模糊PID在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳宏艷

河北省保定市大唐保定供熱有限責(zé)任公司，河北保定 071000

0 引言

在我國能耗中城鎮(zhèn)采暖能耗所占比例很大，節(jié)能降耗具有較大的操作空間。這要求我們對(duì)集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，以提高集中供熱系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，不斷增強(qiáng)供熱系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，提高運(yùn)行的準(zhǔn)確性、魯棒性、節(jié)能性等。

1 集中供熱系統(tǒng)

1.1 城市集中供熱系統(tǒng)的現(xiàn)狀

改革開放以來，我國集中供暖事業(yè)獲得了顯著的進(jìn)步。但總體來說，我國集中供暖在設(shè)備、技術(shù)等方面還比較落后。首先是熱源的問題，隨著新能源利用技術(shù)的不斷進(jìn)步，以煤炭為燃料的傳統(tǒng)的集中供熱方式受到了挑戰(zhàn)。而且區(qū)域供熱鍋爐往往效率低、容量小、技術(shù)落后，以數(shù)量多面積大的中、小燃煤鍋爐為主，而且由于脫硫技術(shù)還比較落后，導(dǎo)致的環(huán)境污染較大。第二是熱力網(wǎng)方面，熱力站設(shè)備老舊，技術(shù)落后。第三，在熱用戶方面，熱用戶應(yīng)用技術(shù)還比較落后，我國民用住宅多采用單管垂直串聯(lián)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)容易導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)垂直失調(diào)的問題。而且管道設(shè)備材質(zhì)也比較落后，例如散熱器很老舊，主要是鑄鐵材料，采暖管道還在使用普通碳素鋼管，室內(nèi)系統(tǒng)中也缺少調(diào)節(jié)設(shè)備，往往僅有一些陳舊的關(guān)斷閥門。

1.2 城市供熱的發(fā)展趨勢(shì)

首先在熱源方面，大型電機(jī)組越來越常見，所占比例逐漸增多，而且正在建設(shè)10 萬MW 的較大型供熱機(jī)組。區(qū)域鍋爐房的鍋爐也正在轉(zhuǎn)型升級(jí)，其容量愈來愈大型化。另外，隨著能源技術(shù)的進(jìn)步，清潔能源的使用正在穩(wěn)步增加。第二，在熱力網(wǎng)方面，各種新技術(shù)被不斷地開發(fā)出來，例如大型熱力網(wǎng)環(huán)狀管網(wǎng)的技術(shù)、多熱源聯(lián)供系統(tǒng)熱力網(wǎng)輸送技術(shù)等。第三，在熱用戶方面，實(shí)行分戶控制和計(jì)量，實(shí)施分戶收費(fèi)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)，這種管理方式有助于節(jié)約降耗。

2 PID 控制技術(shù)概況

2.1 PID 控制技術(shù)的發(fā)展概況

PID 控制技術(shù)大約產(chǎn)生和發(fā)展于20 世紀(jì)前期和中期，該控制方法具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、對(duì)模型誤差具有魯棒性等特點(diǎn)。在我國PID 控制器被廣泛用于輕工、電力等領(lǐng)域。PID調(diào)節(jié)器可以有效解決工業(yè)生產(chǎn)中精確建模的難題。PID 調(diào)節(jié)器本身也處于不斷發(fā)展改進(jìn)之中，目前正在走向微型化、智能化。

2.2 模糊PID 控制器介紹

從常規(guī)PID 控制器方面來說，它運(yùn)行穩(wěn)定性比較好，而且操作方便、魯棒性好、原理簡單，但是也存在不少局限性，這種控制系統(tǒng)難以控制強(qiáng)非線性等。另一方面，模糊控制器雖然能夠簡單而有效地控制復(fù)雜、建模難度大的過程，但是它又不具有積分環(huán)節(jié)，因此存在誤差，如果變量分級(jí)少的話，還會(huì)在平衡點(diǎn)附近產(chǎn)生震蕩。所以，如果把兩種控制策略結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，就可以起到很好的控制效果，在這種思路下就產(chǎn)生了模糊PID 控制器。模糊PID 控制器可以避免系統(tǒng)余差和極限環(huán)振蕩［1］。

3 模糊PID 在熱水交換站溫度控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與仿真

本研究結(jié)合模糊控制和PID 算法優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)PID 控制器，然后根據(jù)熱水交換站溫度控制的特點(diǎn)建立仿真模型。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器提高了系統(tǒng)性能，溫度調(diào)節(jié)效果有了比較明顯的改善。

3.1 熱水交換站溫度控制系統(tǒng)的組成

熱水交換站是集中供熱系統(tǒng)的最為核心的環(huán)節(jié)，因此熱水交換站運(yùn)行的狀況直接影響著整個(gè)供熱系統(tǒng)的供熱水平。集中供熱系統(tǒng)主要是由熱源、變頻泵、熱用戶、氣候補(bǔ)償器、壓力控制點(diǎn)、以及換熱器構(gòu)成，其中換熱器處于中心環(huán)節(jié)，將熱源與熱用戶聯(lián)接起來構(gòu)成一個(gè)整體。對(duì)于計(jì)量供熱系統(tǒng)來說，二次網(wǎng)的水溫并不隨著熱用戶流量調(diào)節(jié)而發(fā)生變化，它只與室外溫度相關(guān)，因此，二次網(wǎng)水溫是由一次網(wǎng)調(diào)節(jié)閥來控制的，所以在計(jì)量供熱系統(tǒng)中一次網(wǎng)變其實(shí)已經(jīng)變成了一個(gè)變流量系統(tǒng)。

3.1.1 被控參數(shù)

在供熱系統(tǒng)中，每一個(gè)房間的情況不同，因此，就會(huì)導(dǎo)致其回水溫度存在差異，因此回水溫度是一個(gè)變化幅度較大的值，難以確定被控參數(shù)。相對(duì)來說，供水溫度是比較穩(wěn)定的，而且為所有用戶所共享，因此供水溫度比較容易確定被控參數(shù)。由于二次網(wǎng)供水溫度與用戶調(diào)節(jié)無關(guān)，而與室外溫度相關(guān)，由此可以構(gòu)建二次網(wǎng)水溫與室外溫度的數(shù)量關(guān)系。在關(guān)系式中需要考慮管網(wǎng)所在地的相關(guān)氣象參數(shù)、二次網(wǎng)供水溫度、室外溫度、用戶散熱器設(shè)計(jì)平均溫差、用戶設(shè)計(jì)供回水溫度差以及設(shè)計(jì)室溫下的相對(duì)熱負(fù)荷。

3.1.2 控制參數(shù)

在實(shí)施供熱計(jì)量后，變流量間接供熱系統(tǒng)二次網(wǎng)供水溫度調(diào)節(jié)是靠一次網(wǎng)側(cè)供水管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥改變流量來實(shí)現(xiàn)的，即根據(jù)天氣溫度波動(dòng)情況，對(duì)一次網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)二次網(wǎng)水溫的控制。因此，電動(dòng)控制閥的開度就是控制參數(shù)。當(dāng)然，由于供熱系統(tǒng)熱惰性較大，存在滯后性，因此適合采用采樣調(diào)節(jié)從而獲得穩(wěn)定性。

3.1.3 測溫元件

在本研究中采用DS18B20 溫度傳感器來采集二次網(wǎng)供水溫度以及室外溫度，該傳感器具有高性能、靈敏度高、抗干擾、低能耗和微型化等優(yōu)點(diǎn)，比較適合用于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測控系統(tǒng)。

3.1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模糊控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由儲(chǔ)存模塊、串行輸出、鍵盤電路、LCD 顯示器、處理器、DS18B20 溫度傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、D/A 轉(zhuǎn)換器、參數(shù)超限報(bào)警器構(gòu)成。軟件控制算法簡單，實(shí)際操作中只需要進(jìn)行簡單的查表運(yùn)算即可[2]。

3.2 模糊自適應(yīng)PID 控制器

3.2.1 模糊自適應(yīng)PID 控制器結(jié)構(gòu)

模糊自適應(yīng)PID 控制系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)PID 控制器精確性不足的問題，同時(shí)還可以有效克服熱水交換站溫度控制系統(tǒng)滯后性等常見的難題。在該系統(tǒng)中，通過模糊PID 控制器結(jié)合傳感器溫度信號(hào)，調(diào)節(jié)電動(dòng)控制閥開度，然后經(jīng)過換熱器對(duì)二次網(wǎng)水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上，其算法的輸入?yún)?shù)是誤差和誤差變化率，推理規(guī)則是模糊規(guī)則，因此所進(jìn)行的推理是模糊推理，另外，還需要根據(jù)模糊矩陣表，對(duì)照查詢結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行必要修改，最終構(gòu)成模糊自適應(yīng)PID 控制器。

3.2.2 隸屬度函數(shù)的構(gòu)建

輸入量誤差和誤差變化率的語言變量為E、EC，輸出量語言變量為KP、KI、KD，定義這些語言變量的模糊子集等于{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，論域從-3～3，模糊控制器的輸出通過比例因子進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸入通過量化因子進(jìn)行轉(zhuǎn)換。另外，為了降低誤差，提高系統(tǒng)的魯棒性，采用高斯隸屬函數(shù)。

3.3 模糊自適應(yīng)PID 控制器仿真

3.3.1 仿真模型的建立

在仿真模型中，將二次網(wǎng)供水溫度作為被控制參數(shù)，設(shè)計(jì)出模糊自適應(yīng)PID 溫度控制系統(tǒng)。然后通過系統(tǒng)辨識(shí)的方法獲得換熱器傳遞函數(shù)，使用低階近似的方法應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)性。換熱器傳遞函數(shù)為：G2(S)=exp(-80s)/(60s+1)。零階保持器傳遞函數(shù)為：Gs(s)=[1-exp(-Ts)]/s，其中T 為采樣周期。調(diào)節(jié)閥函數(shù)為：G1(s)=0.3/s。測量變送單元函數(shù)為：G3(s)=1[3]。

3.3.2 模糊自適應(yīng)PID 控制器MATLAB 實(shí)現(xiàn)

利用MATLAB中的SIMULINK控制工具箱和模糊控制工具箱，在FIS 編輯器內(nèi)建立的仿真模型，選擇合適的比例因子和量化因子，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。運(yùn)行仿真程序獲得比例微積分調(diào)節(jié)量觀察曲面圖（如圖1）。

圖1 比例微積分調(diào)節(jié)曲面

考慮到在實(shí)際的熱水轉(zhuǎn)換站溫度控制系統(tǒng)中，存在諸多干擾，因此，在0.3 秒時(shí)給予系統(tǒng)一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，常規(guī)PID 控制器和模糊自適應(yīng)PID 控制器輸出的階躍響應(yīng)曲線分別如圖2、圖3 所示。

圖2 常規(guī)PID 控制器的輸出曲線

圖3 模糊自適應(yīng)PID 控制器的輸出曲線

通過對(duì)比圖2、圖3，我們可以發(fā)現(xiàn)，在施加干擾后，雖然最后常規(guī)的PID 控制器和模糊自適應(yīng)PID 控制器都能穩(wěn)定在設(shè)定值，但是常規(guī)的PID 控制器出現(xiàn)了較大幅度的超調(diào)和振蕩，而模糊自適應(yīng)PID 控制器在施加干擾后，并沒有出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，波動(dòng)的范圍小，能夠比較平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)過渡，表現(xiàn)出了很好的抗干擾能力和自適應(yīng)能力。

4 結(jié)論

改革開放以來，我國集中供熱產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的強(qiáng)勁推動(dòng)之下獲得了顯著的進(jìn)步。但是，從總體上說，我國集中供暖在設(shè)備、技術(shù)等方面還比較落后。在供熱系統(tǒng)中熱水交換站溫度控制體統(tǒng)是中樞環(huán)節(jié)。本文介紹了我國城市供熱系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并重點(diǎn)研究了供熱系統(tǒng)中熱水交換站溫度控制系統(tǒng)，通過建立仿真模型，對(duì)比分析了傳統(tǒng)PID 控制其與模糊自適應(yīng)PID 控制器的功能，研究結(jié)果表明模糊自適應(yīng)PID 控制器優(yōu)于常規(guī)PID 控制器。

[1]單春賢，陳萬家，彭杰.模糊PID在換熱站溫度控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與仿真[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(9):79-83.

[2]XUBP，F(xiàn)UL，DIHF.Dynamic simulation of space heating systems with radiators controlled by TRVs in buildings[J].Energy and Buildings，2008，40(9):1755-1764.

[3]許青松，高經(jīng)伍，劉冰.模糊自適應(yīng)PID控制器在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30(17):76-79.