熱力站機組供暖自動控制系統的設計與仿真驗證

李 翔

（太原市熱力集團有限責任公司萬柏林供熱分公司， 山西 太原 030000）

0 引言

在我國北方地區，冬季室內需要供暖，供暖方式根據所在地區和所處時間段的不同而有所區別。其中，在夜間供暖系統的負荷較大，而在白天供暖系統的負荷較小。因此，需要對熱力站的供水和補水系統實現自適應控制。對于供水系統而言，需要根據室外溫度實時對供水壓力進行調節，在滿足供水系統的同時達到節能和延長設備使用壽命的目的；對于補水系統而言，需要根據實際情況對補水量進行實時控制，以保證熱力站能夠充分發揮其功能[1]。本文將結合熱力站供水和補水系統的大滯后、非線性以及時變性的特點對控制系統進行設計，并對效果進行仿真分析。

1 熱力站供暖系統概述

目前，熱力站供暖系統已經初步實現了自動化控制功能，其主要組成部分如圖1 所示。

圖1 熱力站供暖系統組成

如圖1 所示，熱力站供暖系統主要包括補水泵組、二級管網、循環泵組以及熱交換系統等。本文主要以其中的供水系統和補水系統為對象開展系列研究。目前，該熱力站供水系統由5 臺循環泵實現其功能；其中，1 號循環泵采用變頻器進行控制，其余4 臺循環泵由軟啟動與投切開關為組合進行控制。在實際應用中，供水系統的循環泵采用三用兩備的原則進行工作[2]。目前，供水系統根據室外溫度采用PLC 控制對其供水壓力進行控制。當室外溫度低于-10 ℃時，對應的二級管網的供水壓力為0.75 MPa；當室外溫度在-10～0 ℃之間時，對應的二級管網的供水壓力設定為0.7 MPa；當室外溫度在0～10 ℃之間時，對應的二級管網的供水壓力為0.65 MPa；當室外溫度高于10℃時，對應的二級管網的供水壓力為0.6 MPa。

目前，供暖系統的補水分系統由3 臺補水泵組成，并采用兩用一備的原則進行工作。在一般工作中，與補水系統的恒定補水壓力為0.4 MPa。3 臺補水泵由同一臺變頻器實現變頻與工頻工作狀態的切換。

2 供暖供水系統的優化與效果評估

目前，供暖供水系統以PLC 控制器為核心，采用傳統PID 控制算法對其進行控制。但是，從本質上講供暖供水系統屬于參數時變系統，傳統PID 控制算對應的控制參數設定后無法根據工作狀態進行調整，導致供暖供水系統無法根據室外溫度對其供水壓力進行穩定、高精度控制，其對應的控制品質較差[3]。

因此，為了提高供暖供水系統的動態性能和控制精度，本項目擬采用參數自適應模糊PID 控制算法進行控制。從理論上講，自適應模糊PID 控制算法在控制過程中可根據供水壓力的誤差變化對PID 參數進行調整，以保證系統的自適應能力和動態性能[4]。基于自適應模糊控制算法的供暖供水系統的控制框圖如圖2 所示。

圖2 供暖供水系統自適應模糊PID 控制

如圖2 所示，自適應模糊PID 控制算法的關鍵在于系統可根據其實時工作參數及比例、積分、微分三個參數的預整定值，對PID 控制器中的比例系數、微分作用系數以及積分作用系統進行整定。

對于PID 控制器控制參數可采用的整定方法有衰減曲線法、經驗湊試法以及臨界比例法。綜合對比上述三種整定方法的作用機理和效果，本項目擬采用臨界比例法對PID 控制器的控制參數進行整定。結合熱力站供暖供水系統的大滯后、非線性以及時變性的特點，為供暖供水系統設定的控制參數預整定值為[5]：比例系數預整定值為1.7；微分作用系數預整定值為0.01；積分作用系數預整定值為30。

為驗證自適應模糊PID 控制算法對供暖供水系統的控制效果，根據三臺循環泵的工作實際，基于MATLAB 建立供暖供水系統的仿真模型，并根據PID控制算法和自適應模糊PID 控制算法對模型進行設置，并對兩種算法對應的控制效果進行對比，對比結果如表1 所示。

表1 傳統PID 與自適應模糊PID 控制算法控制效果對比

如表1 所示，采用自適應模糊PID 控制算法相比于傳統PID 控制算法而言，超調量和調節時間兩項指標得到明顯改善，即系統具備更好的動態性能和更強的適應能力；兩種控制算法對應的上升時間相差不大。

3 供暖補水系統的優化與效果評估

同樣，供暖補水系統也屬于參數時變、非線性以及存在較大回水干擾的系統；在實際控制中，補水系統需根據其負荷變化進行控制。鑒于供暖補水系統容易受到回水的干擾，導致其采用傳統PID 控制算法無法對回水流量的干擾進行消除，從而影響熱力站供熱系統回水水壓的穩定性，進而影響整個系統的換熱效率[6]。

因此，為解決回水流量對補水系統造成干擾，進而影響換熱效率的問題；本文擬采用前饋- 串級控制算法對供暖補水系統進行控制。前饋- 串級控制框圖如圖3 所示。

圖3 供暖補水系統前饋- 串級控制

如圖3 所示，前饋- 串級控制算法的核心為采用補水流量前饋控制器，解決回水流量干擾的問題。根據3 臺補水泵的實際工作情況，基于MATLAB 軟件建立仿真模型，并對有回水流量干擾和無回水流量干擾兩種情況下，兩種控制算法對應的控制效果進行對比，對比結果如表2 所示。

表2 前饋- 串級控制與傳統PID 控制效果對比

由表2 可知，在無回水流量干擾的情況下，前饋- 串級控制器與傳統PID 控制相比在超調量和調節時間兩項指標具有明顯的優勢；在有回水流量干擾的情況下，前饋- 串級控制器的作用下系統的波動范圍較傳統PID 控制器非常小，而且波動的持續時間從110 s 降低為40 s。說明前饋- 串級控制器可有效消除回水流量對系統造成的干擾，提升系統的穩定性和響應速度。

4 結語

熱力站供暖系統具有大滯后、非線性以及時變性的特點，在實際工作中采用傳統PID 控制算法無法對其中的關鍵分系統包括供水分系統和補水分系統進行高效控制，尤其是無法保證供水系統根據室外溫度對其供水壓力進行穩定、高精度控制，導致補水系統受到回水流量的干擾進而影響換熱站的換熱效率[7]。為此，本文重點以供水系統和補水系統為例展開研究，總結如下：

1）供水系統采用自適應模糊PID 控制算法相比于傳統PID 控制算法而言，超調量和調節時間兩項指標得到明顯改善，即系統具備更好的動態性能和更強的適應能力。

2）補水系統采用前饋- 串級控制算法后，可有效消除回水流量對系統造成的干擾，提升系統的穩定性和響應速度。