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集中供熱系統中換熱站控制模式淺析

發表時間:2024-2-6 16:45:41   瀏覽次數:137 字號 【    關閉

 引言

城市集中供熱系統是由集中形式的熱源提供有效的熱量供應,以熱水或者蒸汽作為媒介,通過供熱管網供給一個區域或者一個城市的熱量需求,主要負責生產用熱及生活供熱。城市集中供熱系統主要包括熱源、供熱管網、換熱站及多種形式的熱用戶四個部分,如圖所示。

換熱站的控制模式是整個供熱系統極其重要的一個環節,主要包括定值控制、常規PID控制、模糊控制和氣候模型專家系統四種控制模式。針對不同工況選擇不同的控制模式,能夠提高換熱站的實時控制水平,有利于精細化控制,大幅降低供熱企業的能源消耗。

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01定值控制

在供熱系統建設運行初期,或者遇到供熱系統維修調試等情況時,系統自動化設備未啟用或無法投運,可以采取定值控制方式來控制系統的運行狀況。具體內容主要是指,由經驗豐富的操作員直接設定執行機構幅度、變頻器頻率等,以人工暫時代替自動,待系統穩定或維修好后,切換為其他自動控制模式即可。

02常規PID控制

常規PID控制是應用非常廣、十分有效的控制方式,控制效果取決于控制器各個參數的有效整定,尤其是針對線性定常系統調節效果最優。

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比例系數Kp直接影響系統的響應速度,進而影響控制精度。如果Kp增大,系統的響應速度和控制精度隨之顯著提升,但是產生的系統超調容易增大,導致系統穩定性降低。如Kp過小,會極大的降低系統的響應速度,調節時間加長,系統的靜態性能遭到損壞。積分系數Ki,可以實現對誤差的積分,對系統有一定的滯后作用,有效消除系統穩態誤差。Ki的過大或者過小,會引起積分飽和、較大超調等現象,影響系統調節精度。微分系數Kd可以改善系統的動態特性,主要作用體現在與積分作用制衡系統調節,而對干擾信號敏感,會使系統克服干擾能力變差。03

03模糊控制模式

     模糊控制是指在自動控制領域內將模糊數學的理論加以應用而得到的控制方式方法。模糊控制的產生是與社會科技的需要和發展緊密相連的。在利用傳統控制方法進行控制時,無論是模擬還是數字的控制方法,都是對被控對象進行建模,得到數學模型。在現實中,諸多對象利用數學的方法難以獲得或者無法得到準確的數學模型,尤其是帶有時變、非線性等元素的復雜不確定系統,基本無法得到精確的數學模型,進而無法進行有效地控制。

由于尋找滿足條件的新控制方法的迫切需求存在,模糊控制的誕生意義非凡。因其不用建立數學模型,只是將系統作為一個黑箱考慮,僅僅利用系統的輸入輸出數據和運行人員豐富的現場操作經驗,就可以實現實時調節控制。模糊控制主要具有以下幾方面優點:模糊控制不需要在設計中建立精準的被控對象模型,直接采用類似人類語言系統的設計規則,依賴行業專家知識或運行人員的經驗,控制機理被容易接受和理解,設計簡單,應用方便。

模糊控制以工業過程的定性認識為基礎,較為便捷地制定語言控制規則,因此,其非常適用動態特性各異、數學模型不易得到的被控對象。

模糊控制巧妙的把握控制規律間的模糊聯系,從初始點和性能指標的獨立性進行研究,容易獲得兼而有之的結果,實現控制效果最優。

模糊控制系統魯棒性強,能夠最大限度地降低外來擾動和參數變化對系統的影響,對時變、非線性系統具有很好的控制效果。

模糊控制的控制規則是基于人的經驗做出的,由語言決策規則設計,使得系統的適應能力和智力水平達到了一定的高度。

Fuzzy-PID控制,即模糊PID控制,其實是兩者的有效結合,兼具PID控制器和模糊模糊控制的優點,有效地解決了它們各自存在的問題,可以簡單、有效地對復雜和模型不明確的系統進行控制,尤其適用于大慣性、多輸入的系統。

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模糊PID控制系統結構如圖所示,由常規PID控制部分和基于模糊推理的參數調整部分組成?;镜目刂扑悸肥?,將系統偏差e進行微分處理,得到偏差變化率ec,再將兩個參數作為輸入變量在模糊控制器中進行模糊推理運算,得到的結果針對PID的Kp、Ki、Kd進行在線整定,實時滿足控制器的參數要求,使得被控對象具有較好的動、靜態性能。由此可知,Fuzzy-PID 控制器是以eec為輸入、以 Kp、Ki、Kd為輸出的雙輸入三輸出控制器。

要消除控制系統的穩態誤差一定要有積分環節存在,而單純的模糊控制無法做到,導致平衡點附近經常出現微小的振蕩。模糊PID控制器就很好地結合了模糊控制和PID控制的優點,又互相補充自身的不足,對于復雜系統的、不確定性的控制取得了顯著的效果。

氣候模型專家系統

氣候模型專家系統,是根據從氣象局得到當天的天氣預報數據計算出熱源及每個換熱站的控制給定參數和控制方式,通過信息通訊平臺自動分批次地下發控制命令,下位控制系統本地自動執行并將執行結果回傳到控制中心。本地自控系統通過調節回水流量的手段,以最大流量限制為基準,進行自動梯度控制實現對供應熱量的控制。當實現自動供熱控制條件不足時,系統自動進入限流狀態,等待條件成熟之后獲得控制參數的更新。 

在參數給定工作中,針對不同參數設計優先級,換熱站分配流量限制優先級最高,其次是一次回水溫度和二次供回水壓差下限,優先保證對系統穩定重要的參數。遇到通訊不暢或者線路故障等情況,按照既定梯度范圍,本地控制器依照設計要求,對輸出熱量進行特定幅度地增加和較為柔和地調節,同時將實時數據同步到下位控制器內的歷史數據存儲器中。氣候模型專家系統是以歷史經驗數據為基礎,通過專家的分析和計算得出控制策略的智能系統,可以實現自適應完善,并逐步趨于最優化控制模型。建立該系統具有以下優點:


以權威機構發布的天氣預報為藍本,真實反映天氣情況,并根據未來一天氣象數據的變化,自動調整控制參數,實現控制最優化。

參考換熱站的具體特點,針對不同的性質的熱用戶采用個性化的供熱模式設計,比如公建、機關、學校等用戶,針對其白天人員活動較多、夜晚相對較少的情況,適當降低夜晚的供熱量,可以達到節能的效果。

氣候模型在供熱初期可以暫時脫離,面對熱源廠供熱參數的波動情況,采取流量定值分配控制,可以避免出現換熱站根據氣候模型自動調整造成的“搶水”現象,保證水力平衡,進而過渡到穩定狀態。


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