CN104267603A - 一种基于模糊Smith-PID的换热站控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于模糊Smith-PID的换热站控制方法，本发明采用的智能控制算法，不仅可以缩短系统的调节时间，减小超调量对于管网的冲击，而且稳态特性也满足换热站的精度要求，本发明采用的算法具有较强的鲁棒性，在调试阶段，只需要控制对象的大概参数即可，这也提高了本发明的易用性，便于推广使用，同时本发明与原有的采用PID算法的换热站系统相比，采用本发明算法的换热站减少了热量的使用，间接减少了二氧化碳的排放，实现了节能环保等。

Description

一种基于模糊Smith-PID的换热站控制方法

【技术领域】

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种智能换热站的控制方法，具体涉及一种基于模糊Smith-PID的换热站控制方法。

【背景技术】

已知的，换热站是把一次热网得到的热量，自动连续地转换为用户需要的生活用水及采暖用水，即热水（或蒸气）从机组的一次侧入口进入板式换热器进行热交换后，从一次侧出口流出；二次侧回水经过过滤器除去污垢后，通过二次侧循环水泵进入板式换热器进行热交换，生产出用于采暖、地板采暖或生活用水等不同温度的热水，以满足用户的需求。

其中换热站的控制系统主要包括PLC，循环泵变频器，补水泵变频器，一次/二次侧供/回水温度传感器，室外温度传感器，一次/二次侧供/回水压力传感，一次侧调节阀，循环泵和补水泵。在控制时，以室外温度传感器的温度器值为坐标，结合二次侧供回水的压差，去控制一次侧调节阀的开度，和循环泵的转速，满足二次侧热量需求的同时，也要能达到节约能源的目的。根据二次侧回水压力期望值和二次侧回水压力传感器的实际压力值之间的差，控制补水泵变频运行，使二次侧回水的压力值与期望值的差满足精度要求。

而换热站的控制器是换热站的核心部分，目前该控制系统多以PLC为控制平台，采用PID（比例-积分-微分）的闭环控制方法。该种基于PID的闭环控制方法，是通过对PLC控制器中三个单元（即比例单元P、积分单元I和微分单元D）的控制参数Kp、 Ti和Td进行选取，使整个换热系统的性能达到最优，即使输出值与输入值无限接近，即误差信号最小，从而满足调节精度的要求，又要使调节时间最短。

但是，上述的三个控制参数Kp、Ti和Td对系统的性能影响是相互作用的，比例单元P的作用是将差值信号进行放大，增益系数Kp越大，调节灵敏度越高，但是由于传动系统具有惯性，当调节结果达到最佳值时不能立即停止，即导致“超调”，为此引入积分单元 I ，其效果是，使经过比例单元 P 放大后的差值信号在积分时间Ti内逐渐减小，从而减缓其变化速度，防止振荡，使系统的动态性能得到优化，但积分时间Ti太长，又会使当系统存在扰动时，系统难以迅速恢复，因此，通过微分单元进行补偿，微分时间Td会根据差值信号变化的速率，调前给出一个相应的调节动作，从而缩短调节时间，克服因积分时间Ti过长而使系统恢复滞后的缺陷，增强系统抑制扰动的能力。

【发明内容】

为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种基于模糊Smith-PID的换热站控制方法，本发明采用的智能控制算法，不仅可以缩短系统的调节时间，减小超调量对于管网的冲击，而且稳态特性也满足换热站的精度要求，本发明采用的算法具有较强的鲁棒性，在调试阶段，只需要控制对象的大概参数即可，这也提高了本发明的易用性，便于推广使用。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种基于模糊Smith-PID的换热站控制方法，所述控制方法在传统PID控制的基础上融合了模糊控制以及Smith预估控制，具体方法如下：

一、模糊控制环节：

模糊控制环节对误差和误差变化率进行采集，运算后输出PID参数的补偿量，然后同PID环节相耦合，耦合的结果作为Smith预估控制器的输入，在计算PID参数的补偿量时，首先要建立模糊控制器的控制规则表，这样得出在不同的误差和误差变化率时，根据参数的自整定原则，参数 k _p、 k _I 和 k _d 分别对系统输出特性的影响下得出，具体如下：

A、当误差过大时，首先考虑控制器按最大或最小输出迅速调整误差，无论误差变化趋势如何改变，都应该使误差绝对值能以最大速度减小，此时应取较大的k _p,较小的k _I 和使k _d等于零； 

B、当误差和误差变化率同号时，误差绝对值向增大的方向变化，如果要使误差绝对值向减小方向变化，可以考虑控制器实施较强的控制作用，这时k _d不能太大，可以取较大的k _p并且应取较小的k _I值； 

C、当误差和误差变化率为异号或误差等于零时，可以采取保持控制器输出不变，因为这种情况说误差的绝对值已达到平衡状态，或向减小的方向变化； 

D、当误差变化率等于零且误差不等于零时，说明系统的理论曲线和系统的曲线平行或一致，这时，应采取较大k _p和k _I值，使曲线保持平稳，根据以上原则得到相应的                                               值；

二、PID控制环节：

将模糊控制环节中的，叠加在原k _p，k _I，k _d上构成新的PID参数，PID参数为：

此时，新的PID控制环节融入了模糊控制的补偿量；

三、Smith预估环节：

Smith预估控制器是补偿大滞后环节的最佳选择，最终Smith控制器的输出作为控制信号输出到PLC的模拟输出模块上，最终作用于一次侧的调节阀，该调节阀的输入量为模拟量信号，范围为4～20mA，如被控对象的模型 ，由于控制闭环中含有延迟环节，当延迟时间常数远大于T时，系统将会不稳定，若能从图1中X处引出负反馈，则可以把滞后环节移出控制回路，这样可以使系统的响应大大改善，但这样在现实中很难实现，若采用带有Smith预估控制模块，则可以补偿由于系统的大滞后对控制的影响，控制器的输出在作用到实际模型上时，同时作用于预测模型上，从图2的Xm处引出负反馈则可以将延迟环节排除在控制回路以外。

采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：

本发明所述的一种基于模糊Smith-PID的换热站控制方法，本发明采用的智能控制算法，不仅可以缩短系统的调节时间，减小超调量对于管网的冲击，而且稳态特性也满足换热站的精度要求，本发明采用的算法具有较强的鲁棒性，在调试阶段，只需要控制对象的大概参数即可，这也提高了本发明的易用性，便于推广使用，同时本发明与原有的采用PID算法的换热站系统相比，采用本发明算法的换热站减少了热量的使用，间接减少了二氧化碳的排放，实现了节能环保等。

【附图说明】

图1为大滞后系统原理图；

图2为Smith预估控制环节原理图。

【具体实施方式】

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；

本发明所述的一种基于模糊Smith-PID的换热站控制方法，所述控制方法在传统PID控制的基础上融合了模糊控制以及Smith预估控制，具体方法如下：

一、模糊控制环节：

模糊控制环节对误差和误差变化率进行采集，运算后输出PID参数的补偿量，然后同PID环节相耦合，耦合的结果作为Smith预估控制器的输入，在计算PID参数的补偿量时，首先要建立模糊控制器的控制规则表，这样得出在不同的误差和误差变化率时，根据参数的自整定原则，参数 k _p、 k _I 和 k _d 分别对系统输出特性的影响下得出，具体如下：

A、当误差过大时，首先考虑控制器按最大或最小输出迅速调整误差，无论误差变化趋势如何改变，都应该使误差绝对值能以最大速度减小，此时应取较大的k _p,较小的k _I 和使k _d等于零； 

B、当误差和误差变化率同号时，误差绝对值向增大的方向变化，如果要使误差绝对值向减小方向变化，可以考虑控制器实施较强的控制作用，这时k _d不能太大，可以取较大的k _p并且应取较小的k _I值； 

C、当误差和误差变化率为异号或误差等于零时，可以采取保持控制器输出不变，因为这种情况说误差的绝对值已达到平衡状态，或向减小的方向变化； 

D、当误差变化率等于零且误差不等于零时，说明系统的理论曲线和系统的曲线平行或一致，这时，应采取较大k _p和k _I值，使曲线保持平稳，根据以上原则得到相应的值；

二、PID控制环节：

将模糊控制环节中的，叠加在原k _p，k _I，k _d上构成新的PID参数，PID参数为：

此时，新的PID控制环节融入了模糊控制的补偿量；

三、Smith预估环节：

Smith预估控制器是补偿大滞后环节的最佳选择，最终Smith控制器的输出作为控制信号输出到PLC的模拟输出模块上，最终作用于一次侧的调节阀，该调节阀的输入量为模拟量信号，范围为4～20mA，如被控对象的模型 ，由于控制闭环中含有延迟环节，当延迟时间常数远大于T时，系统将会不稳定，若能从图1中X处引出负反馈，则可以把滞后环节移出控制回路，这样可以使系统的响应大大改善，但这样在现实中很难实现，若采用带有Smith预估控制模块，则可以补偿由于系统的大滞后对控制的影响，控制器的输出在作用到实际模型上时，同时作用于预测模型上，从图2的Xm处引出负反馈则可以将延迟环节排除在控制回路以外。

本发明根据二次侧供水温度给定值获取理想的一次调节阀开度值，并将理想的调节阀开度值与系统实际的调节阀开度进行比较以产生调节阀开度控制值，提供给PLC中运行的智能控制模块，智能控制模块控制PLC的模拟量输出模块对实际的调节阀开度进行调节。

由于换热器是一个具有典型大滞后特性的控制对象，传统的PID控制无法达到满意的控制效果，本发明所采用的智能控制器在传统PID控制的基础上，融合了模糊控制以及Smith预估控制的优点，本发明所述的算法分为三个环节，模糊控制环节，PID控制环节和Smith预估环节，模糊控制环节对误差和误差变化率进行采集，运算后输出PID参数的补偿量，同PID环节相耦合，耦合的结果作为Smith预估控制器的输入，Smith预估控制器是补偿大滞后环节的最佳选择，最终Smith控制器的输出作为控制信号输出到PLC的模拟输出模块上，最终作用于一次侧的调节阀，该调节阀的输入量为模拟量信号，范围为4～20mA。

本发明的实施例如下：

以一个功率为1900KW的换热站为例，其一次侧供水温度为110℃，回水温度60℃，二次侧供水温度设定为80℃，回水60℃，配备两个15KW循环泵和两个1.5KW补水泵，泵均为一用一备。

根据现场实地的测试，该换热器和一次侧调节阀共同抽象出数学模型，根据模型在Matlab中进行仿真整定后的参数输入PLC的相关模块中，当室外温度为5℃时，一次侧供水温度在109℃上下波动，二次侧供水温度在80±1℃。

此时若设定二次侧供水温度为90度，则调节阀需要进行动作，使用之前的PID调节时，调节过程需要时间为700s，且存在明显的超调，超调量达到30%，对管网的冲击较大。采用本发明的模糊Smith-PID算法，结果无超调，调节时间降低为300s，存在明显优势。

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (1)

1.一种基于模糊Smith-PID的换热站控制方法，其特征是：所述控制方法在传统PID控制的基础上融合了模糊控制以及Smith预估控制，具体方法如下：

一、模糊控制环节：

模糊控制环节对误差和误差变化率进行采集，运算后输出PID参数的补偿量，然后同PID环节相耦合，耦合的结果作为Smith预估控制器的输入，在计算PID参数的补偿量时，首先要建立模糊控制器的控制规则表，这样得出在不同的误差和误差变化率时，根据参数的自整定原则，参数 k _p、 k _I 和 k _d 分别对系统输出特性的影响下得出，具体如下：

A、当误差过大时，首先考虑控制器按最大或最小输出迅速调整误差，无论误差变化趋势如何改变，都应该使误差绝对值能以最大速度减小，此时应取较大的k _p,较小的k _I 和使k _d等于零； 

B、当误差和误差变化率同号时，误差绝对值向增大的方向变化，如果要使误差绝对值向减小方向变化，可以考虑控制器实施较强的控制作用，这时k _d不能太大，可以取较大的k _p并且应取较小的k _I值； 

C、当误差和误差变化率为异号或误差等于零时，可以采取保持控制器输出不变，因为这种情况说误差的绝对值已达到平衡状态，或向减小的方向变化； 

D、当误差变化率等于零且误差不等于零时，说明系统的理论曲线和系统的曲线平行或一致，这时，应采取较大k _p和k _I值，使曲线保持平稳，根据以上原则得到相应的                                               值；

二、PID控制环节：

将模糊控制环节中的，叠加在原k _p，k _I，k _d上构成新的PID参数，PID参数为：

此时，新的PID控制环节融入了模糊控制的补偿量；

三、Smith预估环节：

Smith预估控制器是补偿大滞后环节的最佳选择，最终Smith控制器的输出作为控制信号输出到PLC的模拟输出模块上，最终作用于一次侧的调节阀，该调节阀的输入量为模拟量信号，范围为4～20mA，如被控对象的模型 ，由于控制闭环中含有延迟环节，当延迟时间常数远大于T时，系统将会不稳定，若能从图1中X处引出负反馈，则可以把滞后环节移出控制回路，这样可以使系统的响应大大改善，但这样在现实中很难实现，若采用带有Smith预估控制模块，则可以补偿由于系统的大滞后对控制的影响，控制器的输出在作用到实际模型上时，同时作用于预测模型上，从图2的Xm处引出负反馈则可以将延迟环节排除在控制回路以外。