劉智民 杜春梅 代長(zhǎng)明 宋盼想

河北建筑工程學(xué)院 河北 張家口 075000

正文：

0 引言

供熱系統(tǒng)由熱源、管網(wǎng)及用戶等組成，為了保證供暖質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)供水溫度的控制尤為重要。目前實(shí)際工程中的溫度控制十分常見(jiàn)，而溫度控制具有慣性和滯后性，對(duì)于存在滯后性的供熱系統(tǒng)，其滯后性會(huì)給控制系統(tǒng)帶來(lái)較大的影響，常見(jiàn)的控制方式難以滿足要求，運(yùn)用PID算法效果也欠佳。因此，本文提出一種控制方法，設(shè)計(jì)一種控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)供水溫度的控制，其原理為：在供水管道處安裝溫度變送器，檢測(cè)供水溫度，并將其采集到的信號(hào)反饋到控制器，經(jīng)運(yùn)算后再將控制信號(hào)傳送給電磁調(diào)節(jié)閥，對(duì)閥門開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。該控制方法簡(jiǎn)單直接，使控制器在整個(gè)調(diào)控過(guò)程中帶來(lái)的信息傳輸?shù)臅r(shí)延性減小。

1 供熱系統(tǒng)的溫度控制原理

本文設(shè)計(jì)的供熱系統(tǒng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)方式，該調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)是管路水力工況穩(wěn)定，操作方便。電鍋爐供熱系統(tǒng)中供水溫度控制原理如圖1所示，被控對(duì)象是流入用戶端的的供水溫度，蓄熱水箱流出的高溫水與用戶回水混合，通過(guò)電磁三通調(diào)節(jié)閥輸出混水給用戶供暖。在用戶供水管道處安裝溫度變送器，將采集到的溫度信號(hào)反饋到控制器，控制器將檢測(cè)值與給定值進(jìn)行比較計(jì)算后發(fā)出控制信息（控制指令），執(zhí)行器接收到控制指令后對(duì)電磁三通閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。電磁三通閥開(kāi)度由0至10分別表示最小開(kāi)度與最大開(kāi)度，開(kāi)度越大供水溫度越高，直至檢測(cè)值與給定值相符為止。相應(yīng)的，若檢測(cè)到供水溫度比給定溫度值高，則調(diào)小閥門開(kāi)度，直至檢測(cè)值與給定值相符為止。

圖1 供熱系統(tǒng)供水溫度控制原理圖

在此供熱控制系統(tǒng)中，不考慮管網(wǎng)的復(fù)雜性和難控性，假設(shè)管道熱損耗為用戶用熱量的3%，根據(jù)熱平衡關(guān)系建立簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，如式（1）所示。

對(duì)式（1）兩邊進(jìn)行拉氏變換，得

因?yàn)樵趯?shí)際工程中存在純滯后環(huán)節(jié)，故數(shù)學(xué)模型應(yīng)再串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，滯后時(shí)間常數(shù)為，得

由式子（3）得供水溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為式

供水溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)帶純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性環(huán)節(jié)，輸出量為供水溫度，輸入量為熱源供給熱量，可通過(guò)電磁三通調(diào)節(jié)閥控制。

2 供水溫度控制的設(shè)計(jì)

大林算法是由美國(guó)IBM公司的大林（Dahllin）于1968年針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中含純滯后的控制對(duì)象的控制算法，該算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將期望的閉環(huán)響應(yīng)設(shè)計(jì)成一階慣性加純滯后，然后反過(guò)來(lái)得到能滿足這種閉環(huán)響應(yīng)的控制器。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

在圖2所示的控制系統(tǒng)中，Gc(z)為數(shù)字控制器，Gp(z)為控制對(duì)象，則閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

如果事先設(shè)定系統(tǒng)的閉環(huán)響應(yīng)φ(s)，則可得控制器為

大林算法確定，期望的閉環(huán)響應(yīng)是一階慣性加純滯后，純滯后時(shí)間等于對(duì)象的純滯后時(shí)間常數(shù)τ。

Z變換后得系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為

加入零階保持器，將被控對(duì)象模型轉(zhuǎn)換為

3 仿真結(jié)果

設(shè)供水溫度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為0.06s，溫度變送器安裝點(diǎn)與執(zhí)行器之間的管道l=6m，供水管道直徑d=125mm，管道中水的流量u=39.5m3/h，管道中水的流速為0.95m/s，純滯后時(shí)間的計(jì)算方法經(jīng)計(jì)算得延時(shí)時(shí)間為6.7s左右，將TD=40，6.7

等參數(shù)代入上述相應(yīng)公式中得到：

給定溫度為45℃和50℃時(shí)，用Matlab仿真得到系統(tǒng)響應(yīng)圖分別為圖3、4所示。

圖3 給定溫度45℃系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果

圖4 給定溫度50℃系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果

圖中縱坐標(biāo)代表實(shí)際輸出溫度，橫坐標(biāo)代表響應(yīng)時(shí)間。圖中曲線顯示：超調(diào)量很小，趨近于零，上升時(shí)間2S，穩(wěn)態(tài)誤差趨近于零，該溫度控制系統(tǒng)能夠快速跟蹤給定值并且控制效果良好。仿真結(jié)果說(shuō)明采用大林算法設(shè)計(jì)的供水溫度控制系統(tǒng)超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小。大林算法是解決帶有較大滯后控制系統(tǒng)的一種較理想的控制算法，本文采用大林算法編寫的控制算法達(dá)到了控制供水溫度的目的，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

4 總結(jié)

本文將大林算法應(yīng)用于電鍋爐供熱系統(tǒng)模型之中來(lái)解決控制系統(tǒng)中純滯后問(wèn)題，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)控制器算法進(jìn)行仿真得到響應(yīng)曲線。結(jié)果表明，此方法響應(yīng)速度快，控制溫度穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了減少超調(diào)量且控制迅速的目的，控制效果理想。