電鍋爐供熱系統的供水溫度控制研究與設計

劉智民 杜春梅 代長明 宋盼想

河北建筑工程學院 河北 張家口 075000

正文：

0 引言

供熱系統由熱源、管網及用戶等組成，為了保證供暖質量，實現對供水溫度的控制尤為重要。目前實際工程中的溫度控制十分常見，而溫度控制具有慣性和滯后性，對于存在滯后性的供熱系統，其滯后性會給控制系統帶來較大的影響，常見的控制方式難以滿足要求，運用PID算法效果也欠佳。因此，本文提出一種控制方法，設計一種控制器實現對供水溫度的控制，其原理為：在供水管道處安裝溫度變送器，檢測供水溫度，并將其采集到的信號反饋到控制器，經運算后再將控制信號傳送給電磁調節閥，對閥門開度進行調節。該控制方法簡單直接，使控制器在整個調控過程中帶來的信息傳輸的時延性減小。

1 供熱系統的溫度控制原理

本文設計的供熱系統采用質調節方式，該調節方式的優點是管路水力工況穩定，操作方便。電鍋爐供熱系統中供水溫度控制原理如圖1所示，被控對象是流入用戶端的的供水溫度，蓄熱水箱流出的高溫水與用戶回水混合，通過電磁三通調節閥輸出混水給用戶供暖。在用戶供水管道處安裝溫度變送器，將采集到的溫度信號反饋到控制器，控制器將檢測值與給定值進行比較計算后發出控制信息（控制指令），執行器接收到控制指令后對電磁三通閥進行調節。電磁三通閥開度由0至10分別表示最小開度與最大開度，開度越大供水溫度越高，直至檢測值與給定值相符為止。相應的，若檢測到供水溫度比給定溫度值高，則調小閥門開度，直至檢測值與給定值相符為止。

圖1 供熱系統供水溫度控制原理圖

在此供熱控制系統中，不考慮管網的復雜性和難控性，假設管道熱損耗為用戶用熱量的3%，根據熱平衡關系建立簡化的數學模型，如式（1）所示。

對式（1）兩邊進行拉氏變換，得

因為在實際工程中存在純滯后環節，故數學模型應再串聯一個純滯后環節，滯后時間常數為，得

由式子（3）得供水溫度控制系統的傳遞函數為式

供水溫度控制系統是一個帶純滯后環節的一階慣性環節，輸出量為供水溫度，輸入量為熱源供給熱量，可通過電磁三通調節閥控制。

2 供水溫度控制的設計

大林算法是由美國IBM公司的大林（Dahllin）于1968年針對工業生產過程中含純滯后的控制對象的控制算法，該算法的設計目標是將期望的閉環響應設計成一階慣性加純滯后，然后反過來得到能滿足這種閉環響應的控制器。

圖2 控制系統框圖

在圖2所示的控制系統中，Gc(z)為數字控制器，Gp(z)為控制對象，則閉環系統傳遞函數為

如果事先設定系統的閉環響應φ(s)，則可得控制器為

大林算法確定，期望的閉環響應是一階慣性加純滯后，純滯后時間等于對象的純滯后時間常數τ。

Z變換后得系統的閉環脈沖傳遞函數為

加入零階保持器，將被控對象模型轉換為

3 仿真結果

設供水溫度控制系統的數據采樣時間為0.06s，溫度變送器安裝點與執行器之間的管道l=6m，供水管道直徑d=125mm，管道中水的流量u=39.5m3/h，管道中水的流速為0.95m/s，純滯后時間的計算方法經計算得延時時間為6.7s左右，將TD=40，6.7

等參數代入上述相應公式中得到：

給定溫度為45℃和50℃時，用Matlab仿真得到系統響應圖分別為圖3、4所示。

圖3 給定溫度45℃系統響應結果

圖4 給定溫度50℃系統響應結果

圖中縱坐標代表實際輸出溫度，橫坐標代表響應時間。圖中曲線顯示：超調量很小，趨近于零，上升時間2S，穩態誤差趨近于零，該溫度控制系統能夠快速跟蹤給定值并且控制效果良好。仿真結果說明采用大林算法設計的供水溫度控制系統超調量小，穩態誤差小。大林算法是解決帶有較大滯后控制系統的一種較理想的控制算法，本文采用大林算法編寫的控制算法達到了控制供水溫度的目的，具有一定的應用和推廣價值。

4 總結

本文將大林算法應用于電鍋爐供熱系統模型之中來解決控制系統中純滯后問題，運用Matlab軟件對控制器算法進行仿真得到響應曲線。結果表明，此方法響應速度快，控制溫度穩定，實現了減少超調量且控制迅速的目的，控制效果理想。