引言
城市集中供热系统是由集中形式的热源提供有效的热量供应，以热水或者蒸汽作为媒介，通过供热管网供给一个区域或者一个城市的热量需求，主要负责生产用热及生活供热。城市集中供热系统主要包括热源、供热管网、换热站及多种形式的热用户四个部分，如图所示。 换热站的控制模式是整个供热系统极其重要的一个环节，主要包括定值控制、常规PID控制、模糊控制和气候模型专家系统四种控制模式。针对不同工况选择不同的控制模式，能够提高换热站的实时控制水平，有利于精细化控制，大幅降低供热企业的能源消耗。 01定值控制 在供热系统建设运行初期，或者遇到供热系统维修调试等情况时，系统自动化设备未启用或无法投运，可以采取定值控制方式来控制系统的运行状况。具体内容主要是指，由经验丰富的操作员直接设定执行机构幅度、变频器频率等，以人工暂时代替自动，待系统稳定或维修好后，切换为其他自动控制模式即可。 02常规PID控制 常规PID控制是应用非常广、十分有效的控制方式，控制效果取决于控制器各个参数的有效整定，尤其是针对线性定常系统调节效果最优。 比例系数Kp直接影响系统的响应速度，进而影响控制精度。如果Kp增大，系统的响应速度和控制精度随之显著提升，但是产生的系统超调容易增大，导致系统稳定性降低。如果Kp过小，会极大的降低系统的响应速度，调节时间加长，系统的静态性能遭到损坏。积分系数Ki，可以实现对误差的积分，对系统有一定的滞后作用，有效消除系统稳态误差。Ki的过大或者过小，会引起积分饱和、较大超调等现象，影响系统调节精度。微分系数Kd可以改善系统的动态特性，主要作用体现在与积分作用制衡系统调节，而对干扰信号敏感，会使系统克服干扰能力变差。03 03模糊控制模式 模糊控制是指在自动控制领域内将模糊数学的理论加以应用而得到的控制方式方法。模糊控制的产生是与社会科技的需要和发展紧密相连的。在利用传统控制方法进行控制时，无论是模拟还是数字的控制方法，都是对被控对象进行建模，得到数学模型。在现实中，诸多对象利用数学的方法难以获得或者无法得到准确的数学模型，尤其是带有时变、非线性等元素的复杂不确定系统，基本无法得到精确的数学模型，进而无法进行有效地控制。 由于寻找满足条件的新控制方法的迫切需求存在，模糊控制的诞生意义非凡。因其不用建立数学模型，只是将系统作为一个黑箱考虑，仅仅利用系统的输入输出数据和运行人员丰富的现场操作经验，就可以实现实时调节控制。模糊控制主要具有以下几方面优点：模糊控制不需要在设计中建立精准的被控对象模型，直接采用类似人类语言系统的设计规则，依赖行业专家知识或运行人员的经验，控制机理被容易接受和理解，设计简单，应用方便。 模糊控制以工业过程的定性认识为基础，较为便捷地制定语言控制规则，因此，其非常适用动态特性各异、数学模型不易得到的被控对象。 模糊控制巧妙的把握控制规律间的模糊联系，从初始点和性能指标的独立性进行研究，容易获得兼而有之的结果，实现控制效果最优。 模糊控制系统鲁棒性强，能够最大限度地降低外来扰动和参数变化对系统的影响，对时变、非线性系统具有很好的控制效果。 模糊控制的控制规则是基于人的经验做出的，由语言决策规则设计，使得系统的适应能力和智力水平达到了一定的高度。 Fuzzy-PID控制，即模糊PID控制，其实是两者的有效结合，兼具PID控制器和模糊模糊控制的优点，有效地解决了它们各自存在的问题，可以简单、有效地对复杂和模型不明确的系统进行控制，尤其适用于大惯性、多输入的系统。 模糊PID控制系统结构如图所示，由常规PID控制部分和基于模糊推理的参数调整部分组成。基本的控制思路是，将系统偏差e进行微分处理，得到偏差变化率ec，再将两个参数作为输入变量在模糊控制器中进行模糊推理运算，得到的结果针对PID的Kp、Ki、Kd进行在线整定，实时满足控制器的参数要求，使得被控对象具有较好的动、静态性能。由此可知，Fuzzy-PID 控制器是以e和ec为输入、以 Kp、Ki、Kd为输出的双输入三输出控制器。 要消除控制系统的稳态误差一定要有积分环节存在，而单纯的模糊控制无法做到，导致平衡点附近经常出现微小的振荡。模糊PID控制器就很好地结合了模糊控制和PID控制的优点，又互相补充自身的不足，对于复杂系统的、不确定性的控制取得了显著的效果。 气候模型专家系统 气候模型专家系统，是根据从气象局得到当天的天气预报数据计算出热源及每个换热站的控制给定参数和控制方式，通过信息通讯平台自动分批次地下发控制命令，下位控制系统本地自动执行并将执行结果回传到控制中心。本地自控系统通过调节回水流量的手段，以最大流量限制为基准，进行自动梯度控制实现对供应热量的控制。当实现自动供热控制条件不足时，系统自动进入限流状态，等待条件成熟之后获得控制参数的更新。 在参数给定工作中，针对不同参数设计优先级，换热站分配流量限制优先级最高，其次是一次回水温度和二次供回水压差下限，优先保证对系统稳定重要的参数。遇到通讯不畅或者线路故障等情况，按照既定梯度范围，本地控制器依照设计要求，对输出热量进行特定幅度地增加和较为柔和地调节，同时将实时数据同步到下位控制器内的历史数据存储器中。气候模型专家系统是以历史经验数据为基础，通过专家的分析和计算得出控制策略的智能系统，可以实现自适应完善，并逐步趋于最优化控制模型。建立该系统具有以下优点： 以权威机构发布的天气预报为蓝本，真实反映天气情况，并根据未来一天气象数据的变化，自动调整控制参数，实现控制最优化。 参考换热站的具体特点，针对不同的性质的热用户采用个性化的供热模式设计，比如公建、机关、学校等用户，针对其白天人员活动较多、夜晚相对较少的情况，适当降低夜晚的供热量，可以达到节能的效果。 气候模型在供热初期可以暂时脱离，面对热源厂供热参数的波动情况，采取流量定值分配控制，可以避免出现换热站根据气候模型自动调整造成的“抢水”现象，保证水力平衡，进而过渡到稳定状态。
