油田井站供熱系統模糊控制方法研究

官 偉

(中原油田采油四廠,河南濮陽 457100)

油田井站供熱系統模糊控制方法研究

官 偉

(中原油田采油四廠,河南濮陽 457100)

隨著換熱設備新產品的出現和人們節能意識的提高,各種高效的換熱器開始出現在油田生產的供熱系統中。現有換熱機組的控制幾乎全部沿用的傳統的PID控制技術,由于換熱機組本身固有的熱慣性和時滯行為,該控制策略難以解決控制響應速度慢、控制精度低的不足,同時也造成了能源的大量浪費。嘗試將模糊算法引入控制策略中,采用模糊參數自整定PID控制方法進行了仿真試驗,仿真結果表明,充分發揮模糊算法和PID控制兩者各自優點的模糊參數自整定PID控制方法能夠得到更好的控制效果。

供熱;模糊控制;節能;比例積分微分

0 引 言

技術先進的集中供熱系統為動態的變流量系統,其調節與控制技術多采用智能控制系統。但是,國內部分供熱系統較為落后,集中體現在供熱品質差,系統熱效率差。目前換熱站大部分仍為人工手動控制調節,控制精度低,造成很大的能源浪費,同時安全可靠性差,工作效率低,難以滿足實時控制的要求[1]。

從現行換熱機組自動控制策略來看,多數采用單回路控制器或簡單的 PID算法,然而供熱系統是非線性、時變性、大時滯、不確定性的系統,采用傳統控制算法無法滿足安全、平穩、優質、高效等方面的控制要求。對換熱機組實時監控,優化配置,實現智能化控制是今后的發展方向[2]。

1 控制方法分析

供熱系統的熱負荷不是恒定不變的,它隨室外大氣溫度的變化而變化[34]。為保證供熱質量,使熱能制備和輸送經濟合理,就要對供熱系統的運行進行調節,以滿足用戶要求。調節的目的,是使供熱的散熱設備的放熱量與用戶熱負荷的變化規律相適應,保證熱負荷溫度保持在一定范圍內。系統投入使用后,供熱系統運行的能耗完全取決于系統運行調節的狀態,因此,在保證用戶正常使用的前提下,需對供熱系統運行進行科學合理的調節,盡量降低系統的能耗。

目前在換熱站供回水溫度控制中,大部分采用的還是傳統的PID控制。雖然PID控制的算法簡單,參數調整方便,但也有其局限性和不足之處, PID算法只能基于一個精確的數學模型才能獲得理想的控制效果,而且 PID控制器參數設定好用于控制時將不能再改變。當一個調整好參數的PID控制器被應用到模型參數時變系統時,系統的性能勢必會變差,甚至不穩定[56],供熱系統是一個時變系統,并且有很強的時滯性和非線性,采用傳統控制方法無法達到滿意的效果。

鑒于此,該文在保證系統的控制精度下,設計模糊自適應 PID控制器,將模糊控制和 PID控制結合起來,使其兼備模糊控制的靈活、強適應性與PID控制的高精度特性和平滑性。

2 模糊控制器的基本結構

模糊控制系統是以模糊數學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規則推理為理論基礎,其核心是具有智能性的模糊控制器,組成如圖1所示[7-8]。

圖1 模糊控制器組成

模糊控制的核心部分包含語言規則的規則庫和模糊推理。模糊推理是一種模糊變換,它將輸入變量模糊集變換為輸出變量的模糊集,實現論域的轉換。該文中采用二維模糊控制器,結構如圖2所示。

圖2 二維模糊控制器

3 模糊控制器設計及仿真分析

該文采用文獻[9]中的經過系統辨識得出的系統閉環傳遞函數來進一步研究控制算法:

設計自整定PID參數的模糊控制器,控制原理如圖3所示。

圖3 模糊自整定PID控制器結構

3.1 輸入輸出變量的選取和模糊化

輸入變量的選取同前面軌跡模糊控制器,e和ec的論域取為[-6,+6],取 e和ec的語言集為{NB,N M,N S,ZE,PS,PM,PB}。模糊控制的輸出變量為 KP,KI,KD,論域也為[-6,+6],其語言變量的集為{NB,N M,N S,ZE,PS,PM,PB},其含義同上。它們又作為PID控制器參數自整定的輸入。相應的輸入輸出變量隸屬度函數如圖4,5所示。

圖4 參數自整定模糊控制器偏差矢量隸屬度函數

圖5 參數自整定模糊控制器輸出變量 KP隸屬度函數

3.2 控制規則表的建立

根據不同的 e和ec,系統對參數 KP,KI,KD的自整定要求可歸結如表1～3所列。

表1 KP的模糊控制規則表

表2 KI的模糊控制規則表

續 表 2

表3 KD的模糊控制規則表

a)當|e|較大時,不論其變化趨勢如何,都應考慮控制器的輸出按最大(或最小)輸出,以達到迅速調整的目的。應取較大 KP,較小 KI,KD為零。

b)當e和ec同號時,說明溫度變化使得偏差增大。若偏差較大,可考慮由控制器實施較強的控制作用,此時取較大的 KP,較小的 KI,KD不能太大。

c)當e和ec異號或者e=0時,說明偏差絕對值朝減小的方向變化,或者已達到平衡狀態,此時,可采取保持控制器輸出不變。

d)e和ec乘積為0且e≠0時,表明系統的曲線與理論曲線平行或一致。為使系統具有良好的穩態性能,應采取較大的 KP和 KI值。

3.3 仿真結果分析

該文采用MA TLAB/Simulink[10]仿真軟件組建模糊參數自整定PID控制系統的仿真模型如圖6所示。

系統的階躍響應曲線如圖7所示,可以看出其響應曲線平滑,響應速度快,穩態誤差小,控制效果較為理想。

圖6 換熱系統模糊自整定PID控制系統仿真模型

4 結束語

對供熱系統的自動控制必須根據計量供熱的特點進行設計,該文使用模糊控制理論和 PID控制器相結合來改造原有的控制方式,應用MATLAB對系統控制模型進行仿真研究。對于供熱系統這樣非線性、參數不穩定、難以建立精確數學模型的控制對象,仿真結果表明,新的控制器比原有控制器具有更好的控制效果,而且系統的魯棒性和抗干擾能力均有所提高,達到了設計目的。

圖7 模糊自整定PID控制系統仿真階躍相應曲線

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[10] 薛定宇,陳陽泉.基于Matlab/Simulink的系統仿真技術與應用[M].北京:清華大學出版社,2002:193-224.

Research of a Fuzzy Control Method of Heating System in Oilfield

Guan Wei
(The Fourth Plant of Zhongyuan Oilfield,Puyang,457100,China)

With the appearance ofnew heattransferequipments and the awareness ofenergy conservation,a variety of high efficient heat exchanger have been appeared in oilfield.However existing heat exchanger units almost follow the traditional PID control,due to the delay behavior because the thermal inertia,it is difficult to resolve slow control response and low control accuracy,also resulted in a tremendous waste of energy.The fuzzy algorithm has been used in the control strategy,the fuzzy parameter self-tuning PID control method was used to carry out simulated tests,the simulation results show that the fuzzy parameter self-tuning PID control method with the respective merits of fuzzy algorithm and PID control can achieve a better control effect.

heating;fuzzy control;energy saving;PID

TP273+.4

A

10077324(2011)01-0051-03

2010-11-24(修改稿)。

官 偉(1973—),男,主要從事井下作業技術,油氣田地面工程自動化等方面的研究。