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1、热网节能控制系统的研究与设计摘要本文以实验室热网装置的控制为基础，旨在对集中供热网的运行调节和控制方法进行研究，主要进行了以下几方面的工作:对国内外集中供热系统的运行调节和控制技术进行了概述，并从按需供热和均匀供热的角度进行了进一步阐述。然后针对我国集中供热网的特点和存在的问题采用了适合国情的基于温度的流量控制方法。系统地讨论了集中供热系统流量调节的PID控制策略，并针对集中供热网这种具有大滞后、大惯性、非线性、强耦合特性的系统。不完全微分PID控制器能够合理的分配各热力子站一次网侧的流量，使各用户二次网供回水平均温度趋于一致，进而实现全网内热量的合理分配，提高供热网的供热质量，达到了集中供热
2、的整体目标即稳定供热和均匀供热。关键词:集中供热网;按需供热;均匀供热;PID控制的原理和设计Network of Saving energy control system Research and DesignAbstractIn this paper, the network of the control device for laboratory based, for the purpose of the central heating nets operation adjustment and the control methods, focused on thefollowing a
3、spects: the work at home and abroad to central heating the operation of the system to adjust and control technology are reviewed, and heating and even as required from the point of view of the heating are further described. Then for our country of central heating nets characteristics and problems ar
4、e suitable for the temperature control method based on the flow rate. Systematically discusses the central heating system flow regulation PID control strategy, and in the light of the central heating nets that can delay, large inertia, nonlinear and strong coupling characteristics of the system. Not
5、 completely differential PID controller can reasonable distribution of the thermal son stood a nets side flow, make each user secondary nets supply and return water average temperature uniformity, and achieve the reasonable distribution of the heat in the entire network, improve the quality of heati
6、ng heating nets, to the integral goal of central heating supply system is stable and uniform heating heating. Key Words：District Heating Networks; On-demand heating; Evenly heating; PID control principle and design 目录摘要IAbstractII绪论11.1课题研究背景11.2集中供热系统总体控制的必要性21.3国内外集中供热网控制现状31.3.1国内外供热网控制的基本原理31.3.
7、2国内外集中供热网控制实现方式31.4计算机技术在集中供热领域的应用42 集中供热网工艺概述62.1集中供热系统的特性62.2集中供热系统控制的概述62.2.1按需供热72.2.2均匀供热83 集中供热系统控制的基本方法143.1热力站换热器的机理建模143.2 PID的原理和控制153.3模型的建立174 模型仿真及结果分析204.1模型的仿真204.2系统的仿真结果分析22结束语23致谢24参考文献25绪论目前集中供热已成为我国北方冬季供热的一种主要形式，与以往采用的分散供热相比，集中供热具有减少环境污染、节约能源等优点。因此，集中供热获得了越来越广泛的应用。随着供热网规模的增大，如何对集
8、中供热系统进行合理的调节和控制，使全网的运行状态最优、供热质量最好、成本最低，提高热网的经济和社会效益成为供热行业急需解决的问题，也是我国的供暖和控制专家一直在研究的课题。随着我国集中供热的发展，我国的供暖和控制科研人员研究提出了一系列的调节和控制手段，适合我国国情，取得了一定的成果，但同时还存在一些问题，需不断发展和研究。集中供热网由于存在非线性、时变性、大的时间滞后环节等因素，同时各热力子站之间的流量调节具有交互耦合性，管网的很多参数又是随着具体情况而改变的，因此很难建立精确的系统数学模型。这样就无法用传统的基于精确模型的控制系统理论进行控制。因此，要进行集中供热网的优化调度方法的研究，根
9、据集中供热网本身的特点，选择合适的优化调度方法，实现对供热网多变量对象的整体控制。从而实现对集中供热网整体的调节与控制，实现全网内热量的合理分配，提高供热网的供热质量，达到稳定供热和均衡供热，为人们创造良好的工作和生活环境。随着近年来节能、降耗及环保意识的增强，通讯技术与计算机技术的发展，以往采用的分散供热的方式已由联网集中供热取代，集中供热已成为我国北方冬季供热的一种主要形式，并且获得了越来越广泛的应用。实行集中供热是合理利用能源，提高能源利用率，减少环境污染，促进生产，改善人民生活，加速城市现代化建设的有效措施和重要途径。1.1课题研究背景在我国北方广大地区，冬季城市供热是人们普遍关心的问
10、题。随着社会的发展，节能、降耗、环保意识的增强，特别是工业自动化技术水平的提高，供热方式也在发生深刻的变化，供热正逐步由集中供热取代以往的分散供热方式，在减少城市环境污染、节约能源方面起到了重要作用。当前能源和环保问题越来越多地受到关注，能源节约、环境保护、经济可持续发展已成为我国的基本国策。取暖是寒冷地区生活的必要条件，所以供热行业成为了对国民经济发展有着全局性、先导性影响的基础产业，与人们的生活息息相关。目前，对城市供热的要求，已不仅仅在于规模的不断扩大，而且对供热系统的合理性、经济性，特别是供热系统的能源有效利用率及供热可靠性提出了更高的要求。集中供热这种供热模式逐渐为许多城市所接受。集
11、中供热是指以热水或蒸汽作为热媒，利用一个或多个热源通过供热管网、热交换站等，向一个城市或城市中较大区域的各热用户提供热能的方式。集中供热是相对于分散小联片锅炉房供热而言的。集中供热之所以得到了迅速发展，是与其自身特点分不开的，集中供热与分散供热比较，有很多优势。首先：减少大气污染。用一个集中的热源热电厂或集中供热锅炉房，代替众多的分散的锅炉；用一个高烟囱代替数百个低矮的小烟囱，变面源排放为点源排放，大大的减少了环境污染。其次：大大节约能源。利用热电厂大容量、高效率的锅炉，代替小容量、低效率的锅炉，达到节约能源的目的。所以，城市集中供热是节能、环保的重要途径，是城市现代化的主要基础设施之一，也是
12、经济发展，改善人民群众物质生活的重要标志之一。1.2集中供热系统总体控制的必要性城市集中供热是指以热电厂或区域锅炉房为热源，经供热管道将热媒(水蒸汽或热水)输送给一个或几个区域的工业及民用热用户的热能供应方式。其主要任务是按照热用户的需要和要求，可靠地经济地把热能从热源输送给各个热用户和用热设备1。 集中供热系统是由热源，供热管网和热用户用热系统三个部分组成的。热源是指在区域锅炉房或热电厂内，利用燃料燃烧所产生的热能，加热供热系统热媒(水蒸汽或热水)的供热设备。供热管网是指将热源产生的热媒输送给各热用户的管路系统及其输送设备。热用户用热系统是指热用户内的采暖系统，生活用热水供应系统和生产用热系
13、统及其用热设备。供热电厂提供的高温过热蒸汽经电厂换热站汽水换热器形成高温热水由一次管网送至各热力站，高温热水再经热力站水水换热器形成供暖热水由二次管网送至用户。这样若干个热力站实行独立调节，则不能从整体上进行控制，将出现在热源不足的情况下产生各热力站“争食”现象，使热网末梢热力站无热可供，造成热用户水平失调及垂直失调，各供热小区冷热不均，供热质量难以保证，无法实现整个热网的优化与协调2。同时在热量充足的情况下可能出现超供浪费现象，也难以达到降低能耗、提高经济效益的目的。1.3国内外集中供热网控制现状集中供热网的运行调节和控制是一项跨学科的综合技术，是保证热力设备安全和经济运行的必要技术措施，对
14、提高供热网的整体运行质量意义十分重大。这一技术的研究与发展直接关系到城市居民居住环境质量，关系到城市建设的发展，体现着供热、控制领域的科研和应用水平。1.3.1国内外供热网控制的基本原理在集中供热网的运行和调节这一领域，北欧的一些国家发展较早，技术较为成熟，形成了他们的一套方法;同时随着我国集中供热的发展，我国的供暖和控制科研人员研究提出了一系列的调节和控制手段，又形成了另一套方法，比较适合我国的国情，取得了一定的成果。北欧国家采用的方案主要是基于流量调节4。即:一方面控制供热系统最不利环路的供回水压差不小于给定值，当供回水压差小于给定值时，启动供热系统中有关的增压泵，以维持要求的压差值，使供
15、热系统全网的循环流量达到设计要求;另一方面，供热量的调节(满足设计室温的要求)，则是通过热源的集中调节和用户热入口(多为间接连接)的局部调节以及散热器处恒温调节器(即温控阀)的个别调节进行的。可见，北欧国家所采用的这种方案实际是四个环节的控制5，即室内的恒温控制，热入口的流量控制，热源的燃烧控制，在此基础上实现供热网的供回水压差控制。此外，俄罗斯受地理环境的影响6，发展供热系统较早，目前也比较完善，是世界上集中供热最发达的国家之一，在集中供热控制的实现中有很多经验值得借鉴。1.3.2国内外集中供热网控制实现方式一、城市集中供热管网的设计优化7-10 城市集中供热管网在设计过程中必须考虑以下方面
16、的优化设计问题:热负荷的类型及确定:集中供热系统的热负荷包括采暖、通风、热水供应和生产工艺等热负荷，必首先明确系统的热负荷类型并在此基础上反复计算和核定热负荷的大小。供热热指标的确定:热指标是供热工程中的一项重要参数，取值是否合理直接影响初投资和运行经济性。供热管网的布置方式:包括枝状管网、环状管网和网格状管网等布置方式，将直接影响供热管网的安全性和经济性。供热管网的敷设方式:包括架空敷设、地沟敷设和直埋敷设等方式，普遍认为在城市集中供热区域以采用直埋敷设最好。供热管道设计:包括管径、输水温度、管道热导率、埋深和保温层厚度等，这些参数是供热管道热损失的主要影响因素。供热管道的热补偿:包括自然补
17、偿器、波纹管补偿器、直埋管道补偿器等，在热力管网敷设过程中，补偿器是保证管道安全运行的重要部件。只有充分考虑到这些设计过程中的优化问题，才能节约工程投资、降低供热能耗、提高企业效益，才能实现供热可靠性和热网的安全运行。 二、供热系统的运行优化及控制策略研究 以实际供热系统为例，确定了计算最佳一级网设计负荷占系统设计热负荷的比例、燃气调峰锅炉的最佳启动温度及调峰运行时间的方法，为该类型供热系统的设计与运行提供了理论依据。秦绪忠，江亿11针对多热源及环形网的水力工况如何进行调度这一问题，提出可以通过在干管或环上的适当位置设置并调节阀门，调整各热源的匹配，达到运行工况最优，并针对不同的系统形式，提出
18、了优化调度的具体分析方法和基于优化调度的运行调节方法。Lianzhong,Li. 12针对某个HWDH系统建立了非线性动态模型。该动态模型包括一个锅炉，管网，散热器和建筑，共包含21个动态方程。作者设计了6个不同的混合控制策略，包括模糊策略（FL）和可编程逻辑控制，来控制系统中的燃料燃烧效率，热水流速或者热水温度。数值模拟结果表明，在应用回水温度和室内空气温度预测器的基础上，这些控制策略能够很好地控制空间温度，通过调整系统中的水速降低了水泵的消耗功率。模拟结果同时表明，上述混合控制策略能够使建筑物节能总计17%。1.4计算机技术在集中供热领域的应用计算机应用技术13是研究计算机技术应用于各领域
19、的理论、方法、技术和系统等，是计算机学科与其他学科相结合的边缘学科。计算机技术的应用分为数值计算和非数值应用两大领域。其中，非数值应用主要涉及信息系统、工厂自动化、办公自动化、专家系统、模式识别等领域。随着计算机科学技术的飞速发展，实现集中供热领域计算机技术的应用是提高供热领域热网运行管理水平的有效措施。本课题将计算机技术作为研究工具，通过编程技术实现了数值计算和智能预测。在课题的完成过程中，通过查阅大量的相关文献，总结了计算机技术在集中供热领域的几个典型应用: 一、热力参数的计算机自动监测 在集中供热系统中，供热管网的水力工况和热力工况最为重要，它们必须稳定运行在一定的参数范围内，才能保证整
20、个供热管网的正常运行。通常的供热系统，由于缺少遥测仪表，结果对于热网运行工况不明了，致使调节处于盲目状态。实现计算机自动监测，便可以全面、及时的测量供热系统的温度、压力、流量等参数。运行人员便可以在此基础上，对热网参数进行调节。 二、供热调节的计算机自动控制对于一个复杂的供热系统，特别是多热源、多泵站的供热系统，由于热源、泵的数量和运行方式的不同，对热网水力工况和热力工况等的影响也不同。因此，合理匹配热网的工况、保证按需供热，仅仅依靠系统投运前的一次性初调节是不行的，必须在系统的运行过程中，经常性的对热网进行均匀性调节。通常情况下，单纯的手工操作是无法达到这样的目的的，而计算机自动控制系统则可
21、随时测量热力站或热用户入口处的回水温度或供回水平均温度，通过电动调节阀实现温度调节，实现流量的均匀分配，消除冷热不均现象并保证按需供热。三、基于计算机技术的供热管网最佳运行参数预测 集中供热系统供热参数无论对于系统规划设计还是对于运行研究而言，都是极为重要的因素。所以，对参数的变化有一个事先的估计，是集中供热系统发展与运行研究的重要内容，是热力系统自动化领域中的一项重要内容。通过计算机软件开发技术，配置供热系统热特性识别和工况优化分析程序，根据前几天供热系统的实测供回水温度、循环流量和室外温度，预测当天的最佳供、回水温度和循环流量，进而对热网实行直接自动控制和运行指导。2 集中供热网工艺概述2
22、.1集中供热系统的特性集中供热网是复杂的分布式大系统，由于供热系统设备和建筑物都有很大的热惯性，介质的传输和散热器也有一定的滞后，这就使整个生产过程具有大惯性、大滞后的特性;由于复杂的气象条件和地理环境能够引起负荷的变化，使对象具有时变性;由于流量调节阀、散热器等设备具有非线性的特性，使得整个集中供热系统也是一个非线性的网络;再有热用户不是孤立存在的，各个热用户之间相互关联，使热网系统存在着强耦合性14。集中供热网的上述特性决定供热系统的调节是有条件的。热网的稳定性差，开大一个回路的阀门以加大其流量，就不可避免地改变了其它支路的流量;热网的可调性差，流量和温度不能实现准确调节，流量不可能过于频
23、繁调节，以免引起振荡，这就造成供热调节根本无法准确跟踪环境气象条件的变化，因此精确的控制几乎不可能。但是另一方面热力系统本身又是一个大的热容系统，环境、气象条件的急剧变化会被热力系统吸收，再加上人体的适应能力，热力系统又具有极强的自适应性和宽松的控制要求。2.2集中供热系统控制的概述本文主要讨论两级间连式供热网结构:热源产生高温热水经一次管网送至各热力站，高温热水再经过子站水一水换热器形成供热热水送至各个热用户。目前大部分热网采用的控制方式是各热力站依据二次网供回水平均温度制定控制计划来对其一次侧高温热水流量进行独立的闭环控制。当系统稳定性差，水力祸合强时，各热力站间水力、热力工况相互影响，难
24、以同时满足供热指标，甚至会引起振荡。较好的方法是综合考虑全网整体供热效果的两步控制方案：一、随着外界环境的变化，对供热负荷做出预测来调整热源的总供热量和总供水温度。一次网采用分阶段质一量并调的方法(质调节指在热网运行期间，供热系统循环流量始终保持设计值不变，只调节系统供回水温度的调节方式;量调节是指供热系统在运行期间供水温度始终保持设计值，只改变循环流量的调，根据室外温度及供热负荷的变化启停一、两台主循环泵，在每个阶段内通过调节供回水温度，从热源上进行调节来实现按需供热；二、根据各个热力站二次网供水温度之间的差异，以及每个热力站的二次网供水温度实际值和设定值的差，通过调节各个热力站内一次网侧流
25、量，对整个热网的流量分配做出调整，来实现稳定供热和均匀供热。二次网采取质调节方式，循环水量保持不变。2.2.1按需供热（1）热力工况的稳态调节供热系统中温度、供热量、散热量的分布状况被称为供热系统的热力工况，它可以直观的表明供热效果。在供热系统稳定工况下，系统供热量、散热器散热量与建筑物耗热量（热负荷）必须相等。可以得到稳态条件下随室外温度变化的二次网供回水温度在进行质调节时，只改变热网系统的供水温度，而用户的循环水量保持不变，即G2=1。系统采用间接连接式，一次网与二次网之间通过水一水换热器连接，采用分段质调节，若二次网运行时的循环水量等与设计的循环水量，即G2=l。根据网络供给热量的热平衡
26、方程式有: （2.1）式中t1g，t1h，Q，G2分别为一次网供回水温度，相对供暖热负荷比，一次网循环流量比。在某一室外温度下，Q，t1g1、t2g1，t2h1均为已知值，t2g,t2h也可以求得，每一阶段的G1可求，只有t1g、，t1h。未知，从式中可以求出。以上得到了稳态条件下，保证按需供热一次网所需的供回水温度。但供回水温度的得出是有条件的。二次网运行时，即使是工作在质调节下，也很难保证循环水流量等于设计条件下的流量值。那么，各二次网计算得到的供水或回水温度调节曲线不可能相同，这样由不同二次网的供回水温度曲线得到的一次网供回水温度曲线就会不同，然而一次网供回水温度曲线只能有一条，所以，得
27、到的一次网供回水温度，只是稳态条件下，各二次网循环水量皆等于设计工况下循环水流量时的理想结论。另外可知各二次网供回水平均温度与相对流量无关，在相同室外温度下，各二次网供回水平均温度只与室内温度有关。（2）热力工况的动态调节前面讨论的是供热系统在稳态状态下的热力工况，即系统供热量与散热器散热量和建筑物耗热量完全相等时的热力工况，这是一种理想工况。但是在实际运行中，由于建筑物的热惰性、室外气温的周期性变化以及日照影响等因素，完全稳定的热力工况难以实现。为了更好地实现按需供热，必须用动态方法分析热力工况，并用预测参数的方法对供热系统进行动态调节。由于供热系统设备和建筑物有很大的热惯性，室外气温、日照
28、、供水温度、流量等参数的变化对用户室内温度的影响并不是立刻发生，而是滞后一段时间。因此，为保证用户室温的设计要求，热源当天的供热量，不但与当天的室外气温、供水温度、流量、日照、风速有关，而且和几天前的上述参数有关。为了对这种动态工况进行动态调节，必须首先对供热系统的热特性进行识别，了解供热系统热惰性的大小、延滞的快慢，进而得到预测的参数。综合外温tw，考虑室外温度与太阳日照的综合影响合，可表示为室外温度加上太阳热量即 （2.2）公式中：Qs：太阳辐射强度，kj（m2 d）；Sk：日照折算系数，kj（m2 d）。时间序列模型中的热特性系数根据热网实侧参数动态辨识得到。拟合时间一般不小1520天。
29、综合外温可以通过建立相应的时间序列模型加以辨识和预测。根据得到的系统的时间序列模型，即可通过以前的数据预测未来一天的供热负荷、一次网供回水温度。这种基于热力工况的动态调节，由于综合考虑了太阳辐射、散热器类型和安装数量的不同以及建筑物结构不同等多种因素，因而能比较准确地实现按需供热，对于改善供热效果、节约能源有很大实际意义。2.2.2均匀供热供热系统水力失调即流量分配的不均匀性会引起用户水平方向和垂直方向的室温偏差，称之为供热系统的热力失调。热用户实际室温与平均室温的偏差，反映了供热系统热力工况的失调程度。追求热力工况的稳定，既不发生水平失调（各热用户间或立管间）也不出现垂直失调（同一立管间），
30、供暖房间室温均匀一致，这是供热系统重要的控制目标之一。为了提高供热效果，克服热力工况失调现象，日前国内常采用“大流量、小温差”的运行方式，它靠换大水泵、增加水泵并联台数或增设加压泵等方式提高系统循环流量。这种“大流量”的运行方式在一定程度上能够缓解热力工况的失调，因此得到广泛应用。但是“大流量”必然造成大热源、大能耗，加大了供热量的浪费，降低了系统的可调性。热力系统热力失调的根本原因是水力失调即流量分配不均所致。因此，消除系统热力失调、实现热力工况稳定最有效、最经济的方法是进行系统的流量均匀调节（初调节），亦即根据当前热用户的特性、负荷、热量的供给情况等，对全网的流量在各个二次网之间进行统一合
31、理分配，保证各用户的室内温度稳定在一定范围内，同时保证各热力站之间供热效果的均衡一致。对于用手工进行初调节的阻力系数法、预定计划法等，由于计算量大或实地调节工作量大，只适用于小型系统。国外普遍采用的比例法、补偿法很好地解决了热力工况的失调问题，另外对于有模型的模拟分析法、模拟阻力法，无模型的温度调节法等我们均将做作逐一介绍，其中以温度调节法为重点。（1）阻力系数法阻力系数法的基本原理是一定阻力系数的供热系统必须对应一定的流量分配。依据公式: （2.3）式中: G: 热用户的理想流量，m3/h；H: 热用户局部系统的压力降，mH2O。实际操作中，系统阻力系数靠流量G、压力降H的直接测量后间接计算
32、，要把热用户局部系统的阻力系数调到理想值，必须反复测量其流量和压力降，反复调节有关阀门才能实现。这种调节方法属于试凑法，操作繁琐、费时，实用性不大 。 温度调节法虽然只需要测量温度这一种参数，但是它也有明显的缺陷:由于供热系统有较大的热惯性，温度变化明显滞后，需要对其进行改进，如:确定二次网回水温度设定值时，选用一定时间周期内室外温度的平均值;对各个热用户实际的二次网回水温度进行较频繁的采样，并对这些值进行实时存储，在制定控制策略时，要取一定时间周期内的平均值，然后再进行控制;由于供热网存在较强的水力藕合，所以还需要对热网。（2）预定计划法预定计划法是在调节前，将供热系统所有热用户入口阀门关死
33、，然后按照一定顺序，根据预先计算的启动流量，逐个开启热用户入口阀门。这种方法计算工作量大，尤其当供热系统较大，热用户数量较多时，采用手工方法计算启动流量几乎是不可能的。且调节前必须关闭所有的热用户阀门，这就限制该调节方法只能在供热系统投入运行前运行，不适合运行过程中进行调节。（3）比例法比例法的基本原理是当各用户系统阻力系数一定时，系统上游端的调节，将引起各个热用户流量成比例的变化。比例法原理简明，效果良好。但调节方法还显繁琐：首先必须使用两套智能仪表，配备两组测试人员，通过报话机进行信息联系；其次是平衡阀重复测量次数过多，调节过程费时费力。但总的来说，由于有平衡阀，智能仪表作依托，这种方法使
34、初调节在实际工程中的应用有了可能性。(4)补偿法补偿法是靠供热系统上游端平衡阀的调节，来补偿下游端因调节而引起的系统阻力的变化。它的明显优点有两个:首先每个热用户的平衡阀只测量调节一次，因而比较节省人力;其次平衡阀是在允许的最小压降下调节的，因而降低了供热系统循环水泵的扬程，从而节省了运行费用。但是补偿法也有不尽人意之处，主要是同时需要二台智能仪表，操作人员需要分为三组(最末端参考用户，待调用户和总平衡阀)，通过报话机进行联系。当仪表，人力有限时，使用存在一定的困难。总的来说该方法准确可靠程度相对较高，在欧洲的一些国家使用相当普遍。 (5)模拟阻力法模拟阻力法的基本原理是在现场测试管网的实际阻
35、力系数，由计算机计算出待调用户的理想阻力系数和相应调配阀的理想开度，直接在现场调节阀门开度即可。首先测出各热用户的流量、压降、各节点的表压值，算出系统的阻力系数。然后再把各用户要求的理想流量输入到计算机内，由已编制好的计算软件直接确定出调节方案。最后，一次将调节阀调节到理想开度。和模拟分析法比较，这种方法由于各节点静压相互抵消所以可不必考虑位置高度的影响，由计算机确定调节方案，把调节阀的理想阻力系数直接换算为开度，无需通过流量(或压力)来间接判断调节阀的阻力系数大小，这样可大大减少现场测量的工作量和调节的工序。但是这种方法需要在每个节点都安装可能不止一个压力表，且需要专用的调节阀和专用的计算软
36、件。(6)温度调节法1 原理组成温度调节法就是基于系统的热力工况特性的一种方法，它简单易行，调节过程测量参数单一，只有温度一种类型参数，不必进行流量、压力的测量，因此需要的测量仪表较少，调节费用相对较低，比较适合我国的国情。但是在控制上存在一定的问题。温度调节法是以各个热力站的二次网供回水温度或供回水平均温度一致为标准，根据实际供热的运行状态，调节各热力站的用户流量，以实现各热用户室内温度稳定和均衡一致的目的。2 基准平均温度的选取在采用温度调节法时，如何选取基准的平均温度十分重要。当热源总供给热量大于或等于热用户总需求热量时，基准温度应取自温度调节曲线中与室外温度相对应的二次网供回水平均温度
37、;当热源的总供给热量小于用户总需求热量时，各用户的供回水平均温度不可能达到上述基准温度，这时可粗略地把热源的总供回水平均温度作为基准温度。3 一次网流量设定值的确定为了实现热网的动态控制，需要了解各热力站用户及换热器的热工特性参数，在此基础上给出调节目标设定值并使控制系统实现这个目标。通常的方法是从设计参数出发确定调节目标，一般都以各热力站的供热面积作为特性参数，按照供热面积分配各热力站所应达到的目标流量。但是可能由于建筑物及散热形式的不同，采暖面积统计不准确以及用户采暖面积变动等原因，按照设计面积进行调整，难以达到满意的效果。在采用计算机对热网进行监测与控制时，利用实测数据，有可能从中辨识出
38、实际的用户热工特性参数，从而更好地指导热网的调节与运行，达到满意的供热效果。对于间连式集中供热网，可以通过调节各热力站一次网侧流量阀来实现二次网供回水平均温度相等。4 温度调节法的局限一方面温度调节法主要适用于供热规模较小且温度滞后不太明显的系统。另一方面，由于供热系统藕合相当严重，只有对系统进行解藕或采用整体控制算法才能实现有效的控制。故本文试图采用神经网络解棍控制器来对流量进行计算机的自动调节控制。通过连续检测供回水平均温度，并与基准温度相比较，由计算机对供热系统进行整体的工况分析计算，把与基准温度比较得出的温度偏差转换为电动调节阀的调节开度。综上所述，本章对集中供热网的各种调节方法进行了
39、详细地论述，并重点讨论了温度调节方法。在热网运行初期要进行均匀供热调节，也就是将各热用户的运行流量调配至理想流量，主要解决系统水量分配不均的问题，即消除各热用户冷热不均问题。均匀供热调节好以后，各热力站的一次侧流量调节阀门在运行期间就很少再变动了。在供暖间，根据室外温度的变化动态调整一次网总流量或一次侧水温，实现按需供热。从热源角度来看，对于一次网的调节，虽然热力工况的稳态调节法很容易算得一次网的供回水温度设定值，但误差较大。而热力工况的动态调节法综合考虑了各种外部因素的影响，对未来热负荷和供回水温度进行预测，结果较为准确，但计算复杂。从均匀供热角度来看，模拟分析法、模拟阻力法实现了对热网的机
40、理分析，通过模拟分析法或模拟阻力法可以直接得到流量值，适合于供热网的初调节，温度调节法简单易行可用于运行时的微调。同时应注意供热网的水力耦合及滞后特性。尽量做好初调节，以使水力耦合程度尽量小，否则，控制系统在运行时可能会产生振荡而无法稳定。3 集中供热系统控制的基本方法3.1热力站换热器的机理建模目前，大型集中供热系统大多都采用间接连接的供热方式。它具有适用范围广、便于二次调节和控制等优点。在间接集中供热系统中，一次侧的管网将热能输送到热力交换站，用户从热交换后的二次侧管网中获得热能。因而，热力交换站的运行状况将直接影响整个系统的运行状况和供热的效果。对以供热负荷为主的热力站的控制是依据室外温
41、度，通过调整热交换器一次侧供气阀门开度来改变供气的流量来调节供水的温度，使得用户的供回水温度达到一个理想的值。热交换器的热平衡方程为 （3.1）式中：一次侧热源供回水温差 ； C：水的比热；Q1：一次侧热源供气流量 ； q2：二次侧供水流量；Ty：二次侧供水温度 ； Tg：二次侧回水温度；V：V1+V2,V1为热交换器水体积V2为用户散热器水体积；：水密度。取拉氏变换有：图3.1 换热器的动态结构图公式中：T1为被控量，一次侧流量； Q1为控制量，二次侧回水温度；Tg为扰动量 。 由图3.1得 （3.2）上式为以一次侧供气流量为控制量、二次侧供水温度为被控量的动态描述，其中二次侧回水温度为扰动
42、量。对此动态描述进行变形和整理，因为二次侧回水温度作为扰动量进行处理，所以可以暂时忽略，则对象的模型可以简化为： （3.3）式中：K为放大倍数；T为惯性环节的时间常数；为延迟时间。根据不同的实际测得的数据可以得到不同的具体的传递函数模型。但是，对于集中供热换热站的机理模型，经过一定的简化和变形后，都可得出以上的近似传函数机理模型。3.2 PID的原理和控制在工业生产自动化控制领域的发展历程中，PID控制一直是历史最悠久、生命力最强的基本控制方式。在二十世纪40年代以前，除了在最简单的情况下采用开关量控制之外，PID控制19是唯一的控制方式。此后，随着科学技术的发展，特别是电子计算机的诞生和发展
43、，涌现出了很多新型的控制方式。然而，直到现在，PID控制仍然是最主要和最广泛应用的基本控制方式。图3.2 PID模型或写成传递函数的形式： （3.4）式中：Kp比例系数；Ti积分时间常数；Td微分时间常数。PID控制器的各环节的主要作用是：1、比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号,偏差只要产生，控制器就会立刻产生控制作用，以减小偏差。当误差一旦产生，控制器就立即有控制作用，被控制量朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp，对于具有自平衡性（即系统阶跃响应终值为一有限值时）的被控对象存在误差，加大Kp时可以减小静差，但过大时，则会导致动态性能变坏，甚至使闭环系统性能不稳定。
44、2、积分环节的特点是：能对误差进行记忆并且积分，其主要作用是消除静差，所以可以提高系统的无差度。积分作用的大小主要取决于积分时间常数Ti，当Ti越大，则积分作用越弱，当Ti越小，则积分作用越强。但它的不足之处是：积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使控制的动态性能变差以至于使系统性能不稳定。3、微分环节的特点是：能对误差进行微分，能表示出误差的变化趋势，且能增大微分控制的作用以加快系统的响应速度，使超调量减小，增加系统的稳定性。反映了偏差信号的变化速率，并且能够在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的前期修正信号，因而可使系统的动作速度加快，减少了调节时间。它的缺点是：对于干扰同样敏
45、感，使系统抑制能力有所降低。PID 控制中，微分信号可改善系统的动态特性，加快系统的动作速度，减少调节时间，但也容易引进高频信号的干扰，当有误差扰动突变时尤其显出微分项的不足。若使用不完全微分PID控制，则可使系统性能得到改善。传递函数： （3.5）图3.3不完全微分PID结构图3.3 模型的建立集中供热是一个闭合水力网络，局部用户支路的流量变化会引起全网压力分布的变化，从而对其他支路的流量产生影响，进而影响其温度。因此，热网是一个强耦合系统，各个子站之间存在相互影响，开大一个回路的流量，就不可避免地改变了其它支路的流量，造成整个热网的流量分配不均。因此需建立多路热网模型来实现热网的整体控制及
46、调节。热网调节模型如图：图3.4双回路控制系统流程图双回路控制系统实际上是由于主流量控制回路的存在，实现了对主流量干扰的影响，使主流量变得比较平稳。通过比值控制，副流量也将比较平稳。这样，系统总负荷将是稳定的，从而实现了通过调节一次侧的流量来调节二次侧的供水温度。所谓解耦控制，就是采用某种结构，寻找合适的控制规律来消除系统种各控制回路之间的相互耦合关系，使每一个输入只控制相应的一个输出，每一个输出又只受到一个控制的作用。解耦控制是一个既古老又极富生命力的话题，不确定性是工程实际中普遍存在的棘手现象。解耦控制是多变量系统控制的有效手段。解耦控制系统一般都是多输入多输出系统，而且输入和输出之间的关
47、系是复杂的耦合，一个输入量影响多个输出量，一个输出量受多个输入量的影响。实际被控对象不同，输入、输出之间的关系也不同。被控对象的某个输出和某个输出具有明显的“一一对应”的“依赖”性，而其他输出和输出的相互关系则很弱，可以忽略。此时的多输入多输出关系，可以简化为多个单输入单输出的单回路控制系统，而把其他的影响因素看成干扰。当多输入多输出系统中输入输出相互耦合较强时，系统不能简单地简化为多个单回路控制系统，此时应采取相应的解耦措施，之后再对系统采取适当的控制措施。前面所讨论的控制系统中，假设过程只有一个被控变量（即输出量），在影响这个被控变量的诸多因素中，仅选择一个控制变量（即输入量），而把其它因素都看成扰动，这样的系统就是所谓的单输入单输出系统。但实际的工业过程是复杂的，往往有多个过程参数需要进行控制，影响这些参数的控制变量也不只有一个，这样的系统称之为多输入多输出系统。当多输入多输出系统中输入和输出之间相互影响较强时，不能简单地化为多个单输入单输出
