基于模糊控制的隧道射流風(fēng)機變頻器應(yīng)用和仿真

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(貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

0 引言

貴州交通的持續(xù)建設(shè)，2016年全省高速公路通車?yán)锍踢_5433 km。貴州地貌屬于山地高原，高速公路建設(shè)中多存在短型隧道。隧道是一個半封閉系統(tǒng)，行車過程的CO、風(fēng)塵，影響行車安全系數(shù)，通風(fēng)必不可少[1]。高速公路隧道中風(fēng)機多采用射流風(fēng)機，較長、特長的隧道，存在多對射流風(fēng)機，通過智能控制控制風(fēng)機對數(shù)的啟停，但是短型隧道，長度剛好達到需要安裝射流風(fēng)機的往往只存在一對或者兩對射流風(fēng)機，控制開啟風(fēng)機對數(shù)的方法不能有效達到節(jié)能目的。而且射流風(fēng)機在啟動的瞬間電流過大，對電網(wǎng)沖擊巨大[2]。通過變頻器控制射流風(fēng)機不僅能緩解風(fēng)機啟動對電網(wǎng)的沖擊同時還能達到節(jié)能效果。

本文提出以PLC為控制單元，通過變頻器控制風(fēng)機的啟動，減少對電網(wǎng)的沖擊，同時通過傳感器采集實時數(shù)值，通過模糊控制變頻器輸出的頻率，控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速達到節(jié)能效果。

1 模糊控制通風(fēng)系統(tǒng)

模糊控制通風(fēng)系統(tǒng)主要包括CO/VI檢測器、微波車輛檢測器、PLC、變頻器、射流風(fēng)機、控制箱等。同時控制箱上設(shè)有緊急手動風(fēng)機啟動開關(guān)，有限級別高于PLC變頻控制，保證特殊情況下，快速工頻運作保證安全[3]。隧道通風(fēng)系統(tǒng)處于PLC控制的自動模式時，通過傳感器采集隧道內(nèi)CO濃度、VI值以及交通流量。PLC設(shè)置合適采用時間比如5 s，對傳感器反饋的數(shù)據(jù)進行處理，計算出CO濃度的變化趨勢和VI值的變化趨勢，如正變化值增大還是負變化值減少。PLC將CO濃度值、CO變化趨勢、VI值、VI變化趨勢、車流量值乘以量化因子進行比例變化映射成到模糊論域，將模糊化后的值與存儲在PLC中通過MATLAB生成的模糊控制查詢表進行數(shù)據(jù)對比確定輸出，將輸出值乘以比例因子進行清晰化處理，得到真實變頻器輸出。實時監(jiān)測隧道交通情況變化，智能控制變頻器輸出及風(fēng)機轉(zhuǎn)速保證隧道行車安全同時達到節(jié)能目的。系統(tǒng)原理圖如圖1。

圖1 模糊控制通風(fēng)系統(tǒng)原理圖

2 模糊控制器設(shè)計

影響隧道行車安全的主要因素有CO濃度、能見度，考慮到隧道通風(fēng)系統(tǒng)是一個大時滯系統(tǒng)，通過PLC計算CO和VI的變化速度，根據(jù)CO和VI的變化趨勢預(yù)先改變頻率減少延遲[4]。CO和VI是兩個獨立的因素，設(shè)計兩個模糊控制器。一是以CO、ΔCO、車流量為輸入的模糊控制器，二是以VI、ΔVI、車流量為輸入的模糊控制器。通過PLC對兩個輸出結(jié)果進行比較，選擇較大的輸出作為變頻器的輸出變頻[5-6]，保證兩個因素值都滿足要求。本文以CO、ΔCO、車流量為輸入的模糊控制器為例進行設(shè)計。

2.1 輸入變量論域及隸屬度函數(shù)

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》，對于運營隧道，1000 m的隧道CO濃度應(yīng)不大于250 ppm，取定CO的物理論域為[150， 250]ppm，模糊論域為[0， 10]，定義其模糊變量語言為[小 較小 適中 較大 大]，表示為{NB NS Z PS PB}。ΔCO為CO的變化速度，確定ΔCO的物理論域[-5，5]ppm，模糊論域[-1，1]，定義其模糊變量語言為[負零正]，表示為{N Z P }，N表示ΔCO變化趨勢為負，CO濃度正在減少，反之P表示濃度增加，變化趨勢為正。平均車流量為450 pcu/h，選定車流量物理論域[400 ，500]，模糊論域[0，10]，變量語言為[小 適中 大]，表示為{S M B }。三角形函數(shù)運算簡單且靈敏度較高[7]，因此三輸入均選用三角形函數(shù)，如圖2、圖3、圖4。

圖2 CO濃度隸屬度函數(shù)

圖3 ΔCO的隸屬度函數(shù)

圖4 車流量隸屬度函數(shù)

2.2 輸出變量論域及隸屬度函數(shù)

變頻器的輸出頻率為模糊控制的輸出，用Q來表示，物理論域為[0，50]Hz，模糊領(lǐng)域為[0，5]，模糊子集為Q={頻率零(Z)，頻率低(L)，頻率中(M)，頻率高(H)}。為了使風(fēng)機轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)，隸屬度函數(shù)選取高斯型，如圖5。

圖5 輸出頻率隸屬度函數(shù)

2.3 通風(fēng)模糊控制規(guī)則制定

根據(jù)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的特點，結(jié)合傳統(tǒng)通風(fēng)控制經(jīng)驗，確定模糊控制規(guī)則。如果CO濃度大而且變化趨勢為正增長、流量也較大，則變頻器輸出頻率較大。對應(yīng)的模糊關(guān)系表達式為：if CO濃度 is PB and CO變化趨勢 is B and 車流量is B ，then 輸出頻率 is H。 將CO濃度、CO濃度變化趨勢、車流量分別模糊成5個、3個、3個變量，共45條控制規(guī)則，如表1。

表1模糊控制規(guī)則表

2.4 通風(fēng)系統(tǒng)MATLAB仿真

在MATLAB中對模糊控制隧道通風(fēng)系統(tǒng)進行仿真，得到不同情況下的變頻器頻率輸出。圖6可以看出 CO濃度很小時且增長趨勢為負，變頻器輸出頻率為0，隨著CO濃度的上升和上升速度的變大，變頻器輸出頻率變大。圖7隨著車流量增加和CO濃度值升高，變頻器輸出頻率變高，保證隧道有足夠的通風(fēng)量。圖8表示在CO濃度中等、CO變化量較小、車流量中等情況下變頻器的輸出，結(jié)果可以看出當(dāng)隧道車流量中等且CO濃度符合安全標(biāo)準(zhǔn)、沒有明顯增長趨勢情況下，變頻器輸出頻率較低，維持隧道基本空氣流通即可。從圖6和圖7可以看出頻率變化平穩(wěn)，緩慢沒有出現(xiàn)頻率急劇變化情況，符合現(xiàn)實需求。

圖6 CO濃度-CO變化趨勢 圖7 CO濃度-車流量 下輸出頻率 下輸出頻率

圖8 CO濃度中等、CO變化趨勢小、車流量中等 情況下變頻器的輸出

3 變頻調(diào)速節(jié)能原理

隧道是一個半封閉系統(tǒng)，射流風(fēng)機的工作，使隧道內(nèi)行車高低壓進行換氣保證隧道通風(fēng)安全。換氣量大小與風(fēng)機的風(fēng)壓、風(fēng)量有關(guān)，而風(fēng)壓、風(fēng)量與風(fēng)機的轉(zhuǎn)速相關(guān)，通過不同頻率下改變轉(zhuǎn)速適應(yīng)不同CO/VI濃度下通風(fēng)需求量達到節(jié)能[7]。具體工作原理：

步電動轉(zhuǎn)速與電源頻率的關(guān)系：

n=60f(1-s)/p

(1)

式中：n為轉(zhuǎn)速，s為轉(zhuǎn)差率，p為墊極對數(shù)，f為電源頻率。

風(fēng)機風(fēng)量與風(fēng)機轉(zhuǎn)速關(guān)系：

Q=Kn

(2)

式中 ：Q為風(fēng)量，n為風(fēng)機轉(zhuǎn)速，K為比例系數(shù)。

風(fēng)機風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速關(guān)系：

H=cln2

(3)

式中：H為風(fēng)壓，n為風(fēng)機轉(zhuǎn)速，cl為比例系數(shù)。

風(fēng)機軸功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系：

P=Dn3

(4)

式中：P為軸功率，n風(fēng)機轉(zhuǎn)速，D比例系數(shù)。

式(1)—式(4)表明風(fēng)機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，風(fēng)機風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速三次方成正比[8]。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)CO/VI濃度較低，隧道通風(fēng)量需求較少時，通過改變變頻器頻率，降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速，可以大幅度地成三次方的降低軸功率，與傳統(tǒng)工頻開啟方式比較耗電量大大減少，達到節(jié)能目的。

4 結(jié)論

本文設(shè)計兩個相互獨立的三輸入模糊控制器，分別監(jiān)控CO濃度值和VI值變化，通過PLC進行模糊運算，并對兩個控制器的輸出進行比較，選取大者作為最后變頻器輸出，保證二者都能滿足行車安全規(guī)范。與傳統(tǒng)短型隧道風(fēng)機控制方法相比，由變頻器控制風(fēng)機啟動不僅降低了對電網(wǎng)的沖擊，同時由傳感器采集隧道交通的實時數(shù)據(jù)，智能控制變頻器輸出頻率控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，達到節(jié)能效果。