趙航

（三江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京　210012）

基于模糊PID控制的通風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究

趙航

（三江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京210012）

摘要：由于隧道通風(fēng)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)需要控制的變量較多，如CO濃度、煙霧濃度等，而影響CO濃度、煙霧濃度等控制變量的因素也較多，如隧道內(nèi)車流量等，將CO濃度作為控制目標(biāo)，研究隧道通風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。使用后反饋式控制與模糊PID控制算法相結(jié)合，對(duì)隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行控制。將隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為兩個(gè)一階純滯后慣性環(huán)節(jié)相乘的形式。最后使用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制效果分析，結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的PID控制方式，該文研究的模糊PDI控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠很好地跟隨CO濃度的變化調(diào)節(jié)風(fēng)量，超調(diào)量更低、調(diào)整時(shí)間更短；并且此控制方法應(yīng)用于隧道的通風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)具有較好的應(yīng)用效果和明顯的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：隧道通風(fēng)；風(fēng)量調(diào)節(jié)；模糊PID；CO濃度

公路隧道是高速公路的重要組成之一，其數(shù)量和規(guī)模在不斷增加，公路隧道的相關(guān)技術(shù)已成為了熱門研究之一。其中對(duì)于公路隧道通風(fēng)的研究具有十分重要的意義，因?yàn)楣匪淼劳L(fēng)不僅關(guān)乎到隧道內(nèi)車輛人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，而且關(guān)乎整體高速公路的通暢運(yùn)行；同時(shí)有效控制隧道通風(fēng)對(duì)于節(jié)約國(guó)家能源，降低運(yùn)行成本等具有積極的作用［1?4］。

由于隧道通風(fēng)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)需要控制的變量較多，如CO濃度、煙霧濃度等，而影響CO濃度、煙霧濃度等控制變量的因素也較多，如隧道內(nèi)車流量等，本文僅將CO濃度作為控制目標(biāo)，研究隧道通風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的控制方法主要有后反饋式控制、時(shí)序控制、前饋控制。后反饋式控制是將隧道內(nèi)的CO濃度檢測(cè)值作為反饋量與CO濃度閾值進(jìn)行比較運(yùn)算，從而直接控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。時(shí)序控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但是控制效果最弱，該方法根據(jù)對(duì)某個(gè)隧道內(nèi)的CO濃度變化規(guī)律進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并設(shè)定固定的程序?qū)︼L(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。前饋控制法是通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)交通流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而判斷隧道內(nèi)CO濃度，并發(fā)出風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制指令［5?6］。

本文使用后反饋式控制與模糊PID控制算法相結(jié)合，對(duì)隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行控制。

1　控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型

本文研究的通風(fēng)機(jī)由風(fēng)機(jī)、電機(jī)以及集流器等構(gòu)成。由于控制對(duì)象具有明顯滯后性和非線性等特性，因此還無(wú)法得到精確的控制模型，故使用對(duì)于模型精確性要求不高的模糊控制算法比較合適。當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的零壓階段，風(fēng)機(jī)將隧道外新風(fēng)送入隧道內(nèi)，此時(shí)隧道內(nèi)氣流壓力保持不變，可以將此過(guò)程看作是滯后環(huán)節(jié)；隨著風(fēng)機(jī)作用時(shí)間的增加，隧道內(nèi)氣流壓力開(kāi)始變化并逐漸穩(wěn)定到期望的壓力值，可以將此過(guò)程看作是一階慣性環(huán)節(jié)，因此本文研究隧道內(nèi)壓力控制對(duì)象時(shí)，將其看作是一階純滯后慣性環(huán)節(jié)：

式中：K1為靜態(tài)增益；T1為慣性常數(shù)；τ1為滯后時(shí)間。

隧道內(nèi)CO濃度變化也同樣等效為一階純滯后慣性環(huán)節(jié)：

式中：K2為靜態(tài)增益；T2為慣性常數(shù)；τ2為滯后時(shí)間。

綜上可以得到本文研究隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為［7?9］：

2　模糊PID控制器

PID控制算法技術(shù)成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。PID算法中的比例控制能夠?qū)ο到y(tǒng)產(chǎn)生的偏差立即成比例的進(jìn)行控制，迅速降低誤差；積分控制主要作用是通過(guò)降低系統(tǒng)靜態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)精度；微分控制的作用是對(duì)誤差變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)誤差即將變大時(shí)，微分控制會(huì)提前做出反映，降低誤差，提高PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低調(diào)整時(shí)間。模糊控制算法通過(guò)使用模糊化的語(yǔ)言描述精確的誤差和誤差變化量，根據(jù)制定的模糊推理規(guī)則，得到系統(tǒng)輸出的模糊量，最后通過(guò)解模糊得到系統(tǒng)實(shí)際的輸出量，從而降低對(duì)控制模型精確性的要求。

模糊化是將控制系統(tǒng)反饋量和控制輸出的精確值轉(zhuǎn)化到對(duì)應(yīng)的模糊論域。具體的說(shuō)，本文控制系統(tǒng)反饋量是隧道內(nèi)CO濃度，將CO濃度偏差量、CO濃度偏差量變化率以及控制輸出信號(hào)的具體值用｛負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟S），零（ZE），正?。≒S），正中（PM），正大（PB）｝這樣的模糊語(yǔ)言表示，CO濃度偏差量、偏差量變化率以及控制輸出信號(hào)模糊化并歸一化后的隸屬度函數(shù)如圖1所示［10］。模糊PID算法通過(guò)制定的模糊規(guī)則找出PID控制的比例、積分和微分參數(shù)與CO濃度偏差量、偏差量變化率之間模糊關(guān)系，在此列出PID控制的比例、積分和微分參數(shù)的增量與CO濃度偏差量、偏差量變化率之間模糊關(guān)系，見(jiàn)表1［11］。通過(guò)模糊規(guī)則得到的ΔKP，ΔKI，ΔKD加上原PID的三個(gè)參數(shù)即得到PID控制器的實(shí)際控制參數(shù)，從而對(duì)隧道的通風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)風(fēng)量，調(diào)節(jié)隧道內(nèi)CO濃度。

表1　ΔKP，ΔKI，ΔKD模糊規(guī)則表

3　實(shí)驗(yàn)分析

本文研究的隧道全長(zhǎng)為890 m，通風(fēng)方式是縱向通風(fēng)。通風(fēng)風(fēng)機(jī)是對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)，三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YBF2?160M2?2型，額定功率為30 kW，額定轉(zhuǎn)速是 2 930 r/min，額定電流為28.6 A，變頻器型號(hào)為VFD?450F。CO最大濃度為400 ppm，CO濃度的論域設(shè)置為［50ppm，400ppm］，歸一化論域后變?yōu)椋?6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝?？刂茖?duì)象數(shù)學(xué)模型中K1=2.5，T1=3，τ1=1.5，K2=8，T2=2，τ2=2。設(shè)定PID參數(shù)的初始值為KP0=3.8、KI0=-1.8和KD0=37.5。

針對(duì)該隧道內(nèi)CO濃度24 h的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圖2是使用傳統(tǒng)的后反饋式控制方式的CO濃度監(jiān)測(cè)值和風(fēng)機(jī)風(fēng)量數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯L(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)整遠(yuǎn)滯后于CO濃度變化，對(duì)于CO濃度變化的抑制效果較差。

圖3是使用傳統(tǒng)PID控制方式的CO濃度監(jiān)測(cè)值和風(fēng)機(jī)風(fēng)量數(shù)據(jù)。可以看出，風(fēng)機(jī)風(fēng)量能夠相對(duì)較好地跟隨CO濃度的變化，能夠?qū)λ淼纼?nèi)CO濃度進(jìn)行抑制。

圖1　偏差量、偏差量變化率以及控制輸出信號(hào)隸屬度函數(shù)

圖2　傳統(tǒng)的后反饋式控制方式的CO濃度監(jiān)測(cè)值和風(fēng)機(jī)風(fēng)量數(shù)據(jù)

圖3　傳統(tǒng)PID控制方式的CO濃度監(jiān)測(cè)值和風(fēng)機(jī)風(fēng)量數(shù)據(jù)

圖4是使用模糊PID控制方式的CO濃度監(jiān)測(cè)值和風(fēng)機(jī)風(fēng)量數(shù)據(jù)?？煽闯?，相比傳統(tǒng)的PID控制方式，風(fēng)機(jī)風(fēng)量能夠很好地跟隨CO濃度的變化，超調(diào)量更低、調(diào)整時(shí)間更短。本文研究的模糊PID控制方法應(yīng)用于隧道的通風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)具有較好的應(yīng)用效果和明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖4　模糊PID控制方式的CO濃度監(jiān)測(cè)值和風(fēng)機(jī)風(fēng)量數(shù)據(jù)

4　結(jié)　論

本文使用后反饋式控制與模糊PID控制算法相結(jié)合，對(duì)隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行控制，對(duì)模糊PID控制器建立過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。最后使用一全長(zhǎng)為890 m的隧道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的后反饋式控制方式和傳統(tǒng)的PID控制方式，本文控制方法能夠很好地跟隨CO濃度的變化調(diào)節(jié)風(fēng)量，超調(diào)量更低、調(diào)整時(shí)間更短。說(shuō)明本文研究的模糊PID控制方法應(yīng)用于隧道的通風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)具有較好的應(yīng)用效果和明顯的優(yōu)勢(shì)。

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中圖分類號(hào)：TN98?34；TD724

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004?373X（2016）16?0125?03

doi：10.16652/j.issn.1004?373x.2016.16.033

作者簡(jiǎn)介：趙航（1975—），女，遼寧黑山人，講師，碩士。研究方向?yàn)槟：刂扑惴ㄑ芯?、?shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

收稿日期：2015?12?25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金：超級(jí)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)下的信號(hào)完整性關(guān)鍵技術(shù)研究（61404087）；江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目

Study on ventilation air quantity control system based on fuzzy PID control

ZHAO Hang
（Electronic Information Engineering College，Sanjiang University，Nanjing 210012，China）

Abstract：As the tunnel ventilation system has many variables（such as CO concentration，smoke concentration and so on）which need to be controlled in the actual operation，and there are many factors（such as the tunnel flow）which may influence the CO concentration，smoke concentration and other control variables，in this paper，only CO concentration is taken as the con?trol objective to study the air flow control system for tunnel ventilation.The post feedback control algorithm is combined with fuzzy PID control algorithm to control the air flow in the tunnel.The mathematical model for the control object of the ventilation air flow in the tunnel is simplified as the form of multiplying the two first?order pure delay inertia links with each other.The analysis results of control effect in the experiment show that，compared with the traditional PID control mode，the wind turbine can make the air volume change with the variation of CO concentration，whose overshoot amount is lower and adjustment time is shorter. The fuzzy PID control method studied in this paper has a good application effect and obvious advantages for the tunnel ventila?tion and air conditioning.

Keywords：tunnel ventilation；air conditioning；fuzzy PID；CO concentration