集中供熱控制策略的選擇及模糊PID自適應調節控制的應用

孫顯利

摘要：隨著城市集中供熱系統的日益龐大，國家對節能減排的要求，對集中供熱系統的自動化和智能化水平要求也越來越高。根據集中供熱調節的特點和全網平衡控制原理，構建了供回水平均溫度、最不利點供回水壓差控制策略，滿足了大系統熱負荷調節與全網熱力平衡和水力平衡的要求。并介紹了模糊自適應PID控制算法的應用以實現控制策略的目標。

關鍵詞：集中供熱

緒論

集中供熱系統的控制目標是保證在任意室外溫度下熱源的供熱量與全部熱用戶的耗熱量之和相平衡，同時保證熱源與熱力站之間的水力平衡。熱網自動化控制的精細程度在不斷提高，與以往分散式供熱方式相比，節能環保，但管理運行方式更為復雜，具有熱網大差異傳輸特性;系統內流體的瞬變性;天氣溫度的多變性等特點。

以上特點決定了供熱系統的調節具有非線性、大滯后的特點，而且是一種存在耦合的多輸入——多輸出系統，運行工況的變化、熱能的傳輸、分配與調控規律非常復雜。為此，在選擇合適的控制策略后，運用模糊 PID 算法，以提高系統的控制精度和自動化水平。

一、集中供熱控制策略的選擇

1、最不利點供回水壓差控制

這種控制方式，主循環泵采用變速泵，根據最未端測出的供回水壓差控制泵的轉速，使該壓差維持在要求的數值。各熱用戶則可根據取暖需求，自動調節流量，滿足各自的用熱要求。

采用這種方式，如果同時能夠維持熱源的出口溫度為常數，理論上能夠滿足各種情況。某個用戶需要加大流量，以增加供熱量，因而開大閥門時，干管流量增大，壓降增大，末端壓差降低，其它各用戶流量降低，此時，主循環泵相應增加轉速，總流量增大，使末端壓差恢復到設定值，這時，各用戶流量也會基本上回到設定值。因此，只要主循環泵能及時調整，系統即能保持正常。這種控制方式適合以用熱量向最終用戶收費的計費方式和有熱水供應的熱網系統。而且這種控制方式可以實現全網水力平衡。而我國普遍按建筑面積收費，為了節省總供熱量，熱網不應該以充分滿足各熱用戶的需求為調節目的，而應該以滿足采暖建筑的基本采暖要求為前提，盡可能減少總供熱量為目標。總供熱量愈少，經濟效益愈高。

2、供回水平均溫度均勻性調節

根據我國目前供熱系統的管理模式及其特點，熱網應采用均勻性調節，即對各個熱力站供水閥門的調節應該以各個熱力站彼此之間供熱效果基本相同為目標。由穩態下的熱平衡方程可以推導出如下公式：

式中：KFr：散熱器的傳熱系數，W/℃

KFb：建筑物的傳熱系數（包括冷風滲入的影響），W/℃

tg，th，ts，to分別為供水溫度、回水溫度、室內溫度和室外溫度。

不難看出，在穩定工況下，室溫為供回水平均溫度和室外溫度的加權平均，權系數由建筑物的綜合傳熱系數KFb與散熱器的傳熱系數KFr之比決定，如果各熱力站所負責的建筑物的KFb與KFr之值相差不大，測各熱力站tg，th基本上反映了該熱力站所負責建筑的平均室溫，如果將各個熱力站的二次側供回水平均溫度調為平均，則可以近似認為采暖房間的室溫是彼此均勻的。

這種調節方式是保證供熱要求條件下的最節能的調節方式，可以使管理熱網的熱力公司獲得最大經濟效益。

二、常規PID算法及模糊PID控制設計

1、PID控制器的選擇

在本控制系統中，執行元件為電動調節閥和由變頻器控制的變速泵，采用增量式PID控制算法。

在實際控制過程中為了使系統具有良好的動態性能，我們希望PID的三個參數能依據當前系統的狀態來做出相應的調整。以適應系統參數時變和有負載擾動的情況。為此，引入模糊控制技術，根據專家知識和操作經驗，依據偏差E和偏差變化率EC的大小來動態調整PID控制器的三個參數Kp，Ki，Kd的大小，這在很大程度上彌補了傳統PID控制算法的局限性，從而取得良好的控制效果。模糊控制與常規的PID控制相比，具有無需建立被控對象的數學模型、對被控對象的非線性和時變性具有一定的適應能力等特點，并具有較好的動態性能。

2、PID參數的調整規則

通過對PID控制理論的認識和長期使用經驗的總結，可知PID參數應依據以下幾點來適應系統的動態過程。

（1）在偏差比較大時，為使偏差盡快消除，提高響應速度，同時為了避免出現超調，Kp取大值，Ki取零;在偏差比較小時，為繼續減小偏差，并防止超調過大、產生振蕩、穩定性變壞，Kp值要減小，Ki取小值;在偏差很小時，為消除靜差，克服超調，使系統盡快穩定，Kp值繼續減小，Ki值不變或稍取大。

（2）當偏差與偏差變化率同號時，被控量是朝偏離既定值方向變化。因此，當被控量接近定值時，反號的比例作用阻礙積分作用，避免積分超調及隨之而來的振蕩，有利于控制;而當被控量遠未接近各定值并向定值變化時，則由于這兩項反向，將會減慢控制過程。在偏差比較大時，偏差變化率與偏差異號時，Kp值取零或負值，以加快控制的動態過程。

（3）偏差變化率的大小表明偏差變化的速率，EC越大，Kp取值越小，Ki取值越大，反之亦然。同時，要結合偏差大小來考慮。

結論

將模糊控制與PLC控制技術相結合，控制算法兼有PID控制精度高和模糊控制魯棒性強的優點，既保留了PLC控制系統控制可靠、靈活、適應性強等特點，又大大提高了控制系統的智能化程度，實踐結果表明該系統控制精度較高、動態響應快、超調量低，對集中供熱控制系統這樣時變的、非線性的、滯后的、高階大慣性的被控對象，具有良好的控制效果。

參考文獻

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