模糊控制在熱網遠程控制系統中的應用

田思慶 曹 宇 張炳權 鄭家風

(佳木斯大學 a.信息電子技術學院；b.機械工程學院)

模糊控制在熱網遠程控制系統中的應用

田思慶a,b曹 宇b張炳權b鄭家風b

(佳木斯大學 a.信息電子技術學院；b.機械工程學院)

介紹熱網遠程控制系統的工作過程，將模糊控制應用于該系統，設計了一個熱網模糊控制器。仿真結果表明：基于模糊控制的熱網遠程控制系統響應速度快，超調量小，系統穩定控制時間短，控制精度高，控制效果穩定性好。

模糊控制 熱網遠程控制系統 二次供回水溫差 Matlab

隨著我國城市化進程的加快，城市集中供熱規模不斷擴大。城市熱網遠程控制系統通過對供熱系統溫度、壓力、流量及開關量等進行測量、控制和遠傳，為熱力部門提供準確、可靠的運行數據，實現對供熱過程的控制、規劃和科學調配[1]，保證熱網系統的異常情況能夠被及時發現并得到快速處理，提高熱網運行效率，降低管網損耗[2]。熱網計量管理系統在熱網遠程控制系統中占據重要地位，但是其控制效果已無法滿足現代熱網遠程控制系統的高精度要求。同時考慮到環境、溫度、流量不均衡的情況，系統難以建立穩定的數學模型。為了保證監測數據的準確性，更好地滿足用戶對于溫度的需求，筆者根據熱網計量管理系統的優點，設計了一個基于模糊控制的熱網遠程控制系統，以實現節約資源、降低成本、提高熱網自動化水平、節約勞動力和提高工作效率的目的。

1 熱網遠程控制系統的工作過程

熱網遠程控制系統(圖1)主要由供熱源、換熱站和熱網用戶組成，供熱源主要由熱網遠程監控系統軟件和GPRS無線數據傳輸設備組成，換熱站跟供熱源之間采用GPRS通信方式。系統的工作過程是：首先將供熱源產生的高溫熱水通過一次管網(連接供熱源與換熱站的管網)傳送至各個熱力子站，高溫熱水再通過各個熱力子站的水-水換熱器形成供熱所用的熱水，再將供熱熱水通過二次管網(連接換熱站與熱網用戶的管網)送至各熱網用戶[3]。

圖1 熱網遠程控制系統工藝簡圖

2 熱網模糊控制器設計

熱網遠程控制系統中的熱網系統是一個較為復雜的被控對象，可以用二階純滯后模型描述：

其中，K為放大系數；τd為純滯后時間；H1、H2為時間常數。通過經驗法，整定出模型中的各系數，得到熱網系統的數學模型為：

本設計采用的模糊控制器為雙輸入單輸出的多變量二維模糊控制器(圖2)。該控制器的兩個輸入變量分別為二次供回水的溫度差值WD和溫度偏差變化率WP；輸出變量為比例電磁閥的開度V。

圖2 二維模糊控制器結構框圖

將溫度差值WD分為7個模糊集，即{FD，FZ，FX，L0，ZX，ZZ，ZD}，對應的溫度采樣值物理狀態分別為{超低于設定范圍下限，遠低于設定范圍下限，微低于設定范圍下限，在設定范圍內，微高于設定范圍上限，遠高于設定范圍上限，超高于設定范圍上限}。WD的論域定義為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。得到的溫度差值WD隸屬度見表1[4]。

表1 溫度差值WD隸屬度

同樣，將溫度偏差變化率WP分為7個模糊集，即{FD，FZ，FX，L0，ZX，ZZ，ZD}，對應的溫度偏差采樣值物理狀態分別為{超低于設定范圍下限，遠低于設定范圍下限，微低于設定范圍下限，在設定范圍內，微高于設定范圍上限，遠高于設定范圍上限，超高于設定范圍上限}。WP的論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。得到的溫度偏差變化率WP隸屬度見表2。

表2 溫度偏差變化率WP隸屬度

將比例電磁閥的開度V分為5個模糊集，即{OF，OB，OM，OS，CL}，對應的比例電磁閥物理狀態分別為{全開，大開，半開，微開，關閉}。V的論域為{0.0，0.5，1.0，1.5，2.0}。得到的比例電磁閥開度V隸屬度見表3[5]。

表3 比例電磁閥開度V隸屬度

本設計采用工程上常用的三角形隸屬度函數作為模糊控制系統子集的隸屬度函數，它具有計算簡單和占用內存小的優點，其數學表達式為：

根據現場實際操作經驗制定的模糊控制規則見表4，共49條，如溫度采樣值遠低于設定范圍下限，溫度偏差采樣值遠低于設定范圍下限，比例電磁閥全開；溫度采樣值微低于設定范圍下限，溫度偏差采樣值微低于設定范圍下限，比例電磁閥半開。對模糊推理得到的模糊集合，可采用最大隸屬度法對它進行反模糊化。

表4 模糊控制規則

3 仿真與結果分析

在Matlab軟件中，對二次供回水溫度差值WD和溫度偏差變化率WP進行Simulink仿真[6]。進入隸屬度函數編輯器修改輸入語言變量的論域為(-3，3)，輸出語言變量的論域為(0，2)，并將輸入輸出隸屬度函數選擇為三角形隸屬度函數。得到溫度差值WD隸屬度函數、溫度偏差變化率WP隸屬度函數、比例電磁閥開度V隸屬度函數分別如圖3～5所示。

圖3 溫度差值WD隸屬度函數

圖4 溫度偏差變化率WP隸屬度函數

圖5 比例電磁閥開度V隸屬度函數

建立輸入輸出模糊變量子集后，在Simulink模糊控制器Rule Editor(圖6)中添加模糊控制規則，共49條。

圖6 Rule Editor界面

在Simulink環境下對熱網遠程控制系統進行仿真實驗[7]，仿真程序如圖7所示，仿真結果如圖8所示。可以看出，系統響應速度快，超調量小，系統穩定控制時間短，控制精度高，控制效果穩定性好。

圖7 熱網遠程控制系統模糊控制仿真程序

圖8 熱網遠程控制系統模糊控制仿真結果

4 結束語

筆者針對以往熱網計量管理系統存在的不足，設計了一個基于模糊控制算法的熱網遠程控制系統。對系統二次供回水溫差制定了模糊控制規則，并在Simulink環境下建立了模糊控制程序。仿真結果表明：基于模糊控制算法的熱網遠程控制系統具有控制響應速度快、超調量小及魯棒性強等特點，具有一定的應用推廣價值。

[1] 王慶峰.集中供熱系統運行調節優化及熱負荷預測方法研究[D].濟南:山東大學,2010.

[2] 于洋,肖勝倫,王翠竹.基于無線射頻通信及GPRS技術的熱網監控系統[J].儀表技術與傳感器,2009,(3):61～63.

[3] 高娜.熱網流量智能控制系統的設計與研究[D].鞍山:遼寧科技大學,2012.

[4] 姜東旭.火電廠鍋爐主汽溫智能PID控制研究[J].中國電力教育,2013,(8):225～226.

[5] 田思慶,魏強,吳桂云,等.火電廠主汽溫度串級模糊控制系統應用研究[J].化工自動化及儀表,2014,41(11):1273～1276.

[6] 張齊生,李亞南,吳傳輝,等.基于MATLAB的高壓腔電液壓力伺服控制系統設計及仿真[J].液壓與氣動,2015,(4):79～82.

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FuzzyControlinRemoteControlSystemforHeatingNetwork

TIAN Si-qinga,b, CAO Yub, ZHANG Bing-quanb, ZHENG Jia-fengb
(a.CollegeofInformationScienceandElectronicTechnology; b.CollegeofMechanicalEngineering,JiamusiUniversity)

The working process of remote control system in the heating network was introduced; applying the fuzzy control in the remote control system was implemented, including the fuzzy controller design for the heating network. The simulation result shows that, this fuzzy control-based remote control system has fast response, small overshoot, short time for stable control, high control accuracy and better control effect.

fuzzy control, control system for heating network, temperature difference of return water in secondary supply, Matlab

TH865

A

1000-3932(2017)02-0134-04

2016-08-22，

2016-09-23)

佳木斯大學應用重點項目(12Z2201526)；佳木斯大學研究生科技創新項目(LZ2016_002)。

田思慶(1965-)，教授，從事農業電氣化與自動化的研究。

聯系人曹宇(1991-)，碩士研究生，從事農業電氣化與自動化的研究，1315766172@qq.com。