供热系统自动控制概述

1.1自动控制概述 
1.1.1  自动控制（automatic control）的定义：
在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械或生产过程(被控对象)的某个工作状态或参数(被控量)按预定的规律(给定量)运行。
有时把下划表示的功能称为自动调节，也称自动控制 。改变“工作状态”[例如启动/停止]通常称为控制，而不称为调节; 但是控制参数按预定的规律运行的开关控制，可称为双位调节或者双位控制。可见“控制”定义的范围比“调节”更广！
自动控制是工程科学的一个分支，更是一个‘工具’。
1.1.2  自动控制无处不在
自动控制的发展经过了很长的时间。近年发展非常快。主要是微电脑—特别是单片机(单片微处理器)的应用,大大推动了自动控制的发展。
尤其是能够方便地实现智能控制和优化控制，并且简化系统和降低造价，使自动控制能够普及到各行各业—上天/下地/入海、工业/农业/服务业、家电/穿戴/玩具……无处不在。而且在机电一体化产品中，自动控制已经‘不独立’存在了--几乎所有家电产品都嵌入了控制系统！
1.1.3  自动化技术的效益
据统计我国建筑能耗占总能耗的1/3,供热空调能耗占建筑能耗的1/3。
我国目前供热系统的综合能效只有30%，如果达到理想能效70%，节能潜力巨大！其中改进供热工艺和采用自动控制有重要作用。但是，即使对设计工况进行了优化节能设计，因为设计偏差不可避免，外界干扰是变化的，要实现全年优化节能就必须进行自动控制。
自动化技术的效益举例
美国科学院长期调查分析，认为采用先进的工厂自动化技术，可以获得以下效益：
a.产品质量提高 200-500%
b.生产率提高 40-70%
c.设备利用率提高 200-300%
d.生产周期缩短 30-60%
e.工程设计费用减少 15-30%
f.在制品减少 30-60%
g.提高工程师工作能力3-35倍
h.人力费用减少 5-20%
1.1.4   供热系统优化节能的途径
1.精心选择、设计先进的优化节能环保型供热系统方案，使系统具有好的‘基因’；
比如：如果能够采用分布式系统以调速泵取代节流调节阀，实现零节流，系统水泵节电可达50%以上；又如：如果能够采用直接混合取代换热器，不但降低造价，而且热惰性大大降低，并且容易得到线形调节特性,有利控制等；
2.热能与控制专业紧密结合,提出合适的控制方案和合理的精度要求，并给出优化节能控制模型/算法，正确选择与控制有关的设备（如调节阀、水泵等），从而实现优化节能自动控制；
3.进行优化节能运行调度和管理；
4.实行分户计量调控和收费；
5.搞好系统调试和维护 。



1.2  控制器/系统分类
按被控变量分：温度/压力/液位/流量控制等。
按被控系统中控制仪表及装置所用的动力和传递信号的介质分：自力式（不需要外部动力）、气动、电动、液动等。供热系统常用自力式和电动。
按应用范围分：通用控制器和专用控制器。
按输入输出变量多少：单变量和多变量系统。
按用途分：热力站优化节能控制系统，热入口控制器，锅炉安全节能控制系统。
按系统结构分：单回路简单控制系统；串级、比值、选择性、闭环+干扰前馈补偿控制等复合控制系统。
按控制理论分：经典控制和现代控制等。
下面重点按有关控制(调节)方法、控制规律/算法等进行分类介绍(后面会用到)：
1.2.1   自动控制的基本方式
1.2.1a  反馈控制/闭环控制（最常用）
按被控量与目标值的偏差进行控制，具有抑制扰动对被控量产生影响的能力和较高的控制精度。

1.2.1b  开环控制
控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。
1.2.1c  前馈控制/开环控制
可以对主要干扰进行前馈补偿。例如，蒸汽锅炉水位控制可加蒸汽流量变化前馈补偿。

1.2.2   按给定值的变化情况
1.2.2a  定值控制系统
定值控制系统是给定值保持不变或很少调整[例如只在冬/夏改变设定值]的控制系统。这类控制系统的给定值一经确定后就保持不变直至外界再次调整它。
热能、化工、医药、冶金、轻工等生产过程中有大量的温度、压力、液位和流量需要恒定，是采用定值控制最多的领域。
1.2.2b   随动控制系统
如果控制系统的给定值不断随机地发生变化，或者跟随该系统之外的某个变量而变化，则称该系统为随动控制系统。
由于系统中一般都存在负反馈作用，系统的被控变量就随着给定值变化而变化。例如，热力站优化节能集中供暖控制系统的流量/给水温度的给定值随室外温度的变量而变化。
1.2.2c   程序控制系统
如果给定值按事先设定好的程序变化，就是程序控制系统。例如，在热力站优化节能集中供暖控制系统中可事先设定好程序，实现值班/正班控制。
1.2.3  按调节器的控制规律/算法
经典控制：双位开关控制、有不灵敏区的双位控制、衡速调节、P-比例调节、I-积分调节、D-微分调节、PI-比例积分调节、PID-比例积分微分控制等。
供热系统通常采用PI/PID调节及其改进。自力式平衡阀等为比例调节。
现代控制：模糊控制、预测控制、自适应控制等。有些现代控制实际上是对经典控制的改进。供热系统中也可采用。
下面分别介绍常用的控制规律/算法：（注：下面的“控制”都可称为“调节”！）
以下按正作用。设:相对偏差为e,相对调节输出为m.
1.2.3a  双位控制:e<0, m=100%；e>0, m=0.（简单,精度低,开关频繁）
1.2.3b  有不灵敏区△的双位控制:
e<-△, m=100%；e>△,m=0; -△≤e≤△保持（简单,精度低,开关频率降低）
1.2.3c  衡速调节（开关积分控制,稳定性差）
e<-△, m=K(正转); e>△,m=-K(反转)
-△≤e≤△， m=0（停止） K=常数
以上为开关控制，随着无触点开关(固态继电器)的普及,开关控制、PWM（脉冲调宽=变通断时间比，平均值可看作连续）得到了推广。
1.2.3d  P-比例控制
Kp-比例系数-称为控制器比例增益。
Kp越大，调节越快。有差，稳定性好。
自力式平衡阀、稳压阀一般为比例调节
1.2.3 e  I-积分控制
Ki-积分增益[常数]。Kp越大，调节越快。无差，但不容易稳定。

1.2.3f   PI-比例积分控制
Ti-积分时间[常数]∝(1/Ki)。Ti越小，调节越快。
取P/I调节各自之长，并且补短。

1.2.3g   PID-比例积分微分控制
在热工控制控制中通常不用微分控制部分。 

1.2.4 计算机采样(数字)控制系统
计算机控制是采样-数字控制：
定时A/D采样输入和D/A输出。前面介绍的模拟控制算法都可用于计算机控制。计算机可方便地实现多回路各种复杂的控制算法-如优化节能控制。
由于单片机[单片微处理器]多功能(改变软件就能实现不同的功能/算法)、高集成(片内有CPU,存储器,AI[A/D],DI,AO[D/A],时钟,通信口…)、高可靠(工业级,有看门狗-自诊断自复位)、低价格、小体积（贴片如指甲大小）、规格全(几元--几十元，8--上百脚…)。所以，计算机控制得到了更广泛的应用！因此后面有关优化节能的控制一般都采用计算机控制。

注：A=模拟量.D=数字量.I-输入.O-输出.
A/D=模/数转换.D/A=数/模转换



1.3 调节系统设计原则与专业分工
1.3.1  根据目标和干扰，确定优化节能的工艺和控制方案，是决定控制成败的‘基因’！
例如分布式系统以调速泵取代节流调节阀，实现零节流，系统水泵节电可达50%以上；
采用直接混合取代换热器，不但降低造价，且热惰性大大降低，并且实现线性调节特性，有利控制。
又如,习惯采用的多台离心泵并联供水,其中一台变频调速,其它泵按工频分挡投入,人们通常记得水泵流量与转速成正比,认为可很好地调节流量并节能了;然而却忘记了离心泵扬程与转速平方成正比,因此,根据并联水泵与管路的特性和转速不同,调速水泵流量可能>0/=0/<0,虽然似乎也能调节流量,但是能量的浪费增大。
还有，有人按开式供水系统选择变频泵：扬程=建筑高度+阻力，虽然似乎也能调节流量,但是能量的浪费很大。
1.3.2  确保调节系统的安全可靠性。
安全可靠第一，所有设计必须首先满足。调节系统各环节的构造、材料等必须满足工艺和环境要求。
如压力、温度、腐蚀性、毒性、防爆要求、能源供应等。值得注意的是，后面可看到，系统可控性、稳定性等也会影响安全可靠性。
注意：系统可靠性等于各环节的可靠性，所以，通常环节越少越好！
1.3.3  确保调节系统全程可观测性。
系统必须是全程可观测，并且必须正确选择传感器。传感器的测量范围和精度（包括抗干扰能力和时间稳定性等）、反应灵敏等必须满足要求。形象地说：相当于要有明亮准确的眼睛。如果测量范围和精度不满足要求,其它条件再好也无济于事。
请参考有关传感器的资料。
1.3.4  确保调节系统全程可控性。
根据目标和干扰确定调节量和控制方案，调节系统的调节范围必须满足要求。
因为在调节范围以外，调节系统无法调节--失调了。
如开篇讲的水位调节，因泄漏量很大--调节范围不满足要求，在负荷很低时，系统完全失调了。
形象地说—控制系统必须有灵巧的手。这个原则包括：
对象最大输出  Q100=K[Q100]           
调节范围      R=Q100/ Q0=K[R]
式中：Q100-开度为100%的最小输出
      Q0-开度为0%的最大输出      
      K-安全系数,通常可取K=1.1
      [Q100]-对象的最大设计输出    
      R/[R] -对象的实际/[设计]调节范围
1.3.5 确保调节系统全程调节均匀性。
可以说系统在可调节区的调节特性曲线为直线，也可以说系统全程有均匀的调节速度。更专业的表示为:系统开环增益为常数。
例如，调节压力和流量的调节阀的实际流量特性曲线应该是线性（g=K1）；而调节热量的调节阀的实际流量特性曲线应该是g=Kn,n=2--4。注意：这里是实际流量特性,不是固有特性。
如开篇讲的水位调节系统，就是水泵和调节阀选择不当，调节曲线变为快开型，且泄漏大,无论如何整定控制器参数，系统都无法全程稳定工作。
1.3.6a  确保控制精度满足要求。
首先,一定要提出合理的精度要求:包括控制过渡过程的稳定性、准确性（动态与静态偏差）和快速性（过度过程的长短）。精度通常由系统硬件、控制策略（控制算法）和控制参数整定决定。 
例如, PID控制器必须动态优化的参数有三个: 比例增益常数Kp, 积分时间常数Ti, 微分时间常数Td。PI控制器--Kp和Ti。过高的控制精度会大大增加造价和调试难度。供热控制的稳定性应该放在首位。
1.3.6b  精度和分辨率的区别。
控制精度指控制的结果，例如有厂家说它的供暖室温控制器精度为20土0.2℃,就是表示控制结果达到19.8-20.2℃，很难做到，也没有必要。首先温度传感器必须有更高的精度，控制就更加不容易了。
分辨率通常指采样输入和显示的分辨率，例如采样分辨率0.1℃表示采样输入可分辨0.1℃。显示分辨率0.1℃表示可显示出0.1℃的变化。
计算机控制的采样分辨率通常用A/D转换的位数表示:
8位的分辨率为全量程的 1/256
10位--1/1024;12位--1/4098
有的厂家把采样或显示分辨率模糊说成精度，例如有“0.1 ℃家用空调”，实际为显示分辨0.1℃，请注意区别。对于热能控制，可选10位、 最高12位A/D，再高分辨率也无用，而价格却增加不少。
1.3.7  经济性。
这是所有工程设计共同的原则。应该将系统造价、调节特性与系统运行节能进行综合考虑，进行经济比较。
1.3.8  安装调试/运行操作/维护管理简便。
安装调试、运行操作、维护管理尽可能的简便，这一点大家都明白。
例如：供暖为季节性运行，一方面多用季节工，所以最好采用傻瓜式供热控制系统;另一方面设备工作条件不好，维修量大，所以必须简单可靠 。
1.3.9 优化设计原则的综合作用举例。
回到开篇讲的水位调节系统：
由于水泵和调节阀选择不当，调节曲线变为快开型，无论如何整定控制器参数系统都无法稳定工作，水位波动很大，精度不能满足要求，甚至拉断了调节阀杆—破坏了系统[不安全]。
特别是在负荷很低时，泄漏量很大--调节范围不满足要求，系统完全失调了。最后：只好恢复手动控制。
可见正确设计工艺系统、特别是正确选择与控制有关的设备非常重要！
只有满足了可观性、可控性和全程调节均匀性才可能确保稳定性、可靠性、准确性。
当控制系统不稳定时，不但无法保证准确性，并可能发生安全事故。
热能控制系统最重要的是稳定性和可靠性，千万不要听信有些厂家关于调节快、高精度的忽悠！
1.3.10 调节系统设计原则汇总与专业分工
每项都离不开热能与控制专业相结合。多项以热能为主。