基于模糊控制的隧道射流風機變頻器應用和仿真

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(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

0 引言

貴州交通的持續建設，2016年全省高速公路通車里程達5433 km。貴州地貌屬于山地高原，高速公路建設中多存在短型隧道。隧道是一個半封閉系統，行車過程的CO、風塵，影響行車安全系數，通風必不可少[1]。高速公路隧道中風機多采用射流風機，較長、特長的隧道，存在多對射流風機，通過智能控制控制風機對數的啟停，但是短型隧道，長度剛好達到需要安裝射流風機的往往只存在一對或者兩對射流風機，控制開啟風機對數的方法不能有效達到節能目的。而且射流風機在啟動的瞬間電流過大，對電網沖擊巨大[2]。通過變頻器控制射流風機不僅能緩解風機啟動對電網的沖擊同時還能達到節能效果。

本文提出以PLC為控制單元，通過變頻器控制風機的啟動，減少對電網的沖擊，同時通過傳感器采集實時數值，通過模糊控制變頻器輸出的頻率，控制風機轉速達到節能效果。

1 模糊控制通風系統

模糊控制通風系統主要包括CO/VI檢測器、微波車輛檢測器、PLC、變頻器、射流風機、控制箱等。同時控制箱上設有緊急手動風機啟動開關，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]。隧道通風系統處于PLC控制的自動模式時，通過傳感器采集隧道內CO濃度、VI值以及交通流量。PLC設置合適采用時間比如5 s，對傳感器反饋的數據進行處理，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據對比確定輸出，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。實時監測隧道交通情況變化，智能控制變頻器輸出及風機轉速保證隧道行車安全同時達到節能目的。系統原理圖如圖1。

圖1 模糊控制通風系統原理圖

2 模糊控制器設計

影響隧道行車安全的主要因素有CO濃度、能見度，考慮到隧道通風系統是一個大時滯系統，通過PLC計算CO和VI的變化速度，根據CO和VI的變化趨勢預先改變頻率減少延遲[4]。CO和VI是兩個獨立的因素，設計兩個模糊控制器。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計。

2.1 輸入變量論域及隸屬度函數

根據《公路隧道通風照明設計規范》，對于運營隧道，1000 m的隧道CO濃度應不大于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 }。三角形函數運算簡單且靈敏度較高[7]，因此三輸入均選用三角形函數，如圖2、圖3、圖4。

圖2 CO濃度隸屬度函數

圖3 ΔCO的隸屬度函數

圖4 車流量隸屬度函數

2.2 輸出變量論域及隸屬度函數

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)}。為了使風機轉速變化平穩，隸屬度函數選取高斯型，如圖5。

圖5 輸出頻率隸屬度函數

2.3 通風模糊控制規則制定

根據隧道通風系統的特點，結合傳統通風控制經驗，確定模糊控制規則。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。對應的模糊關系表達式為：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條控制規則，如表1。

表1模糊控制規則表

2.4 通風系統MATLAB仿真

在MATLAB中對模糊控制隧道通風系統進行仿真，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，結果可以看出當隧道車流量中等且CO濃度符合安全標準、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，緩慢沒有出現頻率急劇變化情況，符合現實需求。

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 變頻調速節能原理

隧道是一個半封閉系統，射流風機的工作，使隧道內行車高低壓進行換氣保證隧道通風安全。換氣量大小與風機的風壓、風量有關，而風壓、風量與風機的轉速相關，通過不同頻率下改變轉速適應不同CO/VI濃度下通風需求量達到節能[7]。具體工作原理：

步電動轉速與電源頻率的關系：

n=60f(1-s)/p

(1)

式中：n為轉速，s為轉差率，p為墊極對數，f為電源頻率。

風機風量與風機轉速關系：

Q=Kn

(2)

式中 ：Q為風量，n為風機轉速，K為比例系數。

風機風壓與轉速關系：

H=cln2

(3)

式中：H為風壓，n為風機轉速，cl為比例系數。

風機軸功率與轉速關系：

P=Dn3

(4)

式中：P為軸功率，n風機轉速，D比例系數。

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

4 結論

本文設計兩個相互獨立的三輸入模糊控制器，分別監控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范。與傳統短型隧道風機控制方法相比，由變頻器控制風機啟動不僅降低了對電網的沖擊，同時由傳感器采集隧道交通的實時數據，智能控制變頻器輸出頻率控制風機轉速，達到節能效果。