摘要：太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)是連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)相互作用的混雜系統(tǒng)?；趯哟涡徒Y(jié)構(gòu)模型框架下，分析了太陽(yáng)能集熱控制系統(tǒng)的混雜特性。在傳統(tǒng)的混合Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上，建立了基于推廣混合Petri網(wǎng)的太陽(yáng)能集熱仿真模型。并利用Matlab中的Stateflow和Simulink對(duì)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)推廣混合Petri網(wǎng)模型進(jìn)行仿真分析，為進(jìn)一步優(yōu)化混合控制器性能奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能集熱；混合Petri網(wǎng)；模型；混雜系統(tǒng)

Research on solar collector system based on hybrid Petri net

MIAO Jing-fang¹ ，JIANG Ping  ，CHEN Feng ，CHENG Shuang-shuang，XIAO Hong-sheng²

(1. School of Electrical Engineering, Nantong University, Nantong 226019,China; 2. Jiangsu Sunshore Solar Energy Industry      CO.,LTD, Nantong 226301,China)

Abstract: The solar collector system is a hybrid system consisted of continuous variables dynamic system and discrete events dynamic system. The hybrid features of solar collector system analyzed in the hierarchical structure modeling framework, The Solar collector simulation system is set up on the basis of the model of generalized hybrid Petri net. Simulation analysis of GHPN model of solar collector system is made by Stateflow and Simulink based on Matlab. It is the groundwork of the future research for founding optimzing hybrid controller.

Key words: solar collector system; hybrid Petri nets; modeling; hybrid system

0 引言 

      隨著控制理論和控制工程研究的深入，在實(shí)際工程中越來(lái)越多地要求處理離散控制和決策變量與連續(xù)參數(shù)共存的情況，如過(guò)程控制系統(tǒng)。這就是目前廣泛關(guān)注的混雜系統(tǒng)(HS)研究問(wèn)題。近年來(lái)，Petri網(wǎng)(PN)正逐漸成為描述和分析那些具有同步、并發(fā)和沖突等特征的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的有力工具，在柔性制造系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，而Petri網(wǎng)在太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)模型中的研究尚未見(jiàn)相關(guān)的報(bào)道。

     太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)是連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)(DEDS)和離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)(CVDS)相互作用的混雜系統(tǒng)，具有混雜性、時(shí)變性、交互性、復(fù)雜性等特點(diǎn)。由于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中有兩種不同類型的變量和兩種不同類型的動(dòng)態(tài)機(jī)制，傳統(tǒng)的HPN沒(méi)有體現(xiàn)仿真過(guò)程中離散事件對(duì)連續(xù)系統(tǒng)的控制，以及反映連續(xù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征?；谔?yáng)能集熱系統(tǒng)混雜特征、時(shí)變特征的基礎(chǔ)上，采用一種推廣混合Petri網(wǎng)(GHPN)，對(duì)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)進(jìn)行建模?；贛atlab中Stateflow的事件驅(qū)動(dòng)邏輯系統(tǒng)圖形化建模和仿真，描述太陽(yáng)能集熱GHPN模型仿真過(guò)程中CVDS和DEDS的相互作用，其結(jié)果可進(jìn)一步優(yōu)化太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)控制算法。

1 推廣混合Petri網(wǎng)

1.1 混合Petri網(wǎng)

定義1  HPN={P，T，Pre，Post，H，J，M₀}

1)P、T為有限非空庫(kù)所集和有限非空變遷集；H為微分判定函數(shù)；Pre、Post為輸入關(guān)聯(lián)映射和輸出關(guān)聯(lián)映射；J：時(shí)間映射函數(shù)；M₀為庫(kù)所節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)標(biāo)識(shí)。

2)一個(gè)C變遷T_j使能的條件為：

(1) 對(duì)⁰T_j中每一D庫(kù)所P_i，有M(P_i) ≥Pre (P_i，T_j)；

(2) 對(duì)⁰T_j中每一C庫(kù)所P_i，有M(P_i) ＞0。

一個(gè)D變遷T_j使能的條件為：當(dāng)⁰T_j中的每個(gè)庫(kù)所P_i，有M(P_i) ≥Pre (P_i，T_j)。

1.2 推廣混合Petri網(wǎng)

定義2  GHPN={P，T，Pre，Post，H，J，M₀，E，S}，其中

1)P、T，Pre，Post，H，J，M₀的含義見(jiàn)定義1；

2)E為事件集，當(dāng)滿足某一特定條件、實(shí)現(xiàn)某一特定狀態(tài)等均定義為事件；S是Petri網(wǎng)的變遷集T到事件集E上的函數(shù)；

3)GHPN運(yùn)行規(guī)則：推廣混合Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則與混合Petri網(wǎng)的規(guī)則類似，滿足迭加規(guī)則。在每個(gè)仿真步長(zhǎng)內(nèi)，當(dāng)M(P_i) ≥Pre (P_i，T_j)時(shí)，T_j有發(fā)生權(quán)，只有在條件滿足并且事件E_j發(fā)生時(shí)，使能狀態(tài)的T_j才真正激發(fā)^[8]。

2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)混雜特性及框架

2.1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)混雜特點(diǎn)

     太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)主要包括集熱過(guò)程和用戶供熱過(guò)程。其水箱運(yùn)行情況，本質(zhì)上是通過(guò)進(jìn)水量和出水量來(lái)確定水箱的水位，同時(shí)導(dǎo)致水溫的變化，但進(jìn)水量是根據(jù)集熱溫度而定，是一個(gè)間歇的過(guò)程；而用戶用水時(shí)段和所需流量具有很大的自主性，而這個(gè)流量的變化是供熱企業(yè)和熱源處無(wú)法預(yù)知和控制的。這也就是說(shuō)，分散的眾多用戶成為主動(dòng)的調(diào)節(jié)者，而供熱企業(yè)和熱源處則由主動(dòng)變?yōu)楸粍?dòng)的適從者，為了適應(yīng)這種新的變化，必須改進(jìn)控制策略，以滿足用戶所需。

     太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)由主控PLC及其外圍部件構(gòu)成，通過(guò)采集太陽(yáng)能集熱器溫度、水箱溫度、水箱水位等參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的程序?qū)ι纤y、循環(huán)泵及加熱管等各種外圍設(shè)備進(jìn)行啟停控制，保證水箱水位，同時(shí)確保整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、安全和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，此外，控制系統(tǒng)還包括報(bào)警、手動(dòng)/自動(dòng)切換、故障診斷等功能，反映時(shí)變性和混雜性，是一個(gè)典型的過(guò)程控制混雜系統(tǒng)。

2.2 太陽(yáng)能集熱混雜系統(tǒng)框架

圖1 基于Petri網(wǎng)的HS框架
Figure1 HS framework base on

     太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用分層遞階模型來(lái)描述其系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)間的相對(duì)獨(dú)立性，并采用不同的工具分層建模。當(dāng)離散事件系統(tǒng)監(jiān)控器為Petri網(wǎng)時(shí)，其HS的控制框架見(jiàn)圖1所示。Petri網(wǎng)監(jiān)控器(G_p，γ，μ)由混合Petri網(wǎng)（G_p）和兩個(gè)接口（ γ和μ ）組成，其中γ：E_d→B^nd為開(kāi)關(guān)函數(shù)，E_d為監(jiān)控事件集，B={0，1}，n_d為G_p中變遷的個(gè)數(shù)；μ：E_c→B^nc為G_p轉(zhuǎn)移使能函數(shù)，n_c為G_p中變遷使能個(gè)數(shù)，控制開(kāi)關(guān)：{0，1}^nc→R^l是將Petri網(wǎng)監(jiān)控器產(chǎn)生的決策命令轉(zhuǎn)換為分段連續(xù)的過(guò)程輸入。系統(tǒng)模型可分為三部分：(1)水箱水位即被控對(duì)象，是連續(xù)動(dòng)態(tài)部分，用微分方程描述，其動(dòng)態(tài)行為模式根據(jù)溫度控制器輸出的控制指令發(fā)生改變；(2)水位監(jiān)控器即離散事件部分，本文采用GPEN描述；(3)接口部分：主要完成水位控制器和水箱之間的信息交換任務(wù)。這部分由生成器和執(zhí)行器組成，即水位、溫度的判斷，將連續(xù)變量轉(zhuǎn)化為離散變量，及泵、閥門(mén)及加熱管的啟/停，將離散變量轉(zhuǎn)換為受控對(duì)象的輸入信號(hào)。

3 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型

3.1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)工藝流程及控制規(guī)則

圖2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)工藝圖
Figure2 Solar collector system flow chart

     太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)工藝圖如圖2所示。假定集熱溫度為T(mén)₁，水箱溫度T₂，回水溫度T₃，水箱水位h，上水閥Y₁，循環(huán)泵Y₂，循環(huán)閥Y₃，回水閥Y₄，供水泵Y₅，加熱管Y₆。閥門(mén)、泵及加熱管打開(kāi)為1，關(guān)閉為0。假定的液位上下限值、溫度或溫差的上下限值，及開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)如表1所示。

表1 水位控制規(guī)則
Table1 Level control rules

3.2 集熱系統(tǒng)液位控制模型

     首先是管閥的建模。泵、閥門(mén)等屬于離散型控制設(shè)備，一個(gè)閥門(mén)或泵可以用兩個(gè)庫(kù)所、兩個(gè)立即的變遷來(lái)建模，它們是與閥門(mén)的打開(kāi)/關(guān)閉狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的庫(kù)所以及與打開(kāi)閥門(mén)/關(guān)閉閥門(mén)事件相對(duì)應(yīng)的變遷。唯一的token存在于那個(gè)庫(kù)所，取決于閥門(mén)的狀態(tài)。圖3表示了模型基本元素之間的關(guān)系。庫(kù)所至變遷的連接弧線形成一個(gè)回路，兩個(gè)閥兩個(gè)庫(kù)所形成一個(gè)庫(kù)所不變，即M(P₁)+M(P₂)=1，閥門(mén)只能處于打開(kāi)或者關(guān)閉的一種狀態(tài)^[9]。

     太陽(yáng)能集熱控制主要包括低水位保護(hù)、定溫上水、集熱溫差循環(huán)和用戶供水循環(huán)，由于水位和溫度是時(shí)變的，從而太陽(yáng)能集熱是時(shí)變、同步和并發(fā)的過(guò)程。水箱水位控制模型見(jiàn)圖4所示。

1)P={p₁，p₂，p₃，p₄，p₅，p₆}，p₁為水箱所處的水位狀態(tài)；p₂為低水位保護(hù)；p₃為定溫放水；p₄為集熱溫差循環(huán)；p₅為用戶供水循環(huán)；p₆為水箱水位輸出狀態(tài)。

2)T={t₁，t₂，t₃，t₄，t₅，t₆}，t₁、t₂、t₃、t₄分別為h＜60cm、60≤h＜200cm、h≥200cm、h≥60cm的水位變化；t₅為水位變化；t₆為水箱水位調(diào)節(jié)過(guò)程。

3)初始標(biāo)識(shí)M₀={h，0，0，0，0，0}，其中h表示水位初始狀態(tài)。

4)       

圖3 閥門(mén)動(dòng)作Petri網(wǎng)模型
Figure3 Valve act Petri net model

圖4 水箱水位控制模型
Figure4 Water tank level control model

      E={E₁，E₂，E₃，E₄}為事件集，E₁為低水位保護(hù)事件；E₂為定溫放水事件；E₃為集熱溫差循環(huán)事件；E₄為用戶供水循環(huán)事件。

5)定義S函數(shù)：t₁→E₁，t₂→E₂，t₃→E₃，t₄→E₄。

3.3 集熱系統(tǒng)模型

     水箱液位控制主要有四個(gè)子模型，P₁→t₁→P₂，P₁→t₂→P₃，P₁→t₃→P₄，P₁→t₄→P₅分

     別為低水位保護(hù)、定溫放水、集熱溫差循環(huán)及用戶供水循環(huán)，子模型見(jiàn)圖5所示。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)水箱水位整體Petri網(wǎng)模型見(jiàn)圖6所示。

1)P={p₇，p₈，p₉，p₁₀，p₁₁，p₁₂，p₁₃，p₁₄，p₁₅，p₁₆，p₁₇，p₁₈，p₁₉，p₂₀，p₂₁，p₂₂，p₂₃，p₂₄，p₂₅，p₂₆，p₂₇}，p₁₀，p₁₅，p₂₁分別為溫度T₁、T₂、T₃，其余狀態(tài)見(jiàn)表1所示。

2)       

圖5 基于Petri網(wǎng)的子模型
Figure5 Sub-models base on Petri net

      T={t₇，t₈，t₉，t₁₀，t₁₁，t₁₂，t₁₃，t₁₄，t₁₅，t₁₆，t₁₇，t₁₈，t₁₉，t₂₀，t₂₁}，，其中t₇，t₁₀，t₁₁，t₁₄，t₁₅，t₁₈，t₁₉，t₂₀均為閥門(mén)動(dòng)作過(guò)程；t₉，t₁₃，t₁₆為各水位上升過(guò)程；t₈，t₁₂，t₂₁分別為T(mén)₁、T₂、T₃的溫度調(diào)節(jié)過(guò)程；t₁₇為用戶用水過(guò)程。

圖6 太陽(yáng)能集熱Petri網(wǎng)模型
Figure6 Solar collector system Petri net model

4 Petri網(wǎng)模型的MATLAB仿真研究

圖7 太陽(yáng)能集熱水位控制仿真圖
Figure7 Solar collector lever control simulation diagram

     目前, 有關(guān)Petri網(wǎng)模型的仿真工具很多，本文采用了Matlab的Stateflow對(duì)太陽(yáng)能集熱混雜系統(tǒng)的PN模型進(jìn)行仿真研究。Stateflows是交互式設(shè)計(jì)工具，用來(lái)對(duì)復(fù)雜的事件驅(qū)動(dòng)模型系統(tǒng)建模與仿真。Stateflow可以直接嵌入到Simulink仿真模型中，兩者無(wú)縫連接，并且在仿真的初始階段，Simulink會(huì)把Stateflow繪制的邏輯圖形通過(guò)編譯程序轉(zhuǎn)化成C語(yǔ)言S函數(shù)，實(shí)現(xiàn)基于有限狀態(tài)基理論對(duì)復(fù)雜的響應(yīng)型系統(tǒng)進(jìn)行可視化的建模與仿真。在同一個(gè)Stateflow框圖中可同時(shí)使用流程圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示法，根據(jù)所定義的事件和轉(zhuǎn)移進(jìn)行操作，通過(guò)調(diào)用子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真。

     圖7為一個(gè)晚上用水階段, 水箱水位在60到200之間，晚上7：30到9：40左右為用熱高峰期，7：30到9：00為集熱溫差循環(huán)，9：00到9：40為定溫放水；之后進(jìn)入用水低谷期，當(dāng)水位低于60時(shí)，低水位保護(hù)自動(dòng)上水?？梢钥闯觯辉谶@種控制方工下，能夠滿足期望的控制指標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

     本文研究了太陽(yáng)能集熱混雜系統(tǒng)特性，建立了其分層遞階結(jié)構(gòu)模型，采用推廣混合Petri網(wǎng)建立了閉環(huán)混雜對(duì)象模型，并利用Matlab中的Stateflow和Simulink對(duì)太陽(yáng)能集熱混雜系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。從而有效地解決了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中連續(xù)變量系統(tǒng)與離散事件系統(tǒng)的相互作用過(guò)程中存在的并發(fā)、異步和沖突等問(wèn)題，為其仿真模型的建立和仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)，有利于太陽(yáng)能集熱仿真系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

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