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）

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)在實際運行時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)控制對象的數(shù)學(xué)模型簡化為兩個一階純滯后慣性環(huán)節(jié)相乘的形式。最后使用實驗進(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。

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。其中對于公路隧道通風(fēng)的研究具有十分重要的意義，因為公路隧道通風(fēng)不僅關(guān)乎到隧道內(nèi)車輛人員的生命財產(chǎn)安全，而且關(guān)乎整體高速公路的通暢運行；同時有效控制隧道通風(fēng)對于節(jié)約國家能源，降低運行成本等具有積極的作用［1?4］。

由于隧道通風(fēng)系統(tǒng)在實際運行時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濃度檢測值作為反饋量與CO濃度閾值進(jìn)行比較運算，從而直接控制風(fēng)機的運行。時序控制方法相對簡單，但是控制效果最弱，該方法根據(jù)對某個隧道內(nèi)的CO濃度變化規(guī)律進(jìn)行長期監(jiān)測，并設(shè)定固定的程序?qū)︼L(fēng)機進(jìn)行控制。前饋控制法是通過對隧道內(nèi)交通流量進(jìn)行監(jiān)測，從而判斷隧道內(nèi)CO濃度，并發(fā)出風(fēng)機運行狀態(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，對隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行控制。

1　控制對象數(shù)學(xué)模型

本文研究的通風(fēng)機由風(fēng)機、電機以及集流器等構(gòu)成。由于控制對象具有明顯滯后性和非線性等特性，因此還無法得到精確的控制模型，故使用對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)機啟動時的零壓階段，風(fēng)機將隧道外新風(fēng)送入隧道內(nèi)，此時隧道內(nèi)氣流壓力保持不變，可以將此過程看作是滯后環(huán)節(jié)；隨著風(fēng)機作用時間的增加，隧道內(nèi)氣流壓力開始變化并逐漸穩(wěn)定到期望的壓力值，可以將此過程看作是一階慣性環(huán)節(jié)，因此本文研究隧道內(nèi)壓力控制對象時，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誤差變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)誤差即將變大時，微分控制會提前做出反映，降低誤差，提高PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低調(diào)整時間。模糊控制算法通過使用模糊化的語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，最后通過解模糊得到系統(tǒng)實際的輸出量，從而降低對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)化到對應(yīng)的模糊論域。具體的說，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的具體值用｛負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟S），零（ZE），正小（PS），正中（PM），正大（PB）｝這樣的模糊語言表示，CO濃度偏差量、偏差量變化率以及控制輸出信號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，見表1［11］。通過模糊規(guī)則得到的ΔKP，ΔKI，ΔKD加上原PID的三個參數(shù)即得到PID控制器的實際控制參數(shù)，從而對隧道的通風(fēng)機進(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　實驗分析

本文研究的隧道全長為890 m，通風(fēng)方式是縱向通風(fēng)。通風(fēng)風(fēng)機是對旋軸流風(fēng)機，三相異步電動機型號為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｝。控制對象數(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。

針對該隧道內(nèi)CO濃度24 h的監(jiān)測數(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)測值和風(fēng)機風(fēng)量數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，風(fēng)機風(fēng)量的調(diào)整遠(yuǎn)滯后于CO濃度變化，對于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)測值和風(fēng)機風(fēng)量數(shù)據(jù)。可以看出，風(fēng)機風(fēng)量能夠相對較好地跟隨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)測值和風(fēng)機風(fēng)量數(shù)據(jù)

圖3　傳統(tǒng)PID控制方式的CO濃度監(jiān)測值和風(fēng)機風(fēng)量數(shù)據(jù)

圖4是使用模糊PID控制方式的CO濃度監(jiān)測值和風(fēng)機風(fēng)量數(shù)據(jù)。可看出，相比傳統(tǒng)的PID控制方式，風(fēng)機風(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。

圖4　模糊PID控制方式的CO濃度監(jiān)測值和風(fēng)機風(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，對隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行控制，對模糊PID控制器建立過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。最后使用一全長為890 m的隧道進(jìn)行實驗分析。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)整時間更短。說明本文研究的模糊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。

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中圖分類號：TN98?34；TD724

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004?373X（2016）16?0125?03

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

作者簡介：趙航（1975—），女，遼寧黑山人，講師，碩士。研究方向為模糊控制算法研究、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計。

收稿日期：2015?12?25

基金項目：國家自然科學(xué)基金：超級動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)下的信號完整性關(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