模糊控制在热网远程控制系统中的应用

田思庆 曹 宇 张炳权 郑家风

(佳木斯大学 a.信息电子技术学院；b.机械工程学院)

模糊控制在热网远程控制系统中的应用

田思庆a,b曹 宇b张炳权b郑家风b

(佳木斯大学 a.信息电子技术学院；b.机械工程学院)

介绍热网远程控制系统的工作过程，将模糊控制应用于该系统，设计了一个热网模糊控制器。仿真结果表明：基于模糊控制的热网远程控制系统响应速度快，超调量小，系统稳定控制时间短，控制精度高，控制效果稳定性好。

模糊控制 热网远程控制系统 二次供回水温差 Matlab

随着我国城市化进程的加快，城市集中供热规模不断扩大。城市热网远程控制系统通过对供热系统温度、压力、流量及开关量等进行测量、控制和远传，为热力部门提供准确、可靠的运行数据，实现对供热过程的控制、规划和科学调配[1]，保证热网系统的异常情况能够被及时发现并得到快速处理，提高热网运行效率，降低管网损耗[2]。热网计量管理系统在热网远程控制系统中占据重要地位，但是其控制效果已无法满足现代热网远程控制系统的高精度要求。同时考虑到环境、温度、流量不均衡的情况，系统难以建立稳定的数学模型。为了保证监测数据的准确性，更好地满足用户对于温度的需求，笔者根据热网计量管理系统的优点，设计了一个基于模糊控制的热网远程控制系统，以实现节约资源、降低成本、提高热网自动化水平、节约劳动力和提高工作效率的目的。

1 热网远程控制系统的工作过程

热网远程控制系统(图1)主要由供热源、换热站和热网用户组成，供热源主要由热网远程监控系统软件和GPRS无线数据传输设备组成，换热站跟供热源之间采用GPRS通信方式。系统的工作过程是：首先将供热源产生的高温热水通过一次管网(连接供热源与换热站的管网)传送至各个热力子站，高温热水再通过各个热力子站的水-水换热器形成供热所用的热水，再将供热热水通过二次管网(连接换热站与热网用户的管网)送至各热网用户[3]。

图1 热网远程控制系统工艺简图

2 热网模糊控制器设计

热网远程控制系统中的热网系统是一个较为复杂的被控对象，可以用二阶纯滞后模型描述：

其中，K为放大系数；τd为纯滞后时间；H1、H2为时间常数。通过经验法，整定出模型中的各系数，得到热网系统的数学模型为：

本设计采用的模糊控制器为双输入单输出的多变量二维模糊控制器(图2)。该控制器的两个输入变量分别为二次供回水的温度差值WD和温度偏差变化率WP；输出变量为比例电磁阀的开度V。

图2 二维模糊控制器结构框图

将温度差值WD分为7个模糊集，即{FD，FZ，FX，L0，ZX，ZZ，ZD}，对应的温度采样值物理状态分别为{超低于设定范围下限，远低于设定范围下限，微低于设定范围下限，在设定范围内，微高于设定范围上限，远高于设定范围上限，超高于设定范围上限}。WD的论域定义为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。得到的温度差值WD隶属度见表1[4]。

表1 温度差值WD隶属度

同样，将温度偏差变化率WP分为7个模糊集，即{FD，FZ，FX，L0，ZX，ZZ，ZD}，对应的温度偏差采样值物理状态分别为{超低于设定范围下限，远低于设定范围下限，微低于设定范围下限，在设定范围内，微高于设定范围上限，远高于设定范围上限，超高于设定范围上限}。WP的论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。得到的温度偏差变化率WP隶属度见表2。

表2 温度偏差变化率WP隶属度

将比例电磁阀的开度V分为5个模糊集，即{OF，OB，OM，OS，CL}，对应的比例电磁阀物理状态分别为{全开，大开，半开，微开，关闭}。V的论域为{0.0，0.5，1.0，1.5，2.0}。得到的比例电磁阀开度V隶属度见表3[5]。

表3 比例电磁阀开度V隶属度

本设计采用工程上常用的三角形隶属度函数作为模糊控制系统子集的隶属度函数，它具有计算简单和占用内存小的优点，其数学表达式为：

根据现场实际操作经验制定的模糊控制规则见表4，共49条，如温度采样值远低于设定范围下限，温度偏差采样值远低于设定范围下限，比例电磁阀全开；温度采样值微低于设定范围下限，温度偏差采样值微低于设定范围下限，比例电磁阀半开。对模糊推理得到的模糊集合，可采用最大隶属度法对它进行反模糊化。

表4 模糊控制规则

3 仿真与结果分析

在Matlab软件中，对二次供回水温度差值WD和温度偏差变化率WP进行Simulink仿真[6]。进入隶属度函数编辑器修改输入语言变量的论域为(-3，3)，输出语言变量的论域为(0，2)，并将输入输出隶属度函数选择为三角形隶属度函数。得到温度差值WD隶属度函数、温度偏差变化率WP隶属度函数、比例电磁阀开度V隶属度函数分别如图3～5所示。

图3 温度差值WD隶属度函数

图4 温度偏差变化率WP隶属度函数

图5 比例电磁阀开度V隶属度函数

建立输入输出模糊变量子集后，在Simulink模糊控制器Rule Editor(图6)中添加模糊控制规则，共49条。

图6 Rule Editor界面

在Simulink环境下对热网远程控制系统进行仿真实验[7]，仿真程序如图7所示，仿真结果如图8所示。可以看出，系统响应速度快，超调量小，系统稳定控制时间短，控制精度高，控制效果稳定性好。

图7 热网远程控制系统模糊控制仿真程序

图8 热网远程控制系统模糊控制仿真结果

4 结束语

笔者针对以往热网计量管理系统存在的不足，设计了一个基于模糊控制算法的热网远程控制系统。对系统二次供回水温差制定了模糊控制规则，并在Simulink环境下建立了模糊控制程序。仿真结果表明：基于模糊控制算法的热网远程控制系统具有控制响应速度快、超调量小及鲁棒性强等特点，具有一定的应用推广价值。

[1] 王庆峰.集中供热系统运行调节优化及热负荷预测方法研究[D].济南:山东大学,2010.

[2] 于洋,肖胜伦,王翠竹.基于无线射频通信及GPRS技术的热网监控系统[J].仪表技术与传感器,2009,(3):61～63.

[3] 高娜.热网流量智能控制系统的设计与研究[D].鞍山:辽宁科技大学,2012.

[4] 姜东旭.火电厂锅炉主汽温智能PID控制研究[J].中国电力教育,2013,(8):225～226.

[5] 田思庆,魏强,吴桂云,等.火电厂主汽温度串级模糊控制系统应用研究[J].化工自动化及仪表,2014,41(11):1273～1276.

[6] 张齐生,李亚南,吴传辉,等.基于MATLAB的高压腔电液压力伺服控制系统设计及仿真[J].液压与气动,2015,(4):79～82.

[7] 徐奔腾,林勇,温阳东.锅炉汽包水位的变论域模糊PID控制[J].化工自动化及仪表,2016,43(5):467～470.

FuzzyControlinRemoteControlSystemforHeatingNetwork

TIAN Si-qinga,b, CAO Yub, ZHANG Bing-quanb, ZHENG Jia-fengb
(a.CollegeofInformationScienceandElectronicTechnology; b.CollegeofMechanicalEngineering,JiamusiUniversity)

The working process of remote control system in the heating network was introduced; applying the fuzzy control in the remote control system was implemented, including the fuzzy controller design for the heating network. The simulation result shows that, this fuzzy control-based remote control system has fast response, small overshoot, short time for stable control, high control accuracy and better control effect.

fuzzy control, control system for heating network, temperature difference of return water in secondary supply, Matlab

TH865

A

1000-3932(2017)02-0134-04

2016-08-22，

2016-09-23)

佳木斯大学应用重点项目(12Z2201526)；佳木斯大学研究生科技创新项目(LZ2016_002)。

田思庆(1965-)，教授，从事农业电气化与自动化的研究。

联系人曹宇(1991-)，硕士研究生，从事农业电气化与自动化的研究，1315766172@qq.com。