劉春蕾 王 晨 高 天 王 毅 王培齊 王 碩

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

根據(jù)《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017-2021年)》，至2021年，電鍋爐供暖面積將達3億平方米.而眾所周知的是，“三北”地區(qū)可再生能源極為豐富，為了促進風光電等可再生能源的充分利用，需要極大提高晚間富余風電的利用率，向社會鼓勵建設(shè)電蓄熱供暖設(shè)施.

固體蓄熱電鍋爐具有許多明顯的優(yōu)勢，如蓄熱迅速、結(jié)構(gòu)嚴密、運行有保障、高效無污染等.使得其在集中供熱系統(tǒng)的應用越來越廣泛和普遍,而隨著集中供熱系統(tǒng)的不斷改進,熱網(wǎng)電氣自動控制成為了集中供熱系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢[1].由此可見,加深加快對源網(wǎng)控制系統(tǒng)的研究十分緊迫.

1 運行原理

固體蓄熱電鍋爐由高密度蓄熱鎂磚、強電阻絲、換熱器、電磁風閥、風機、循環(huán)泵、補水泵以及各類型傳感器等組成.當高壓電源接通后，電熱絲開始加熱工作，發(fā)出的熱量由蓄熱磚吸收存儲.當爐內(nèi)高密度蓄熱鎂磚溫度達到設(shè)定值時，將控制高壓電源自動斷開.當?shù)竭_所設(shè)置的放熱時間時，循環(huán)泵和各風機就會依次自動啟動.首先，各風機在變頻器的控制下驅(qū)動空氣快速拂過高溫鎂磚，變成幾百攝氏度的高溫空氣.隨后，熱空氣在通過換熱器時把熱量傳給循環(huán)水，使其溫度升高.最后，加熱升溫后的供暖用水在循環(huán)泵的動力驅(qū)動下循環(huán)往復地流向熱用戶，完成最終的熱交換.其工藝流程圖如圖1所示[2]：

圖1 電加熱固體儲能供熱系統(tǒng)工藝流程圖

2 控制方案

2.1 方案介紹

該系統(tǒng)熱源為固體蓄熱式電鍋爐，其中包括2個蓄熱體(均為1.5MW)，6臺可變頻風機，4個換熱器，循環(huán)泵與補水泵均為一用一備.

由于該供熱管網(wǎng)系統(tǒng)屬于非線性、大滯后系統(tǒng)，而單純的PID控制方式又很難達到令人滿意的結(jié)果，且抗干擾能力差，所以考慮采用內(nèi)模串級PID控制方式.在工業(yè)控制過程中，大滯后控制對象和擾動頻率高的場合就較多的用到了串級控制系統(tǒng).內(nèi)?？刂朴心芰Ψ謩e優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)響應性能與抗擾動性能，并且能夠簡化常規(guī)PID的三個參數(shù).循環(huán)泵由常規(guī)PI控制器調(diào)控.與此同時，將二次供水流量作為副被控對象，組成一級閉環(huán)系統(tǒng)；將用戶室內(nèi)溫度作為主被控量，經(jīng)過IMC-PID控制器組成二級閉環(huán)系統(tǒng)，這樣便構(gòu)成了室內(nèi)溫度控制的內(nèi)模串級PID控制系統(tǒng).對于二次供水溫度，可根據(jù)室外溫度的不同采用傳統(tǒng)PID控制方式即可，且對一定情況的室外溫度，二次供水溫度可保持不變.

圖2 循環(huán)泵控制

2.2 串級控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

其中圖3可轉(zhuǎn)換為下形式：

圖3 串級控制結(jié)構(gòu)圖

這時再利用等效副對象對上圖進行簡化，將其等效簡化為一個單回路控制系統(tǒng)，且等效副回路的傳遞函數(shù)用G02(s)表示，如圖4所示：

圖4 串級控制系統(tǒng)等效簡化圖

由圖4可知，

G02(s)=Y2(s)/R2(s)=[Gc2(s)G2(s)]/[1+Gc2(s)G2(s)Gm2(s)]

(1)

假設(shè)G2(s)=K2/[1+T2.s]，Gc2(s)=Kc2，Gm2(s)=Km2，則式(1)可以寫成：

G02(s)=K02/[1+T02.s]

(2)

其中T02=T2/[1+Kc2Km2K2],K02=[Kc2K2]/[1+Kc2Km2K2].

由式(2)可以看出，1+Kc2Km2K2恒大于1，換言之T02只是T2的1/[1+Kc2Km2K2]倍，而且隨著Kc2的增大，T02會進一步減小.

當擾動F2(s)發(fā)生時，先對供水流量產(chǎn)生影響，再通過G02(s)又對室內(nèi)溫度產(chǎn)生影響.對于控制系統(tǒng)來說，Y1(s)/F2(s)越趨近于零，Y1(s)/R1(s)越趨近于1，則表示該系統(tǒng)的控制精度越高，抗干擾能力也越強.因此串級控制系統(tǒng)的抗干擾能力可以表示為：

[Y1(s)/R1(s)]/[Y1(s)/F2(s)]=Gc1(s)Gc2(s)

(3)

如果主、副調(diào)節(jié)器均只采用比例環(huán)節(jié)，且其比例系數(shù)分別為Kc1、Kc2，

則[Y1(s)/R1(s)]/[Y1(s)/F2(s)]=Gc1(s)Gc2(s)=Kc1Kc2

(4)

由上式可以看出，此時整個系統(tǒng)的抗擾動性能有所提高.同理，單回路控制系統(tǒng)亦是如此.而在一般情況下，Kc1Kc2>K(K為單回路控制系統(tǒng)控制器比例系數(shù)).因此，一般情況下，與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)抗擾動性能更好一些.

2.3 內(nèi)模PID控制器設(shè)計

內(nèi)?？刂剖腔谶^程數(shù)學模型進行控制器設(shè)計的先進控制策略，具有設(shè)計方便、調(diào)節(jié)參數(shù)直觀、抗干擾能力強等優(yōu)點[3].其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)

由圖所示，R(s)為控制系統(tǒng)輸入，Gimc(s)為內(nèi)模控制器，G(s)為被控對象數(shù)學模型，Gm(s)為內(nèi)部模型，D(s)為系統(tǒng)擾動，Y(s)為控制系統(tǒng)輸出[4].由上圖可得到該閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

(1)

由上式可以看出，如果G(s)與Gm(s)相等，即G(s)=Gm(s)時，傳遞函數(shù)：

Y(s)=Gimc(s)G(s)R(s)+[1-Gimc(s)Gm(s)]D(s)

(2)

假設(shè)現(xiàn)在Gimc(s)=1/Gm(s)

(3)

則可使得Y(s)=R(s)

(4)

因此，此時系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤能力得到了很大改善.

而在實際的生產(chǎn)控制過程中，自身所搭建的對象模型總是不完美.換言之，G(s)與Gm(s)并不會完全相等，并且有時候1/Gm(s)是不存在的，因此理想的內(nèi)?？刂剖菬o法實現(xiàn)的.所以，在實際過程中內(nèi)?？刂菩枰黾酉鄳臑V波環(huán)節(jié)，其具體步驟如下[5]：

先令Gm(s)=Gm+(s)Gm-(s)

(5)

把與被控對象階次一致的濾波器環(huán)節(jié)加在Gm-(s)上，此目的是為了提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力.

定義內(nèi)模控制器為Gimc(s)=[1/Gm-(s)]Gf(s)

(6)

且

(7)

式中：Gf(s)為濾波器；ε為濾波器參數(shù)；γ為內(nèi)部模型Gm(s)的相對階次.

由式(7)可知，在上述設(shè)計過程中，ε是唯一需要設(shè)計的參數(shù)，且由上式可以看出ε決定了整個系統(tǒng)魯棒性和快速響應性能的好壞.

當在現(xiàn)實中設(shè)計內(nèi)模PID控制器時，要先對圖5進行等效變換，如下圖6所示：

圖6 內(nèi)?？刂频刃ё儞Q結(jié)構(gòu)

Gc(s)為變換后的等效控制器.為了構(gòu)造內(nèi)模PID控制器，數(shù)學變換步驟如下：

根據(jù)圖6可得：Gc(s)=Gimc(s)/[1-Gimc(s)Gm(s)]

(8)

再結(jié)合式(6)、式(7)，可得：

Gc(s)=[Gf(s)/Gm-(s)]/[1-Gf(s)Gm(s)/Gm-(s)]

(9)

且令：

(10)

首先可令γ=1，并將滯后環(huán)節(jié)用一階泰勒公式逼近，可得：

(11)

再將式(11)代回式(10)，可得：

Gm(s)=[K/(1+Ts)][1-τs/2]/[1+τs/2]

(12)

且有：Gm-(s)==[K/(1+Ts)]/[1+τs/2]

(13)

最后將式(7)、式(12)、式(13)代入式(9)中，整理可得：

Gc(s)=[(1+Ts)(1+τs/2)]/[Ks(ε+τ/2)]

(14)

又知傳統(tǒng)PID控制器的傳遞函數(shù)為Kp[1+(1/Tis)+Tds]，現(xiàn)將控制器Gc(s)進行等效變換，得到：

五天之后，燈草老爹又燒出了三窯瓦。這一次，刁德恒格外小心，運回營門口碼成一堆，立即用油布蓋了起來，并加了崗哨，日夜看守，生怕有半點閃失。

(15)

所以，Kp=[T+τ/2]/[K(ε+τ/2)]

(16)

Ti=T+τ/2

(17)

Td=[Tτ]/[2(T+τ/2)]

(18)

由此可見，相對于單純的PID控制器，此時我們只需調(diào)整一個參數(shù)ε.

2.4 內(nèi)模串級PID控制結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

綜上所述，為了實現(xiàn)最終的內(nèi)模串級PID控制結(jié)構(gòu)，首先需要進行大量的工程試驗，并結(jié)合設(shè)備自身特性，運用基本自動控制理論，建立好循環(huán)泵和被控對象的數(shù)學模型，即G(s)；然后依據(jù)2.3中所述的設(shè)計步驟完成內(nèi)模PID控制器的設(shè)計；最后參照總體控制結(jié)構(gòu)圖2即可完成搭建.

整體搭建完畢之后，再將其轉(zhuǎn)換成PLC可以識別的程序語句重新投入使用，采集數(shù)據(jù)，并與之前單純的PID控制結(jié)構(gòu)相比較，從而驗證上述控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性.

3 實際工程應用

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)該系統(tǒng)的特點可知，PLC將成為CPU的不二之選.PLC可根據(jù)系統(tǒng)中各設(shè)備的運行參數(shù)和各傳感器傳回的實時數(shù)據(jù)，并通過事先編好的控制程序，最終實現(xiàn)對風機和循環(huán)泵的有效控制.部分相關(guān)設(shè)備如表1所示：

表1 相關(guān)設(shè)備參數(shù)

以RS485作為變頻器與PLC之間的通訊方式，便可實現(xiàn)PLC對循環(huán)泵和風機頻率實時調(diào)整.而傳感器用于實時監(jiān)測系統(tǒng)中各設(shè)備的運行參數(shù)，如：流量、壓力、溫度等，并將這些數(shù)據(jù)實時傳回至PLC的模擬量采集模塊中.部分傳感器型號如表2所示：

表2 傳感器型號

并且，相關(guān)PLC硬件配點圖如下所示：

圖7 PLC硬件配點圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

利用PLC系統(tǒng)專門的編程軟件STEP7-Micro/Win SMART，便可實現(xiàn)對系統(tǒng)整體控制程序的設(shè)計，并最終導入到PLC中.

首先要根據(jù)所選用PLC的CPU以及各擴展模塊的具體型號，來完成軟件系統(tǒng)塊整體配置；然后在通信項目欄中設(shè)置好PLC的IP地址，以保證PLC與其他設(shè)備(如觸摸屏)實現(xiàn)可靠連接；最后著手主程序與各功能塊子程序的編程設(shè)計.主要包括以下幾個部分：

(1)參數(shù)采集

實時監(jiān)測系統(tǒng)中各設(shè)備的運行參數(shù)，包括流量、壓力、溫度等，具體包括以下幾個部分：

①室內(nèi)外空氣溫度；

②風道入口風量；

③換熱器進/出口流量，壓力和溫度；

④供/回水總管的流量，壓力和溫度.

圖8 模擬量數(shù)據(jù)采集程序

(2)運行調(diào)控

運行控制主要以程序中的PID控制為主，分為軟件向?qū)Ш妥跃幩惴▋煞N，并設(shè)置好各PID回路中的增益、采樣時間、積分時間及微分時間，同時界定好作為PID回路中的過程變量室內(nèi)溫度以及輸出量電機頻率的數(shù)據(jù)類型與標定量，并分配好所需的寄存器數(shù)量和地址，最后便可通過PID實時調(diào)控風機和循環(huán)泵的運行頻率，使之能夠跟隨過程變量的變化而變化，最終使得系統(tǒng)二次供水溫度和用戶室內(nèi)溫度達到設(shè)定值，并能夠保持相對穩(wěn)定.在供水溫度一定的情況下，循環(huán)泵控制流程圖及相關(guān)程序分別如下：

圖9 循環(huán)泵PID控制程序

圖10 循環(huán)泵控制流程圖

(3)故障處理

PLC故障處理程序主要針對運行參數(shù)越限、設(shè)備故障輸出和斷電報警進行動作，其中主要包括：二次回水壓力低報警、電機變頻器運行故障和斷電保護等.

圖11 循環(huán)泵故障處理程序

4 結(jié) 語

本文以固體蓄熱電鍋爐供熱系統(tǒng)中的熱用戶室內(nèi)溫度為研究對象，結(jié)合內(nèi)模串級PID控制算法，提出了一種具有良好實踐意義的控制方案，并且最后根據(jù)該控制方案又提出了一套較為完整的控制系統(tǒng).利用此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，與單純的傳統(tǒng)PID控制器相比，其優(yōu)勢為很好地解決了系統(tǒng)的滯后性問題，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，而且只需將濾波器的一個參數(shù)進行調(diào)整，就可以使系統(tǒng)的動態(tài)指標得到改變，得到所需要的系統(tǒng)魯棒性.但目前系統(tǒng)本身卻也存在一些問題未解決，如運行過程中的信號干擾以及各個PID回路參數(shù)的實時整定問題，這就要求采取一些針對性的保護措施以及結(jié)合更多更加復雜的算法.