基于模糊理論的地鐵通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

石繼陽(yáng)

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 概述

城市軌道交通具有環(huán)境污染小、通行效率高的特點(diǎn)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)各大中城市的重要交通方式。隨著各地軌道交通網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大，投入運(yùn)營(yíng)里程的加長(zhǎng)，電能消耗問(wèn)題也日益突出。在軌道交通總用電量中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)占總用電量的50%左右，因此如何降低通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的能耗成為軌道交通建設(shè)的節(jié)能重點(diǎn)。軌道交通工程是人流聚匯聚的地下公共場(chǎng)合，正常工況下建立舒適的旅客乘車(chē)環(huán)境是控制空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)目標(biāo)。

目前，綜合了計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的已在地鐵通風(fēng)空調(diào)控制中廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化控制，節(jié)約了運(yùn)營(yíng)人力物力成本。但由于地鐵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，按運(yùn)營(yíng)初期所遇到的最大負(fù)荷考慮，并為遠(yuǎn)期客流考慮預(yù)留約10%的設(shè)計(jì)余量，故運(yùn)營(yíng)初期大部分時(shí)間通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備不會(huì)在滿(mǎn)載狀態(tài)下運(yùn)行，造成大量能源浪費(fèi)。因此將變量技術(shù)引入通風(fēng)空調(diào)控制中，可以做到實(shí)時(shí)負(fù)荷變化控制系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)負(fù)荷變化提前實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行。

2 傳統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)控制模式

通常情況下，通風(fēng)空調(diào)最高轉(zhuǎn)換效率COP與負(fù)荷Ts的關(guān)系為：

式中：TD——冷水機(jī)組蒸發(fā)器平均溫度（℃）；TS——空調(diào)主機(jī)冷凝器平均溫度（℃）。

根據(jù)上述公式，可以計(jì)算得出地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在一定的負(fù)荷工況下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率COP保持最高值所對(duì)應(yīng)的冷凝器溫度TS，并根據(jù)此溫度調(diào)節(jié)冷卻塔散熱風(fēng)量和冷卻水供水流量。

但由于環(huán)境濕度、環(huán)境溫度濕度、末端負(fù)荷、冷卻塔散熱效果的時(shí)變性以及冷卻水泵和冷水機(jī)組主機(jī)特性的變化，導(dǎo)致通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)具有多變量、復(fù)雜、時(shí)變等特性，各過(guò)程參數(shù)之間存在較為嚴(yán)重的相互耦合關(guān)系，且各參數(shù)多為非線(xiàn)性特性，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型難以達(dá)到系統(tǒng)最高運(yùn)行效率的節(jié)能控制目標(biāo)。

3 智能模糊控制方式

模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制方法，非常適合于具有上述特性的地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制。

3.1 模糊控制原理

模糊控制實(shí)際是一種對(duì)人腦模擬的智能控制，在難以使用精確數(shù)學(xué)模型的工業(yè)控制領(lǐng)域具有優(yōu)越的控制性能。

模糊化的功能是將控制器的輸入設(shè)定量Ur這個(gè)精確值轉(zhuǎn)換為模糊語(yǔ)言，將輸入值以適當(dāng)?shù)谋壤D(zhuǎn)換到一個(gè)閾值，即一定范圍的模糊子集。

模糊推理環(huán)節(jié)，模仿人類(lèi)大腦的模糊判斷邏輯，利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)定義、函數(shù)描述及控制目標(biāo)策略，進(jìn)行模糊推論，得到模糊控制信號(hào)。

清晰化環(huán)節(jié)將上一環(huán)節(jié)的模糊信號(hào)轉(zhuǎn)化為精確量值，反饋到被控對(duì)象。

模糊控制系統(tǒng)的核心組成部分，包括模糊化設(shè)定變量、數(shù)據(jù)庫(kù)、邏輯判斷和清晰化（去模糊）四個(gè)部分。

模糊控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)

3.2 冷凍水系統(tǒng)模糊控制模型

根據(jù)模糊控制理論建立地鐵冷水系統(tǒng)控制模型，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)設(shè)置水流量計(jì)、溫度傳感器、壓差傳感器和水位報(bào)警器等，對(duì)環(huán)境溫度、系統(tǒng)末端負(fù)荷（供回水溫度、壓差、溫差等參數(shù)）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將測(cè)量的參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送至模糊控制器主機(jī)，即輸入數(shù)據(jù)的模糊化過(guò)程。

模糊控制器在收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的前提下，參照數(shù)據(jù)庫(kù)中的系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)或其他地鐵工程既有的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的模糊推理環(huán)節(jié)，推算得出空調(diào)系統(tǒng)需要此事提供的制冷量，相應(yīng)得出系統(tǒng)中冷凍水供回水溫度、溫差和流量的實(shí)時(shí)最佳值，達(dá)到去模糊過(guò)程，得出系統(tǒng)設(shè)備輸出頻率或水泵轉(zhuǎn)速值。

調(diào)節(jié)各水泵變頻控制器輸出頻率，調(diào)解水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行輸出與環(huán)境或末端負(fù)荷的需求相適應(yīng)的最優(yōu)運(yùn)行工況[1]。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)控制邏輯

通風(fēng)空調(diào)水系統(tǒng)的所有設(shè)備及傳感器都由節(jié)能控制系統(tǒng)控制?？刂圃O(shè)備包括冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、水處理器、電動(dòng)蝶閥及電動(dòng)二通閥等。大系統(tǒng)設(shè)備包括組合式空調(diào)、回排風(fēng)機(jī)、各類(lèi)調(diào)節(jié)風(fēng)閥，傳感器除各類(lèi)溫濕度傳感器外，還包括二氧化碳濃度傳感器。各設(shè)備配置獨(dú)立的變頻控制柜，通過(guò)總線(xiàn)協(xié)議與節(jié)能控制柜通訊連接。

水泵控制柜及就地手操箱設(shè)置遠(yuǎn)程/就地轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)置為“就地”位時(shí)，可在就地箱上進(jìn)行水泵起、?？刂?，當(dāng)開(kāi)關(guān)設(shè)置為“遠(yuǎn)程”位時(shí)，由集控柜或BAS控制空調(diào)主機(jī)及冷凍水泵起、停，并對(duì)冷凍水泵變頻器的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

正常工況時(shí)，節(jié)能控制系統(tǒng)作為BAS子系統(tǒng)，可由BAS實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)控制、模式控制及時(shí)間表控制。BAS發(fā)出節(jié)能模式指令時(shí)，節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)自身的傳感器采集的參數(shù)，調(diào)解風(fēng)閥、水閥的開(kāi)度和變頻設(shè)備的運(yùn)行頻率，并上傳閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及傳感器采集的信息。BAS系統(tǒng)發(fā)出單點(diǎn)控制指令時(shí)，BAS系統(tǒng)直接控制系統(tǒng)范圍內(nèi)的閥門(mén)或設(shè)備。

根據(jù)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷變化的跟蹤情況，在不影響通風(fēng)空調(diào)末端服務(wù)質(zhì)量和系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行修正，達(dá)到制冷主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、回排風(fēng)機(jī)等設(shè)備節(jié)約電能（與工頻運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行比較）的效果，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合節(jié)能20%～40%。

系統(tǒng)優(yōu)化前后COP值對(duì)比如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)優(yōu)化前后COP值對(duì)比

5 模糊控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

5.1 具有安全保護(hù)功能

系統(tǒng)可設(shè)置冷凍水低流量保護(hù)、低溫保護(hù)、低壓差保護(hù)、高壓差保護(hù)等保護(hù)措施，冷凍水系統(tǒng)實(shí)際流量低于設(shè)定的下限保護(hù)值時(shí)，控制柜自動(dòng)采取適當(dāng)措施，以保護(hù)冷水機(jī)組蒸發(fā)器安全運(yùn)行，保證在變流量工況下整套系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

5.2 負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整，提升服務(wù)質(zhì)量

與傳統(tǒng)軌道交通空調(diào)系統(tǒng)定流量運(yùn)行方式不同，模糊控制系統(tǒng)能夠做到最優(yōu)能力輸出控制模式，即空調(diào)主機(jī)對(duì)應(yīng)流量可隨著地鐵車(chē)站末端負(fù)荷需求情況全自動(dòng)、實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到真正的變流量控制模式。因此，空調(diào)系統(tǒng)在滿(mǎn)負(fù)荷或部分負(fù)荷各類(lèi)運(yùn)行工況下，都能在保障地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)舒適性的前提下，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能效果[3]。

5.3 自適應(yīng)優(yōu)化控制

針對(duì)地鐵通風(fēng)空調(diào)多變量、相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，只有充分利用現(xiàn)代最新計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)冷凍水和冷卻水系統(tǒng)的變流量運(yùn)行，且系統(tǒng)能夠進(jìn)行類(lèi)似人腦的知識(shí)處理和模糊推理功能，并利用自身數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自尋優(yōu)和自適應(yīng)的智能控制功能。

5.4 實(shí)現(xiàn)最高熱轉(zhuǎn)換效率

依據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的各種流量計(jì)、傳感器，可對(duì)空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行全面采集，各類(lèi)風(fēng)-水?dāng)?shù)據(jù)相互耦合、互相關(guān)聯(lián)影響，智能模糊控制技術(shù)能夠?qū)Σ杉膮?shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，最終適應(yīng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)變性及非線(xiàn)性的要求，使空調(diào)系統(tǒng)始終保持在最佳工況狀態(tài)運(yùn)行，達(dá)到最高的熱轉(zhuǎn)換效率，減少主機(jī)約20%的能耗。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為多變量，時(shí)變性且非線(xiàn)性變化系統(tǒng)，傳統(tǒng)控制方式存在較為嚴(yán)重的滯后和能源浪費(fèi)問(wèn)題。引入模糊控制理論及控制應(yīng)用技術(shù)，以模糊控制理論為指導(dǎo)建立風(fēng)水系統(tǒng)自適應(yīng)模糊優(yōu)化算法模型，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)為控制手段，以搜集的各項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為參照，實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)隨時(shí)處于高能源效率狀態(tài)運(yùn)行，取代傳統(tǒng)的控制模式和原有的環(huán)控柜控制柜，在保障地鐵車(chē)站站廳站臺(tái)整體環(huán)境舒適性的前提下，最大限度地降低空調(diào)系統(tǒng)能源消耗，最終達(dá)到降低能耗的目的。