自適應(yīng)PID控制在冷熱站房節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳瑋吉

(海南中電工程設(shè)計(jì)有限公司， 海南 ?？?570208)

隨著站房建設(shè)數(shù)量的增加， 對(duì)站房能源供應(yīng)也愈發(fā)緊張， 每年站房能源占據(jù)能源供應(yīng)總量的絕大部分. 由于站房能源消耗嚴(yán)重， 能源利用率較低， 為加強(qiáng)冷熱能源控制， 大多研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出多種控制方法， 能夠有效進(jìn)行站房節(jié)能控制.

通過(guò)參考各種研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的節(jié)能技術(shù)， 對(duì)國(guó)內(nèi)外多種控制節(jié)能方法進(jìn)行分析， 其中國(guó)外研發(fā)的AC-DC原邊驅(qū)動(dòng)芯片， 通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制節(jié)能系統(tǒng)， 主要針對(duì)低壓電器， 具有強(qiáng)控性， 供應(yīng)效果較為明顯. 但這種控制芯片對(duì)中高壓電器控制能力欠缺， 對(duì)高壓站房節(jié)能控制研究存在不足[1]； 國(guó)內(nèi)主要節(jié)能形式為， 通過(guò)光伏建筑一體化(Building Integrated Photo Voltaic, BIPV)技術(shù)對(duì)站房能源進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理， 通過(guò)模糊神經(jīng)算法實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)監(jiān)管， 進(jìn)而保證站房冷熱系統(tǒng)的能源供應(yīng). 但能源數(shù)據(jù)處理較為粗糙， 無(wú)法進(jìn)行能源精確查找[2].

綜合上述國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)方法在節(jié)能設(shè)計(jì)上存在的問(wèn)題， 本文利用PID控制對(duì)站房節(jié)能系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)， 通過(guò)嵌入自適應(yīng)PID加強(qiáng)能源控制能力； 對(duì)站房能源數(shù)據(jù)建立矢量節(jié)能模型， 保證能源利用率； 通過(guò)NCC模板匹配算法合理進(jìn)行站房能源分配， 既保證了能源合理化利用， 又加強(qiáng)了冷熱站房控制能力[3].

1 冷熱站房節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有冷熱控制架構(gòu)， 對(duì)站房能源控制區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)， 對(duì)站房能源供應(yīng)進(jìn)行把控， 通過(guò)整合站房設(shè)備需求量， 對(duì)冷熱能源進(jìn)行重新分配， 從而達(dá)到節(jié)能控制的目的， 避免不必要的能源消耗[4]. 冷熱站房節(jié)能控制設(shè)計(jì)如圖 1 所示.

圖 1 冷熱站房節(jié)能控制系統(tǒng)圖Fig.1 Energy-saving control system diagram of cold and hot station

本研究設(shè)計(jì)的節(jié)能系統(tǒng)分為指令層、 站房控制層和能源分配層3個(gè)控制層面， 3者之間通過(guò)數(shù)據(jù)通信和通信網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)傳遞[5]. 其中指令層由微機(jī)監(jiān)控負(fù)責(zé)監(jiān)視冷熱站房設(shè)備運(yùn)行狀況， 由指令分析平臺(tái)對(duì)設(shè)備發(fā)出控制命令， 由計(jì)算機(jī)生成報(bào)表記錄； 站房控制層負(fù)責(zé)接收指令， 對(duì)指令進(jìn)行核對(duì)和調(diào)配設(shè)備， 接收到的指令一部分傳輸?shù)绞噶靠刂颇Ｐ停?經(jīng)過(guò)模型控制能量供應(yīng)， 然后進(jìn)行制冷. 另一段指令被自適應(yīng)PID捕獲， 完成熱量供應(yīng)， 整個(gè)控制層在冷熱裝置附近裝有設(shè)備維護(hù)站臺(tái)； 能源分配層主要由NCC模板匹配算法進(jìn)行能量整合并分配到站房合理位置， 整個(gè)過(guò)程由儀表進(jìn)行能源數(shù)據(jù)顯示， 并且設(shè)有告警裝置[6].

2 自適應(yīng)PID冷熱控制

本文采用的自適應(yīng)PID在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)， 不僅保留了其優(yōu)勢(shì)能力， 而且通過(guò)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)控制， 使其能夠針對(duì)站房設(shè)定能源參數(shù)自動(dòng)調(diào)整參數(shù)， 整個(gè)控制過(guò)程能夠自動(dòng)適應(yīng)站房需求變化[7]. 自適應(yīng)PID冷熱控制電路如圖 2 所示.

圖 2 自適應(yīng)PID冷熱控制Fig.2 Adaptive PID cooling and heating control

PID控制器的原理分為3個(gè)環(huán)節(jié)， 通過(guò)3個(gè)環(huán)節(jié)的比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)整參數(shù)， 與控制精度成正比例關(guān)系， 其輸出PID公式表示為

(1)

式中：Kp,KI,KD分別表示自適應(yīng)整定參數(shù)；e(t) 表示PID調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)控制誤差.

自適應(yīng)PID控制同樣遵循這種關(guān)系， 根據(jù)站房給定值進(jìn)行環(huán)節(jié)比較， 若比例系數(shù)為正， 則直接進(jìn)行制熱控制， 能源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為熱量供應(yīng)給站房； 若比例系數(shù)為負(fù)， 則根據(jù)需求設(shè)置反比例環(huán)節(jié)， 從而完成參數(shù)調(diào)節(jié)， 使站房控制達(dá)到最佳能源分配狀態(tài)， 然后進(jìn)行PID控制節(jié)能環(huán)節(jié)， 通過(guò)3種不同環(huán)節(jié)的調(diào)整， 實(shí)現(xiàn)冷熱站房的自適應(yīng)調(diào)節(jié)， 能夠根據(jù)站房不同狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)參數(shù)， 最終根據(jù)站房需求量進(jìn)行能源輸出[8-9].

利用自適應(yīng)PID進(jìn)行冷熱控制能夠及時(shí)調(diào)整站房能源分配， 根據(jù)站房不同設(shè)備需求量的不同進(jìn)行合理利用能源， 起到節(jié)能作用. 另外對(duì)于站房設(shè)備故障導(dǎo)致的系統(tǒng)擾動(dòng)[10-11]， 自適應(yīng)PID也具有明顯的控制效果， 避免系統(tǒng)出現(xiàn)停車(chē)事故.

3 矢量控制節(jié)能模型

矢量控制節(jié)能模型主要為站房冷熱系統(tǒng)提供能量傳輸通道， 通過(guò)多種電力設(shè)備和冷熱設(shè)備配合， 構(gòu)建出完整的能量轉(zhuǎn)換供應(yīng)線路， 通過(guò)液壓空氣和熱能轉(zhuǎn)換提供站房能源， 經(jīng)過(guò)模型轉(zhuǎn)換為冷熱能源[12]， 從而滿(mǎn)足站房需求， 矢量控制節(jié)能模型如圖 3 所示.

圖 3 矢量控制節(jié)能模型Fig.3 Vector control energy-saving model

矢量控制冷熱模型建立主要根據(jù)傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換線路， 經(jīng)過(guò)改進(jìn)去除部分無(wú)用能源轉(zhuǎn)換通道， 保留冷熱能源轉(zhuǎn)換過(guò)程， 因此建立的能源轉(zhuǎn)換模型與傳統(tǒng)模型存在差別[13].

本研究建立的矢量控制節(jié)能模型通過(guò)冷氣和供熱提供能量， 利用換熱器和分汽缸進(jìn)行電能的輸送， 一部分電負(fù)荷用于室內(nèi)設(shè)備， 一部分為熱能和冷氣站房提供動(dòng)力； 制冷設(shè)備釋放冷氣對(duì)附近區(qū)域進(jìn)行降溫， 降溫裝置主要分為中央空調(diào)和冰凍柜. 整個(gè)制冷過(guò)程對(duì)輸入的冷氣進(jìn)行換熱器控制， 然后進(jìn)行冷干過(guò)程， 通過(guò)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)換為常溫空氣， 然后投入到余熱鍋爐中； 站房冷氣通過(guò)加入冷卻水輸送到制冷機(jī)中， 制冷機(jī)能夠?qū)崴屠鋮s之后的空氣進(jìn)行制冷， 從而輸出冷氣； 制熱設(shè)備負(fù)責(zé)模型高溫限制和電力升溫控制， 主要對(duì)系統(tǒng)熱能進(jìn)行控制， 使系統(tǒng)能夠進(jìn)行高中低 3個(gè)檔次的溫度供應(yīng)； 制熱設(shè)備通過(guò)中溫限制為用戶(hù)提供溫水供應(yīng)， 通過(guò)溫度計(jì)測(cè)試熱能溫度[14-15]. 制熱過(guò)程主要利用蓄熱式電鍋爐、 集汽缸、 分氣缸和蒸汽輪機(jī)完成. 制冷和制熱設(shè)備都由電氣提供動(dòng)力， 因此電表記錄的是整個(gè)節(jié)能模型的電負(fù)荷數(shù)據(jù).

4 NCC模板匹配算法

本文設(shè)計(jì)的冷熱站房節(jié)能控制采用NCC模板匹配算法， 通過(guò)整合能源供應(yīng)總量， 根據(jù)站房不同需求完成分配， 該算法不僅計(jì)算速度較快， 而且對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多次驗(yàn)證， 保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性， 對(duì)于整個(gè)節(jié)能系統(tǒng)具有重要作用.

NCC模板匹配算法的運(yùn)行主要利用的是對(duì)比法， 使輸入的站房需求數(shù)據(jù)與能源分配方案進(jìn)行匹配， 兩者相互吻合則選出最優(yōu)方案， 以此達(dá)到站房節(jié)能的效果[16-17]. 該算法的對(duì)比準(zhǔn)則是根據(jù)兩種數(shù)據(jù)的差別和相似性進(jìn)行匹配， 通過(guò)對(duì)比找到兩者的畸變率， 如式(2)

D(X,Y)=D(F(X),Y) whereF(X)!=X，

(2)

式中：X表示站房需求數(shù)據(jù)；Y表示能源供應(yīng)數(shù)據(jù)；F(X)表示站房需求變化函數(shù).

畸變率變換規(guī)律顯示了站房需求和能源供應(yīng)兩種數(shù)據(jù)關(guān)系， 在實(shí)際匹配中， 站房需求的改變對(duì)系統(tǒng)分配能源的方案造成影響， 使匹配過(guò)程發(fā)生錯(cuò)誤， 由此定義站房冷熱需求數(shù)據(jù)為t，w， 通過(guò)計(jì)算兩種數(shù)據(jù)的畸變率數(shù)值進(jìn)行分析， 得到NCC匹配準(zhǔn)則， 表示為

(3)

NCC匹配準(zhǔn)則實(shí)行的條件是模板中存在最優(yōu)方案， 使能源分配達(dá)到最佳節(jié)能效果， 因此對(duì)模板中分配方案進(jìn)行能源消耗計(jì)算， 即

(4)

當(dāng)站房需求發(fā)生變化時(shí)， NCC分配準(zhǔn)則能夠根據(jù)需求的變化及時(shí)調(diào)整分配策略[18]. 假設(shè)站房變化數(shù)據(jù)為

a(x,y)′=ka(x,y)+d，

(5)

式中：k表示站房需求變化系數(shù)；a(x,y)表示站房能源需求原始值；d表示站房需求變化能源增加量.

將式(5)需求變化函數(shù)代入式(4)， 得到站房需求變化后的能源消耗， 此時(shí)能源分配方案變化為

(6)

聯(lián)合式(5)式(6)， 對(duì)式(6)提取常數(shù)， 經(jīng)過(guò)變換得到

(7)

消去式(7)常數(shù)項(xiàng)， 得到的結(jié)果與式(4)進(jìn)行對(duì)比， 即得到站房需求變化后的能源分配結(jié)果.

NCC′=NCC.

(8)

變換前后原則上分配結(jié)果沒(méi)有變化， 表明即使站房需求量變化， NCC匹配算法[19]仍能夠給出最佳配對(duì)方案， 使站房始終保持最佳能源分配， 起到節(jié)能效果.

本文由于只對(duì)站房冷熱能量進(jìn)行研究， 因此對(duì)NCC匹配算法進(jìn)行優(yōu)化， 使匹配只針對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行分配， 將式(4)化簡(jiǎn)得到

(9)

對(duì)兩種功能性設(shè)備消耗能量數(shù)值劃定標(biāo)準(zhǔn)， 即

(10)

根據(jù)劃定的標(biāo)準(zhǔn)， 計(jì)算兩者消耗的關(guān)系， 根據(jù)能量流失數(shù)據(jù)得到

(11)

式中：

(12)

對(duì)式(11)進(jìn)行規(guī)律化計(jì)算， 通過(guò)NCC配準(zhǔn)算法計(jì)算規(guī)律得到兩者最終關(guān)系式為

(13)

對(duì)式(13)關(guān)系式進(jìn)行分析， 當(dāng)兩者消耗數(shù)值關(guān)系為2時(shí)， 該算法匹配的NCC為0方案； 當(dāng)兩者消耗滿(mǎn)足關(guān)系為0時(shí)， 該算法給出的為1方案， 以此類(lèi)推， 最終找到最佳方案.

對(duì)該算法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證， 通過(guò)冷熱消耗關(guān)系與站房能量供應(yīng)總量進(jìn)行對(duì)比， 即

(14)

本文采用NCC模板匹配算法對(duì)站房冷熱能量供應(yīng)及消耗進(jìn)行綜合分析， 根據(jù)消耗的關(guān)系給出相對(duì)應(yīng)的分配方案， 提高能源利用率， 以達(dá)到節(jié)能的目的.

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)冷熱站房測(cè)試網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試記錄， 對(duì)采集的冷熱消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)表判斷本方法的設(shè)計(jì)有效性. 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境需滿(mǎn)足： 制冷和制熱設(shè)備額定功率小于25%， 數(shù)據(jù)樣本采集精度高于75%， 消耗能量計(jì)算誤差小于5%， 電腦處理器采用Intel i8， PID控制器采用AI-5以上產(chǎn)品. 應(yīng)用 MATLAB[20]進(jìn)行控制數(shù)據(jù)仿真， 測(cè)試網(wǎng)點(diǎn)配置參數(shù)如表 1 所示.

表 1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)為WINDOWS 10操作系統(tǒng)， 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)冷熱站房測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行節(jié)能控制實(shí)驗(yàn)， 根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄報(bào)表， 經(jīng)過(guò)后續(xù)加工處理， 將冷熱消耗能量數(shù)據(jù)提取， 從而得到冷熱能量消耗數(shù)據(jù)如表 2 所示.

表 2 站房能量消耗測(cè)試數(shù)據(jù)

分析表 2 測(cè)試結(jié)果， 經(jīng)過(guò)計(jì)算， 對(duì)節(jié)能前后制冷數(shù)據(jù)和制熱數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比， 經(jīng)過(guò)本設(shè)計(jì)站房制冷節(jié)能20%以上， 制熱節(jié)能前后對(duì)比更是達(dá)到30%， 證明了本研究的節(jié)能效果.

為體現(xiàn)本研究控制方法的優(yōu)勢(shì)， 通過(guò)計(jì)算機(jī)MATLAB仿真軟件[21]對(duì)3種控制方式進(jìn)行對(duì)比， 如圖 4 所示.

圖 4 控制方式仿真對(duì)比Fig.4 Simulation comparison of control methods

圖 4 中對(duì)3種控制方式進(jìn)行階躍響應(yīng)對(duì)比， 根據(jù)延遲時(shí)間進(jìn)行比對(duì)， 可見(jiàn)本文采用的自適應(yīng)PID控制[22]方式的響應(yīng)最高達(dá)到1.5， 而延時(shí)時(shí)間為30 ms； 傳統(tǒng)PID控制響應(yīng)最高不到1.0， 延時(shí)時(shí)間為40 ms； PLC控制響應(yīng)最高為0.9， 延時(shí)時(shí)間為40 ms. 經(jīng)過(guò)對(duì)比本研究控制性能更好.

為證明本設(shè)計(jì)節(jié)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 對(duì)多個(gè)控制節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比， 根據(jù)穩(wěn)定性曲線的微機(jī)顯示如圖 5 所示.

圖 5 節(jié)能系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)比圖Fig.5 Comparison of energy-saving system stability

從圖 5 可以明顯看出， 模糊控制和人工控制穩(wěn)定性較差， 本研究和PLC控制方式較好， 其中， 本研究達(dá)到穩(wěn)定的恢復(fù)時(shí)間更少， 從而驗(yàn)證本研究節(jié)能系統(tǒng)最為穩(wěn)定.

綜上所述， 本文研究的站房節(jié)能控制節(jié)能效果更佳， 控制性能更好， 運(yùn)行更加穩(wěn)定， 能夠解決站房能源利用率低， 控制強(qiáng)度較差的問(wèn)題.

6 結(jié) 語(yǔ)

本文主要研究自適應(yīng)PID在冷熱站房的應(yīng)用問(wèn)題， 在傳統(tǒng)節(jié)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新， 研究出一套新型站房節(jié)能系統(tǒng). 創(chuàng)新點(diǎn)在于：

1) 通過(guò)建立的矢量控制節(jié)能模型提供能源轉(zhuǎn)換通道， 并給出最佳能源轉(zhuǎn)換方式.

2) 采用NCC模板匹配算法整合站房能源， 使站房系統(tǒng)能夠按需統(tǒng)計(jì)能源用度， 給出冷熱能源分配方案， 起到節(jié)能的目的.

3) 通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果與節(jié)能前后冷熱消耗能源進(jìn)行對(duì)比， 對(duì)本設(shè)計(jì)控制效果進(jìn)行驗(yàn)證， 通過(guò)仿真對(duì)比分析本設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì).

本設(shè)計(jì)在具體測(cè)試中仍有問(wèn)題難以解決： 站房設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致的修復(fù)時(shí)間仍沒(méi)有改善； 對(duì)站房冷熱能源之間的轉(zhuǎn)換沒(méi)有有效控制方案. 后續(xù)將針對(duì)這些問(wèn)題加以完善.