Экспериментальная идентификация структуры и параметров автоматических регуляторов систем отопления

Широкое применение в тепловых системах автоматических регуляторов выявило ряд проблем. Главная из них – алгоритмы работы регуляторов не раскрыты. Даже если в инструкциях присутствуют термины «пропорционально-интегральный» или «дифференциальный», это не значит, что регуляторы работают, как привычные ПИ-, ПИД-регуляторы. Так, многолетний опыт наладки систем отопления, от коттеджей до многоквартирных домов, с применением регуляторов ECL Comfort (производитель Danfoss ), Vitotronic (производитель Viessmann ), ESBE и других, показывает, что применение рекомендаций по их настройке приводит к колебаниям температуры теплоносителя с периодом 5…20 мин и амплитудой 7…10 °С. Такой процесс заставляет увеличивать исходную температуру теплоносителя на 10…15 °С, что значительно повышает расход энергоресурсов. Для определения возможности существенного изменения динамики процесса регулирования, а именно снижения амплитуды автоколебаний до 1…2 °С, был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований. На начальном этапе была поставлена задача идентифицировать динамику автоматических регуляторов, поскольку их работа на реальных котельных не слишком совпадала с положениями ТАУ.

Экспериментальная идентификация регуляторов

Для исследования алгоритмов работы контроллеров управления системами отопления и горячего водоснабжения, и экспериментов по оптимизации процессов разработан стенд, имитирующий эти системы. Принципиальная электрическая схема стенда на базе контроллера ECL Comfort 200 приведена на рис. 1, электрические схемы стенда на базе других контроллеров аналогичны.

Переменные резисторы R3–R7 предназначены для имитации датчиков температуры, тумблер S1 – для дискретного изменения рассогласования температур. В связи с тем, что выходные сигналы всех регуляторов температуры представляют собой импульсное напряжение амплитудой 220 В, применены развязывающие трансформаторы Т1–Т2, обеспечивающие безопасность исследований.

«Наружная температура»

«Температура в помещении»

«Температура возвращаемого теплоносителя»

«Температура подачи»

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема стенда для исследования регуляторов температуры

На данном стенде были исследованы три наиболее часто применяемых контроллера для систем отопления и горячего водоснабжения (ГВС): ESBE Series 90 , Vitotronic 300-K, ECL Comfort 200 .

Наиболее простым является контроллер ESBE Series 90C – пропорциональный регулятор с переменным настраиваемым коэффициентом усиления. Сигналы управления приведены на рис. 2.

Рис. 2. Управляющие сигналы ESBE при рассогласовании температур 3 и 7 °С

Выбранная при настройке длительность импульса Т имп не изменяется при изменении рассо-

гласования заданной и регулируемой температур ДТ ° = Т ° _з — Т ° . Рассогласование изменяет пе-

риод следования импульсов Т . Коэффициент усиления регулятора можно представить формулой

К

^Т имп т

Т имп • ДТ ° .

Данный регулятор применяется в небольших малоинерционных системах.

Второй исследованный контроллер – это цифровой каскадный контроллер Vitotronic 300-K ,

реализует алгоритм ПИД-регулирования. Настройка параметров его динамических звеньев ограничена выбором единственного параметра С4 («регулирующее воздействие смесителя на динамику установки»), изменяемого в диапазоне 0…3. Сигнал управления приведен на рис. 3. Он состоит из первоначального импульса длительностью Т д , определяемой дифференциальным кана-

лом, группы импульсов с изменяемой в зависимости от параметра С4 скважностью, которая определяет пропорциональный канал. Через определенное время регулятор переходит в насыщение

за счет интегрального канала.

Передаточная функция данного регулятора может быть представлена формулой

W - К +- + Тл-р ~ — + — + ^д^2-.

Т и "Р    д         Т    Т п -р ^{Т имп} /_т

Аникин А.С., Балденков А.А., Кодкин В.Л.

Экспериментальная идентификация структуры и параметров автоматических регуляторов систем отопления

Наличие всего четырех положений настройки динамических звеньев не позволяет оптимально настроить процессы с этим регулятором.

Рис. 3. Структура выходного сигнала контроллера Vitotronic 300-K при С4:0 и С4:2 при Δ T = 3 °C

Более гибкую структуру имеет ECL Comfort 200 . В отличие от ранее описанных контроллеров, данный регулятор позволяет существенно изменять параметры заложенных в него динамических звеньев.

Выходной сигнал контроллера ECL Comfort 200 представлен на рис. 4.

Рис. 4. Структура выходного сигнала контроллера ECL Comfort 200

Сигнал содержит первоначальный импульс, интервал времени с изменяющейся скважностью и установившееся значение с малой скважностью. Такой процесс может соответствовать выходному сигналу ПД регулятора:

W = K+^-,

1+TfP, т        т   К+^/т   7

^т мп. т — her        11 _ ' пуск

Г^Де -*K              ; V "1              ;                             ■ т 1   3^4Л К      Тимп

Проведен цикл испытаний, показавший зависимость параметров передаточной функции от параметров регулятора: Xp – зона пропорциональности, Ти – постоянная интегрирования, Тш – «время перемещения штока клапана из одного крайнего положения в другое». В программной среде Matlab рассчитаны частотные характеристики регуляторов (рис. 5), оказалось, что при параметрах, которые чаще всего устанавливают при наладке (графики 2, 3 на рис. 5), регуляторы близки к пропорциональным звеньям и не оказывают существенного корректирующего воздей- ствия (см. таблицу). Это объясняет отмеченные ранее факты незначительного влияния изменяемых параметров на процессы регулирования. Вместе с тем, возможно установить такие динамические свойства регулятора, которые способны существенно изменить динамику тепловой системы (график 1 на рис. 5).

Передаточные функции погодного компенсатора ECL Comfort 200

I	II	III
W = 0,65 + -^79p-l+9,33^p	W = о,14+ l^P l+0,7-p	W = 0,028 + ^^ l+0,5-p

П о ско л ь ку пер ио д ко л еба ний сост авл я ет 5 …7 мин, наиболее эффективным вариантом будет I, с Т 2 = 467,9 с.

Рис. 5. Частотные характеристики регулятора ECL Comfort 200 при изменении зоны пропорциональности Х р

Исход я и з того, что чащ е в с е го н а с т рой к а па ра ме т ров ре гу лятора производится согласно инструкциям и руководствам [3 , с . 42, 46] , [4, п. 26 «Установка параметров ПИ-регулирования»], н е д а ющ и м а б с о лю тн о ни к а к о го представления о том, как влияет каждый к он к ре тный п а ра ме т р н а ха рак те р п роц ес с ов в си с те ме , в ре зу льта те процесс регулирования, как правило, представляет соб ой а в то к олеб а н и я с о з н а чи те льн ой а мп ли ту д ой .

В ход е э к с пе ри ме н тальн о й и д е н ти фи к аци и у с та н ов лено:

• –    п ара ме тр «врем я и н те грирования» не определяет параметр интегриру ю ще го зв е н а , б олее того, интегральное звен о в д а нном регуляторе отсутствует, а указанный па ра ме тр в ли яе т н а в с е х а ра к т е ри с ти к и д и н а ми чес к ого з в е н а ;

• –    пар ам ет р « з она пр о по р ц иональности» определяет общий коэффициент усиления р ег уля т ор а;

• –    все ко эф ф ициент ы и пост оя нны е вр ем ен и р ег ул я то р а з авися т от величины рассогласования.

Заключение

• 1.    Возможно, регуляторы E C L C omfor t и Vititronic содержат нечеткие алгоритмы [5], однако р а з обра ть и х и особ е н н о в озд е й с тв ов а ть н а и х к ор ре к ти ров к у , т. е. воспользоваться генетическими а л гори тм ам и , н е т н и к ак ой в озможн ости.

• 2.    Е ди нственн о в озмо жн ым вариантом корректировки данных регулят оров може т быть м етод, оп ираю щи йся на и х иде н т ификацию как динамических нелинейных р егу ляторов , и и с п ользов а н и е м етодов ча с тотного а нализа или гармонической линеаризации для к орр е к ти ровк и динами к и к он ту ров те п лос н абже н и я.

  Аникин А.С., Балденков А.А., Кодкин В.Л.

  
  

Экспериментальная идентификация структуры и параметров автоматических регуляторов систем отопления