换热站由锅炉、换热机组、补水泵、循环泵、换热器等组成。通过煤炭燃烧锅炉，锅炉中热水经热能转换，将热水经过一次网、二次网传输给用户，最后通过循环泵循环，再次进行供热。换热站在运行过程中会消耗大量的煤炭资源，相关统计数据显示，2020年用于换热站供暖消耗的煤炭约3.46亿t，相较于2019年减少0.05%，能源消耗基数仍然较大，换热站消耗的煤炭能源占社会能源消耗总量的18.46%。实现换热站节能减排的关键在于热能的循环利用。换热站换热机组负荷时，会产生较大的温度波动，温度异常波动会影响换热站供热稳定性，还会降低热能的循环利用率。近年，换热站温度控制问题受到研究领域重视，相关学者与专家开展了一系列研究，设计并研发了各类温度控制系统，利用系统实现对温度的自动化控制，但现有系统无法发挥预期控制效果，在实际应用中抗干扰能力较弱，且超调量较高，无法满足实际需求，为此文章提出了基于模糊PID的换热站温度控制系统设计。1换热站温度控制系统硬件设计系统硬件主要由温度传感器和温度控制器等组成，以温度控制器为控制核心，温度传感器负责采集换热站温度信号，整体采用闭环式，换热站温度控制系统硬件拓扑图如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.06.036.F001图1换热站温度控制系统硬件拓扑图温度传感器主要负责采集换热站水温，根据实际需求，选择ORWR/AF45F电子式温度传感器，安装于换热站恒温水输出管道内，以检测换热站水箱出水温度[1]。温度传感器获取的信号为模拟量信号，无法直接识别和使用，因此采用ARITR/A5F4G模数转换装置完成转换，通过无线蓝牙通信将温度信号传输至温度控制器。温度控制器的作用为温度状态辨识，根据换热站温度区间范围，确定是否存在水温异常情况[2]。考虑到系统采用模拟PID算法设计控制程序，所以选择型号IHFD-4545模拟控制器作为系统温度控制装置，采用16路数字量输出，将控制指令发送到电动调节阀，将换热站一次回水、二次回水温度控制在规定范围。2换热站温度控制系统软件设计2.1温度转换考虑到换热站温度与温度传感器电阻之间存在非线性关系，对采集的温度信号产生耦合作用，导致温度信号与实际情况存在一定偏差，为保证后续模糊PID算法的计算精度，采用线性插值法解决温度电阻非线性问题[3]。假设温度电阻与温度之间的线性系数以及截距为双精度，将双精度转换为浮点数，同时将采集的换热站温度误差规定在0.01 ℃以下，将其作为差值，对采样电阻与采样温度值进行转换。E=R×0.01-B100P （1）式中：E——转换后的换热站温度信号；R——温度传感器采样铂电阻；B——截距；P——温度电阻与温度之间的线性系数，通常情况下该系数取值为0.01[4]。利用公式将采样电阻转换为采样温度，为后续模糊PID温度控制提供基础。2.2基于模糊PID的温度控制（1）设定模糊规则[5]。根据专家与技术人员的操作经验，结合换热站温度控制需求，以换热站温度误差和误差变化率为模糊控制对象，建立模糊规则，如表1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.06.036.T001表1模糊规则温度误差误差变化率负大负中负小零正小正中正大负大正大正大正中正中正小00负中正大正大正中正小正小0负小负小正中正中正中正小0负小负小零正中正中正小0负小负中负中正小正小正小0负小负小负中负中正中正小0负小负中负中负中负大正大00负中负中负中负大负大（2）求解模糊子集。将采集到的温度与原始温度设定值比较，计算出温度误差和误差变化率，计算公式为：ε=p-eη=p-ep （2）式中：ε——换热站温度误差；p——原始温度设定值；e——当前温度数值；η——温度误差变化率。将温度误差与误差变化率设定为模糊控制变量，将两个变量归一化处理，将其转换到-1~1区间内[6]。对式（2）计算结果用模糊语言表示，区间-1~-0.65表示负大，区间-0.62~-0.35表示负中，区间-0.35~0表示负小，数值为0用模糊语言“零”表示，区间0~0.35表示正小，区间0.35~0.65表示正中，区间0.65~1表示正大[7]，据此建立模糊子集。b=NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM （3）式中：b——模糊子集；NB——负大；NM——负中；NS——负小；NZ——零；PZ——正小；PS——正中；PM——正大[8]。根据式（3）求出换热站温度模糊控制子集。（3）模糊决策。根据建立的模糊控制规则，以及求解得到的模糊子集，进行换热站温度模糊控制决策，其计算公式为：u=b×K （4）式中：u——换热站温度模糊控制量；K——模糊算子，即模糊控制规则。对式（4）计算得到的模糊控制决策进行实时调整，调节换热站温控数值，消减误差。按照此流程对换热站温度迭代控制，根据实际情况设定控制周期，以此使换热站温度在周期内保持在规定范围内，完成换热站温度控制。3试验论证3.1试验准备与设计为了验证提出的换热站温度控制系统设计思路的可行性与可靠性，选择某小区换热站为试验对象，该换热站位于建筑地下一层，共负责23个楼层供热，总供热面积为35 648.15 m2，换热站水箱容量为3.26 t，一次回水量为2.36 t，回水温度范围为0~95 ℃，二次回水量为1.64 t，回水温度范围为0~85 ℃，补水采用自来水，换热站参数如表2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.06.036.T002表2换热站参数项目供水回水压力/MPa温度/℃压力/MPa温度/℃一次网低区0.46850.7645中区0.87650.9845高区1.64551.1545二次网低区0.48750.5545中区0.88650.7545高区1.25551.2545换热站机组最大热负荷为4.65 MW，设计流量为245.00 m3/h，补水泵与循环水泵最大扬程分别为35.46 m和24.85 m，利用此次设计系统与传统系统对该换热站温度进行控制，传统系统选择两种常用的系统，分别为基于可编辑逻辑控制器与基于神经网络，用传统系统X与传统系统Y表示。试验准备了两个温度传感器和一个模糊控制器，根据实际情况将温度传感器扫描周期设定为0.02 s，扫描范围设定为0~200 ℃，扫描频率设定为0.55 Hz，试验共采集到0.36 GB温度数据；将模糊控制器控制范围设定为0~150 ℃，控制周期设定为0.45 s，按照上述流程对换热站水温进行控制，控制时间为12 h。3.2试验结果与讨论考虑到换热站机组负荷变化会影响到换热站温度参数的稳定性，为了验证设计系统的抗干扰性，在对换热器温度控制过程中，加入10%的干扰信号，使温度设定值从85 ℃突变到155 ℃，观察5 s内在温度控制下换热站温度波动情况，三种系统换热站温度控制结果如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.06.036.F002图2三种系统换热站温度控制结果由图2可知，在设计系统控制下，换热站温度在0.86 s后恢复了原始设定值，在后续的运行过程中，没有出现温度异常波动情况，稳定在85 ℃；在两种传统系统控制下，换热站温度分别在1.34 s、1.86 s恢复原始设定值，并且传统系统X在2.16 s、3.45 s时出现两次温度异常波动，持续时间共0.86 s，而传统系统Y在2.46 s、4.13 s时出现幅度范围在87~89 ℃，两次温度异常波动，持续时间共1.06 s。可以看出，设计系统相对于两种传统系统控制效果较好，在试验中表现出较好的抗干扰能力。为了进一步验证设计系统的适应性，以超调量作为三种系统评价指标，记录三种系统12 h控制时间内，换热站一次网、二次网低、中、高三个区温度最大超量值，使用电子表格对试验数据记录。三种系统超调量对比如表3所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.06.036.T003表3三种系统超调量对比区域设计系统传统系统X传统系统Y一次网低区0.265.466.03一次网中区0.354.866.28一次网高区0.155.125.99二次网低区0.415.164.85二次网中区0.314.955.27二次网高区0.265.175.54℃由表3可以看出，设计系统超调量较小，最大超调量为二次网低区的0.41 ℃，最小超调量为一次网高区0.15 ℃，基本可以将超调量控制在1 ℃以内；而两种传统系统超调量相对较大，传统系统X与传统系统Y在试验中最大超调量分别为一次网低区5.46 ℃、一次网中区6.28 ℃，最小超调量分别为一次网中区4.86 ℃、二次网低区4.85 ℃，远大于设计系统。因此试验结果证明，设计系统具有较高的控制精度，且无论是在精度方面还是抗干扰方面，设计系统均优于两种传统系统。4结语针对传统系统存在的不足和缺陷，文章将模糊PID算法应用到换热站温度控制中，提出了一个新的控制系统设计思路，通过试验论证了该思路的可行性与可靠性，有效提高了换热站温度控制水平，实现了对传统系统的优化与创新。研究对提高换热站节能减排技术水平，降低换热站能耗，丰富换热站温度控制理论具有良好的现实意义。