互補供熱系統(tǒng)中控制器的改進與分析

摘?要：隨著科技的進步，將更加先進的科學(xué)技術(shù)運用到供熱系統(tǒng)中，對提高其熱量利用效率、節(jié)能減排等都有重要的現(xiàn)實意義，其中供熱系統(tǒng)控制器的不斷改進在提高熱量利用效率方面更是起著重要作用。本文針對互補供熱系統(tǒng)傳統(tǒng)控制器時變性、非線性、大滯后、強耦合的運行特點，對控制器進行了改進。提高了其在抗干擾性方面，階躍響應(yīng)性能指標方面，解耦性方面的性能，進而提高了互補供熱系統(tǒng)的熱利用效率。

關(guān)鍵詞：互補供熱;熱效率;改進控制器;改進PSO算法

1 緒論

在未來多樣化的能源結(jié)構(gòu)中，互補供熱技術(shù)的應(yīng)運將愈發(fā)普遍，但同時其控制系統(tǒng)的也有復(fù)雜、繁瑣這樣的弊端，讓互其熱利用效率大打折扣。傳統(tǒng)PID控制器的缺陷有如下兩方面，首先為不合理的動態(tài)參數(shù)整定，進而使得控制效果不理想，其熱利用效率不高;其次為使用的局限性，對有非線性、高耦合度、時變性特點的不確定模型結(jié)構(gòu)控制效果較差。而若要傳統(tǒng)PID控制器在互補供熱系統(tǒng)的控制更加精準，則需對其控制算法進行改進，而不是僅對一些參數(shù)進行整定。

2 互補供熱系統(tǒng)的調(diào)控模式

本文是針對互補供熱系統(tǒng)的智能控制器進行改進，其智能控制系統(tǒng)可分為四大部分，分別是改進PSO-PID優(yōu)化控制系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)[1]。本文所改進的智能控制器的功能為：調(diào)節(jié)互補供熱系統(tǒng)中熱網(wǎng)的供水溫度。其工作原理如下圖所示。

3 標準PSO算法的基本思想和不足

3.1 標準PSO算法的基本思想

PSO算法的基本思想為假定優(yōu)化的每一種情況均為一個在n維空間勻速飛行的微粒[2]。其對微粒的優(yōu)劣判斷的依據(jù)是適應(yīng)度函數(shù)的不同。其中每個微粒飛行速度調(diào)節(jié)的重要依據(jù)是包括自己在內(nèi)的所有微粒的飛行經(jīng)驗。當(dāng)微粒飛向其最佳位置時，那么所得方案即為其所需的最優(yōu)解決方案。

3.2 標準PSO算法的不足

盡管標準PSO算法為全局隨機搜索法，但其仍有收斂速度慢與早熟收斂兩項缺點[3]。而收斂速度慢會發(fā)生的情況是當(dāng)后期粒子掉入到局部極小點的同時由于收斂速度較慢而無法逃出。早熟收斂則可能會讓粒子群搜索全局最佳位置的難度加大。

4 PSO算法的改進原理

針對上述標準PSO算法的不足，本文從兩個方向入手進線對算法進行改進。首先慣性權(quán)系數(shù)w值需控制在[0.8～1.2]范圍內(nèi)，在算法進行迭代過程中w值若線性減小，那么算法的性能與收斂速度均會有所提升。其次可通過導(dǎo)入變異例子來改善算法，以解決粒子群不能從局部最優(yōu)位置中擺脫的問題。在導(dǎo)入變異粒子后，粒子群的搜尋能力會更強更多樣。由于變異粒子可從局部最優(yōu)位置內(nèi)擺脫出來，進入新的領(lǐng)域繼續(xù)搜尋，因此這種算法有了更高的概率搜尋到全局最佳位置。進而將標準算法中進化停滯、陷入局部最優(yōu)位置無法擺脫這兩個問題解決了。

5 改進控制器在互補供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

5.1 抗干擾性分析

改進互補供熱系統(tǒng)的控制器后。首先將擾動疊加到燃氣熱泵側(cè)時，熱網(wǎng)側(cè)雖有較短的小波動但仍可迅速回到穩(wěn)態(tài)。而當(dāng)把擾動疊加到熱網(wǎng)側(cè)時，燃氣熱泵側(cè)雖也有較短的小波動但也可迅速回到穩(wěn)態(tài)。

5.2 階躍響應(yīng)性能指標分析

互補供熱系統(tǒng)的四種控制方式下，系統(tǒng)反應(yīng)速度均有明顯提升，但也發(fā)生了1%～3%的超調(diào)。由于互補供熱系統(tǒng)對控制條件的要求并不苛刻，因此上述相對較小的超調(diào)值是完全可以被接受的。

5.3 解耦性分析

采用傳統(tǒng)控制器的互補供熱系統(tǒng)在運行中會產(chǎn)生強耦合性的問題。而當(dāng)互補供熱系統(tǒng)各熱源間發(fā)生的水力耦合現(xiàn)象較嚴重時，整個供熱系統(tǒng)都會產(chǎn)生振蕩甚至發(fā)散。而在將改進后的控制器應(yīng)用到互補供熱系統(tǒng)中進行模擬后，得出的結(jié)果是無論在燃氣熱泵側(cè)還是熱網(wǎng)側(cè)輸入設(shè)定值r后，輸出值y均未受影響。因此在應(yīng)對系統(tǒng)運行中水力耦合現(xiàn)象的過程中改進控制器發(fā)揮了重要作用。

6 結(jié)論

針對互補供熱系統(tǒng)大滯后、非線性、時變性、強耦合的特點。本文改進了其控制器的算法，進而對互補供熱系統(tǒng)的熱利用效率的提高發(fā)揮了重要作用。而改進后的控制器可在以下三個方面對互補供熱系統(tǒng)進行提升。

（1）提高了互補供熱系統(tǒng)的抗干擾性。各熱源從短暫的小波動到回到穩(wěn)定狀態(tài)的速度較快，表現(xiàn)出了收斂速度較快、魯棒性和自適應(yīng)性較強的特點。

（2）階躍控制產(chǎn)生的超調(diào)量的值在可接受范圍內(nèi)且數(shù)值較小，同時可明顯減少了上升時間與調(diào)節(jié)時間，且明顯提升了響應(yīng)速度。

（3）面對互補供熱系統(tǒng)的水力耦合現(xiàn)象，改進控制器的應(yīng)對更加得當(dāng)，進而避免了振蕩甚至發(fā)散情況的出現(xiàn)。

參考文獻：

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[2]Khodier M M，Christodoulou C G.Linear array geometry synthesis with minimum sidelobe level and null control using particle swarm optimization[J].Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，2005，53（8）：2674-2679.

[3]劉建華.粒子群算法的基本理論及其改進研究[D].中南大學(xué)，2009.

作者簡介：薛翔遠（1989-），男，遼寧沈陽人，碩士，研究方向：建筑環(huán)境與設(shè)備工程。