集中供热控制策略的选择及模糊PID自适应调节控制的应用

孙显利

摘要：随着城市集中供热系统的日益庞大，国家对节能减排的要求，对集中供热系统的自动化和智能化水平要求也越来越高。根据集中供热调节的特点和全网平衡控制原理，构建了供回水平均温度、最不利点供回水压差控制策略，满足了大系统热负荷调节与全网热力平衡和水力平衡的要求。并介绍了模糊自适应PID控制算法的应用以实现控制策略的目标。

关键词：集中供热

绪论

集中供热系统的控制目标是保证在任意室外温度下热源的供热量与全部热用户的耗热量之和相平衡，同时保证热源与热力站之间的水力平衡。热网自动化控制的精细程度在不断提高，与以往分散式供热方式相比，节能环保，但管理运行方式更为复杂，具有热网大差异传输特性;系统内流体的瞬变性;天气温度的多变性等特点。

以上特点决定了供热系统的调节具有非线性、大滞后的特点，而且是一种存在耦合的多输入——多输出系统，运行工况的变化、热能的传输、分配与调控规律非常复杂。为此，在选择合适的控制策略后，运用模糊 PID 算法，以提高系统的控制精度和自动化水平。

一、集中供熱控制策略的选择

1、最不利点供回水压差控制

这种控制方式，主循环泵采用变速泵，根据最未端测出的供回水压差控制泵的转速，使该压差维持在要求的数值。各热用户则可根据取暖需求，自动调节流量，满足各自的用热要求。

采用这种方式，如果同时能够维持热源的出口温度为常数，理论上能够满足各种情况。某个用户需要加大流量，以增加供热量，因而开大阀门时，干管流量增大，压降增大，末端压差降低，其它各用户流量降低，此时，主循环泵相应增加转速，总流量增大，使末端压差恢复到设定值，这时，各用户流量也会基本上回到设定值。因此，只要主循环泵能及时调整，系统即能保持正常。这种控制方式适合以用热量向最终用户收费的计费方式和有热水供应的热网系统。而且这种控制方式可以实现全网水力平衡。而我国普遍按建筑面积收费，为了节省总供热量，热网不应该以充分满足各热用户的需求为调节目的，而应该以满足采暖建筑的基本采暖要求为前提，尽可能减少总供热量为目标。总供热量愈少，经济效益愈高。

2、供回水平均温度均匀性调节

根据我国目前供热系统的管理模式及其特点，热网应采用均匀性调节，即对各个热力站供水阀门的调节应该以各个热力站彼此之间供热效果基本相同为目标。由稳态下的热平衡方程可以推导出如下公式：

式中：KFr：散热器的传热系数，W/℃

KFb：建筑物的传热系数（包括冷风渗入的影响），W/℃

tg，th，ts，to分别为供水温度、回水温度、室内温度和室外温度。

不难看出，在稳定工况下，室温为供回水平均温度和室外温度的加权平均，权系数由建筑物的综合传热系数KFb与散热器的传热系数KFr之比决定，如果各热力站所负责的建筑物的KFb与KFr之值相差不大，测各热力站tg，th基本上反映了该热力站所负责建筑的平均室温，如果将各个热力站的二次侧供回水平均温度调为平均，则可以近似认为采暖房间的室温是彼此均匀的。

这种调节方式是保证供热要求条件下的最节能的调节方式，可以使管理热网的热力公司获得最大经济效益。

二、常规PID算法及模糊PID控制设计

1、PID控制器的选择

在本控制系统中，执行元件为电动调节阀和由变频器控制的变速泵，采用增量式PID控制算法。

在实际控制过程中为了使系统具有良好的动态性能，我们希望PID的三个参数能依据当前系统的状态来做出相应的调整。以适应系统参数时变和有负载扰动的情况。为此，引入模糊控制技术，根据专家知识和操作经验，依据偏差E和偏差变化率EC的大小来动态调整PID控制器的三个参数Kp，Ki，Kd的大小，这在很大程度上弥补了传统PID控制算法的局限性，从而取得良好的控制效果。模糊控制与常规的PID控制相比，具有无需建立被控对象的数学模型、对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力等特点，并具有较好的动态性能。

2、PID参数的调整规则

通过对PID控制理论的认识和长期使用经验的总结，可知PID参数应依据以下几点来适应系统的动态过程。

（1）在偏差比较大时，为使偏差尽快消除，提高响应速度，同时为了避免出现超调，Kp取大值，Ki取零;在偏差比较小时，为继续减小偏差，并防止超调过大、产生振荡、稳定性变坏，Kp值要减小，Ki取小值;在偏差很小时，为消除静差，克服超调，使系统尽快稳定，Kp值继续减小，Ki值不变或稍取大。

（2）当偏差与偏差变化率同号时，被控量是朝偏离既定值方向变化。因此，当被控量接近定值时，反号的比例作用阻碍积分作用，避免积分超调及随之而来的振荡，有利于控制;而当被控量远未接近各定值并向定值变化时，则由于这两项反向，将会减慢控制过程。在偏差比较大时，偏差变化率与偏差异号时，Kp值取零或负值，以加快控制的动态过程。

（3）偏差变化率的大小表明偏差变化的速率，EC越大，Kp取值越小，Ki取值越大，反之亦然。同时，要结合偏差大小来考虑。

结论

将模糊控制与PLC控制技术相结合，控制算法兼有PID控制精度高和模糊控制鲁棒性强的优点，既保留了PLC控制系统控制可靠、灵活、适应性强等特点，又大大提高了控制系统的智能化程度，实践结果表明该系统控制精度较高、动态响应快、超调量低，对集中供热控制系统这样时变的、非线性的、滞后的、高阶大惯性的被控对象，具有良好的控制效果。

参考文献

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[2]诸静模糊控制原理及应用机械工业出版社 1995.5

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[4]江亿集中供热网控制调节策略的探讨区域供热 1997.2