地鐵車站環境溫度自動控制系統分析與改進

張亞社

（西咸新區軌道交通投資建設有限公司，710003，西安∥高級工程師）

在空調季節西安地鐵1 號線個別車站環境溫度冷熱不均，乘客多有投訴。為了應對此狀況，在空調季節車站采取人工調節環境溫度，以確保站內環境溫度平穩、舒適。相比于自動調節方式，人工調節一方面增加環控設備能耗，另一方面給站務人員的工作帶來不便。為此，本文提出了地鐵車站溫度控制的新思路，以期解決此問題。

1 地鐵車站環境溫度自動控制現有算法分析

目前，西安地鐵1 號線車站BAS（環境與設備監控系統）中站內溫度自動控制程序采用的是單級PID（比例-積分-微分）調節算法。通過分析發現傳統的單級PID 調節算法在站內溫度自動控制過程中有以下不足之處：

1）算法中不區分普通車站與換乘車站，調節時間均采用300 s，忽略了車站規模的不同。空調系統啟動后站內溫度達到穩定時所需時間不同，在這種情況下極易造成不同規模車站站內溫度冷熱不均。

2）算法中將溫度計算偏差和計算偏差變化值設計預先固定在［-3.0 ℃，3.0 ℃］范圍內，影響了車站二通閥動作的準確性，使之不能隨著站內溫度細微變化而適當調整。

3）二通閥的動作開度輸出值為500+u×1 000/6，其中u 為PID 輸出量。系數1 000/6 與500 沒能根據各站情況分別設計，不能正確反映各站二通閥開度與站內溫度的關系。

2 地鐵車站環境溫度自動控制系統的改進措施

為確保站內溫度舒適并相對平穩，車站溫度自動控制算法就應該能準確、快速、可靠地調整站內溫度。當前廣泛應用于空調控制系統的串級控制算法是一種能夠滿足車站環境溫度自動控制要求的高品質算法，其優點體現在以下幾個方面：

1）在受到干擾前副回路就能很好地對副回路的被控量進行適當修正和控制。

2）副回路在車站溫度自動調節過程中，始終對副過程中參數的變化進行及時調節和修正，弱化車站環控系統冷凍水溫和水流量變化對車站公共區溫度的影響。

3）串級控制算法可以提供比單級PID 調節算法更快的響應速度。

2.1 地鐵車站環境溫度串級控制算法設計

為了能夠很好地實現地鐵站內環境溫度串級控制，鑒于送風溫度能較早地體現擾動影響，便于調節器快速做出相應反應，站內公共區送風溫度作為輔助信號是個比較好的選擇。構建主回路以車站公共區平均溫度作為主調參數、副回路以車站公共區送風溫度作為副調參數的串級控制算法（框圖如圖1所示）。以主回路車站公共區平均溫度輸出值來修正調節車站公共區送風溫度初始值t。對于主回路，因為車站站廳、站臺溫度存在滯后大、干擾頻繁以及站內多臺空調機組分時段分模式同時作用的問題，PID 調節算法難以對此勝任，可以采用具有解耦特性優點的模糊控制算法；對副回路仍可采用PID 調節算法。這樣可以減少串級控制算法的復雜性，起到優化作用。

圖1 車站公共區溫度串級控制算法框圖

2.2 副控制回路（送風溫度PID 控制）

地鐵車站溫度控制系統普遍都存在一定程度的容量滯后和純滯后性，當車站溫度控制系統遇到大的干擾時（比如空調系統開始運行與停止運行時），PID 調節算法中積分項的累積可以導致二通閥動作超過其最大范圍，嚴重時促使整個溫度控制系統超調甚至振蕩。為了解決此問題，可以采用積分分離算法：在程序中設定閾值ε＞0，當|En|＞ε 時（En為第n次采樣時刻的溫度偏差值），依靠PD（比例-微分）控制，提高整個空調系統響應速度，以盡可能避免大的溫度超調；當|En|≤ε，通過PID 調節，可確保精確度。副控制回路算法的框圖如圖2 所示。

圖2 副控制回路算法框圖

2.3 主回路控制（模糊控制）

在地鐵車站公共區溫度自動控制系統中，公共區送風溫度初始值一般設定在25 ℃～30 ℃之間，車站環控系統根據車站公共區送風溫度設定值計算出車站空調冷負荷，然后依據計算冷負荷超過機組額定冷負荷的50%時開2 臺空調機組和計算冷負荷低于機組額定冷負荷的50%時開1 臺空調機組的原則，適當開啟空調機組和冷水機組，此過程存在多輸出耦合。主回路中采用模糊控制算法，利用模糊控制解耦特性，可克服多輸出耦合影響，改善系統動態特性，提高系統的控制效果。

2.3.1 模糊控制器的結構設計

為了克服多輸出耦合影響，設計好的模糊控制器十分關鍵。二維模糊控制器結合PID 調節器是一個很好的設計思路。設模糊控制器輸出Δkp、Δki、Δkd和PID 調節器的比例增益、積分增益、微分增益（kp、ki、kd）一一對應，并按照以下各式進行整定：kp=kp，0+Δkp；ki=ki，0+Δki；kd=kd，0+Δkd。式中，kp，0、ki，0、kd，0是PID 預定值。則模糊控制器結構框圖見圖3。地鐵車站公共區溫度輸出值和設定值的差e 及微分de/dt 后的結果，通過模糊化處理得到二維模糊控制器的輸入變量偏差E 和偏差變化率CE，用二維模糊控制器輸出變量來整定PID 調節器各參數。PID 調節器輸出量對二通閥開度進行控制，以實現車站公共區溫度的實時調節。

圖3 模糊控制器結構框圖

2.3.2 輸入量的模糊化

E、CE是模糊控制器的2 個輸入變量，Δkp、Δki、Δkd是其3 個輸出量，論域內模糊變量的模糊子集可取NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。模糊語言變量的論域可取［-3，3］中的整數。模糊語言變量隸屬函數見表1。

2.3.3 參數的整定規則和控制過程

針對不同階段的|E|、|CE|，PID 參數整定遵循如下原則：

1）kp取值基本和|E|同步，|E|較大時kp也取大值，以增強響應速度；|E|較小時kp取小值，以防止超調并減少振蕩；|E|持續變小時kp也繼續減小，以確保盡快穩定。當然，kp取值也要參考|CE|的情況，|CE|和|E|同號時應適當增大kp；|CE|和|E|異號時應適當減小kp。

表1 模糊語言變量隸屬函數

2）ki的取值需嚴格遵循積分分離要求，|E|較大時，ki取零值，避免超調；|E|較小時ki隨|E|的減小應增大，以保證積分環節有效、消除穩態誤差、提高控制精度。

3）車站環境溫度自動控制系統控制開始時，|E|較大時kd應取小值，以避免偏差瞬間變大，造成微分溢出；|E|變小時kd應取適當的值，以提高響應速度，同時保證抗干擾能力。

車站溫度自動控制過程如下：比較車站公共區溫度的平均值與公共區溫度的預設值，其E 為模糊控制器的一個輸入量；E 的當前值減去其前次的測定值即為偏差變化率CE，CE為模糊控制器的另一個輸入量。繼續模糊化E 和CE，可分別得到E 和CE的子級；經過模糊決策后最終獲得控制量U（二通閥開度值）。模糊控制器的兩個輸入變量E、CE和最終的控制輸出量U 的隸屬函數見圖4。

圖4 E、CE 隸屬函數

3 結果的分析對比

為了驗證改進后控制策略的性能，在Matlab 軟件中分別對單級PID 控制算法和串級控制算法進行仿真測試，取設定溫度為26 ℃，仿真時間為1 000 s。

3.1 單級PID 控制仿真試驗

在Matlab 軟件Simulink 工具中調用Discrete PID Controller 模塊，仿真框圖如圖5。經多次仿真試驗，取kp=0.02，ki=0.01，kd=16。PID 算法階躍響應仿真曲線如圖6。

圖5 單級PID 控制仿真框圖（截圖）

圖6 PID 控制算法階躍響應仿真曲線

3.2 串級PID 控制仿真試驗

串級PID 控制需找出3 個輸出量和2 個輸入量之間的關系。測試中通過不斷地檢測E 和CE，再根據模糊控制原理對參數進行在線修改，以滿足不同的E 和CE對控制器參數的不同要求，從而使被控制對象具有良好的性能。串級PID 控制仿真框圖如圖7。參數采用表1 中數據，串級控制算法階躍響應仿真曲線如圖8。

圖7 串級PID 控制仿真（截圖）

3.3 仿真結果分析

1）在地鐵空調系統運行過程中，受到來自機器內部頻率及外界環境等諸多因素的干擾，為了使地鐵車站環境溫度波動性減小，只采用單級PID 控制技術是不能達到要求的，還必須針對地鐵空調的干擾量多、非線性延遲現象嚴重等問題，加入非線性控制方式。即在地鐵空調系統運行過程中，根據該系統的非線性動態特征，采取非線性的參數自整定方式。

2）在地鐵車站環境溫度控制過程中，利用串級PID 模糊技術對控制器的參數進行在線調整，這樣的控制措施有利于增強系統的魯棒性，即對外界干擾的適應性，同時也加強了車站環境溫度控制系統響應的精確性。

3）在原來PID 控制基礎上加入模糊控制后，車站環境溫度控制系統的振蕩明顯減弱，提高了系統的穩定性。從現實的角度來考慮，這是一種節能且使機器磨損很小的控制方式。

圖8 串級控制算法階躍響應仿真曲線

4 結語

地鐵車站采用環境溫度串級控制系統能很好地結合模糊控制和PID 控制，給地鐵車站這種大延時、大空間、非線性及時變的環境溫度控制提供了一個較好的思路。其具有良好的動、靜性能以及較強的魯棒性，是一種實用、有效的環境溫度控制系統。