基于模糊PID控制的集中供熱系統(tǒng)溫度控制器的設(shè)計(jì)

王 嬌，蘇 剛，蘇 陽

(天津城建大學(xué) a. 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院；b. 控制與機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

基于模糊PID控制的集中供熱系統(tǒng)溫度控制器的設(shè)計(jì)

王 嬌a，蘇 剛b，蘇 陽b

(天津城建大學(xué) a. 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院；b. 控制與機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

集中供熱系統(tǒng)是具有非線性、耦合性、時滯性特點(diǎn)的復(fù)雜系統(tǒng)，且系統(tǒng)參數(shù)不易整定，沒有確定的數(shù)學(xué)模型，為了使其參數(shù)易于整定，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了采用模糊 PID控制算法的控制器．通過Matlab仿真對比傳統(tǒng)PID控制與模糊PID控制這兩種控制方法，結(jié)果表明模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制更加穩(wěn)定，適應(yīng)力強(qiáng)，能更好地滿足熱用戶的需求．

集中供熱系統(tǒng)；溫度控制；模糊控制；PID控制

近年來集中供熱系統(tǒng)迅猛發(fā)展，通過構(gòu)建集中供熱系統(tǒng)來對室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)整已經(jīng)成為我國北方地區(qū)冬季供熱的一種主要形式．溫度控制的優(yōu)劣也直接影響著熱用戶的舒適度與能源的消耗量[1]．

現(xiàn)如今，集中供熱系統(tǒng)溫度的控制主要采取的方法為 PID傳統(tǒng)控制．該系統(tǒng)往往由于其非線性、耦合性、時滯性等原因?qū)е缕浜茈y得到精確的數(shù)學(xué)模型，而 PID傳統(tǒng)控制如果缺少精確的數(shù)學(xué)模型，會使得該系統(tǒng)的控制效率降低；同時如果其參數(shù)一旦確定，便無法改變，自適應(yīng)效果差，對于集中供熱這種具有時變性的系統(tǒng)，控制效果會大打折扣．基于以上 PID傳統(tǒng)控制的缺陷，筆者提出了模糊控制．該控制方法不需要確立精確的數(shù)學(xué)模型，其具有令人滿意的魯棒性，只需根據(jù)操作人員以及專家的知識和經(jīng)驗(yàn)建立相關(guān)的控制規(guī)則對系統(tǒng)進(jìn)行控制．但是，模糊控制存在控制精度低、學(xué)習(xí)能力差等缺陷[2-3]．

本文利用模糊控制和 PID傳統(tǒng)控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了集中供熱系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)器．當(dāng)系統(tǒng)溫度的偏差較大時采用模糊控制，響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好；當(dāng)系統(tǒng)溫度偏差較小時主要利用 PID傳統(tǒng)控制，控制精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)．因此，模糊 PID控制比傳統(tǒng) PID控制更加穩(wěn)定，能更好地滿足熱用戶的需求[4-5]．

1 集中供熱溫度控制系統(tǒng)

集中供熱系統(tǒng)管網(wǎng)分為兩部分：一次網(wǎng)、二次網(wǎng)．一次網(wǎng)(即熱源與換熱站輸入側(cè)連接的管網(wǎng))通過換熱站將熱量傳輸給二次網(wǎng)(熱用戶與換熱站輸出側(cè)連接的管網(wǎng))各個熱用戶．典型熱力站控制結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示．

圖1 典型熱力站控制結(jié)構(gòu)

本文通過室外溫度確定二次供水溫度的設(shè)定值，通過調(diào)節(jié)一次網(wǎng)供水管道調(diào)節(jié)閥的閥門開度來控制一次側(cè)流量大小(加大調(diào)節(jié)閥的開度，支路流量變大；關(guān)小調(diào)節(jié)閥的開度，支路流量減小)以保證二次側(cè)的供水溫度為設(shè)定值．通過將二次供水溫度的設(shè)定值與測量溫度值求偏差，采用模糊 PID控制算法得出調(diào)節(jié)量來控制一次網(wǎng)供水管道調(diào)節(jié)閥的閥門開度以改變流量大小，調(diào)節(jié)二次側(cè)的供水溫度，進(jìn)而保證熱用戶獲得適宜室內(nèi)溫度的相對恒定[6]．溫度控制系統(tǒng)如圖2所示．

圖2 控制系統(tǒng)

2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

2.1 模糊PID控制器的原理

本文采用模糊PID控制方法對集中供熱系統(tǒng)的溫度進(jìn)行控制，采用供熱管網(wǎng)二次側(cè)的供水溫度與實(shí)際溫度，兩者之間的偏差用e表示，偏差的變化用ec表示．分別將e和ec作為模糊PID控制器的兩個輸入量，運(yùn)用集中供熱系統(tǒng)相關(guān)工作人員與專家的知識、經(jīng)驗(yàn)歸納出系統(tǒng)溫度控制的模糊規(guī)則，利用不同時刻的e和ec對 PID控制器中的比列、積分、微分(KP、KI、KD)三個參數(shù)進(jìn)行最佳調(diào)整[7-8]，使集中供熱系統(tǒng)的輸出溫度通過不斷的調(diào)節(jié)最終按預(yù)定輸出，使系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性．

集中供熱溫度系統(tǒng)構(gòu)建的模糊 PID控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示．

圖3 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

2.2 模糊PID控制器的建立

控制器中的 PID控制主要考慮比例、積分、微分(KP、KI、KD)三個參數(shù)的問題．比例KP可提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，但不宜過大，否則不利于系統(tǒng)克服擾動，控制質(zhì)量差．積分KI控制及時、迅速，可消除余差．微分KD有超調(diào)性，可提高具有時滯性系統(tǒng)的控制效果．PID控制器時域輸出u(t)方程為

三個參數(shù)共同作用，集比例KP、積分KI、微分KD之長，利用模糊控制對以上三種參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的自整定、自學(xué)習(xí)使得三個控制參數(shù)能夠更得當(dāng)?shù)倪x擇出來，使系統(tǒng)得到更為理想的控制效果．

模糊PID控制器的調(diào)節(jié)參數(shù)如下

式中：ΔKP、ΔKI、ΔKD均為通過模糊推理得到參數(shù)校正量；KP′、KI′、KD′均為模糊 PID參數(shù)的初始值．模糊控制器的輸出變量，則是對 PID參數(shù)的校正值ΔKP、ΔKI、ΔKD．該控制算法是在PID控制的基礎(chǔ)上加上模糊控制，把模糊控制輸出的ΔKP、ΔKI、ΔKD疊加到PID的控制過程中，提高控制效果．本文集中供熱系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)所采用的模糊PID控制器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示．

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 模糊PID控制器隸屬度函數(shù)的確定

設(shè)定集中供熱管網(wǎng)中二次側(cè)管網(wǎng)供水溫度和實(shí)際溫度之間的偏差以及偏差變化(e、ec)作為二維模糊控制的輸入量

上述 e(t)表示供水溫度偏差，yr(t)表示二次網(wǎng)供水溫度的設(shè)定值．在 t時刻，如果二次側(cè)管網(wǎng)設(shè)定的供水溫度比實(shí)際溫度高，則偏差為“正”；反之，偏差為“負(fù)”． ec(t)表示溫度偏差的變化．如果實(shí)際溫度有上升趨勢，則 t時刻的溫度偏差高于t-1時刻的溫度偏差，溫度偏差的變化為“正”，反之，溫度偏差的變化為“負(fù)”．

將偏差e和偏差的變化率ec作為控制器的輸入，可取輸入變量e和ec，以及輸出PID控制參數(shù)KP、KI、KD的模糊子集均為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，記作{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}．通過比例因子，把采集到的具體值論域轉(zhuǎn)換為模糊語言變量論域，即誤差 E 所取的模糊子集的論域?yàn)椋篬-6，＋6]；誤差 EC 所取的模糊子集的論域?yàn)椋篬-6，＋6]；KP、KI、KD所取的模糊子集論域?yàn)椋篬-6，＋6]；則語言變量e、ec、以及KP、KI、KD的隸屬函數(shù)曲線如圖5所示．

圖5 語言變量e、ec、KP、KI、KD的隸屬度函數(shù)曲線

為了方便隸屬度函數(shù)的計(jì)算，取梯形為語言變量 e、ec、KP、KI、KD的隸屬度函數(shù)的形狀．同時，結(jié)果表明：梯形隸屬度函數(shù)更適合于調(diào)控集中供熱管網(wǎng)溫度系統(tǒng)．

2.4 模糊PID控制器的模糊規(guī)則

模糊控制的實(shí)質(zhì)是模仿人的智能和經(jīng)驗(yàn)，其控制規(guī)則是將某些人的思維活動和經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)整理之后形成以語言和模糊數(shù)學(xué)描述的控制策略，這樣就可以達(dá)到用機(jī)器代替人對復(fù)雜工業(yè)過程進(jìn)行控制．建立模糊PID控制器控制參數(shù)的規(guī)則，見表1．

表1 控制規(guī)則

2.5 解模糊化

在實(shí)際使用時，要控制溫度調(diào)節(jié)的量，必須有確定的調(diào)節(jié)量，通過模糊推理得到的輸出量具有模糊性，不能直接用來控制，因此需要進(jìn)行解模糊，得到一個精確量對溫度進(jìn)行控制．

本文采用解模糊的方法即重心法，來取得控制的精確量，即

輸出量為離散集時，則為

綜上，采用模糊 PID控制方法實(shí)現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)中溫度調(diào)節(jié)控制的程序流程如圖6所示．

圖6 溫度調(diào)節(jié)控制程序流程

3 仿真測試與結(jié)果分析

本文根據(jù)熱平衡方程式推導(dǎo)出的集中供熱管網(wǎng)一次側(cè)管網(wǎng)流量與二次側(cè)管網(wǎng)供水溫度之間傳遞函數(shù)的模型為

采用 MATLAB軟件，以及可視化仿真工具SIMULINK對集中供熱溫度系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真．基于模糊PID控制的SIMULINK仿真圖如圖7所示．

分別采用PID控制和模糊PID控制進(jìn)行對比試驗(yàn)，二次側(cè)供水溫度設(shè)定值為 80,℃ 時的仿真結(jié)果如圖8所示．

設(shè)定當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到 290,min時分別給控制系統(tǒng)添加一個擾動情況，即通過補(bǔ)水泵加水，對于相同的系統(tǒng)情況，對比得到的控制效果，如圖9所示，在抑制擾動方面可以看到，模糊 PID算法比常規(guī)PID具有更小的超調(diào)和更短的恢復(fù)時間．

圖7 基于模糊PID控制算法模型

圖8 傳統(tǒng)PID與模糊PID控制溫度仿真

圖9 傳統(tǒng)PID與模糊PID控制抑制擾動仿真

為了比較模糊PID控制與傳統(tǒng)PID控制在系統(tǒng)改變部分參數(shù)后的適應(yīng)能力，改變參數(shù)后的控制模型為

中途無干擾，兩者的仿真圖如圖10所示．

圖10 傳統(tǒng)PID與模糊PID控制變參數(shù)仿真

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用 PID傳統(tǒng)控制集中供熱溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠基本滿足穩(wěn)定性、快速性等控制要求，控制效果較好．但是，該控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)過大，前期震蕩過高．通過對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用模糊 PID控制集中供熱溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以彌補(bǔ) PID傳統(tǒng)控制的不足，其響應(yīng)時間短，溫度偏差的變化很小，并且抗干擾能力強(qiáng)，有較好的魯棒性以及適應(yīng)性．系統(tǒng)可以取得預(yù)期的目標(biāo)，更好地滿足熱用戶的需求．

4 結(jié) 語

本文針對集中供熱溫度系統(tǒng)，采用了模糊控制與PID控制相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了模糊PID控制器對二次側(cè)供水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在滿足熱用戶用熱需求的同時，使系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定性．MATLAB仿真驗(yàn)證了該算法在實(shí)用性、穩(wěn)定性、控制精度方面都達(dá)

到了系統(tǒng)的要求，控制效果相對于傳統(tǒng) PID控制效果明顯改善，是實(shí)現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的一種新方法．

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Design for Temperature Controller of Central Heating System Based on Fuzzy PID Control

WANG Jiaoa，SU Gangb，SU Yangb
(a. School of Computer and Information Engineering；b. School of Control and Mechanical Engineering，TCU，Tianjin 300384，China)

Central heating control system is complex systems of nonlinear, coupling and materiality, and the system is not easy setting-parameters, and no mathematical model can be determined. In order to enable easy setting-parameters to improve system stability, out study has designed controller based on fuzzy PID control algorithm. Through Matlab simulation compared to traditional PID control and fuzzy PID control of both control methods, the results show that the fuzzy PID control is more stable and adaptable than traditional PID control it better meets the heating needs of users.

central heating system；temperature controller；fuzzy control；PID control

T832.11

A

2095-719X(2016)05-0356-05

2015-09-07；

2015-11-10

王 嬌（1990—），女，甘肅天水人，天津城建大學(xué)碩士生.