熱力站機(jī)組供暖自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

李 翔

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司萬柏林供熱分公司， 山西 太原 030000）

0 引言

在我國(guó)北方地區(qū)，冬季室內(nèi)需要供暖，供暖方式根據(jù)所在地區(qū)和所處時(shí)間段的不同而有所區(qū)別。其中，在夜間供暖系統(tǒng)的負(fù)荷較大，而在白天供暖系統(tǒng)的負(fù)荷較小。因此，需要對(duì)熱力站的供水和補(bǔ)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。對(duì)于供水系統(tǒng)而言，需要根據(jù)室外溫度實(shí)時(shí)對(duì)供水壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，在滿足供水系統(tǒng)的同時(shí)達(dá)到節(jié)能和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的目的；對(duì)于補(bǔ)水系統(tǒng)而言，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)補(bǔ)水量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以保證熱力站能夠充分發(fā)揮其功能[1]。本文將結(jié)合熱力站供水和補(bǔ)水系統(tǒng)的大滯后、非線性以及時(shí)變性的特點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)效果進(jìn)行仿真分析。

1 熱力站供暖系統(tǒng)概述

目前，熱力站供暖系統(tǒng)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制功能，其主要組成部分如圖1 所示。

圖1 熱力站供暖系統(tǒng)組成

如圖1 所示，熱力站供暖系統(tǒng)主要包括補(bǔ)水泵組、二級(jí)管網(wǎng)、循環(huán)泵組以及熱交換系統(tǒng)等。本文主要以其中的供水系統(tǒng)和補(bǔ)水系統(tǒng)為對(duì)象開展系列研究。目前，該熱力站供水系統(tǒng)由5 臺(tái)循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)其功能；其中，1 號(hào)循環(huán)泵采用變頻器進(jìn)行控制，其余4 臺(tái)循環(huán)泵由軟啟動(dòng)與投切開關(guān)為組合進(jìn)行控制。在實(shí)際應(yīng)用中，供水系統(tǒng)的循環(huán)泵采用三用兩備的原則進(jìn)行工作[2]。目前，供水系統(tǒng)根據(jù)室外溫度采用PLC 控制對(duì)其供水壓力進(jìn)行控制。當(dāng)室外溫度低于-10 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的二級(jí)管網(wǎng)的供水壓力為0.75 MPa；當(dāng)室外溫度在-10～0 ℃之間時(shí)，對(duì)應(yīng)的二級(jí)管網(wǎng)的供水壓力設(shè)定為0.7 MPa；當(dāng)室外溫度在0～10 ℃之間時(shí)，對(duì)應(yīng)的二級(jí)管網(wǎng)的供水壓力為0.65 MPa；當(dāng)室外溫度高于10℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的二級(jí)管網(wǎng)的供水壓力為0.6 MPa。

目前，供暖系統(tǒng)的補(bǔ)水分系統(tǒng)由3 臺(tái)補(bǔ)水泵組成，并采用兩用一備的原則進(jìn)行工作。在一般工作中，與補(bǔ)水系統(tǒng)的恒定補(bǔ)水壓力為0.4 MPa。3 臺(tái)補(bǔ)水泵由同一臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)變頻與工頻工作狀態(tài)的切換。

2 供暖供水系統(tǒng)的優(yōu)化與效果評(píng)估

目前，供暖供水系統(tǒng)以PLC 控制器為核心，采用傳統(tǒng)PID 控制算法對(duì)其進(jìn)行控制。但是，從本質(zhì)上講供暖供水系統(tǒng)屬于參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID 控制算對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)設(shè)定后無法根據(jù)工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致供暖供水系統(tǒng)無法根據(jù)室外溫度對(duì)其供水壓力進(jìn)行穩(wěn)定、高精度控制，其對(duì)應(yīng)的控制品質(zhì)較差[3]。

因此，為了提高供暖供水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和控制精度，本項(xiàng)目擬采用參數(shù)自適應(yīng)模糊PID 控制算法進(jìn)行控制。從理論上講，自適應(yīng)模糊PID 控制算法在控制過程中可根據(jù)供水壓力的誤差變化對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和動(dòng)態(tài)性能[4]?；谧赃m應(yīng)模糊控制算法的供暖供水系統(tǒng)的控制框圖如圖2 所示。

圖2 供暖供水系統(tǒng)自適應(yīng)模糊PID 控制

如圖2 所示，自適應(yīng)模糊PID 控制算法的關(guān)鍵在于系統(tǒng)可根據(jù)其實(shí)時(shí)工作參數(shù)及比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)的預(yù)整定值，對(duì)PID 控制器中的比例系數(shù)、微分作用系數(shù)以及積分作用系統(tǒng)進(jìn)行整定。

對(duì)于PID 控制器控制參數(shù)可采用的整定方法有衰減曲線法、經(jīng)驗(yàn)湊試法以及臨界比例法。綜合對(duì)比上述三種整定方法的作用機(jī)理和效果，本項(xiàng)目擬采用臨界比例法對(duì)PID 控制器的控制參數(shù)進(jìn)行整定。結(jié)合熱力站供暖供水系統(tǒng)的大滯后、非線性以及時(shí)變性的特點(diǎn)，為供暖供水系統(tǒng)設(shè)定的控制參數(shù)預(yù)整定值為[5]：比例系數(shù)預(yù)整定值為1.7；微分作用系數(shù)預(yù)整定值為0.01；積分作用系數(shù)預(yù)整定值為30。

為驗(yàn)證自適應(yīng)模糊PID 控制算法對(duì)供暖供水系統(tǒng)的控制效果，根據(jù)三臺(tái)循環(huán)泵的工作實(shí)際，基于MATLAB 建立供暖供水系統(tǒng)的仿真模型，并根據(jù)PID控制算法和自適應(yīng)模糊PID 控制算法對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)兩種算法對(duì)應(yīng)的控制效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)PID 與自適應(yīng)模糊PID 控制算法控制效果對(duì)比

如表1 所示，采用自適應(yīng)模糊PID 控制算法相比于傳統(tǒng)PID 控制算法而言，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)得到明顯改善，即系統(tǒng)具備更好的動(dòng)態(tài)性能和更強(qiáng)的適應(yīng)能力；兩種控制算法對(duì)應(yīng)的上升時(shí)間相差不大。

3 供暖補(bǔ)水系統(tǒng)的優(yōu)化與效果評(píng)估

同樣，供暖補(bǔ)水系統(tǒng)也屬于參數(shù)時(shí)變、非線性以及存在較大回水干擾的系統(tǒng)；在實(shí)際控制中，補(bǔ)水系統(tǒng)需根據(jù)其負(fù)荷變化進(jìn)行控制。鑒于供暖補(bǔ)水系統(tǒng)容易受到回水的干擾，導(dǎo)致其采用傳統(tǒng)PID 控制算法無法對(duì)回水流量的干擾進(jìn)行消除，從而影響熱力站供熱系統(tǒng)回水水壓的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的換熱效率[6]。

因此，為解決回水流量對(duì)補(bǔ)水系統(tǒng)造成干擾，進(jìn)而影響換熱效率的問題；本文擬采用前饋- 串級(jí)控制算法對(duì)供暖補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行控制。前饋- 串級(jí)控制框圖如圖3 所示。

圖3 供暖補(bǔ)水系統(tǒng)前饋- 串級(jí)控制

如圖3 所示，前饋- 串級(jí)控制算法的核心為采用補(bǔ)水流量前饋控制器，解決回水流量干擾的問題。根據(jù)3 臺(tái)補(bǔ)水泵的實(shí)際工作情況，基于MATLAB 軟件建立仿真模型，并對(duì)有回水流量干擾和無回水流量干擾兩種情況下，兩種控制算法對(duì)應(yīng)的控制效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2 前饋- 串級(jí)控制與傳統(tǒng)PID 控制效果對(duì)比

由表2 可知，在無回水流量干擾的情況下，前饋- 串級(jí)控制器與傳統(tǒng)PID 控制相比在超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)具有明顯的優(yōu)勢(shì)；在有回水流量干擾的情況下，前饋- 串級(jí)控制器的作用下系統(tǒng)的波動(dòng)范圍較傳統(tǒng)PID 控制器非常小，而且波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間從110 s 降低為40 s。說明前饋- 串級(jí)控制器可有效消除回水流量對(duì)系統(tǒng)造成的干擾，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

4 結(jié)語

熱力站供暖系統(tǒng)具有大滯后、非線性以及時(shí)變性的特點(diǎn)，在實(shí)際工作中采用傳統(tǒng)PID 控制算法無法對(duì)其中的關(guān)鍵分系統(tǒng)包括供水分系統(tǒng)和補(bǔ)水分系統(tǒng)進(jìn)行高效控制，尤其是無法保證供水系統(tǒng)根據(jù)室外溫度對(duì)其供水壓力進(jìn)行穩(wěn)定、高精度控制，導(dǎo)致補(bǔ)水系統(tǒng)受到回水流量的干擾進(jìn)而影響換熱站的換熱效率[7]。為此，本文重點(diǎn)以供水系統(tǒng)和補(bǔ)水系統(tǒng)為例展開研究，總結(jié)如下：

1）供水系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊PID 控制算法相比于傳統(tǒng)PID 控制算法而言，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)得到明顯改善，即系統(tǒng)具備更好的動(dòng)態(tài)性能和更強(qiáng)的適應(yīng)能力。

2）補(bǔ)水系統(tǒng)采用前饋- 串級(jí)控制算法后，可有效消除回水流量對(duì)系統(tǒng)造成的干擾，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。