田思慶 曹 宇 鄭家風(fēng)

(佳木斯大學(xué) a.信息電子技術(shù)學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院)

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

田思慶a,b曹 宇b鄭家風(fēng)b

(佳木斯大學(xué) a.信息電子技術(shù)學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院)

為了使二次管網(wǎng)供水相對(duì)均勻、穩(wěn)定地分配給熱網(wǎng)用戶，設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，并以模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論為基礎(chǔ)制定了熱網(wǎng)壓力、流量控制規(guī)則。仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)輸出流量響應(yīng)快、超調(diào)量小、穩(wěn)定性高。

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 模糊化

我國(guó)北方地區(qū)冬季漫長(zhǎng)，供暖成為居民冬季生活中的重要部分。隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)冬季供暖提出了越來(lái)越高的要求。而傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)今熱網(wǎng)用戶對(duì)于室內(nèi)溫度的要求。

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基于模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而成的控制方法，具有計(jì)算誤差小、精確度高、可靠性高及控制性能優(yōu)等特點(diǎn)，極其適用于熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

筆者根據(jù)熱網(wǎng)自身的特性，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)設(shè)計(jì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制規(guī)則(以二次管網(wǎng)的壓力和流量為輸入，以調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為輸出)，以滿足不同熱網(wǎng)用戶對(duì)于壓力或流量的需求，當(dāng)壓力或流量出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可以很方便地對(duì)設(shè)備進(jìn)行處理[1]。在保證室內(nèi)溫度的情況下，最大程度地實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、提高熱網(wǎng)自動(dòng)化水平的目的。

1 熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工藝流程

熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。系統(tǒng)按照功能可以分為3個(gè)區(qū)域：第1區(qū)域是熱網(wǎng)的供熱源，主要為熱網(wǎng)用戶提供充足的熱水；第2區(qū)域是溫控區(qū)，主要對(duì)熱水進(jìn)行再次處理，然后分配到各個(gè)換熱站；第3區(qū)域是板式換熱器，主要給熱網(wǎng)用戶提供充足的熱水，使熱網(wǎng)用戶的房間溫度達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)。在此，筆者主要介紹第3區(qū)域[2]。

圖1 熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工藝流程

在第3區(qū)域中，控制器根據(jù)二次管網(wǎng)上的調(diào)節(jié)閥制定模糊控制規(guī)則，并通過(guò)變頻器改變二次管網(wǎng)的熱水流量，以保證熱源供應(yīng)的穩(wěn)定性。供熱區(qū)工作流程如圖2所示。

2 熱網(wǎng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)

熱網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的被控對(duì)象，為此筆者采用高斯型隸屬度函數(shù)作為熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的隸屬度函數(shù)。高斯函數(shù)是連續(xù)且處處可微的函數(shù)，適用于自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)模糊控制隸屬度函數(shù)的修正，其表達(dá)式為：

圖2 供熱區(qū)工作流程

(1)

式中n——隸屬度的中心值；

δ——隸屬度的寬度。

通常，n和δ的初始參數(shù)值可以憑經(jīng)驗(yàn)給出。如果經(jīng)驗(yàn)不足，初始參數(shù)值可以根據(jù)模糊規(guī)則來(lái)確定[3]。

3 熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，輸入量為壓力誤差和流量誤差。設(shè)系統(tǒng)的設(shè)定壓力、設(shè)定流量分別為L(zhǎng)1、L2，壓力傳感器和流量傳感器的實(shí)測(cè)值分別為S1、S2，則壓力誤差X1=L1-S1、流量誤差X2=L2-S2。然而，模糊控制器的輸入量需要經(jīng)過(guò)模糊化處理才能使用。

3.1 模糊化

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況和要求，將壓力誤差yw分為7個(gè)模糊集，即{HD，HS，HX，TS，ZX，ZZ，ZD}，對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{壓力采樣值超低于設(shè)定范圍下限差值巨大，壓力采樣值遠(yuǎn)低于設(shè)定范圍下限差值較小，壓力采樣值微低于設(shè)定范圍下限差值最小，壓力采樣值在設(shè)定范圍內(nèi)無(wú)誤差，壓力采樣值微高于設(shè)定范圍上限差值最小，壓力采樣值遠(yuǎn)高于設(shè)定上限差值較大，壓力采樣值超高于設(shè)定上限差值巨大}。壓力誤差yw域定義為{-6，-4，-2，0，2，4，6}。

將流量誤差lw分為7個(gè)模糊集，即{HD，HS，HX，TS，ZX，ZZ，ZD}，對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{流量偏差采樣值超低于設(shè)定范圍下限差值巨大，流量偏差采樣值遠(yuǎn)低于設(shè)定范圍下限差值較小，流量偏差采樣值微低于設(shè)定范圍下限差值最小，流量偏差采樣值在設(shè)定范圍內(nèi)無(wú)誤差，流量偏差采樣值微高于設(shè)定范圍上限差值最小，流量偏差采樣值遠(yuǎn)高于設(shè)定上限差值較大，流量偏差采樣值超高于設(shè)定上限差值巨大}。流量誤差lw域定義為{-6，-4，-2，0，2，4，6}。

將輸出量即調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度k為5個(gè)模糊集{QK，DK，BK，XK，F(xiàn)B}，對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，調(diào)節(jié)閥大開(kāi)，調(diào)節(jié)閥半開(kāi)，調(diào)節(jié)閥小開(kāi)，調(diào)節(jié)閥封閉}。調(diào)節(jié)閥開(kāi)度U的論域定義為{0.0，0.5，1.0,1.5，2.0}

3.2 熱網(wǎng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的結(jié)構(gòu)

熱網(wǎng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的拓?fù)鋱D如圖3所示[4]。

圖3 熱網(wǎng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的拓?fù)鋱D

在此，n的取值為{-6，-4，-2，0，2，4，6}，δ的取值1.2。得到流量誤差lw的隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖4 流量誤差lw的隸屬度函數(shù)

調(diào)節(jié)閥開(kāi)度k的隸屬度函數(shù)如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度k的隸屬度函數(shù)

通過(guò)參考大量文獻(xiàn)并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)[5]，將控制過(guò)程中可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行匯總，共得到了49條控制規(guī)則。用“if then”形式的語(yǔ)句加以描述，其中的部分語(yǔ)句如下：

if(ywis HD)and(lwis HD)then(kis QK)

if(ywis HS)and(lwis HS)then(kis BK)

if(ywis HX)and(lwis HX)then(kis XK)

if(ywis TS)and(lwis TS)then(kis FB)

if(ywis ZX)and(lwis ZX)then(kis XK)

if(ywis ZZ)and(lwis ZZ)then(kis QK)

if(ywis ZD)and(lwis ZD)then(kis QK)

4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

為了便于在工程中使用，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器模型可描述為：

輸入變量的論域分別為：

壓力誤差X1=[-E,E]=[-3,3]

流量誤差X2=[-E,E]=[-5,5]

設(shè)壓力量化因子Kyw=2，流量量化因子Klw=1.2，學(xué)習(xí)率η=0.3，平滑因子α=0.8。

5 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)筆者設(shè)計(jì)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)系統(tǒng)流量控制特性進(jìn)行仿真研究，經(jīng)過(guò)4 000次訓(xùn)練，得到的流量仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快，具有較好的穩(wěn)定性和較小的超調(diào)量。

圖6 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的流量仿真結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。對(duì)二次管網(wǎng)供水進(jìn)行模糊量設(shè)計(jì)，使用高斯函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出量的模糊化。仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)輸出具有超調(diào)量小、反應(yīng)時(shí)間快、振蕩小及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，證實(shí)筆者設(shè)計(jì)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器是有效的，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以在較大程度上改善城市熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的性能，具有一定的實(shí)用性。

[1] 劉金琨.先進(jìn)PID控制Matlab仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011:270～297.

[2] 田思慶,魏強(qiáng),吳桂云,等.火電廠主汽溫度串級(jí)模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(11):1273～1276.

[3] 孫靈芳,董學(xué)曼,姜其鋒.模糊控制的現(xiàn)狀與工程應(yīng)用關(guān)鍵問(wèn)題研究[J].化工自動(dòng)化及儀表,2016,43(1):1～5.

[4] 徐奔騰,林勇,溫陽(yáng)東.鍋爐汽包水位的變論域模糊PID控制[J].化工自動(dòng)化及儀表,2016,43(5):467～470.

[5] 戴珂,段善旭.三相電壓型整流器/逆變器的功能建模仿真方法[J].電力電子技術(shù),2002,36(5):60～64.

ApplicationofFuzzyNeuralNetworkinHeatingNetworkRemoteMonitoringSystem

TIAN Si-qinga, b, CAO Yub, ZHENG Jia-fengb
(a.CollegeofInformationScienceandElectronicTechnology; b.CollegeofMechanicalEngineering,JiamusiUniversity)

TH865

A

1000-3932(2017)09-0861-04

2017-04-24，

2017-05-23)

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佳木斯大學(xué)應(yīng)用重點(diǎn)項(xiàng)目(12Z2201526)；佳木斯大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(Cxtdpy-2016-03)。

田思慶(1965-)，教授，從事自動(dòng)化與電氣化的教學(xué)與研究。

聯(lián)系人曹宇(1991-)，碩士研究生，從事農(nóng)業(yè)電氣與自動(dòng)化的研究，1315766172@qq.com。