集中供熱控制策略的選擇及模糊PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制的應(yīng)用

孫顯利

摘要：隨著城市集中供熱系統(tǒng)的日益龐大，國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的要求，對(duì)集中供熱系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平要求也越來(lái)越高。根據(jù)集中供熱調(diào)節(jié)的特點(diǎn)和全網(wǎng)平衡控制原理，構(gòu)建了供回水平均溫度、最不利點(diǎn)供回水壓差控制策略，滿足了大系統(tǒng)熱負(fù)荷調(diào)節(jié)與全網(wǎng)熱力平衡和水力平衡的要求。并介紹了模糊自適應(yīng)PID控制算法的應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)控制策略的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：集中供熱

緒論

集中供熱系統(tǒng)的控制目標(biāo)是保證在任意室外溫度下熱源的供熱量與全部熱用戶的耗熱量之和相平衡，同時(shí)保證熱源與熱力站之間的水力平衡。熱網(wǎng)自動(dòng)化控制的精細(xì)程度在不斷提高，與以往分散式供熱方式相比，節(jié)能環(huán)保，但管理運(yùn)行方式更為復(fù)雜，具有熱網(wǎng)大差異傳輸特性;系統(tǒng)內(nèi)流體的瞬變性;天氣溫度的多變性等特點(diǎn)。

以上特點(diǎn)決定了供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)具有非線性、大滯后的特點(diǎn)，而且是一種存在耦合的多輸入——多輸出系統(tǒng)，運(yùn)行工況的變化、熱能的傳輸、分配與調(diào)控規(guī)律非常復(fù)雜。為此，在選擇合適的控制策略后，運(yùn)用模糊 PID 算法，以提高系統(tǒng)的控制精度和自動(dòng)化水平。

一、集中供熱控制策略的選擇

1、最不利點(diǎn)供回水壓差控制

這種控制方式，主循環(huán)泵采用變速泵，根據(jù)最未端測(cè)出的供回水壓差控制泵的轉(zhuǎn)速，使該壓差維持在要求的數(shù)值。各熱用戶則可根據(jù)取暖需求，自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，滿足各自的用熱要求。

采用這種方式，如果同時(shí)能夠維持熱源的出口溫度為常數(shù)，理論上能夠滿足各種情況。某個(gè)用戶需要加大流量，以增加供熱量，因而開(kāi)大閥門(mén)時(shí)，干管流量增大，壓降增大，末端壓差降低，其它各用戶流量降低，此時(shí)，主循環(huán)泵相應(yīng)增加轉(zhuǎn)速，總流量增大，使末端壓差恢復(fù)到設(shè)定值，這時(shí)，各用戶流量也會(huì)基本上回到設(shè)定值。因此，只要主循環(huán)泵能及時(shí)調(diào)整，系統(tǒng)即能保持正常。這種控制方式適合以用熱量向最終用戶收費(fèi)的計(jì)費(fèi)方式和有熱水供應(yīng)的熱網(wǎng)系統(tǒng)。而且這種控制方式可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)水力平衡。而我國(guó)普遍按建筑面積收費(fèi)，為了節(jié)省總供熱量，熱網(wǎng)不應(yīng)該以充分滿足各熱用戶的需求為調(diào)節(jié)目的，而應(yīng)該以滿足采暖建筑的基本采暖要求為前提，盡可能減少總供熱量為目標(biāo)。總供熱量愈少，經(jīng)濟(jì)效益愈高。

2、供回水平均溫度均勻性調(diào)節(jié)

根據(jù)我國(guó)目前供熱系統(tǒng)的管理模式及其特點(diǎn)，熱網(wǎng)應(yīng)采用均勻性調(diào)節(jié)，即對(duì)各個(gè)熱力站供水閥門(mén)的調(diào)節(jié)應(yīng)該以各個(gè)熱力站彼此之間供熱效果基本相同為目標(biāo)。由穩(wěn)態(tài)下的熱平衡方程可以推導(dǎo)出如下公式：

式中：KFr：散熱器的傳熱系數(shù)，W/℃

KFb：建筑物的傳熱系數(shù)（包括冷風(fēng)滲入的影響），W/℃

tg，th，ts，to分別為供水溫度、回水溫度、室內(nèi)溫度和室外溫度。

不難看出，在穩(wěn)定工況下，室溫為供回水平均溫度和室外溫度的加權(quán)平均，權(quán)系數(shù)由建筑物的綜合傳熱系數(shù)KFb與散熱器的傳熱系數(shù)KFr之比決定，如果各熱力站所負(fù)責(zé)的建筑物的KFb與KFr之值相差不大，測(cè)各熱力站tg，th基本上反映了該熱力站所負(fù)責(zé)建筑的平均室溫，如果將各個(gè)熱力站的二次側(cè)供回水平均溫度調(diào)為平均，則可以近似認(rèn)為采暖房間的室溫是彼此均勻的。

這種調(diào)節(jié)方式是保證供熱要求條件下的最節(jié)能的調(diào)節(jié)方式，可以使管理熱網(wǎng)的熱力公司獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。

二、常規(guī)PID算法及模糊PID控制設(shè)計(jì)

1、PID控制器的選擇

在本控制系統(tǒng)中，執(zhí)行元件為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和由變頻器控制的變速泵，采用增量式PID控制算法。

在實(shí)際控制過(guò)程中為了使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，我們希望PID的三個(gè)參數(shù)能依據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)來(lái)做出相應(yīng)的調(diào)整。以適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)時(shí)變和有負(fù)載擾動(dòng)的情況。為此，引入模糊控制技術(shù)，根據(jù)專家知識(shí)和操作經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)偏差E和偏差變化率EC的大小來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整PID控制器的三個(gè)參數(shù)Kp，Ki，Kd的大小，這在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)PID控制算法的局限性，從而取得良好的控制效果。模糊控制與常規(guī)的PID控制相比，具有無(wú)需建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、對(duì)被控對(duì)象的非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力等特點(diǎn)，并具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

2、PID參數(shù)的調(diào)整規(guī)則

通過(guò)對(duì)PID控制理論的認(rèn)識(shí)和長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，可知PID參數(shù)應(yīng)依據(jù)以下幾點(diǎn)來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

（1）在偏差比較大時(shí)，為使偏差盡快消除，提高響應(yīng)速度，同時(shí)為了避免出現(xiàn)超調(diào)，Kp取大值，Ki取零;在偏差比較小時(shí)，為繼續(xù)減小偏差，并防止超調(diào)過(guò)大、產(chǎn)生振蕩、穩(wěn)定性變壞，Kp值要減小，Ki取小值;在偏差很小時(shí)，為消除靜差，克服超調(diào)，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，Kp值繼續(xù)減小，Ki值不變或稍取大。

（2）當(dāng)偏差與偏差變化率同號(hào)時(shí)，被控量是朝偏離既定值方向變化。因此，當(dāng)被控量接近定值時(shí)，反號(hào)的比例作用阻礙積分作用，避免積分超調(diào)及隨之而來(lái)的振蕩，有利于控制;而當(dāng)被控量遠(yuǎn)未接近各定值并向定值變化時(shí)，則由于這兩項(xiàng)反向，將會(huì)減慢控制過(guò)程。在偏差比較大時(shí)，偏差變化率與偏差異號(hào)時(shí)，Kp值取零或負(fù)值，以加快控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

（3）偏差變化率的大小表明偏差變化的速率，EC越大，Kp取值越小，Ki取值越大，反之亦然。同時(shí)，要結(jié)合偏差大小來(lái)考慮。

結(jié)論

將模糊控制與PLC控制技術(shù)相結(jié)合，控制算法兼有PID控制精度高和模糊控制魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，既保留了PLC控制系統(tǒng)控制可靠、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，又大大提高了控制系統(tǒng)的智能化程度，實(shí)踐結(jié)果表明該系統(tǒng)控制精度較高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量低，對(duì)集中供熱控制系統(tǒng)這樣時(shí)變的、非線性的、滯后的、高階大慣性的被控對(duì)象，具有良好的控制效果。

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