基于差分进化算法的闭式冷却塔控制方法

1.一种基于差分进化算法的闭式冷却塔控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立单个闭式冷却塔机理模型；步骤2：对单个闭式冷却塔机理模型进行求解，得到循环水出口温度与喷淋水量、风机风量、环境温度、空气焓值、冷却塔传热面积关系的表达式；步骤3：根据闭式冷却塔的结构参数，确定闭式冷却塔机理模型的参数，并通过实际运行数据，对闭式冷却塔机理模型参数进行校正；步骤4：在单台冷却塔喷淋水泵处引入变频调节；步骤5：根据单个闭式冷却塔机理模型，建立4个闭式冷却塔优化控制模型；步骤6：根据优化问题，对决策变量进行实数编码，决策变量的维数为8，分别为4个冷却塔的风机运行状态和喷淋泵运行状态，使用差分进化算法对优化问题进行求解；步骤7：搭建控制器与算法的通信链路，通过控制器采集工业现场的实时数据，包括每个冷却塔的循环水入口温度、循环水出口温度，并将数据通过以太网传输至监控室，以组态软件和数据库为接口，实现实时数据导入算法中，得到风机和喷淋泵的控制指令，再下发到控制器指令中进行控制。 2.根据权利要求1所述的一种基于差分进化算法的闭式冷却塔控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：根据能量守恒原理，建立管内循环水、喷淋泵喷淋水和空气之间的能量平衡方程；所述管内循环水的能量平衡方程如下：M w C w dt＝K 0 (t-t p )dA式中dA为微元高度段H所对应的盘管传热面积，M w 为冷却水质量流量，C w 为冷却水的比热，K 0 为以管外表面为基准，盘管内到喷淋水的综合传热系数，t p 为喷淋水温，t为管内冷却水的温度；所述喷淋泵喷淋水的能量平衡方程如下：M p C p dt p ＝-K m (h p -h 0 )dA+K 0 (t-t p )dA式中M p 为喷淋水质量流量，C p 为喷淋水的比热，h p 为与喷淋水温度相对应的饱和湿空气焓值，h 0 为入口空气焓值，K m 为传质系数；所述空气的能量平衡方程如下：G a dh＝K m (h p -h 0 )dA式中G a 为空气的质量流量，h为空气焓值。 3.根据权利要求1所述的一种基于差分进化算法的闭式冷却塔控制方法，其特征在于，步骤2所述表达式为：T out ＝f(t p ,b 1 ,b 2 ,b 3 ,b 4 ,ψ 1 ,ψ 2 ,t 1 ,h 0 ,h 1 ,h p ,A 0 )式中t p 为喷淋水温，t 1 为循环水入口温度，h 0 ＝f 01 (T g )，h 1 ＝f 02 (T g )，h p ＝f 03 (T g )分别为入口空气焓值、出口空气焓值、与喷淋水温度相对应的饱和湿空气焓值，f 01 ，f 02 ，f 03 表示为关于环境温度T g 的函数，M g 为喷淋水质量流量，G a 为风机风量，T g 为实际环境湿球温度，A 0 为冷却塔传热面积，ψ 1 、ψ 2 是方程ψ 2 +(b 1 +b 4 )ψ+(b 1 b 4 -b 2 b 3 )＝0的根；b 1 ＝f 1 (M p )；b 2 ＝f 2 (M p )；b 3 ＝f 3 (M p )；b 4 ＝f 4 (G a )；f 1 ，f 2 ，f 3 表示为关于喷淋水质量流量M p 的函数，f 4 表示为关于风机风量G a 的函数。 4.根据权利要求1所述的一种基于差分进化算法的闭式冷却塔控制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：步骤2.1：设 带入单个闭式冷却塔机理模型：步骤2.2：假设饱和湿空气焓值h p 与管外喷淋水温度呈线性关系，即： 设y＝t p -t，z＝h 0 -h p ；步骤2.3：将步骤2.2中公式带入2.1中，得 其中，b 1 ＝(a 1 +a 3 )；b 2 ＝-a 2 ；b 3 ＝-ma 3 ；b 4 ＝ma 2 -a 4对方程组进行求解：其中ψ1，ψ2是方程ψ 2 +(b 1 +b 4 )ψ+(b 1 b 4 -b 2 b 3 )＝0的根，m 1 ，m 2 为常数系数；步骤2.4：建立步骤2.3中方程组的边界条件：在冷却塔顶端，冷却水入口处：A＝A 0 ；t＝t 1 ；t p ＝t p0 ＝t p1 ；h＝h 1 ；h p ＝h p0 ＝h p1 ；其中t 1 为循环水入口温度，t p0 ，t p1 分别为循环水出口温度和循环水入口温度，h 1 为冷却塔顶端空气焓值，h p0 ，h p1 分别为循环水的出口焓值和入口焓值；在冷却塔底端，冷却水出口处，边界条件为：A＝0；t＝t 0 ；t p ＝t p0 ＝t p1 ；h＝h 0 ；h p ＝h p0 ＝h p1 ；(t p0 -t 0 )＝m 1 +m 2其中t 0 为冷却水出口温度，h 0 为冷却塔低端空气焓值；步骤2.5：由冷却水入口处以及出口处的边界条件分别计算得：步骤2.6：假设循环水温度不变，即t p ＝t p0 ＝t p1 ，有：T out ＝(t 01 +t 02 )/2其中，t 01 ，t 02 为得到的两个冷却水出口温度值，T out 为冷却水出口温度。 5.根据权利要求1所述的一种基于差分进化算法的闭式冷却塔控制方法，其特征在于，步骤3所述实际运行数据包括：循环水入口温度、循环水出口温度、环境温度，每台冷却塔冷却能力的不同通过调整传热面积、传热系数、传质系数进行区分。 6.根据权利要求1所述的一种基于差分进化算法的闭式冷却塔控制方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：步骤3.1：收集闭式冷却塔的结构参数，具体包括冷却塔的冷却能力、冷却负荷、循环水入口温度、循环水出口温度、喷淋水量、进塔风量、湿球温度、干球温度、空气相对湿度、进塔空气焓值、出塔空气焓值、传热系数、传质系数、饱和水蒸气分压力、传热面积即循环水盘管的管长、内径、外径、管间距、管根数、排数；步骤3.2：计算传热传质系数、传热面积：其中传热系数K 0 ：式中α i 为盘管内流体传热系数，d i 为管外径，λ为导热系数，α w 水膜的对流传热系数，δ为盘管厚度，λ g 为水垢的导热系数，D n ,D c 分别为盘管结垢后的内外径；传质系数Kx：G max 为空气质量流速最大值，a′为喷淋水与空气、水界面之间的对流换热系数，e为比例系数；传热面积：A＝N p ·N·π·d 0 ·LN为排管根数，N p 为管排数，d 0 为管外径，L为管长；步骤3.3：根据固定地区气象条件选取实际运行数据，包括：大气压力：P＝101325Pa水蒸气饱和分压力：P s ＝5535Pa相对湿度： 含湿量： 入口空气焓值：h 0 ＝1.01T g +0.001d(2501+1.85T g )出口空气焓值： 预估喷淋水温度及变化，估计参数：p步骤3.4：实际测量输入实时变量，具体包括：环境温度T g 、循环水入口温度T i 以及循环水出口温度T o ；将实际测量实时数据带入到模型中对机理模型参数进行校正。 7.根据权利要求1所述的一种基于差分进化算法的闭式冷却塔控制方法，其特征在于，所述步骤4具体包括:步骤4.1：分析频率对喷淋泵电机转速的影响：异步感应电动机的转速n与电源频率f、转差率s、电机极对数p三个参数有如下关系：步骤4.2：分析喷淋水量与电机转速的关系：根据流体力学原理，水泵的流量与转速成线性正比，泵的功率与转速的三次方成正比，采用转速调节的电机功耗为：其中n为转速，n 0 为额定工况转速，N表示功率，N 0 为额定工况功率；步骤4.3：根据实际闭式冷却塔选取匹配的变频器。 8.根据权利要求1所述的一种基于差分进化算法的闭式冷却塔控制方法，其特征在于，所述步骤5具体包括:步骤5.1：建立以循环水出口温度、执行器切换频率，执行器运行功率为主的4个闭式冷却塔优化控制模型目标函数，其中4个闭式冷却塔设为1号塔至4号塔；J min ＝minλ 1 J a +λ 2 J b +λ 3 J c式中：J min 为目标函数，J a 为循环水出口温度跟随设定温度，J b 为风机和喷淋泵动作切换频率，J c 为风机和喷淋泵运行功率，λ 1 、λ 2 、λ 3 为各个状态约束的权重系数，ξ 1 、ξ 2 、ξ 3 为风机和喷淋泵切换频率的权重系数， 为冷却塔模型循环水出口温度，y set 为循环水出口温度设定值， 为风机控制状态量； 为喷淋泵控制状态量；T min 、T max 为循环水出口温度设定的最小值和最大值；ε为极小正数值， 为4号塔喷淋泵喷淋水流量百分比；步骤5.2：设定目标函数的约束条件为：步骤5.3：根据环境温度调整目标权重：在环境温度高于设定阈值时，增加循环水出口温度的目标权重λ 1 ，在环境温度低于设定阈值时，增加执行器动作切换成本及运行能耗的目标权重λ 2 、λ 3 。 9.根据权利要求1所述的一种基于差分进化算法的闭式冷却塔控制方法，其特征在于，所述步骤6具体包括:步骤6.1：决策变量编码：对于优化问题 决策变量维数D为8；X m ＝[x f1 ,x f2 ,x f3 ,x f4 ,x p1 ,x p2 ,x p3 ,x p4 ]式中x f1 ,x f2 ,x f3 ,x f4 分别为4个塔的风机运行状态 x p1 ,x p2 ,x p3 ,x p4 分别为4个塔的喷淋泵运行状态 步骤6.2：参数初始化：设定最大迭代数g max ，迭代索引g，并产生一个包含NP个个体的初始种群P g ＝{x 1，g， x 2，g ，…x NP，g }，其中x i，g ＝{x 1 i，g ，…x D i，g }，且每个元素在区间[L min ，U max ]＝[0,1]内均匀分布，D是决策变量维数；步骤6.3：进行差差分迭代：进行变异操作，i,r 1 ,r 2 ,r 3 ∈[1,NP],i≠r 1 ≠r 2 ≠r 3 ,F∈[0,1]取F＝0.5为变异概率，i，r 1 ，r 2 ，r 3 分别为种群内不同个体的编号；步骤6.4：交叉：对于每个个体和它所生成的子代个体进行交叉，其中，CR是交叉概率，是属于[0,1]之间的值；步骤6.5：解码：对于优化后的决策变量x＝[x f1 ，x f2 ，x f3 ，x f4 ，x p1 ，x p2 ，x p3 ，x p4 ]，进行解码，对于x f1 ，x f2 ，x f3 ，x f4 ：对于x p1 ，x p2 ，x p3 ：对于x p4 ：根据解码的决策变量确定控制量；步骤6.5：计算适应度函数的值：J min ＝minλ 1 J a +λ 2 J b +λ 3 J c步骤6.6：根据适应度函数的值，从目标个体和试验个体中选择更优的作为下一代：步骤6.7：将决策变量存储，并输出至数据库表，再通过组态软件下发到PLC进行控制。 10.根据权利要求1所述的一种基于差分进化算法的闭式冷却塔控制方法，其特征在于，所述步骤7具体包括:步骤7.1：组态软件先通过TCP/IP对控制器进行IO组态，配置ODBC数据源后，调用内置的ADO组件，实时读取控制器数据存储区的数据与数据库通讯，包括每个冷却塔的循环水入口温度、循环水出口温度、环境温度、喷淋水温、空气焓值、各执行器的开关状态；步骤7.2：算法通过Python语言编写，调用pymssql与数据库sqlserver进行通讯，数据库表包括从控制器读取的数据表以及经过算法运算后得到的控制量数据表，实现对工业现场控制器的闭环控制。