吴宏艳

河北省保定市大唐保定供热有限责任公司，河北保定 071000

0 引言

在我国能耗中城镇采暖能耗所占比例很大，节能降耗具有较大的操作空间。这要求我们对集中供热系统进行深入研究，以提高集中供热系统的运行质量，不断增强供热系统的自动化水平，提高运行的准确性、鲁棒性、节能性等。

1 集中供热系统

1.1 城市集中供热系统的现状

改革开放以来，我国集中供暖事业获得了显著的进步。但总体来说，我国集中供暖在设备、技术等方面还比较落后。首先是热源的问题，随着新能源利用技术的不断进步，以煤炭为燃料的传统的集中供热方式受到了挑战。而且区域供热锅炉往往效率低、容量小、技术落后，以数量多面积大的中、小燃煤锅炉为主，而且由于脱硫技术还比较落后，导致的环境污染较大。第二是热力网方面，热力站设备老旧，技术落后。第三，在热用户方面，热用户应用技术还比较落后，我国民用住宅多采用单管垂直串联系统，这种系统容易导致系统内垂直失调的问题。而且管道设备材质也比较落后，例如散热器很老旧，主要是铸铁材料，采暖管道还在使用普通碳素钢管，室内系统中也缺少调节设备，往往仅有一些陈旧的关断阀门。

1.2 城市供热的发展趋势

首先在热源方面，大型电机组越来越常见，所占比例逐渐增多，而且正在建设10 万MW 的较大型供热机组。区域锅炉房的锅炉也正在转型升级，其容量愈来愈大型化。另外，随着能源技术的进步，清洁能源的使用正在稳步增加。第二，在热力网方面，各种新技术被不断地开发出来，例如大型热力网环状管网的技术、多热源联供系统热力网输送技术等。第三，在热用户方面，实行分户控制和计量，实施分户收费已经成为发展趋势，这种管理方式有助于节约降耗。

2 PID 控制技术概况

2.1 PID 控制技术的发展概况

PID 控制技术大约产生和发展于20 世纪前期和中期，该控制方法具有结构简单、操作方便、对模型误差具有鲁棒性等特点。在我国PID 控制器被广泛用于轻工、电力等领域。PID调节器可以有效解决工业生产中精确建模的难题。PID 调节器本身也处于不断发展改进之中，目前正在走向微型化、智能化。

2.2 模糊PID 控制器介绍

从常规PID 控制器方面来说，它运行稳定性比较好，而且操作方便、鲁棒性好、原理简单，但是也存在不少局限性，这种控制系统难以控制强非线性等。另一方面，模糊控制器虽然能够简单而有效地控制复杂、建模难度大的过程，但是它又不具有积分环节，因此存在误差，如果变量分级少的话，还会在平衡点附近产生震荡。所以，如果把两种控制策略结合起来，发挥各自的优势，就可以起到很好的控制效果，在这种思路下就产生了模糊PID 控制器。模糊PID 控制器可以避免系统余差和极限环振荡［1］。

3 模糊PID 在热水交换站温度控制系统中的设计与仿真

本研究结合模糊控制和PID 算法优点，设计了模糊自适应PID 控制器，然后根据热水交换站温度控制的特点建立仿真模型。仿真实验结果表明，该控制器提高了系统性能，温度调节效果有了比较明显的改善。

3.1 热水交换站温度控制系统的组成

热水交换站是集中供热系统的最为核心的环节，因此热水交换站运行的状况直接影响着整个供热系统的供热水平。集中供热系统主要是由热源、变频泵、热用户、气候补偿器、压力控制点、以及换热器构成，其中换热器处于中心环节，将热源与热用户联接起来构成一个整体。对于计量供热系统来说，二次网的水温并不随着热用户流量调节而发生变化，它只与室外温度相关，因此，二次网水温是由一次网调节阀来控制的，所以在计量供热系统中一次网变其实已经变成了一个变流量系统。

3.1.1 被控参数

在供热系统中，每一个房间的情况不同，因此，就会导致其回水温度存在差异，因此回水温度是一个变化幅度较大的值，难以确定被控参数。相对来说，供水温度是比较稳定的，而且为所有用户所共享，因此供水温度比较容易确定被控参数。由于二次网供水温度与用户调节无关，而与室外温度相关，由此可以构建二次网水温与室外温度的数量关系。在关系式中需要考虑管网所在地的相关气象参数、二次网供水温度、室外温度、用户散热器设计平均温差、用户设计供回水温度差以及设计室温下的相对热负荷。

3.1.2 控制参数

在实施供热计量后，变流量间接供热系统二次网供水温度调节是靠一次网侧供水管上的电动调节阀改变流量来实现的，即根据天气温度波动情况，对一次网电动调节阀的开度进行调节从而实现对二次网水温的控制。因此，电动控制阀的开度就是控制参数。当然，由于供热系统热惰性较大，存在滞后性，因此适合采用采样调节从而获得稳定性。

3.1.3 测温元件

在本研究中采用DS18B20 温度传感器来采集二次网供水温度以及室外温度，该传感器具有高性能、灵敏度高、抗干扰、低能耗和微型化等优点，比较适合用于构成多点温度测控系统。

3.1.4 控制系统设计

模糊控制系统硬件结构主要由储存模块、串行输出、键盘电路、LCD 显示器、处理器、DS18B20 温度传感器、电动调节阀、D/A 转换器、参数超限报警器构成。软件控制算法简单，实际操作中只需要进行简单的查表运算即可[2]。

3.2 模糊自适应PID 控制器

3.2.1 模糊自适应PID 控制器结构

模糊自适应PID 控制系统克服了传统PID 控制器精确性不足的问题，同时还可以有效克服热水交换站温度控制系统滞后性等常见的难题。在该系统中，通过模糊PID 控制器结合传感器温度信号，调节电动控制阀开度，然后经过换热器对二次网水温进行调节。在传统算法的基础上，其算法的输入参数是误差和误差变化率，推理规则是模糊规则，因此所进行的推理是模糊推理，另外，还需要根据模糊矩阵表，对照查询结果对参数进行必要修改，最终构成模糊自适应PID 控制器。

3.2.2 隶属度函数的构建

输入量误差和误差变化率的语言变量为E、EC，输出量语言变量为KP、KI、KD，定义这些语言变量的模糊子集等于{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，论域从-3～3，模糊控制器的输出通过比例因子进行转换，输入通过量化因子进行转换。另外，为了降低误差，提高系统的鲁棒性，采用高斯隶属函数。

3.3 模糊自适应PID 控制器仿真

3.3.1 仿真模型的建立

在仿真模型中，将二次网供水温度作为被控制参数，设计出模糊自适应PID 温度控制系统。然后通过系统辨识的方法获得换热器传递函数，使用低阶近似的方法应对动态性。换热器传递函数为：G2(S)=exp(-80s)/(60s+1)。零阶保持器传递函数为：Gs(s)=[1-exp(-Ts)]/s，其中T 为采样周期。调节阀函数为：G1(s)=0.3/s。测量变送单元函数为：G3(s)=1[3]。

3.3.2 模糊自适应PID 控制器MATLAB 实现

利用MATLAB中的SIMULINK控制工具箱和模糊控制工具箱，在FIS 编辑器内建立的仿真模型，选择合适的比例因子和量化因子，对系统进行仿真研究。运行仿真程序获得比例微积分调节量观察曲面图（如图1）。

图1 比例微积分调节曲面

考虑到在实际的热水转换站温度控制系统中，存在诸多干扰，因此，在0.3 秒时给予系统一个扰动信号，常规PID 控制器和模糊自适应PID 控制器输出的阶跃响应曲线分别如图2、图3 所示。

图2 常规PID 控制器的输出曲线

图3 模糊自适应PID 控制器的输出曲线

通过对比图2、图3，我们可以发现，在施加干扰后，虽然最后常规的PID 控制器和模糊自适应PID 控制器都能稳定在设定值，但是常规的PID 控制器出现了较大幅度的超调和振荡，而模糊自适应PID 控制器在施加干扰后，并没有出现大幅度波动，波动的范围小，能够比较平稳地实现过渡，表现出了很好的抗干扰能力和自适应能力。

4 结论

改革开放以来，我国集中供热产业在经济高速发展的强劲推动之下获得了显著的进步。但是，从总体上说，我国集中供暖在设备、技术等方面还比较落后。在供热系统中热水交换站温度控制体统是中枢环节。本文介绍了我国城市供热系统的现状和发展趋势，并重点研究了供热系统中热水交换站温度控制系统，通过建立仿真模型，对比分析了传统PID 控制其与模糊自适应PID 控制器的功能，研究结果表明模糊自适应PID 控制器优于常规PID 控制器。

[1]单春贤，陈万家，彭杰.模糊PID在换热站温度控制系统中的设计与仿真[J].仪表技术与传感器，2011(9):79-83.

[2]XUBP，FUL，DIHF.Dynamic simulation of space heating systems with radiators controlled by TRVs in buildings[J].Energy and Buildings，2008，40(9):1755-1764.

[3]许青松，高经伍，刘冰.模糊自适应PID控制器在集中供热系统中的应用[J].微型机与应用，2011，30(17):76-79.