模糊控制在熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

田思慶 曹 宇 張炳權(quán) 鄭家風(fēng)

(佳木斯大學(xué) a.信息電子技術(shù)學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院)

模糊控制在熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

田思慶a,b曹 宇b張炳權(quán)b鄭家風(fēng)b

(佳木斯大學(xué) a.信息電子技術(shù)學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院)

介紹熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的工作過程，將模糊控制應(yīng)用于該系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)熱網(wǎng)模糊控制器。仿真結(jié)果表明：基于模糊控制的熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，系統(tǒng)穩(wěn)定控制時(shí)間短，控制精度高，控制效果穩(wěn)定性好。

模糊控制 熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 二次供回水溫差 Matlab

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市集中供熱規(guī)模不斷擴(kuò)大。城市熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過對(duì)供熱系統(tǒng)溫度、壓力、流量及開關(guān)量等進(jìn)行測(cè)量、控制和遠(yuǎn)傳，為熱力部門提供準(zhǔn)確、可靠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱過程的控制、規(guī)劃和科學(xué)調(diào)配[1]，保證熱網(wǎng)系統(tǒng)的異常情況能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到快速處理，提高熱網(wǎng)運(yùn)行效率，降低管網(wǎng)損耗[2]。熱網(wǎng)計(jì)量管理系統(tǒng)在熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，但是其控制效果已無法滿足現(xiàn)代熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的高精度要求。同時(shí)考慮到環(huán)境、溫度、流量不均衡的情況，系統(tǒng)難以建立穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型。為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，更好地滿足用戶對(duì)于溫度的需求，筆者根據(jù)熱網(wǎng)計(jì)量管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于模糊控制的熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、降低成本、提高熱網(wǎng)自動(dòng)化水平、節(jié)約勞動(dòng)力和提高工作效率的目的。

1 熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的工作過程

熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(圖1)主要由供熱源、換熱站和熱網(wǎng)用戶組成，供熱源主要由熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件和GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備組成，換熱站跟供熱源之間采用GPRS通信方式。系統(tǒng)的工作過程是：首先將供熱源產(chǎn)生的高溫?zé)崴ㄟ^一次管網(wǎng)(連接供熱源與換熱站的管網(wǎng))傳送至各個(gè)熱力子站，高溫?zé)崴偻ㄟ^各個(gè)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(wǎng)(連接換熱站與熱網(wǎng)用戶的管網(wǎng))送至各熱網(wǎng)用戶[3]。

圖1 熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)圖

2 熱網(wǎng)模糊控制器設(shè)計(jì)

熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的熱網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的被控對(duì)象，可以用二階純滯后模型描述：

其中，K為放大系數(shù)；τd為純滯后時(shí)間；H1、H2為時(shí)間常數(shù)。通過經(jīng)驗(yàn)法，整定出模型中的各系數(shù)，得到熱網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

本設(shè)計(jì)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(gè)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(jié)構(gòu)框圖

將溫度差值WD分為7個(gè)模糊集，即{FD，F(xiàn)Z，F(xiàn)X，L0，ZX，ZZ，ZD}，對(duì)應(yīng)的溫度采樣值物理狀態(tài)分別為{超低于設(shè)定范圍下限，遠(yuǎn)低于設(shè)定范圍下限，微低于設(shè)定范圍下限，在設(shè)定范圍內(nèi)，微高于設(shè)定范圍上限，遠(yuǎn)高于設(shè)定范圍上限，超高于設(shè)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(gè)模糊集，即{FD，F(xiàn)Z，F(xiàn)X，L0，ZX，ZZ，ZD}，對(duì)應(yīng)的溫度偏差采樣值物理狀態(tài)分別為{超低于設(shè)定范圍下限，遠(yuǎn)低于設(shè)定范圍下限，微低于設(shè)定范圍下限，在設(shè)定范圍內(nèi)，微高于設(shè)定范圍上限，遠(yuǎn)高于設(shè)定范圍上限，超高于設(shè)定范圍上限}。WP的論域?yàn)閧-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(gè)模糊集，即{OF，OB，OM，OS，CL}，對(duì)應(yīng)的比例電磁閥物理狀態(tài)分別為{全開，大開，半開，微開，關(guān)閉}。V的論域?yàn)閧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(shè)計(jì)采用工程上常用的三角形隸屬度函數(shù)作為模糊控制系統(tǒng)子集的隸屬度函數(shù)，它具有計(jì)算簡(jiǎn)單和占用內(nèi)存小的優(yōu)點(diǎn)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)制定的模糊控制規(guī)則見表4，共49條，如溫度采樣值遠(yuǎn)低于設(shè)定范圍下限，溫度偏差采樣值遠(yuǎn)低于設(shè)定范圍下限，比例電磁閥全開；溫度采樣值微低于設(shè)定范圍下限，溫度偏差采樣值微低于設(shè)定范圍下限，比例電磁閥半開。對(duì)模糊推理得到的模糊集合，可采用最大隸屬度法對(duì)它進(jìn)行反模糊化。

表4 模糊控制規(guī)則

3 仿真與結(jié)果分析

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

圖3 溫度差值WD隸屬度函數(shù)

圖4 溫度偏差變化率WP隸屬度函數(shù)

圖5 比例電磁閥開度V隸屬度函數(shù)

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(guī)則，共49條。

圖6 Rule Editor界面

在Simulink環(huán)境下對(duì)熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[7]，仿真程序如圖7所示，仿真結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯到y(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，系統(tǒng)穩(wěn)定控制時(shí)間短，控制精度高，控制效果穩(wěn)定性好。

圖7 熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)模糊控制仿真程序

圖8 熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)模糊控制仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

筆者針對(duì)以往熱網(wǎng)計(jì)量管理系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于模糊控制算法的熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)二次供回水溫差制定了模糊控制規(guī)則，并在Simulink環(huán)境下建立了模糊控制程序。仿真結(jié)果表明：基于模糊控制算法的熱網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有控制響應(yīng)速度快、超調(diào)量小及魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

[1] 王慶峰.集中供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化及熱負(fù)荷預(yù)測(cè)方法研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2010.

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

[3] 高娜.熱網(wǎng)流量智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].鞍山:遼寧科技大學(xué),2012.

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

[5] 田思慶,魏強(qiáng),吳桂云,等.火電廠主汽溫度串級(jí)模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].化工自動(dòng)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(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真[J].液壓與氣動(dòng),2015,(4):79～82.

[7] 徐奔騰,林勇,溫陽東.鍋爐汽包水位的變論域模糊PID控制[J].化工自動(dòng)化及儀表,2016,43(5):467～470.

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(xué)應(yīng)用重點(diǎn)項(xiàng)目(12Z2201526)；佳木斯大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(LZ2016_002)。

田思慶(1965-)，教授，從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化的研究。

聯(lián)系人曹宇(1991-)，碩士研究生，從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化的研究，1315766172@qq.com。