基于免疫PID控制的换热站温度控制系统.docx

基于免疫 pid 控制的换热站温度控制系统刘国利（北京航空材料研究院，北京 100095）摘 要：设计二级换热站温度智能控制系统，根据室外温度的变化和供热实时情况在线自动调整 pid 控制器参数，利用变频调速装置进行循环水压力控制， 并提出将免疫 pid 控制策略应用于温度控制中。性、鲁棒性以及控制精度高等特点。关键词：集中供热系统，温度控制系统，免疫 pid实验证明该系统具有快速temperature control system of heat exchange station based onimmune pid controlliu guo-li(beijing institute of aeronautical materials, beijing 100095, china)abstract: the intelligent temperature control system of secondary heat exchange station is designed. the system can au-tomatically regulate parameters of pid controller according to outdoor temperature change and real time heating condition. the water pressure is controlled using variable frequency speed control device. the immune pid control strategy is used in temperature control. experimental results show that the system has advantages of fast, robust and high control precision.keywords: central heating system; temperature control system; immune pid为了做到既经济运行又保证供热质量，对各二次供热系统的温度进行检测、分析，结合外界干扰因素（室外天气温度），算出最佳的供水温度，并通过调节 一次管网流量， 使二次供水温度接近于它的设定值， 这样可在供热系统满足用户需求量的前提下，保证最 佳工况。 控制元件是换热器一次水出口的控制阀，该 阀门控制换热器的一次供水流量。 将预设定温度作为 给定值，测量温度值作为反馈值，阀门的开度作为输 出值，采用免疫 pid 算法，保证二次供水温度的恒定。 每个换热站均安装了室外温度传感器，预设定温度根 据室外温度计算得出， 并随着室外温度的变化而改 变。2 控制系统设计0 引言实行集中供热是合理利用能源、 提高能源利用 率、减少环境污染、促进生产、改善人民生活、加速城 市现代化建设的有效措施和重要途径。 集中供热已成 为我国北方冬季供热的一种主要形式，并且获得了越 来越广泛的应用。 集中供热工程自动控制系统的监控范围包括热源、热网和换热站。其中换热站的二次侧供水温度控制的好坏，决定热用户的供热品质。由于负荷、天气变化等因素影响，传统 pid 控制往往不能满足控制要求。 为了解决此问题，设计一套换热站温 度智能控制系统。1 系统概述换热站系统对温度的调节控制就是要保证用户 的室温相对恒定。 当换热器的二次供水温度偏离设定 值时，控制调节系统自动调整执行器的动作，即改变 电动调节阀的开度，从而改变进入换热器的一次热媒 的流量，改变传送到换热器的热能，使二次的供水温 度稳定在设定值附近。控制系统由西门子 acx32 控制器、变频器和执行机构组成。 将西门子 acx32 控制器的控制柜的开关打到自动位置，所有的系统设备均处于自动运行状 态，由西门子 acx32 控制器自动控制。 西门子 acx32 控制器根据采集回来的室外温度、 二次供水温度、二 次回水温度等相关信号调节电动阀开度，控制一次循 环水进入板式换热器的流量，保证二次水供水温度实 时与室外温度补偿曲线同步，实现室外温度的自动补 偿；并通过变频器控制循环泵、补水泵的转速来平衡，作者简介：刘国利（1979-），工程师，从事电力及自动化设计工作。收稿日期：2013-11-0374www.chinacaaa.co m自动化应用传感检测及物联网系统从而实现变频恒压恒温供热。供热系统的最终目标是保持热用户的室内温度 稳定，但由于热用户均没有室温调节装置，且对数以 万计的热用户的室温不可能形成闭环控制，为了做到 既经济运行又保证供热质量，最有效的方法是控制换 热站的二次供水温度。 二次供水温度自控系统原理如 图 1 所示。对 pid 三个参数进行在线修改，以满足不同的 e 和 e对控制参数的不同要求，使被控对象具有良好的动静 态性能。3 控制器设计免疫 pid 控制器是以不同阶段的免疫调节作用 变化率作为输入，根据免疫控制规则在线调整 pid 参数。常规 pid 公式： ku(k)=kp e(k)+ te(j)+ tke(k)e(k1) 二次供回水温度 温度智能pid 调节器一 次 回 水 控 制 阀 法控 制 对 象 换 热 器二 次 供 水 温 度j=0式中，kp 为比例系数；ki 为积分系数；kd 为微分系数。温 度 检 测图1二次供水温度自控系统原理为了提高免疫 pid 控制器的性能,必须使控制器参数具有自适应能力，从控制器本身结构上改善其性能。 参数自寻优免疫 pid 控制器的核心就是其参数(kp，ki，kd)的调整规则：（1）若供、回水平均温度大于基于室外温度的给 根据稳态条件下，系统的供热量、散热器的散热量及用户的耗热量相等的规律，可以得到稳态条件下 的二次供水温度：t2g=tm+ 1 (t2g+t2h2tm)(tmtw1 (1+)12g2(t gt2h)定值，减小 k 。22tmtwi（2）若供、回水温度上升时间大于所要求的上升 时间，增大 ki。（3）若在稳态时温度输出有较大波动，增大 kd。（4）若系统温度上升时间过长，增大 kp。（5）若上升时间过长时，先调整 ki，再调整 kp，并 考虑控制系统易于实现和算法的执行时间。tmtw()（1）tmtw式中，t2g、t2h、tm、tw 分别为二次供、回水温度，室内、室外温度，加的变量为同名变量的设计值；g2 为二次管网实际流量 g 与设计流量 g之比。修正可得：2t2g=a+btw+ctw +对上式进行将 pid 控制器与免疫控制器相串联，pid 控制器算式：得到免疫（2）式中，a，b，c 为管网所处地区气象的有关参数。 式（2）即为二次供水温度给定值的计算方法。 由式（2）确 定的 t2g 能跟踪室外温度的变化，使热用户室内温度不 受 tw 的影响，实现稳定供热。室外温度检测采用无线温度传感器，各结点控制单 元可将有关信息通过无线数据采集装置上传给中央处 理单元（计算机），也可接收中央处理单元发来的控制命 令；必要时可由中央处理单元直接控制泵的启、停。整个二次供水温度自控系统采用前馈-反馈控制方 案。 因补水温度较低，补水泵开启会使供水温度迅速降 低，而由于压力的变化，需经常打开补水泵，会引起供水 温度波动，采用前馈控制会使系统性能得到较大改善。反馈控制采用免疫 pid 方案，把常规 pid 控制部 分和免疫控制器部分相串联，将控制系统中存在的未 知或扰动类比于外界入侵攻击人体的抗原，从自我调 节、抗原识别、记忆、免疫响应等方面进行控制。运用免疫 t 细胞调节作用函数推理， 进行运算，zzek1z1kp(1+kdu (k)=k 1 f u (k d)z1z(k)=k1fu(kd)e(k)式中， 表示响应过程中不同阶段的免疫调节作用，=-1 时为免疫促进，=1 时为免疫抑制，=0 时为免疫稳 定。 设 e1 为大偏差的阈值，e0 为小偏差阈值，响应初期，e (k)e1，大偏差情况，=-1，相当于免疫促进阶段；响应中 后期，e0e(k)e1，为避免产生大超调，=1，相当于免疫 抑制阶段；响应末期 e(k)e0，小偏差情况，=0，相当于 免疫稳定阶段。 免疫 pid 控制器结构如图1 所示。4 实验结果在干扰信号（如图 2 所示）下的二次供水温度曲 线如图 3 所示。 由图 3 可知，采用免疫 pid 大大改善 了控制效果，超调明显比传统 pid 控制减小，并且调（下转第 78 页）75自动化应用3 期2014二 次 供 水 温 度设 定 值室 外 温 度 检 测二 次 回 水 温 度500传感检测及物联网系统+-由于液压系统的死区和饱合性能，系统的响应不能完steppid controller dead zonet全满足波浪补偿起重机的要求。图（a）系统响应速度快，稳定性好，但对液压系统的快速响应性能要求高，饱合指标高；图（b）系统稳定性好，但响应速度慢，难 以满足波浪起重机的高频响应要求；图（c）系统稳定 性差，因为液压系统死区高，引起波浪补偿系统振动； 图（d）因饱合参数低、死区参数高，系统响应速度慢， 采用提高 pid 比例补偿系数的方法来提高响应速度 后，系统产生严重的超调，失去稳定性。5 结语（1）系统需要较大的饱合性能，即执行机构（液压 系统）具有高输出能力，需要有较大功率的液压马达 来实现。 由于单个液压马达输出能力有限，设计中采 用多个马达叠加输出的方式。（2）要求系统死区小、线性输出范围宽。 较大的死区 和非线性输出容易引起系统震荡，影响波浪补偿起重机 的稳定性。 使用不同的减速器来控制系统输出转速。（3）需要使用高速信号处理器来快速响应和处理 系统补偿， 高速信号处理器可以实现实时的信号采 集、计算和输出。（4）需要采用速度传感器，实时采集舰船与货框 之间的接近速度，并通过高速信号处理器有效地滤除 干扰信号，作为信号反馈，抑制波浪干扰，实现波浪补 偿起重机功能。1gain图 3使用 matlab 在 simulink 中建立波浪补偿起重机系统仿真模型合参数较高， 死区参数较低的情况下， 经适当的 pid参数调节后得到的响应曲线，输出能够满足系统要求；图（b）为饱合参数较低，死区参数较低的情况下，经 pid 调节后的响应曲线；图（c）为饱合参数较高，死 区参数较高的情况下， 经 pid 调节得到的响应曲线； 图（d）为饱合参数较低，死区参数较高，经 pid 调节， 提高 pid 的比例参数后，系统的响应曲线。(a)(b)(c)图4(d)波浪起重机的阶跃响应由系统响应仿真结果可以看出，经系统反馈校正85.3（上接第 75 页）节时间短。85.2k1换热站 温度 控制 +-pid85+z-d1/zf(x)k2-84.9图 1免疫 pid 控制器结构84.8884.7050010001500200025003000时 间/s64图 3二次供水温度曲线205 结语系统采用免疫 pid 控制器，-2