基于模糊PID控制的集中供熱系統溫度控制器的設計

王 嬌，蘇 剛，蘇 陽

(天津城建大學 a. 計算機與信息工程學院；b. 控制與機械工程學院，天津 300384)

基于模糊PID控制的集中供熱系統溫度控制器的設計

王 嬌a，蘇 剛b，蘇 陽b

(天津城建大學 a. 計算機與信息工程學院；b. 控制與機械工程學院，天津 300384)

集中供熱系統是具有非線性、耦合性、時滯性特點的復雜系統，且系統參數不易整定，沒有確定的數學模型，為了使其參數易于整定，提高系統穩定性，設計了采用模糊 PID控制算法的控制器．通過Matlab仿真對比傳統PID控制與模糊PID控制這兩種控制方法，結果表明模糊PID控制比傳統PID控制更加穩定，適應力強，能更好地滿足熱用戶的需求．

集中供熱系統；溫度控制；模糊控制；PID控制

近年來集中供熱系統迅猛發展，通過構建集中供熱系統來對室內溫度進行調整已經成為我國北方地區冬季供熱的一種主要形式．溫度控制的優劣也直接影響著熱用戶的舒適度與能源的消耗量[1]．

現如今，集中供熱系統溫度的控制主要采取的方法為 PID傳統控制．該系統往往由于其非線性、耦合性、時滯性等原因導致其很難得到精確的數學模型，而 PID傳統控制如果缺少精確的數學模型，會使得該系統的控制效率降低；同時如果其參數一旦確定，便無法改變，自適應效果差，對于集中供熱這種具有時變性的系統，控制效果會大打折扣．基于以上 PID傳統控制的缺陷，筆者提出了模糊控制．該控制方法不需要確立精確的數學模型，其具有令人滿意的魯棒性，只需根據操作人員以及專家的知識和經驗建立相關的控制規則對系統進行控制．但是，模糊控制存在控制精度低、學習能力差等缺陷[2-3]．

本文利用模糊控制和 PID傳統控制相結合，設計了集中供熱系統的溫度調節器．當系統溫度的偏差較大時采用模糊控制，響應速度快，動態性能好；當系統溫度偏差較小時主要利用 PID傳統控制，控制精度高，穩定性強．因此，模糊 PID控制比傳統 PID控制更加穩定，能更好地滿足熱用戶的需求[4-5]．

1 集中供熱溫度控制系統

集中供熱系統管網分為兩部分：一次網、二次網．一次網(即熱源與換熱站輸入側連接的管網)通過換熱站將熱量傳輸給二次網(熱用戶與換熱站輸出側連接的管網)各個熱用戶．典型熱力站控制結構簡圖如圖1所示．

圖1 典型熱力站控制結構

本文通過室外溫度確定二次供水溫度的設定值，通過調節一次網供水管道調節閥的閥門開度來控制一次側流量大小(加大調節閥的開度，支路流量變大；關小調節閥的開度，支路流量減小)以保證二次側的供水溫度為設定值．通過將二次供水溫度的設定值與測量溫度值求偏差，采用模糊 PID控制算法得出調節量來控制一次網供水管道調節閥的閥門開度以改變流量大小，調節二次側的供水溫度，進而保證熱用戶獲得適宜室內溫度的相對恒定[6]．溫度控制系統如圖2所示．

圖2 控制系統

2 模糊PID控制器的設計

2.1 模糊PID控制器的原理

本文采用模糊PID控制方法對集中供熱系統的溫度進行控制，采用供熱管網二次側的供水溫度與實際溫度，兩者之間的偏差用e表示，偏差的變化用ec表示．分別將e和ec作為模糊PID控制器的兩個輸入量，運用集中供熱系統相關工作人員與專家的知識、經驗歸納出系統溫度控制的模糊規則，利用不同時刻的e和ec對 PID控制器中的比列、積分、微分(KP、KI、KD)三個參數進行最佳調整[7-8]，使集中供熱系統的輸出溫度通過不斷的調節最終按預定輸出，使系統具有很好的穩定性．

集中供熱溫度系統構建的模糊 PID控制器結構如圖3所示．

圖3 模糊PID控制器結構

2.2 模糊PID控制器的建立

控制器中的 PID控制主要考慮比例、積分、微分(KP、KI、KD)三個參數的問題．比例KP可提高系統調節的準確性，但不宜過大，否則不利于系統克服擾動，控制質量差．積分KI控制及時、迅速，可消除余差．微分KD有超調性，可提高具有時滯性系統的控制效果．PID控制器時域輸出u(t)方程為

三個參數共同作用，集比例KP、積分KI、微分KD之長，利用模糊控制對以上三種參數進行相應的自整定、自學習使得三個控制參數能夠更得當的選擇出來，使系統得到更為理想的控制效果．

模糊PID控制器的調節參數如下

式中：ΔKP、ΔKI、ΔKD均為通過模糊推理得到參數校正量；KP′、KI′、KD′均為模糊 PID參數的初始值．模糊控制器的輸出變量，則是對 PID參數的校正值ΔKP、ΔKI、ΔKD．該控制算法是在PID控制的基礎上加上模糊控制，把模糊控制輸出的ΔKP、ΔKI、ΔKD疊加到PID的控制過程中，提高控制效果．本文集中供熱系統溫度調節所采用的模糊PID控制器控制系統結構如圖4所示．

圖4 控制系統結構

2.3 模糊PID控制器隸屬度函數的確定

設定集中供熱管網中二次側管網供水溫度和實際溫度之間的偏差以及偏差變化(e、ec)作為二維模糊控制的輸入量

上述 e(t)表示供水溫度偏差，yr(t)表示二次網供水溫度的設定值．在 t時刻，如果二次側管網設定的供水溫度比實際溫度高，則偏差為“正”；反之，偏差為“負”． ec(t)表示溫度偏差的變化．如果實際溫度有上升趨勢，則 t時刻的溫度偏差高于t-1時刻的溫度偏差，溫度偏差的變化為“正”，反之，溫度偏差的變化為“負”．

將偏差e和偏差的變化率ec作為控制器的輸入，可取輸入變量e和ec，以及輸出PID控制參數KP、KI、KD的模糊子集均為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，記作{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}．通過比例因子，把采集到的具體值論域轉換為模糊語言變量論域，即誤差 E 所取的模糊子集的論域為：[-6，＋6]；誤差 EC 所取的模糊子集的論域為：[-6，＋6]；KP、KI、KD所取的模糊子集論域為：[-6，＋6]；則語言變量e、ec、以及KP、KI、KD的隸屬函數曲線如圖5所示．

圖5 語言變量e、ec、KP、KI、KD的隸屬度函數曲線

為了方便隸屬度函數的計算，取梯形為語言變量 e、ec、KP、KI、KD的隸屬度函數的形狀．同時，結果表明：梯形隸屬度函數更適合于調控集中供熱管網溫度系統．

2.4 模糊PID控制器的模糊規則

模糊控制的實質是模仿人的智能和經驗，其控制規則是將某些人的思維活動和經驗，總結整理之后形成以語言和模糊數學描述的控制策略，這樣就可以達到用機器代替人對復雜工業過程進行控制．建立模糊PID控制器控制參數的規則，見表1．

表1 控制規則

2.5 解模糊化

在實際使用時，要控制溫度調節的量，必須有確定的調節量，通過模糊推理得到的輸出量具有模糊性，不能直接用來控制，因此需要進行解模糊，得到一個精確量對溫度進行控制．

本文采用解模糊的方法即重心法，來取得控制的精確量，即

輸出量為離散集時，則為

綜上，采用模糊 PID控制方法實現集中供熱系統中溫度調節控制的程序流程如圖6所示．

圖6 溫度調節控制程序流程

3 仿真測試與結果分析

本文根據熱平衡方程式推導出的集中供熱管網一次側管網流量與二次側管網供水溫度之間傳遞函數的模型為

采用 MATLAB軟件，以及可視化仿真工具SIMULINK對集中供熱溫度系統進行建模與仿真．基于模糊PID控制的SIMULINK仿真圖如圖7所示．

分別采用PID控制和模糊PID控制進行對比試驗，二次側供水溫度設定值為 80,℃ 時的仿真結果如圖8所示．

設定當系統運行到 290,min時分別給控制系統添加一個擾動情況，即通過補水泵加水，對于相同的系統情況，對比得到的控制效果，如圖9所示，在抑制擾動方面可以看到，模糊 PID算法比常規PID具有更小的超調和更短的恢復時間．

圖7 基于模糊PID控制算法模型

圖8 傳統PID與模糊PID控制溫度仿真

圖9 傳統PID與模糊PID控制抑制擾動仿真

為了比較模糊PID控制與傳統PID控制在系統改變部分參數后的適應能力，改變參數后的控制模型為

中途無干擾，兩者的仿真圖如圖10所示．

圖10 傳統PID與模糊PID控制變參數仿真

實驗結果表明，采用 PID傳統控制集中供熱溫度調節系統能夠基本滿足穩定性、快速性等控制要求，控制效果較好．但是，該控制方法導致系統超調過大，前期震蕩過高．通過對比實驗結果，采用模糊 PID控制集中供熱溫度調節系統可以彌補 PID傳統控制的不足，其響應時間短，溫度偏差的變化很小，并且抗干擾能力強，有較好的魯棒性以及適應性．系統可以取得預期的目標，更好地滿足熱用戶的需求．

4 結 語

本文針對集中供熱溫度系統，采用了模糊控制與PID控制相結合的方法設計了模糊PID控制器對二次側供水溫度進行調節，在滿足熱用戶用熱需求的同時，使系統能夠保持穩定性．MATLAB仿真驗證了該算法在實用性、穩定性、控制精度方面都達

到了系統的要求，控制效果相對于傳統 PID控制效果明顯改善，是實現集中供熱系統穩定、高效運行的一種新方法．

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Design for Temperature Controller of Central Heating System Based on Fuzzy PID Control

WANG Jiaoa，SU Gangb，SU Yangb
(a. School of Computer and Information Engineering；b. School of Control and Mechanical Engineering，TCU，Tianjin 300384，China)

Central heating control system is complex systems of nonlinear, coupling and materiality, and the system is not easy setting-parameters, and no mathematical model can be determined. In order to enable easy setting-parameters to improve system stability, out study has designed controller based on fuzzy PID control algorithm. Through Matlab simulation compared to traditional PID control and fuzzy PID control of both control methods, the results show that the fuzzy PID control is more stable and adaptable than traditional PID control it better meets the heating needs of users.

central heating system；temperature controller；fuzzy control；PID control

T832.11

A

2095-719X(2016)05-0356-05

2015-09-07；

2015-11-10

王 嬌（1990—），女，甘肅天水人，天津城建大學碩士生.