李 翔

（太原市热力集团有限责任公司万柏林供热分公司， 山西 太原 030000）

0 引言

在我国北方地区，冬季室内需要供暖，供暖方式根据所在地区和所处时间段的不同而有所区别。其中，在夜间供暖系统的负荷较大，而在白天供暖系统的负荷较小。因此，需要对热力站的供水和补水系统实现自适应控制。对于供水系统而言，需要根据室外温度实时对供水压力进行调节，在满足供水系统的同时达到节能和延长设备使用寿命的目的；对于补水系统而言，需要根据实际情况对补水量进行实时控制，以保证热力站能够充分发挥其功能[1]。本文将结合热力站供水和补水系统的大滞后、非线性以及时变性的特点对控制系统进行设计，并对效果进行仿真分析。

1 热力站供暖系统概述

目前，热力站供暖系统已经初步实现了自动化控制功能，其主要组成部分如图1 所示。

图1 热力站供暖系统组成

如图1 所示，热力站供暖系统主要包括补水泵组、二级管网、循环泵组以及热交换系统等。本文主要以其中的供水系统和补水系统为对象开展系列研究。目前，该热力站供水系统由5 台循环泵实现其功能；其中，1 号循环泵采用变频器进行控制，其余4 台循环泵由软启动与投切开关为组合进行控制。在实际应用中，供水系统的循环泵采用三用两备的原则进行工作[2]。目前，供水系统根据室外温度采用PLC 控制对其供水压力进行控制。当室外温度低于-10 ℃时，对应的二级管网的供水压力为0.75 MPa；当室外温度在-10～0 ℃之间时，对应的二级管网的供水压力设定为0.7 MPa；当室外温度在0～10 ℃之间时，对应的二级管网的供水压力为0.65 MPa；当室外温度高于10℃时，对应的二级管网的供水压力为0.6 MPa。

目前，供暖系统的补水分系统由3 台补水泵组成，并采用两用一备的原则进行工作。在一般工作中，与补水系统的恒定补水压力为0.4 MPa。3 台补水泵由同一台变频器实现变频与工频工作状态的切换。

2 供暖供水系统的优化与效果评估

目前，供暖供水系统以PLC 控制器为核心，采用传统PID 控制算法对其进行控制。但是，从本质上讲供暖供水系统属于参数时变系统，传统PID 控制算对应的控制参数设定后无法根据工作状态进行调整，导致供暖供水系统无法根据室外温度对其供水压力进行稳定、高精度控制，其对应的控制品质较差[3]。

因此，为了提高供暖供水系统的动态性能和控制精度，本项目拟采用参数自适应模糊PID 控制算法进行控制。从理论上讲，自适应模糊PID 控制算法在控制过程中可根据供水压力的误差变化对PID 参数进行调整，以保证系统的自适应能力和动态性能[4]。基于自适应模糊控制算法的供暖供水系统的控制框图如图2 所示。

图2 供暖供水系统自适应模糊PID 控制

如图2 所示，自适应模糊PID 控制算法的关键在于系统可根据其实时工作参数及比例、积分、微分三个参数的预整定值，对PID 控制器中的比例系数、微分作用系数以及积分作用系统进行整定。

对于PID 控制器控制参数可采用的整定方法有衰减曲线法、经验凑试法以及临界比例法。综合对比上述三种整定方法的作用机理和效果，本项目拟采用临界比例法对PID 控制器的控制参数进行整定。结合热力站供暖供水系统的大滞后、非线性以及时变性的特点，为供暖供水系统设定的控制参数预整定值为[5]：比例系数预整定值为1.7；微分作用系数预整定值为0.01；积分作用系数预整定值为30。

为验证自适应模糊PID 控制算法对供暖供水系统的控制效果，根据三台循环泵的工作实际，基于MATLAB 建立供暖供水系统的仿真模型，并根据PID控制算法和自适应模糊PID 控制算法对模型进行设置，并对两种算法对应的控制效果进行对比，对比结果如表1 所示。

表1 传统PID 与自适应模糊PID 控制算法控制效果对比

如表1 所示，采用自适应模糊PID 控制算法相比于传统PID 控制算法而言，超调量和调节时间两项指标得到明显改善，即系统具备更好的动态性能和更强的适应能力；两种控制算法对应的上升时间相差不大。

3 供暖补水系统的优化与效果评估

同样，供暖补水系统也属于参数时变、非线性以及存在较大回水干扰的系统；在实际控制中，补水系统需根据其负荷变化进行控制。鉴于供暖补水系统容易受到回水的干扰，导致其采用传统PID 控制算法无法对回水流量的干扰进行消除，从而影响热力站供热系统回水水压的稳定性，进而影响整个系统的换热效率[6]。

因此，为解决回水流量对补水系统造成干扰，进而影响换热效率的问题；本文拟采用前馈- 串级控制算法对供暖补水系统进行控制。前馈- 串级控制框图如图3 所示。

图3 供暖补水系统前馈- 串级控制

如图3 所示，前馈- 串级控制算法的核心为采用补水流量前馈控制器，解决回水流量干扰的问题。根据3 台补水泵的实际工作情况，基于MATLAB 软件建立仿真模型，并对有回水流量干扰和无回水流量干扰两种情况下，两种控制算法对应的控制效果进行对比，对比结果如表2 所示。

表2 前馈- 串级控制与传统PID 控制效果对比

由表2 可知，在无回水流量干扰的情况下，前馈- 串级控制器与传统PID 控制相比在超调量和调节时间两项指标具有明显的优势；在有回水流量干扰的情况下，前馈- 串级控制器的作用下系统的波动范围较传统PID 控制器非常小，而且波动的持续时间从110 s 降低为40 s。说明前馈- 串级控制器可有效消除回水流量对系统造成的干扰，提升系统的稳定性和响应速度。

4 结语

热力站供暖系统具有大滞后、非线性以及时变性的特点，在实际工作中采用传统PID 控制算法无法对其中的关键分系统包括供水分系统和补水分系统进行高效控制，尤其是无法保证供水系统根据室外温度对其供水压力进行稳定、高精度控制，导致补水系统受到回水流量的干扰进而影响换热站的换热效率[7]。为此，本文重点以供水系统和补水系统为例展开研究，总结如下：

1）供水系统采用自适应模糊PID 控制算法相比于传统PID 控制算法而言，超调量和调节时间两项指标得到明显改善，即系统具备更好的动态性能和更强的适应能力。

2）补水系统采用前馈- 串级控制算法后，可有效消除回水流量对系统造成的干扰，提升系统的稳定性和响应速度。