集中供熱監控系統的設計

李可昕，張麗英*

（黑龍江工商學院，黑龍江 哈爾濱）

概述

隨著當前人類社會智能化的發展，我國也在不斷地優化集中供熱系統，嘗試為中國的民生和世界的發展做出貢獻[1]。通過引入三級P-P 控制算法[3]，成功地實現了50%的節能，從而大大減少了泵的能耗，同時也緩解了水力不均衡的狀況。由于缺乏最新的算法，仍然無法實現管網的優化，因此，必須加大努力建立一個完善的可視化工程設計平臺，以便實現對供暖管網的全面控制[2]。周浩杰曾經嘗試使用一種新的PID控制技術，并取得了一些成功。經過BP-PID 控制算法的改良，換熱站控制系統的控制準確性得到顯著改善，然而，由于未能充分考慮到系統在不同環境條件下的復雜性，為確保算法的正確性，必須對其在抗干擾性能上的表現做出更多的檢測和評估。通過對二網供熱控制系統的全面探討，可以使用機制分析方法來確定其傳輸特性，并通過對所獲取的信息的綜合評估，實現對該系統的有效的數值建立[4]。為了解決集中式供暖控制的復雜問題，本文提出了一種新的模糊PID 控制算法。該算法能夠更好地模擬復雜的環境條件，并且能夠更準確地控制溫度，使用MATLAB 來模擬兩種算法的控制模式，可以更好地評估它們的控制精度。

1 集中供熱控制系統的設計

1.1 集中供熱系統分析

在集中供熱系統運行過程中，利用循環泵對二次網中的水進行循環，以保持供水和回水之間的壓力差穩定，也保證了供熱質量。隨著時間的推移，如果熱網管線出現破損或者用戶打開住宅區的供暖設備閥門，二次網的回水壓力將會急劇下降，這時候就需要補水系統的幫助。補水箱就像是二次網的補水源，它可以有效地緩解壓力，從而確保管道的安全運行。為了確保供熱系統的安全、穩定和高效運行，換熱站配備了先進的溫度、壓力和流量傳感器，并設有專門的控制柜，可以實時監測被控參數。換熱站的工作原理如圖1所示。

圖1 換熱站工作原理圖

通過采用變頻技術，換熱站的自動控制系統可以有效地調節二次網的供熱溫度、供回水壓差以及回水壓力，從而實現對被控參數的精確控制，同時還可以有效地節省大量的能源消耗。因此，本文將根據這三個控制參數以及變頻調速來制定控制方案。如果想控制二網的溫度，那么應該授予現場的操作者控制控制器的使用。控制器有兩種類型：PID 控制和模糊控制。前者是根據溫度監控器的監控數據來控制控制器的開關，從而控制二網的溫度。后者是根據控制器的監控數據來控制控制器的開關，從而控制二網的溫度。通過采用PID 技術，可以實現二次加熱和調節溫度，使其保持在預期范圍內。該技術可以參考圖2。

圖2 二網供溫傳統PID 控制原理圖

通過引入模糊控制，能夠大大改善傳統PID 控制系統的效果。例如，只需要通過一個普通的控制系統，就能夠控制二網供溫。也能夠通過一個特殊的控制系統，即一個具有高精度的控制系統，通過一個特殊的控制系統，實現更高的精度。這種控制系統的原理見圖3。

圖3 二網供溫模糊PID 控制原理圖

通過采用自動控制技術，可以實現兩種不同的供暖模式：手動供暖和分時段供暖。在手動供暖模式下，操作人員可以根據實際情況自行調整二網供暖的參數，從而實現節能減排的目的。

1.2 集中供熱系統控制算法設計

使用雙入口三出口的模糊控制算法，即PID 控制，是一種有效的方法，它既考慮了控制的精確性，又考慮了控制的穩定性，從而有效地降低了控制的復雜性，并且不會受到控制參數的干擾。該算法的基礎是溫差偏差變化率ec，它的控制機制由比例、積分、微分調整值組成，具體的控制機制見圖4。

圖4 模糊PID 控制基本原理結構

經過深入的研究和分析，已經確定了一個完整的控制算法，它包括輸入和輸出、基礎理論、模糊理論、模糊規律、量化因子和比例因素、隸屬度函數和解決方案。為此，使用MATLAB 的Simulink 工具，通過仿真實現，評估和改善這一控制算法的性能。

通過使用MATLAB/Simulink 軟件，對集中供熱二網供溫控制系統進行了動態模擬，以評估兩種控制算法的性能。我們對它們進行了常規控制模擬和抗干擾性能分析，并得出了以下結論：

（1）通過模擬，發現兩種控制算法在常規情況下的表現有很大的差異。

根據圖5 可知，相比之下，采用模糊自適應PID限制的調節周期僅需114 s，這顯著提高了調節的效率，而且它的超調量也比傳統控制的要少得多。

圖5 兩種控制算法的階躍響應曲線

（2）兩種控制算法在有干擾情況下的仿真對比如圖6 所示。

圖6 兩種控制算法的抗干擾能力測試曲線

經過系統的研究，發現兩種控制算法的抗干擾性都有所不同。在這種情況下，兩種控制方式都會導致大約0.1 的偏差。例如，使用模糊自適應PID 進行調節的時候，大概只有85 s，但是使用傳統的PID 進行調節，大概只有166 s。此外，在這種情況下，PID 的偏差也會變得更加明顯。通過這個例子，使用模糊自適應PID 控制的系統具有較高的抗干擾性。

2 結論

本文對現有的集中供熱系統進行研究分析并總結缺點，著重對集中供熱二網供溫控制系統進行研究與智能化改進設計，且根據現行集中供熱系統管理與系統數據傳輸的不足，開發了一套具有遠程監控功能的集中供熱監控系統。在集中供熱系統建模過程中，提出將機理分析法和系統辨識法相結合的方案最終實現了集中供熱二網供溫控制系統的數學建模。本文針對換熱站溫度控制對象干擾因素較多、模型時變的特點，提出采用模糊PID 控制算法對二網供溫進行優化控制。通過仿真驗證算法的應用可行性，即模糊PID算法在應對時變性系統和外部干擾時具有更好的控制效果。