劉 溪

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030002； 2.太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 太原 030002)

集中供熱是將熱水集中向一個(gè)多種熱用戶的較大區(qū)域供應(yīng)熱能的系統(tǒng)。隨著城市熱力事業(yè)的不斷發(fā)展，供熱面積擴(kuò)大迅速，用戶和熱力站數(shù)量逐年增多，集中供熱在運(yùn)行模式、運(yùn)行機(jī)制等方面發(fā)生了深刻的變化。隨著集中供熱的成熟化，集中供熱控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度也越來越精細(xì)，涉及到的熱力站及用戶越來越多，由于用戶和熱力站分布在不同的地理位置，而熱源遠(yuǎn)離中心城區(qū)，造成大部分熱力站自身資用壓頭不夠，需在下游眾多熱力站適當(dāng)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一次側(cè)管道分布式變頻泵(回水加壓泵)以實(shí)現(xiàn)壓差控制，在前端熱力站無加壓泵，而后端下游熱力站大面積啟動(dòng)加壓泵的情況下，如何對整個(gè)熱網(wǎng)進(jìn)行水利平衡調(diào)節(jié)，保證熱網(wǎng)中所有熱力站快速達(dá)到其所需要的溫度及流量，需要一個(gè)統(tǒng)一快速自動(dòng)化的調(diào)節(jié)控制。

如圖1所示，在熱力站自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過加裝在一次主回路側(cè)變頻泵和各個(gè)輔回路側(cè)調(diào)節(jié)閥達(dá)到控制系統(tǒng)流量的目的。變頻泵保證所控?zé)崃φ镜目傮w供熱效果滿足預(yù)設(shè)的要求，而每個(gè)調(diào)節(jié)閥保證分系統(tǒng)的供熱效果滿足預(yù)設(shè)要求，綜合調(diào)節(jié)下保證二次網(wǎng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值。但由于地理及其他因素的影響使得不同的供熱站所攜帶的二次網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)量不定，對于自動(dòng)調(diào)節(jié)增加了復(fù)雜性。而集中供熱控制系統(tǒng)是多個(gè)熱力站控制系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)，在每個(gè)熱力站控制系統(tǒng)的前提下對全網(wǎng)的熱力站進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證全網(wǎng)水利工況的平衡。

對于該種運(yùn)行模式下的供熱系統(tǒng)，常見的自動(dòng)控制調(diào)節(jié)方法為先采集人工控制規(guī)則：1)分布式變頻泵的調(diào)節(jié)要考慮分系統(tǒng)閥門開度，熱力站整體供熱效果差時(shí)優(yōu)先開大各分系統(tǒng)閥門；2)熱力站整體供熱效果好時(shí)優(yōu)先降低循環(huán)泵頻率；再采用模糊PID控制，因?yàn)槟：刂撇灰笳莆帐芸貙ο蟮木_數(shù)學(xué)模型，正符合了熱力站的復(fù)雜工況，然后將變頻泵和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)目標(biāo)進(jìn)行PID解耦,但解耦的精度依賴系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度，再而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。同時(shí)根據(jù)調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)，如將變頻泵所轄的各換熱系統(tǒng)的二次網(wǎng)供回水平均溫度與全網(wǎng)目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，同時(shí)將每套換熱系統(tǒng)的二次網(wǎng)供回水平均溫度與本變頻泵所轄的各換熱系統(tǒng)的二次網(wǎng)的供回水平均溫度進(jìn)行比較，保證變頻泵所轄的各換熱系統(tǒng)供熱效果的局部均勻性，修正PID參數(shù)，以提升性能指標(biāo)。由于變頻泵與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥解耦的準(zhǔn)確度及調(diào)節(jié)參數(shù)的不適應(yīng)性，使得有時(shí)當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度開至最大，而某些二次側(cè)溫度仍未達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值，同時(shí)在同一個(gè)熱力站系統(tǒng)中，其他二次側(cè)溫度已到達(dá)預(yù)定目標(biāo)；當(dāng)加壓泵頻率或檔位發(fā)生變化時(shí)，對周圍其余熱力站水利工況影響較為劇烈，過度頻率或檔位調(diào)整會(huì)造成局部的水利失調(diào)，進(jìn)而引起整個(gè)供熱系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

針對熱網(wǎng)系統(tǒng)慣性大，較為滯后及常見調(diào)節(jié)方法的缺陷，提出一種新型自動(dòng)控制調(diào)節(jié)方法：多模態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID解耦調(diào)節(jié)法。將后級(jí)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等效變換成非線性積分環(huán)節(jié)，對變頻泵進(jìn)行多模態(tài)調(diào)節(jié)，根據(jù)模型將其近似變換等效為各個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制輸入，不再與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行同步輸入解耦，對同一系統(tǒng)中的多輸入電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID解耦，以配合多模態(tài)輸入情況下PID參數(shù)的多變性。其調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

由于熱力站運(yùn)行條件的變化將引起模態(tài)切換，而不同模態(tài)給出的控制器不相等，所以在變頻泵模態(tài)切換過程中存在擾動(dòng)，故根據(jù)隸屬度函數(shù)對各個(gè)空間的控制器進(jìn)行加權(quán)綜合得出多模態(tài)控制器的輸出。從而消除了在熱力站運(yùn)行條件變化時(shí)帶來的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平滑控制。對于1個(gè)只帶2個(gè)二次網(wǎng)的熱力站控制系統(tǒng)，其輸入為1個(gè)變頻泵與2個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，將此系統(tǒng)特性變化的參數(shù)空間進(jìn)行分割，可分得4個(gè)(1號(hào)未達(dá)到/2號(hào)未達(dá)到、1號(hào)達(dá)到/2號(hào)未達(dá)到、1號(hào)未達(dá)到/2號(hào)達(dá)到、1號(hào)達(dá)到/2號(hào)達(dá)到)模態(tài)的各個(gè)子空間。應(yīng)用新的解在線耦方式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器。與PID控制器一起形成多輸入多輸出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID解耦控制器。對于2個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID解耦，等效成多模態(tài)下的非線性環(huán)節(jié)。求取系統(tǒng)多線性微分方程后利用控制量公式整定PID參數(shù)。

ui(k)=ui(k-1)+Δui(k)。

其中，ui(k)為第i個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e(k)為偏差信號(hào)；Kp為比例增益；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)；Ts為采樣周期。

針對熱力站變頻泵控制的特點(diǎn)，將后級(jí)系統(tǒng)等效成非線性進(jìn)行多模態(tài)控制，提高系統(tǒng)響應(yīng)，后級(jí)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制具有學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)閾值，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，而且結(jié)構(gòu)簡單易于計(jì)算。這種調(diào)節(jié)方式改善了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)的缺陷，提升了熱力站控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。