной адаптации. Класс таких САУ называют — нечёткие, и состоит он из:

1. САУ с нечетким контроллером (используются заранее введенные знания, система не адаптивна);

2. Гибридные нечеткие САУ (сочетание традиционных методов управления, нечеткой логики и нейросетевого подхода, система «ограничено» адаптивна);

3. Адаптивные нечеткие САУ (алгоритм управления и методы его модификации используют методы искусственного интеллекта, адаптивный нейро-нечёткий регулятор, система обладает максимальной адаптивностью).

Исходя из параметров системы отопления, создания комфортных условий с учётом технико-экономической целесообразности и санитарно-технических

норм — оптимальным решением является применение адаптивной нечёткой САУ (рис. 2). Данная САУ — замкнутая, с обратной связью, в прямом контуре которой в качестве регулятора используется адаптивный нечеткий контроллер — двухуровневое иерархическое устройство, опрашивающее при помощи датчиков состояние объекта управления и вырабатывающее на первом уровне управляющее воздействие посредством реализации одной из схем нечеткого вывода. Далее — осуществляется коррекция базы правил системы нечеткого вывода при помощи одного из методов нечеткого вывода. Поэтому, при изменении среды функционирования нечеткой адаптивной САУ верхний уровень осуществляет интеллектуальную адаптацию системы нечеткого вывода нижнего уровня, который в свою очередь представляет устройство автоматического принятия решений на основе знаний эксперта [4].

В блоках фаззификации производится трансформация четких сигналов в нечеткие множества, а дефаззификации осуществляется переход от нечетких значений величин к определенным физическим параметрам, которые служат «командами» исполнительному устройству.

Рисунок 2. Архитектура адаптивной нечеткой СА У

Адаптивная нечёткая САУ системы отопления здания позволит:

1. создать систему управления эффективную во всем спектре ситуаций;

2. автоматизирование отопления зданий (сложных объектов) с минимально известной информацией;

3. отрабатывать возмущения с учётом старения здания (течением времени), большого запаздывания и инерционностью;

4. оценивать постоянно изменяющиеся показатели возмущающих воздействий и выдавать конкретный результат регулирования (благодаря базам данных/правил/знаний, блокам фаззификации и дефаззификации);

5. адаптироваться к изменениям как самого объекта управления, так и факторов на него влияющих;

6. применять данные САУ для различного рода типовых конструкций зданий (требуется база знаний);

7. обеспечивать более высокие показатели качества переходных процессов;

8. выполнить оптимизацию контура регулирования без проведения всесторонних математических исследований.

В заключении необходимо отметить, что адаптивная нечёткая САУ отопления здания построенная по технологии нечеткой логики и нейросетевого подхода будет решать задачу энергосбережения и обеспечивать комфортную температуру в помещениях здания, что в силу масштабности энергозатрат приведёт к ощутимым эффектам в абсолютном выражении.

Список литературы:

1. Еремкин А.И., Королева Т.И. Тепловой режим зданий: Учебное пособие. М.: Издательство АСВ, 2000 — 368 с.

2. Куленко М.С., Буренин С.В. Исследование применения нечетких регуляторов в системах управления технологическими процессами. Вестник ИГЭУ — № 2 — 2010. — с. 1—5.

3. Он-лайн энциклопедия зданий [электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://www.zdanija.ru/ (дата обращения 02.09.2013).

4. Рубанов В.Г., Филатов А.Г., Рыбин И. А. Интеллектуальные системы автоматического управления. Нечёткое управление в технических системах [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://nrsu.bstu.ru/ (дата обращения 17.07.2013).

5. Сотников А.Г. Теплопотери и отопительная нагрузка зданий: комплексный физико-математический (динамический) подход. Теплоэнергоэффективные технологи — № 4 (64). СПб.: — 2011. — 18 с.

6. Усков А. А. Принципы построения систем управления с нечеткой логикой // Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика. — 2004. — № 6. — с. 7—13.

7. Чернецкая И.В., Чернецкий В.О. Нечёткие регуляторы в системах автоматического регулирования. Вестник ЮУрГУ, — № 14, — 2006. — с. 156—159.

8. Чистович С.А., Аверьянов В.К., Темпель Ю.Я., Быков С.И. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления. Стройиздат. Л.: 1987 — 249 с.