改进的PID算法在换热站控制系统中的应用
摘要：集中供热系统是一种重要的基础设施，集中供热系统在我国北方地区广泛应用。换热站是集中供热系统的中枢，其运行工况直接关系到用户的供热品质，通过对换热站的研究，不仅能够保证按需供热的质量，还能够保护环境和节约能源，具有非常重要的社会效益和经济效益。基于此，本文主要对改进的PID算法在换热站控制系统中的应用进行分析探讨。
关键词：改进的PID算法；换热站；控制系统；应用 前言
自动化监测和控制是集中供热系统供热可靠、节能运行、提高运行效率和降低运行成本的重要手段，其内容有流量、温度、压力、热量、历史数据记录、远程控制和报警等等。而对于换热站监控系统最为重要的是合理设定系统温度以及保证系统温度按照设定值稳定运行。但是由于换热站温度控制具有大惯性、纯滞后、时变性难以控制的特点，且不能建立精确的数学模型。调节供水温度，如果控制不当，调节过慢使响应时间过长，达不到系统要求，过快又易引起温度超调，甚至震荡。因此对于大时滞系统采用传统的PID控制器难以获得满意的效果。
1、换热站温度控制原理
换热站的二次回水最能反映用户室内温度情况，所以采用的基本控制策略就是要保证二次回水温为一个恒定的预设温度，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，保证二次回水温度的恒定。预设定温度根据室外温度计算得出，每个换热站均安装了室外温度传感器，通过公式计算出当前的预设定温度，这个设定点是随着室外温度的变化而改变的。换热站温度控制原理如图1所示。
2、数据通讯机制和系统功能实现
（1）系统检测通讯时间和巡检时间：每分钟的第20秒发送第一个实时数据包，第40秒发送第二个实时数据包，每小时的10分30秒、30分30秒和更改触摸屏时发送运行包。 （2）用二次回水压力控制补水阀，通过直接给定赫兹数来控制变频器，A5阀（一次侧供水电动阀）有五种工作模式，分别是手动、分时段定温度、分时段定热量、定流量、自动定温，中心可以下发参数来改变工作模式、时间段、温度、热量、流量。 （3）中心授权和通讯断开时下位机可以更改参数。
（4）上位可以发送累计清零命令，清零一次流量累计、一次热量累计、补水流量累计。 （5）上位可以发送循环泵停止命令。
（6）下位向上位发送数据和上位向下位发送数据都有反馈。 3、预设温度值
因为昼夜温度以及整个供暖周期温差变化较大，所以为了在节能的情况下满足供热需求，就必须合理地设置二次侧管网温度预设值。 3．1分时段定温
为了达到节能要求，换热站均采用分时段设定供暖温度，如在六点至十点，十五点至二十三点之间室外温度较低而用户家中通常有人时，给予高温采暖设置，而十点至十五点之间通常室外温度较高时，给较低温度设置值，这种分时段供暖方式在正常天气下既能保证供暖需要又能达到节能目的，但是当温度发生骤变时，不能做出及时反应。 3．2自动定温
为了解决分时段定温不能应对温度骤变情况这一问题，自动分温度段定温可以根据室外温度传感器实测温度数据来计算供暖温度的设定值，根据室外温度调整供暖设定值有多种方法：一种处理方法为了简化设定值算法，给外界温度设定上下限，与之相对应的当外界温度超过温度上限时给予低供暖值，而外界温度低于温度下限时给予高供暖值;另一种处理方法为根据温度传感器测得的室外温度实时计算供暖温度设定值。两种处理方法各有优缺点，第一种方法算法简单，粗略控制，不频繁调节设定值，较易实现，系统较稳定，工程实际中较多应用，但控制精度不高，控制较需求滞后。第二种方法，力求提高控制精度，但由于温度实时变化，运算负担重，且频繁调节预设值，系统稳定性较差。本设计采用两种方法的优点，将整个供暖期最高最低温度区间划分为五个分温度段供暖区，再结合预估计算法，根据当前温度和温度变化趋势选择不同的供暖区间预设定温度，这样既不用频繁的改变预设值，又能提前预知温度变化趋势，当确定温度在未来一段时间内将进入另一个温区时，提前启动改变预设值，有效地弥补了系统的大时滞缺点。在提高控制精度的同时满足系统稳定性要求。 根据对多组现场温度传感器实测室外温度数据分析得出，室外大气温度亦具有很大的惯性，阴天但是没有冷空气来袭时，温度变化幅度小，曲线平缓;晴天艳阳高照时，温度变化幅度较大。除冷暖空气来袭之外，温度变化趋势大体可归纳为八点至十四点的升温阶段，十四点至二十二点的降温阶段和温度平稳缓慢变化三阶段，一组现场实测温度如图2所示。
上位机定时读取温度数据，绘制温度曲线，由于传感器采集来的数据受多种因素干扰需要对数据处理。采用一种平均算法，用x（t）表示现在时刻取样值，A（t－1）表示上一个取样时刻已经修正的数据的平均结果，A（t）表示此刻数据的修正结果，则：
利用这种平均算法，当每个取样数据到来后，可以利用新数据对上次的平均结果进行更新，这样相对于每个取样数据，都会得到一个平均结果，随着一个个取样数据的到来，平均结果的信噪比越来越高。其中a为修正指数，根据实测数据选择适当指数，可以平滑温度曲线，修正实测结果。 4、温度控制算法
换热站温度参数具有惯性大，大时滞的特点，当控制系统要调整温度时，给定一个输入增量，监测回水温度，响应过程迟缓，系统温度增加并达到稳定状态需要60分钟甚至更长。根据被控对象的特点，系统温度不适宜频繁调整。 4．1预估计补偿
为了补偿温度系统大时滞和大惯性的特点，跟据温度曲线变化规律预测温度变化趋势，提前给予调整，对时滞起到一定的补偿作用。采用预测室外温度和预测二次侧管网输入响应温度变化相结合的预测方法。
4．2采样控制方案
对于大时延的被控过程，为了提高系统的控制品质，可以采用采样控制方案，其控制原理如图3所示，过程如下：当被控过程受扰动而使被控参数偏离给定值时，采样被控参数与给定值，保持其值不变，保持的时间与纯延时延大小相等或稍大些。当经过τ时间后，再按照被控参数与给定值的偏差及其变化方向与速度值来进一步加以校正，校正后又保持其值不变。再等待一个纯时延τ，这样反复上述动作规律，一步一步地校正被控参数的偏差值，使系统趋向一个新的稳定状态。
因为控制的是二次回水，根据现场测试，τ过大，如果按上述方法调节，系统反应过于缓慢，所以采用一种预测估计和采样控制相结合的方法：避免系统超调和克服大时滞性。 5、结束语
此换热站监控系统采用西门子S7－300PLC为下位机控制器，并采用威纶通6056i触摸屏为现场人机交互界面，改进了PID控制算法并结合上位机组态软件实现了一次网温度、压力，二次网供、回水温度和压力等主要参数的实时在线监控和网络远程监控两大功能，并具有数据存储和分析、历史数据查询、诊断故障及报警等功能，具有手动和自动两种控制方式，供热公司可以及时准确地了解现场运行情况、调整运行参数，从而能有效提高整个集中供热系统运行的安全性、稳定性和经济性。此换热站控制系统在大庆龙岗、庆新等换热站运行结果表明，控制精度和系统稳定性满足设计要求。 参考文献：
[1]于晓娟，顾吉浩，齐承英，孙春华.几种集中供热负荷预测模型对比[J].暖通空调，2019，49（02）：96-99.
[2]贠卫国，孙阳阳.基于参数自适应Fuzzy-PID换热站温度控制系统的设计[J].化工自动化及仪表，2013，40（03）：353-356+371.
改进的PID算法在换热站控制系统中的应用
