模糊PID控制在公路隧道照明節(jié)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳瑞琦

(陜西省交通廳基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，西安　710075)

模糊PID控制在公路隧道照明節(jié)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳瑞琦

(陜西省交通廳基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，西安710075)

摘要：高壓鈉燈點(diǎn)亮后適當(dāng)降低并穩(wěn)定其電源電壓是最常見的隧道節(jié)能方式。介紹高壓鈉燈的特點(diǎn)，比較和分析照明回路3種電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，依據(jù)規(guī)范和實(shí)際情況確定高壓鈉燈的降壓目標(biāo)值，提出一種基于模糊PID的調(diào)壓控制算法。仿真試驗(yàn)和實(shí)際數(shù)據(jù)表明節(jié)電率達(dá)到35%～45%，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：公路隧道；照明控制；模糊；PID；節(jié)能

照明耗電在高速公路運(yùn)營能耗中所占比例非常高，是隧道能耗最主要的部分。近年來，不少學(xué)者進(jìn)行了對比統(tǒng)計(jì)分析。長安大學(xué)唐珂的抽樣研究顯示，隧道能耗占高速公路總能耗的29%[1]。因此，對于高速公路節(jié)能而言，首要就是降低隧道照明能耗。

在以往較長時(shí)間內(nèi)，國內(nèi)公路隧道照明基本是采用高壓鈉燈作為主要照明燈具。這種燈具具有照度高、顯色性好、光衰小的特點(diǎn)，但能耗較高。為了推廣LED等新型燈具在隧道照明中的應(yīng)用，促進(jìn)節(jié)能減排，2008—2009年陜西省交通廳質(zhì)監(jiān)站將幾種主流高壓鈉燈和LED燈等共14盞燈具不間斷點(diǎn)亮，進(jìn)行了超過1年的對比試驗(yàn)[2]。試驗(yàn)結(jié)果表明，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，不同廠商LED燈具差異較大，但都表現(xiàn)出光衰較嚴(yán)重的現(xiàn)象；而不同廠商高壓鈉燈的差異卻并不大，觀測期間光衰不明顯。因此，在當(dāng)時(shí)條件下，隧道照明仍主要采用高壓鈉燈，但同時(shí)鼓勵(lì)對LED等新型節(jié)能燈具進(jìn)行試點(diǎn)推廣便成為業(yè)界許多人的一致觀點(diǎn)。時(shí)至今日，LED燈具研究取得了越來越大的進(jìn)步，也得到了較大程度的應(yīng)用，但與高壓鈉燈相比較，其使用數(shù)量仍然少得多。因此研究大量在用高壓鈉燈的節(jié)能，更具有現(xiàn)實(shí)意義。

高壓鈉燈屬氣體放電燈。根據(jù)氣體放電燈原理，其在啟動(dòng)時(shí)需要較高的工作電壓，故點(diǎn)亮后適當(dāng)降低并穩(wěn)定其電源電壓對燈具輸出特性影響不大[3]。試驗(yàn)表明，電壓穩(wěn)定在200～210 V范圍是高壓鈉燈的最佳工作電壓。在此工作電壓范圍內(nèi)，高壓鈉燈既可保持其正常照度，又可有效節(jié)電，還能延長其使用壽命[4]。由于用電器的消耗功率與加在用電器兩端電壓的平方成正比，因此在用電器效能變化不大的情況下，若電壓降低至90%，則消耗功率會(huì)降至81%。由此可知，隧道高壓鈉燈照明節(jié)能的最有效方式就是適當(dāng)降低隧道照明回路電壓并保持穩(wěn)定。

1照明回路電壓調(diào)節(jié)方式及控制邏輯

目前電壓調(diào)節(jié)技術(shù)主要有3種，如表1所示。

表1　常見電壓調(diào)節(jié)技術(shù)對比一覽

比較表1電壓調(diào)節(jié)技術(shù)可知，要想實(shí)現(xiàn)連續(xù)的智能控制調(diào)壓，就必須采用無極調(diào)壓作為調(diào)壓、穩(wěn)壓方案，并通過采樣、保護(hù)電路與智能控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)智能控制?？刂葡到y(tǒng)工作過程如下。

照明系統(tǒng)工作時(shí)，采樣電路實(shí)時(shí)采集當(dāng)前輸出電壓，由檢測電路與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較判斷。而智能控制系統(tǒng)則根據(jù)比較結(jié)果，輸出相應(yīng)指令控制無極調(diào)壓電路，以降低和穩(wěn)定輸出電壓，達(dá)到高壓鈉燈的節(jié)電目的。

根據(jù)高壓鈉燈啟動(dòng)時(shí)需要較高電壓這一特性，緊急停電后重新恢復(fù)供電時(shí)，應(yīng)采用略高于額定電壓的輸出電壓來快速啟動(dòng)燈具，待完成重新啟動(dòng)后再恢復(fù)到降壓供電狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)節(jié)電。

智能控制系統(tǒng)還應(yīng)對保護(hù)電路進(jìn)行控制，當(dāng)產(chǎn)生過壓、欠壓或調(diào)壓系統(tǒng)工作不正常時(shí)，將供電自動(dòng)切換到“旁路”狀態(tài)，采用市電供電，避免造成照明負(fù)載的供電中斷。智能照明節(jié)電系統(tǒng)的原理如圖1所示。

2確定當(dāng)前降壓目標(biāo)值

對單個(gè)燈具而言，常見的降壓節(jié)電方法是通過低壓(典型值為190 V)斜坡升壓軟起動(dòng)后，再用高壓(典型值為230 V)快速預(yù)熱，再穩(wěn)定到一個(gè)合適低壓工作點(diǎn)。而在實(shí)際照明回路中，確定回路的低壓工作點(diǎn)有如下2個(gè)步驟。

首先，需找出一個(gè)合適的工作電壓，既實(shí)現(xiàn)了降壓節(jié)電的目的，也不會(huì)對洞內(nèi)照明有顯著影響。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，高壓鈉燈供電電壓降低10%左右(即200 V左右)，其照度改變并不顯著?？紤]到燈具規(guī)格型號、照明時(shí)間段、洞外景物亮度及交通量等因素差異，不同情況下的最佳工作點(diǎn)也不完全相同?？梢酝ㄟ^建立專家規(guī)則表，查詢確定最佳工作點(diǎn)電壓。

圖1　智能照明節(jié)電系統(tǒng)原理示意

其次，每個(gè)供電回路不止有一盞高壓鈉燈，考慮到線損等因素，從調(diào)壓系統(tǒng)輸出的電壓并不是每盞燈的供電電壓。為保證回路所有燈具都在低壓工作點(diǎn)附近工作，且盡可能接近低壓工作點(diǎn)，在確定最佳工作點(diǎn)電壓后，還應(yīng)加上所有燈具電壓損失的平均值作為每盞燈的電壓損失代表值，使每盞燈供電電壓接近最佳工作點(diǎn)電壓值。

3模糊PID算法在調(diào)壓控制器中的應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精準(zhǔn)控制和穩(wěn)定，大多數(shù)研究者最初采用傳統(tǒng)PID(比例-積分-微分控制器)控制來實(shí)現(xiàn)，也取得了較好的效果。但傳統(tǒng)PID控制容易產(chǎn)生超調(diào)，且照明回路也不能嚴(yán)格視為時(shí)不變系統(tǒng)，因此采用智能控制算法是較好的解決方案[6]。模糊PID控制系統(tǒng)是一種較為成熟的智能控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文模糊控制算法設(shè)計(jì)如下。

1) 模糊變量及其論域。

以電壓偏差值E及其變化率Ec，PID控制器參數(shù)Kp、Ki和Kd作為語言變量。各語言變量的取值是一個(gè)模糊子集，根據(jù)慣例，該集合取值為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，并可記為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。

實(shí)際情況中，電壓偏差值E及其變化率Ec都不會(huì)太大，可設(shè)E不超過5 V，Ec不超過2 V，KP、KI、KD也設(shè)定了各自的論域，如表2所示。

圖2　模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

模糊量基本論域模糊論域量化因子E[-5,5]{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}1EC[-2,2]{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}2.5Kp[-0.3,0.3]{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}1Ki[-0.06,0.06]{-0.06,-0.05,-0.04,-0.03,-0.02,-0.01,0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06}1Kd[-3,3]{-3,-2,-1,0,1,2,3}1

2) 隸屬度函數(shù)。

采用最典型的三角形隸屬度函數(shù)，通過Matlab軟件的模糊和仿真工具箱進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真[7]。電壓偏差E的隸屬度函數(shù)曲線如圖3所示，其他變量的隸屬度函數(shù)曲線類似，只是論域不同。

圖3　電壓偏差E的隸屬度函數(shù)曲線

3) 模糊規(guī)則表。

模糊推理機(jī)有2個(gè)輸入語言變量(E、Ec)，3個(gè)輸出語言變量(Kp、Ki和Kd)。其各有7個(gè)狀態(tài)，共49條模糊推理規(guī)則，均由工作人員根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來制定。輸出變量采用面積重心法進(jìn)行解模糊化計(jì)算，即取模糊隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心為模糊推理最終輸出值。Matlab模糊工具箱可按照if-else形式錄入詳細(xì)的模糊規(guī)則，如圖4所示，錄入后，可查看經(jīng)模糊規(guī)則運(yùn)算并解模糊化后的三維立體圖，從而可直觀地看出模糊規(guī)則是否合理[8]。Kp、Ki和Kd對應(yīng)的三維立體圖分別如圖5所示。

圖4　Matlab中編輯模糊規(guī)則

圖5　輸出模糊變量對應(yīng)的三維立體圖

4結(jié)束語

減壓節(jié)能智能照明節(jié)電系統(tǒng)是眾多隧道高壓鈉燈照明節(jié)能的首選技術(shù)。其技術(shù)成熟，優(yōu)勢明顯，經(jīng)在陜西省2條高速公路隧道中試用，節(jié)電率分別達(dá)到34%和45.8%。在避免因更換燈具而發(fā)生高昂費(fèi)用的前提下，有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排目標(biāo)，是值得大力推廣的一種綠色技術(shù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]唐珂.高速公路營運(yùn)期能耗水平分析與測算方法研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[2]陜西省交通廳質(zhì)監(jiān)站.關(guān)于隧道照明燈具對比試驗(yàn)的總結(jié)匯報(bào)[R].西安：陜西省交通廳質(zhì)監(jiān)站，2010.

[3]史兆培，王玉爽，嚴(yán)登俊.城市路燈照明節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國照明電器，2009(10)：11-16.

[4]張振，張萬奎.高壓鈉燈降壓調(diào)光節(jié)電試驗(yàn)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2010，21(2)：47-48.

[5]林敦，彭少志.自耦變壓器降壓方法在電網(wǎng)電壓過高地區(qū)的應(yīng)用[J].電世界，2008，49(6)：28-29.

[6]胡包鋼，應(yīng)浩.模糊PID控制技術(shù)研究發(fā)展回顧及其面臨的若干重要問題[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2001，27(4)：567-584.

[7]劉革輝，單杰峰.Matlab軟件中的Fuzzy Logic工具箱在模糊控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真，2000，17(5)：69-72.

[8]黃昕穎.基于MATLAB模糊工具箱的PID參數(shù)整定[J].現(xiàn)代制造，2011(3)：39-40.

Application of Fuzzy PID Control in Highway Tunnel Lighting Power-saving System

CHEN Ruiqi

Abstract:Appropriate reduction and stabilization of power supply voltage after HV sodium lamps light up is a most common tunnel energy-saving mode. This paper introduces the features of HV sodium lamps, compares and analyzes 3 voltage regulating techniques for lighting circuit, and proposes a voltage regulating control algorithm based in fuzzy PID in accordance with the target value of voltage reduction of HV sodium lamps determined pursuant to the specification and actual conditions. The simulation test and actual data show that the fuzzy PID control reaches 35%～45% power-saving rate and exhibits a certain value of application.

Keywords:highway tunnel; lighting control; fuzzy; PID; energy-saving

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.030

收稿日期：2015-12-07

作者簡介：陳瑞琦(1977-)，男，山西省臨汾市人，碩士，工程師。

文章編號：1009-6477(2016)03-0138-04中圖分類號：U453.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A