基于模糊PID控制的集中供热系统温度控制器的设计

王 娇，苏 刚，苏 阳

(天津城建大学 a. 计算机与信息工程学院；b. 控制与机械工程学院，天津 300384)

基于模糊PID控制的集中供热系统温度控制器的设计

王 娇a，苏 刚b，苏 阳b

(天津城建大学 a. 计算机与信息工程学院；b. 控制与机械工程学院，天津 300384)

集中供热系统是具有非线性、耦合性、时滞性特点的复杂系统，且系统参数不易整定，没有确定的数学模型，为了使其参数易于整定，提高系统稳定性，设计了采用模糊 PID控制算法的控制器．通过Matlab仿真对比传统PID控制与模糊PID控制这两种控制方法，结果表明模糊PID控制比传统PID控制更加稳定，适应力强，能更好地满足热用户的需求．

集中供热系统；温度控制；模糊控制；PID控制

近年来集中供热系统迅猛发展，通过构建集中供热系统来对室内温度进行调整已经成为我国北方地区冬季供热的一种主要形式．温度控制的优劣也直接影响着热用户的舒适度与能源的消耗量[1]．

现如今，集中供热系统温度的控制主要采取的方法为 PID传统控制．该系统往往由于其非线性、耦合性、时滞性等原因导致其很难得到精确的数学模型，而 PID传统控制如果缺少精确的数学模型，会使得该系统的控制效率降低；同时如果其参数一旦确定，便无法改变，自适应效果差，对于集中供热这种具有时变性的系统，控制效果会大打折扣．基于以上 PID传统控制的缺陷，笔者提出了模糊控制．该控制方法不需要确立精确的数学模型，其具有令人满意的鲁棒性，只需根据操作人员以及专家的知识和经验建立相关的控制规则对系统进行控制．但是，模糊控制存在控制精度低、学习能力差等缺陷[2-3]．

本文利用模糊控制和 PID传统控制相结合，设计了集中供热系统的温度调节器．当系统温度的偏差较大时采用模糊控制，响应速度快，动态性能好；当系统温度偏差较小时主要利用 PID传统控制，控制精度高，稳定性强．因此，模糊 PID控制比传统 PID控制更加稳定，能更好地满足热用户的需求[4-5]．

1 集中供热温度控制系统

集中供热系统管网分为两部分：一次网、二次网．一次网(即热源与换热站输入侧连接的管网)通过换热站将热量传输给二次网(热用户与换热站输出侧连接的管网)各个热用户．典型热力站控制结构简图如图1所示．

图1 典型热力站控制结构

本文通过室外温度确定二次供水温度的设定值，通过调节一次网供水管道调节阀的阀门开度来控制一次侧流量大小(加大调节阀的开度，支路流量变大；关小调节阀的开度，支路流量减小)以保证二次侧的供水温度为设定值．通过将二次供水温度的设定值与测量温度值求偏差，采用模糊 PID控制算法得出调节量来控制一次网供水管道调节阀的阀门开度以改变流量大小，调节二次侧的供水温度，进而保证热用户获得适宜室内温度的相对恒定[6]．温度控制系统如图2所示．

图2 控制系统

2 模糊PID控制器的设计

2.1 模糊PID控制器的原理

本文采用模糊PID控制方法对集中供热系统的温度进行控制，采用供热管网二次侧的供水温度与实际温度，两者之间的偏差用e表示，偏差的变化用ec表示．分别将e和ec作为模糊PID控制器的两个输入量，运用集中供热系统相关工作人员与专家的知识、经验归纳出系统温度控制的模糊规则，利用不同时刻的e和ec对 PID控制器中的比列、积分、微分(KP、KI、KD)三个参数进行最佳调整[7-8]，使集中供热系统的输出温度通过不断的调节最终按预定输出，使系统具有很好的稳定性．

集中供热温度系统构建的模糊 PID控制器结构如图3所示．

图3 模糊PID控制器结构

2.2 模糊PID控制器的建立

控制器中的 PID控制主要考虑比例、积分、微分(KP、KI、KD)三个参数的问题．比例KP可提高系统调节的准确性，但不宜过大，否则不利于系统克服扰动，控制质量差．积分KI控制及时、迅速，可消除余差．微分KD有超调性，可提高具有时滞性系统的控制效果．PID控制器时域输出u(t)方程为

三个参数共同作用，集比例KP、积分KI、微分KD之长，利用模糊控制对以上三种参数进行相应的自整定、自学习使得三个控制参数能够更得当的选择出来，使系统得到更为理想的控制效果．

模糊PID控制器的调节参数如下

式中：ΔKP、ΔKI、ΔKD均为通过模糊推理得到参数校正量；KP′、KI′、KD′均为模糊 PID参数的初始值．模糊控制器的输出变量，则是对 PID参数的校正值ΔKP、ΔKI、ΔKD．该控制算法是在PID控制的基础上加上模糊控制，把模糊控制输出的ΔKP、ΔKI、ΔKD叠加到PID的控制过程中，提高控制效果．本文集中供热系统温度调节所采用的模糊PID控制器控制系统结构如图4所示．

图4 控制系统结构

2.3 模糊PID控制器隶属度函数的确定

设定集中供热管网中二次侧管网供水温度和实际温度之间的偏差以及偏差变化(e、ec)作为二维模糊控制的输入量

上述 e(t)表示供水温度偏差，yr(t)表示二次网供水温度的设定值．在 t时刻，如果二次侧管网设定的供水温度比实际温度高，则偏差为“正”；反之，偏差为“负”． ec(t)表示温度偏差的变化．如果实际温度有上升趋势，则 t时刻的温度偏差高于t-1时刻的温度偏差，温度偏差的变化为“正”，反之，温度偏差的变化为“负”．

将偏差e和偏差的变化率ec作为控制器的输入，可取输入变量e和ec，以及输出PID控制参数KP、KI、KD的模糊子集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，记作{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}．通过比例因子，把采集到的具体值论域转换为模糊语言变量论域，即误差 E 所取的模糊子集的论域为：[-6，＋6]；误差 EC 所取的模糊子集的论域为：[-6，＋6]；KP、KI、KD所取的模糊子集论域为：[-6，＋6]；则语言变量e、ec、以及KP、KI、KD的隶属函数曲线如图5所示．

图5 语言变量e、ec、KP、KI、KD的隶属度函数曲线

为了方便隶属度函数的计算，取梯形为语言变量 e、ec、KP、KI、KD的隶属度函数的形状．同时，结果表明：梯形隶属度函数更适合于调控集中供热管网温度系统．

2.4 模糊PID控制器的模糊规则

模糊控制的实质是模仿人的智能和经验，其控制规则是将某些人的思维活动和经验，总结整理之后形成以语言和模糊数学描述的控制策略，这样就可以达到用机器代替人对复杂工业过程进行控制．建立模糊PID控制器控制参数的规则，见表1．

表1 控制规则

2.5 解模糊化

在实际使用时，要控制温度调节的量，必须有确定的调节量，通过模糊推理得到的输出量具有模糊性，不能直接用来控制，因此需要进行解模糊，得到一个精确量对温度进行控制．

本文采用解模糊的方法即重心法，来取得控制的精确量，即

输出量为离散集时，则为

综上，采用模糊 PID控制方法实现集中供热系统中温度调节控制的程序流程如图6所示．

图6 温度调节控制程序流程

3 仿真测试与结果分析

本文根据热平衡方程式推导出的集中供热管网一次侧管网流量与二次侧管网供水温度之间传递函数的模型为

采用 MATLAB软件，以及可视化仿真工具SIMULINK对集中供热温度系统进行建模与仿真．基于模糊PID控制的SIMULINK仿真图如图7所示．

分别采用PID控制和模糊PID控制进行对比试验，二次侧供水温度设定值为 80,℃ 时的仿真结果如图8所示．

设定当系统运行到 290,min时分别给控制系统添加一个扰动情况，即通过补水泵加水，对于相同的系统情况，对比得到的控制效果，如图9所示，在抑制扰动方面可以看到，模糊 PID算法比常规PID具有更小的超调和更短的恢复时间．

图7 基于模糊PID控制算法模型

图8 传统PID与模糊PID控制温度仿真

图9 传统PID与模糊PID控制抑制扰动仿真

为了比较模糊PID控制与传统PID控制在系统改变部分参数后的适应能力，改变参数后的控制模型为

中途无干扰，两者的仿真图如图10所示．

图10 传统PID与模糊PID控制变参数仿真

实验结果表明，采用 PID传统控制集中供热温度调节系统能够基本满足稳定性、快速性等控制要求，控制效果较好．但是，该控制方法导致系统超调过大，前期震荡过高．通过对比实验结果，采用模糊 PID控制集中供热温度调节系统可以弥补 PID传统控制的不足，其响应时间短，温度偏差的变化很小，并且抗干扰能力强，有较好的鲁棒性以及适应性．系统可以取得预期的目标，更好地满足热用户的需求．

4 结 语

本文针对集中供热温度系统，采用了模糊控制与PID控制相结合的方法设计了模糊PID控制器对二次侧供水温度进行调节，在满足热用户用热需求的同时，使系统能够保持稳定性．MATLAB仿真验证了该算法在实用性、稳定性、控制精度方面都达

到了系统的要求，控制效果相对于传统 PID控制效果明显改善，是实现集中供热系统稳定、高效运行的一种新方法．

［1］ 谢慕君，冯敬芳，姜长泓. 集中供热二次网回水温度的预测和控制研究[J]. 控制工程，2015，22(2)：291-295.

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Design for Temperature Controller of Central Heating System Based on Fuzzy PID Control

WANG Jiaoa，SU Gangb，SU Yangb
(a. School of Computer and Information Engineering；b. School of Control and Mechanical Engineering，TCU，Tianjin 300384，China)

Central heating control system is complex systems of nonlinear, coupling and materiality, and the system is not easy setting-parameters, and no mathematical model can be determined. In order to enable easy setting-parameters to improve system stability, out study has designed controller based on fuzzy PID control algorithm. Through Matlab simulation compared to traditional PID control and fuzzy PID control of both control methods, the results show that the fuzzy PID control is more stable and adaptable than traditional PID control it better meets the heating needs of users.

central heating system；temperature controller；fuzzy control；PID control

T832.11

A

2095-719X(2016)05-0356-05

2015-09-07；

2015-11-10

王 娇（1990—），女，甘肃天水人，天津城建大学硕士生.