油田井站供熱系統(tǒng)模糊控制方法研究

官 偉

(中原油田采油四廠,河南濮陽(yáng) 457100)

油田井站供熱系統(tǒng)模糊控制方法研究

官 偉

(中原油田采油四廠,河南濮陽(yáng) 457100)

隨著換熱設(shè)備新產(chǎn)品的出現(xiàn)和人們節(jié)能意識(shí)的提高,各種高效的換熱器開始出現(xiàn)在油田生產(chǎn)的供熱系統(tǒng)中?，F(xiàn)有換熱機(jī)組的控制幾乎全部沿用的傳統(tǒng)的PID控制技術(shù),由于換熱機(jī)組本身固有的熱慣性和時(shí)滯行為,該控制策略難以解決控制響應(yīng)速度慢、控制精度低的不足,同時(shí)也造成了能源的大量浪費(fèi)。嘗試將模糊算法引入控制策略中,采用模糊參數(shù)自整定PID控制方法進(jìn)行了仿真試驗(yàn),仿真結(jié)果表明,充分發(fā)揮模糊算法和PID控制兩者各自優(yōu)點(diǎn)的模糊參數(shù)自整定PID控制方法能夠得到更好的控制效果。

供熱;模糊控制;節(jié)能;比例積分微分

0 引 言

技術(shù)先進(jìn)的集中供熱系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)的變流量系統(tǒng),其調(diào)節(jié)與控制技術(shù)多采用智能控制系統(tǒng)。但是,國(guó)內(nèi)部分供熱系統(tǒng)較為落后,集中體現(xiàn)在供熱品質(zhì)差,系統(tǒng)熱效率差。目前換熱站大部分仍為人工手動(dòng)控制調(diào)節(jié),控制精度低,造成很大的能源浪費(fèi),同時(shí)安全可靠性差,工作效率低,難以滿足實(shí)時(shí)控制的要求[1]。

從現(xiàn)行換熱機(jī)組自動(dòng)控制策略來(lái)看,多數(shù)采用單回路控制器或簡(jiǎn)單的 PID算法,然而供熱系統(tǒng)是非線性、時(shí)變性、大時(shí)滯、不確定性的系統(tǒng),采用傳統(tǒng)控制算法無(wú)法滿足安全、平穩(wěn)、優(yōu)質(zhì)、高效等方面的控制要求。對(duì)換熱機(jī)組實(shí)時(shí)監(jiān)控,優(yōu)化配置,實(shí)現(xiàn)智能化控制是今后的發(fā)展方向[2]。

1 控制方法分析

供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷不是恒定不變的,它隨室外大氣溫度的變化而變化[34]。為保證供熱質(zhì)量,使熱能制備和輸送經(jīng)濟(jì)合理,就要對(duì)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié),以滿足用戶要求。調(diào)節(jié)的目的,是使供熱的散熱設(shè)備的放熱量與用戶熱負(fù)荷的變化規(guī)律相適應(yīng),保證熱負(fù)荷溫度保持在一定范圍內(nèi)。系統(tǒng)投入使用后,供熱系統(tǒng)運(yùn)行的能耗完全取決于系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的狀態(tài),因此,在保證用戶正常使用的前提下,需對(duì)供熱系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)節(jié),盡量降低系統(tǒng)的能耗。

目前在換熱站供回水溫度控制中,大部分采用的還是傳統(tǒng)的PID控制。雖然PID控制的算法簡(jiǎn)單,參數(shù)調(diào)整方便,但也有其局限性和不足之處, PID算法只能基于一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型才能獲得理想的控制效果,而且 PID控制器參數(shù)設(shè)定好用于控制時(shí)將不能再改變。當(dāng)一個(gè)調(diào)整好參數(shù)的PID控制器被應(yīng)用到模型參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)的性能勢(shì)必會(huì)變差,甚至不穩(wěn)定[56],供熱系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng),并且有很強(qiáng)的時(shí)滯性和非線性,采用傳統(tǒng)控制方法無(wú)法達(dá)到滿意的效果。

鑒于此,該文在保證系統(tǒng)的控制精度下,設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng) PID控制器,將模糊控制和 PID控制結(jié)合起來(lái),使其兼?zhèn)淠：刂频撵`活、強(qiáng)適應(yīng)性與PID控制的高精度特性和平滑性。

2 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)

模糊控制系統(tǒng)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ),其核心是具有智能性的模糊控制器,組成如圖1所示[7-8]。

圖1 模糊控制器組成

模糊控制的核心部分包含語(yǔ)言規(guī)則的規(guī)則庫(kù)和模糊推理。模糊推理是一種模糊變換,它將輸入變量模糊集變換為輸出變量的模糊集,實(shí)現(xiàn)論域的轉(zhuǎn)換。該文中采用二維模糊控制器,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 二維模糊控制器

3 模糊控制器設(shè)計(jì)及仿真分析

該文采用文獻(xiàn)[9]中的經(jīng)過系統(tǒng)辨識(shí)得出的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)來(lái)進(jìn)一步研究控制算法:

設(shè)計(jì)自整定PID參數(shù)的模糊控制器,控制原理如圖3所示。

圖3 模糊自整定PID控制器結(jié)構(gòu)

3.1 輸入輸出變量的選取和模糊化

輸入變量的選取同前面軌跡模糊控制器,e和ec的論域取為[-6,+6],取 e和ec的語(yǔ)言集為{NB,N M,N S,ZE,PS,PM,PB}。模糊控制的輸出變量為 KP,KI,KD,論域也為[-6,+6],其語(yǔ)言變量的集為{NB,N M,N S,ZE,PS,PM,PB},其含義同上。它們又作為PID控制器參數(shù)自整定的輸入。相應(yīng)的輸入輸出變量隸屬度函數(shù)如圖4,5所示。

圖4 參數(shù)自整定模糊控制器偏差矢量隸屬度函數(shù)

圖5 參數(shù)自整定模糊控制器輸出變量 KP隸屬度函數(shù)

3.2 控制規(guī)則表的建立

根據(jù)不同的 e和ec,系統(tǒng)對(duì)參數(shù) KP,KI,KD的自整定要求可歸結(jié)如表1～3所列。

表1 KP的模糊控制規(guī)則表

表2 KI的模糊控制規(guī)則表

續(xù) 表 2

表3 KD的模糊控制規(guī)則表

a)當(dāng)|e|較大時(shí),不論其變化趨勢(shì)如何,都應(yīng)考慮控制器的輸出按最大(或最小)輸出,以達(dá)到迅速調(diào)整的目的。應(yīng)取較大 KP,較小 KI,KD為零。

b)當(dāng)e和ec同號(hào)時(shí),說明溫度變化使得偏差增大。若偏差較大,可考慮由控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用,此時(shí)取較大的 KP,較小的 KI,KD不能太大。

c)當(dāng)e和ec異號(hào)或者e=0時(shí),說明偏差絕對(duì)值朝減小的方向變化,或者已達(dá)到平衡狀態(tài),此時(shí),可采取保持控制器輸出不變。

d)e和ec乘積為0且e≠0時(shí),表明系統(tǒng)的曲線與理論曲線平行或一致。為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能,應(yīng)采取較大的 KP和 KI值。

3.3 仿真結(jié)果分析

該文采用MA TLAB/Simulink[10]仿真軟件組建模糊參數(shù)自整定PID控制系統(tǒng)的仿真模型如圖6所示。

系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖7所示,可以看出其響應(yīng)曲線平滑,響應(yīng)速度快,穩(wěn)態(tài)誤差小,控制效果較為理想。

圖6 換熱系統(tǒng)模糊自整定PID控制系統(tǒng)仿真模型

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)供熱系統(tǒng)的自動(dòng)控制必須根據(jù)計(jì)量供熱的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),該文使用模糊控制理論和 PID控制器相結(jié)合來(lái)改造原有的控制方式,應(yīng)用MATLAB對(duì)系統(tǒng)控制模型進(jìn)行仿真研究。對(duì)于供熱系統(tǒng)這樣非線性、參數(shù)不穩(wěn)定、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象,仿真結(jié)果表明,新的控制器比原有控制器具有更好的控制效果,而且系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力均有所提高,達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

圖7 模糊自整定PID控制系統(tǒng)仿真階躍相應(yīng)曲線

[1] 董強(qiáng)林,胥 丹,桑桂才.智能型板式換熱機(jī)組的性能特點(diǎn)及應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備,2005,(1):50-52.

[2] 蔡建林,馮小菲.智能化換熱機(jī)組在城市集中供熱中的應(yīng)用[J].應(yīng)用能源技術(shù),2004,(1):27-28.

[3] 楊可耕,趙鳳香.加強(qiáng)供暖運(yùn)行調(diào)節(jié)管理節(jié)約能源[J].區(qū)域供熱,2007,(3):24-27.

[4] 馬國(guó)鋒.低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)[J].中國(guó)科技信息,2005,(8):112120.

[5] 劉金餛.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版,2003:115-118.

[6] RODRIGO M,SECO A,FERRER J,et al.Nonlinear Control of an Activated Sludge Aeration Process:Use of Fuzzy Techniques forTuning PID Controllers[J].ISA Trans,1999,38:231-241.

[7] 諸 靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2001:209-211.

[8] 魏權(quán)利.智能模糊控制系統(tǒng)理論和設(shè)計(jì)方法[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,23(3):254-259.

[9] 李紹勇.熱力站換熱機(jī)組供水溫度自校正預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2003:5-12.

[10] 薛定宇,陳陽(yáng)泉.基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002:193-224.

Research of a Fuzzy Control Method of Heating System in Oilfield

Guan Wei
(The Fourth Plant of Zhongyuan Oilfield,Puyang,457100,China)

With the appearance ofnew heattransferequipments and the awareness ofenergy conservation,a variety of high efficient heat exchanger have been appeared in oilfield.However existing heat exchanger units almost follow the traditional PID control,due to the delay behavior because the thermal inertia,it is difficult to resolve slow control response and low control accuracy,also resulted in a tremendous waste of energy.The fuzzy algorithm has been used in the control strategy,the fuzzy parameter self-tuning PID control method was used to carry out simulated tests,the simulation results show that the fuzzy parameter self-tuning PID control method with the respective merits of fuzzy algorithm and PID control can achieve a better control effect.

heating;fuzzy control;energy saving;PID

TP273+.4

A

10077324(2011)01-0051-03

2010-11-24(修改稿)。

官 偉(1973—),男,主要從事井下作業(yè)技術(shù),油氣田地面工程自動(dòng)化等方面的研究。