換熱站溫度雙?？刂葡到y(tǒng)研究及仿真

張瀚文,盛茹吉,曹玉波

(1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林 132022;2.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司 海灣地區(qū)公司,北京 100010)

換熱站是集中供熱系統(tǒng)中連接熱源與用戶的橋梁,其主要通過換熱器實(shí)現(xiàn)一二次網(wǎng)的熱力交換。除換熱器溫度對(duì)象具有大慣性、滯后性的特點(diǎn)以外,溫度控制過程本身也易受氣象條件、回水溫度、回水流量等諸多因素干擾,是一個(gè)典型的非線性控制系統(tǒng),常規(guī)PID控制往往難以保證理想的控制效果。模糊控制對(duì)于時(shí)變的、不確定的、非線性的模糊變量控制具有明顯優(yōu)勢(shì)[1],而傳統(tǒng)意義上的模糊控制系統(tǒng)由于不引入積分機(jī)制,忽略了很多控制因素,使得模糊控制難以達(dá)到理想控制精度[2,3]。因此,考慮在二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值的動(dòng)態(tài)跟蹤方法上引入PID控制和模糊控制結(jié)合的控制策略,發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn),在克服大慣性、滯后性、耦合性、參數(shù)時(shí)變等特性的同時(shí),提高系統(tǒng)的控制精度和魯棒性。

1 換熱站供水溫度常規(guī)控制方案

1.1 換熱站溫度控制工藝簡(jiǎn)述

換熱站是熱源與用戶進(jìn)行熱量交換的樞紐,熱流體通過循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)在管網(wǎng)中循環(huán)換熱,而熱量交換過程主要依靠換熱器處理,換熱站工藝簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 換熱站工藝簡(jiǎn)圖

連接熱源與換熱站的管網(wǎng)稱為供熱一次側(cè),連接換熱站與用戶的管網(wǎng)稱為二次側(cè)。一次側(cè)熱水以較高的溫度進(jìn)入換熱器,與二次側(cè)回水進(jìn)行熱量交換后返回?zé)嵩础Q熱站利用換熱器獲得熱量后,將熱水供給到用戶處散熱,再經(jīng)由管網(wǎng)回路返回?fù)Q熱器,重復(fù)進(jìn)行熱量交換。

為實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)的自動(dòng)調(diào)節(jié),通常通過改變一次側(cè)供水流量改變換熱量,間接調(diào)整換熱器出口溫度,使供熱量與熱負(fù)荷相適應(yīng)。由于天氣變化的時(shí)變性,需頻繁調(diào)整供熱溫度設(shè)定值以滿足所需熱量。同時(shí)循環(huán)水量的隨機(jī)性也會(huì)在換熱器內(nèi)部造成一定的溫度干擾。

1.2 單回路控制方案

換熱器出口溫度大多采用單回路PID控制系統(tǒng),如圖2所示。

PID控制器根據(jù)過程值與設(shè)定值的偏差輸出相應(yīng)的控制量,調(diào)整一次側(cè)閥門開度,進(jìn)而調(diào)節(jié)熱水流量,使換熱器出口溫度維持在設(shè)定值。

由于從一次側(cè)閥門開度變化到換熱器出口溫度變化,中間要相繼經(jīng)過熱流體流量變化、換熱器熱交換速率變化、出口溫度變化等一系列過程,因此整個(gè)控制通道容量滯后較大、時(shí)間常數(shù)較大,所以易出現(xiàn)控制不及時(shí)、過渡時(shí)間長(zhǎng)、抗干擾能力較差等問題。且供熱控制過程存在一定的參數(shù)時(shí)變性,傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)不擅長(zhǎng)處理這種非線性特征,控制效果相對(duì)一般[4]。

2 雙模控制方案研究與設(shè)計(jì)

2.1 FUZZY-PID雙?？刂撇呗?/h3>

FUZZY-PID雙?？刂茷橐环N并聯(lián)控制方案,模糊控制與PID控制獨(dú)立作用,所以能夠結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn),但直接線性疊加兩個(gè)控制器的輸出會(huì)產(chǎn)生過度控制,降低復(fù)合控制器的精度,所以通過設(shè)置閾值使兩控制器工作在不同的系統(tǒng)運(yùn)行階段,換熱器出口溫度FUZZY-PID并聯(lián)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 FUZZY-PID雙?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙模控制器根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)置切換條件,通過閾值切換器K來(lái)選擇合適的控制器。模糊控制在非線性、時(shí)變性系統(tǒng)中更具優(yōu)勢(shì),所以使模糊控制工作在系統(tǒng)暫態(tài);當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí),PID參與控制以獲得更高的穩(wěn)態(tài)精度[5]。

由于模糊控制器和PID控制器控制機(jī)理不同,某一時(shí)刻控制量必然存在差距[6],利用無(wú)擾切換算法,在切換瞬間通過Δu抬高或降低控制器輸出,使系統(tǒng)平滑切換,避免出現(xiàn)系統(tǒng)控制力下降、調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)等問題。

2.2 雙?？刂破髟O(shè)計(jì)

雙?？刂破髦饕≒ID控制器、模糊控制器、閾值切換器、無(wú)擾切換器四個(gè)部分。其中,PID控制器采用一般的比例-積分-微分線性疊加算法即可,即以誤差作為算法輸入,經(jīng)比例、積分、微分運(yùn)算后得到對(duì)應(yīng)控制量,離散化PID表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

根據(jù)模糊控制器設(shè)計(jì)的一般方法與換熱器控制原理[7,8],設(shè)計(jì)以溫度偏差e和偏差變化率ec為輸入變量,換熱器一次側(cè)閥門開度u為輸出變量的二維模糊控制器。

首先,為方便控制器的設(shè)計(jì)與修改,先將實(shí)際輸入量化到離散論域,再對(duì)其進(jìn)行模糊化處理,并利用靈敏度較高的三角形隸屬度函數(shù)將離散論域劃分到模糊子集,以充分發(fā)揮模糊控制的快速性[9],e、ec和u隸屬度劃分如圖4所示。

(a) e,ec

其次,以系統(tǒng)穩(wěn)定性為首要原則,當(dāng)誤差大或較大時(shí),調(diào)整控制量盡快消除誤差;當(dāng)誤差小或較小時(shí),優(yōu)先考慮減小超調(diào)。將上述控制經(jīng)驗(yàn)整理成模糊規(guī)則表,如表1所示,利用Mamdani模糊推理算法與二維條件語(yǔ)句推理出適當(dāng)?shù)哪：评斫Y(jié)論。最后通過加權(quán)平均法對(duì)模糊集合做逆模糊化處理,得到最終控制量,輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

表1 模糊控制規(guī)則表

閾值切換器K直接決定當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)下的控制模式,其設(shè)計(jì)質(zhì)量必然直接影響最終控制效果。在系統(tǒng)調(diào)節(jié)初期或者換熱器出口溫度設(shè)定值發(fā)生大幅改變時(shí),即誤差較大時(shí),為使系統(tǒng)擁有更快的響應(yīng)速度來(lái)縮短調(diào)節(jié)時(shí)間,此時(shí)實(shí)際控制量u為模糊控制器輸出uFUZZY。當(dāng)誤差較小時(shí),為使系統(tǒng)獲得更高的控制精度,選擇PID進(jìn)行控制,即u=uPID。當(dāng)設(shè)計(jì)切換閾值為±0.1時(shí),閾值切換器切換規(guī)則如式(2)所示。

(2)

同時(shí),考慮到由于氣溫的隨機(jī)性與時(shí)變性,換熱器出口溫度設(shè)定值難免需要隨之大幅調(diào)整,當(dāng)設(shè)定值瞬間大幅度提高引起模糊控制出現(xiàn)余差,而余差恰好落于小誤差區(qū)以外時(shí),單一閾值切換條件便失效。

當(dāng)出現(xiàn)由模糊控制器引起的余差時(shí),模糊控制器此時(shí)輸出固定,系統(tǒng)響應(yīng)有一個(gè)明顯特征:雖存在誤差,但誤差變化率幾乎為零。因此在誤差作為切換標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,增加誤差變化率作為判斷是否存在控制余差的依據(jù)。

此時(shí),當(dāng)系統(tǒng)e較大,且ec較大時(shí),使用模糊控制使系統(tǒng)盡快收斂,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定或趨于穩(wěn)定,此時(shí)e和ec都較小,控制器切換至PID,以提高系統(tǒng)精度。當(dāng)設(shè)定值出現(xiàn)大幅改變時(shí),此時(shí)e較大,模糊控制首先參與,當(dāng)模糊控制出現(xiàn)余差且余差落在小誤差區(qū)以外時(shí),此時(shí)ec極小,或趨于零,滿足切換條件,切換器將控制權(quán)交給PID以消除余差。切換規(guī)則如式(3)所示。

if|e|≥eL&|ec|≥ecL,thenu=uFUZZY,

elseu=uPID。

(3)

由于雙?？刂破鞯目刂茩C(jī)理,同一時(shí)刻只有一個(gè)有效的控制器輸出,所以在實(shí)際控制器輸出時(shí),閑置控制器利用跟蹤算法來(lái)追蹤雙?？刂破骺刂屏?以避免切換瞬間兩控制器輸出存在較大落差。

當(dāng)控制器處于跟蹤狀態(tài)時(shí)實(shí)時(shí)求解其積分初值,當(dāng)控制器由跟蹤狀態(tài)切換為工作狀態(tài)時(shí),其積分初值保持為切換前一時(shí)刻的積分初值不變,當(dāng)再一次切換為跟蹤狀態(tài)時(shí)重復(fù)上述動(dòng)作。當(dāng)控制器切換時(shí),處于工作狀態(tài)的控制器輸出與處于跟蹤狀態(tài)的控制器輸出已經(jīng)相等,從而避免切換的瞬間控制量躍變。

而所謂積分初值即為切換時(shí)刻閑置控制器與雙模控制器的輸出差值。假設(shè)t

u(t)=u1(t)=uFUZZY(t),

(4)

u2(t)=uPID(t)+[u(t-)-uPID(t-)],

(5)

切換完成后,即t>t0時(shí),此后實(shí)際控制器為PID控制器,系統(tǒng)實(shí)際輸出為

(6)

此后跟蹤控制器為模糊控制器,模糊控制器實(shí)際輸出為

u1(t)=uFUZZY(t)+[u(t-)-uFUZZY(t-)],

(7)

3 換熱站溫度控制系統(tǒng)仿真

以一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來(lái)等效換熱器溫度對(duì)象,傳遞函數(shù)如式(8)所示[10]。

(8)

以供熱系統(tǒng)中換熱器實(shí)際工作狀態(tài)為背景,考慮到室外溫度的變化必然引起換熱器出口溫度設(shè)定值的大幅變化[11],以及換熱器內(nèi)部溫度的干擾,系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初調(diào)階段、設(shè)定值大幅調(diào)整、溫度干擾三個(gè)方面。

通過Ziegler-Nichols法結(jié)合控制經(jīng)驗(yàn)整定單回路PID參數(shù),參數(shù)取值分別為KP=1.4,KI=0.18,KD=2。雙?？刂浦惺紫日：刂浦量焖偈諗?依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)調(diào)整切換閾值與PID參數(shù)。雙?？刂破鲄?shù)如式(9)所示。

(9)

兩種控制算法下系統(tǒng)仿真曲線如圖5所示。相比于傳統(tǒng)單回路PID控制,改進(jìn)雙?？刂瓶焖傩月詢?yōu),超調(diào)量較小,調(diào)節(jié)時(shí)間較短。將設(shè)定值分別提高50%和降低30%來(lái)模擬室外溫度變化下的設(shè)定值改變,系統(tǒng)平穩(wěn)過渡到新的設(shè)定值,過渡過程與傳統(tǒng)PID控制相比調(diào)節(jié)時(shí)間基本相同,超調(diào)極小,幾乎無(wú)振蕩過程。

t/s

在100 s時(shí)向模型施加一個(gè)幅值為1寬度為4的信號(hào)模擬換熱器內(nèi)部水溫?cái)_動(dòng),仿真曲線如圖6所示。由于干擾幅值較大,首先由模糊控制將誤差抑制回小誤差區(qū),然后PID進(jìn)行精細(xì)化調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)過程如圖6所示。與傳統(tǒng)PID控制相比,振蕩過程略短,干擾抑制能力更強(qiáng)。

t/s

4 結(jié) 論

針對(duì)供熱系統(tǒng)中換熱器溫度對(duì)象的非線性、純滯后、大慣性問題,提出一種FUZZY-PID雙?？刂撇呗?并與傳統(tǒng)單回路PID控制進(jìn)行仿真對(duì)比。仿真結(jié)果顯示,FUZZY-PID雙?？刂屏己玫乩^承了模糊控制的適應(yīng)性與快速性以及PID控制的精確性,可有效避免模糊控制的余差問題與雙?？刂频目刂屏寇S變問題。對(duì)比單回路PID控制,FUZZY-PID雙模控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間更短、超調(diào)量更小,抗干擾能力更強(qiáng),對(duì)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用具有重要參考價(jià)值。