模糊PID控制在公路隧道照明节电系统中的应用

陈瑞琦

(陕西省交通厅基本建设工程质量监督站，西安　710075)

模糊PID控制在公路隧道照明节电系统中的应用

陈瑞琦

(陕西省交通厅基本建设工程质量监督站，西安710075)

摘要：高压钠灯点亮后适当降低并稳定其电源电压是最常见的隧道节能方式。介绍高压钠灯的特点，比较和分析照明回路3种电压调节技术，依据规范和实际情况确定高压钠灯的降压目标值，提出一种基于模糊PID的调压控制算法。仿真试验和实际数据表明节电率达到35%～45%，具有一定应用价值。

关键词：公路隧道；照明控制；模糊；PID；节能

照明耗电在高速公路运营能耗中所占比例非常高，是隧道能耗最主要的部分。近年来，不少学者进行了对比统计分析。长安大学唐珂的抽样研究显示，隧道能耗占高速公路总能耗的29%[1]。因此，对于高速公路节能而言，首要就是降低隧道照明能耗。

在以往较长时间内，国内公路隧道照明基本是采用高压钠灯作为主要照明灯具。这种灯具具有照度高、显色性好、光衰小的特点，但能耗较高。为了推广LED等新型灯具在隧道照明中的应用，促进节能减排，2008—2009年陕西省交通厅质监站将几种主流高压钠灯和LED灯等共14盏灯具不间断点亮，进行了超过1年的对比试验[2]。试验结果表明，在当时的技术条件下，不同厂商LED灯具差异较大，但都表现出光衰较严重的现象；而不同厂商高压钠灯的差异却并不大，观测期间光衰不明显。因此，在当时条件下，隧道照明仍主要采用高压钠灯，但同时鼓励对LED等新型节能灯具进行试点推广便成为业界许多人的一致观点。时至今日，LED灯具研究取得了越来越大的进步，也得到了较大程度的应用，但与高压钠灯相比较，其使用数量仍然少得多。因此研究大量在用高压钠灯的节能，更具有现实意义。

高压钠灯属气体放电灯。根据气体放电灯原理，其在启动时需要较高的工作电压，故点亮后适当降低并稳定其电源电压对灯具输出特性影响不大[3]。试验表明，电压稳定在200～210 V范围是高压钠灯的最佳工作电压。在此工作电压范围内，高压钠灯既可保持其正常照度，又可有效节电，还能延长其使用寿命[4]。由于用电器的消耗功率与加在用电器两端电压的平方成正比，因此在用电器效能变化不大的情况下，若电压降低至90%，则消耗功率会降至81%。由此可知，隧道高压钠灯照明节能的最有效方式就是适当降低隧道照明回路电压并保持稳定。

1照明回路电压调节方式及控制逻辑

目前电压调节技术主要有3种，如表1所示。

表1　常见电压调节技术对比一览

比较表1电压调节技术可知，要想实现连续的智能控制调压，就必须采用无极调压作为调压、稳压方案，并通过采样、保护电路与智能控制系统来实现智能控制。控制系统工作过程如下。

照明系统工作时，采样电路实时采集当前输出电压，由检测电路与基准电压进行比较判断。而智能控制系统则根据比较结果，输出相应指令控制无极调压电路，以降低和稳定输出电压，达到高压钠灯的节电目的。

根据高压钠灯启动时需要较高电压这一特性，紧急停电后重新恢复供电时，应采用略高于额定电压的输出电压来快速启动灯具，待完成重新启动后再恢复到降压供电状态来实现节电。

智能控制系统还应对保护电路进行控制，当产生过压、欠压或调压系统工作不正常时，将供电自动切换到“旁路”状态，采用市电供电，避免造成照明负载的供电中断。智能照明节电系统的原理如图1所示。

2确定当前降压目标值

对单个灯具而言，常见的降压节电方法是通过低压(典型值为190 V)斜坡升压软起动后，再用高压(典型值为230 V)快速预热，再稳定到一个合适低压工作点。而在实际照明回路中，确定回路的低压工作点有如下2个步骤。

首先，需找出一个合适的工作电压，既实现了降压节电的目的，也不会对洞内照明有显著影响。经试验验证，高压钠灯供电电压降低10%左右(即200 V左右)，其照度改变并不显著。考虑到灯具规格型号、照明时间段、洞外景物亮度及交通量等因素差异，不同情况下的最佳工作点也不完全相同。可以通过建立专家规则表，查询确定最佳工作点电压。

图1　智能照明节电系统原理示意

其次，每个供电回路不止有一盏高压钠灯，考虑到线损等因素，从调压系统输出的电压并不是每盏灯的供电电压。为保证回路所有灯具都在低压工作点附近工作，且尽可能接近低压工作点，在确定最佳工作点电压后，还应加上所有灯具电压损失的平均值作为每盏灯的电压损失代表值，使每盏灯供电电压接近最佳工作点电压值。

3模糊PID算法在调压控制器中的应用

为了实现输出电压的精准控制和稳定，大多数研究者最初采用传统PID(比例-积分-微分控制器)控制来实现，也取得了较好的效果。但传统PID控制容易产生超调，且照明回路也不能严格视为时不变系统，因此采用智能控制算法是较好的解决方案[6]。模糊PID控制系统是一种较为成熟的智能控制系统，其结构如图2所示。

本文模糊控制算法设计如下。

1) 模糊变量及其论域。

以电压偏差值E及其变化率Ec，PID控制器参数Kp、Ki和Kd作为语言变量。各语言变量的取值是一个模糊子集，根据惯例，该集合取值为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，并可记为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。

实际情况中，电压偏差值E及其变化率Ec都不会太大，可设E不超过5 V，Ec不超过2 V，KP、KI、KD也设定了各自的论域，如表2所示。

图2　模糊PID控制系统结构组成

模糊量基本论域模糊论域量化因子E[-5,5]{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}1EC[-2,2]{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}2.5Kp[-0.3,0.3]{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}1Ki[-0.06,0.06]{-0.06,-0.05,-0.04,-0.03,-0.02,-0.01,0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06}1Kd[-3,3]{-3,-2,-1,0,1,2,3}1

2) 隶属度函数。

采用最典型的三角形隶属度函数，通过Matlab软件的模糊和仿真工具箱进行设计和仿真[7]。电压偏差E的隶属度函数曲线如图3所示，其他变量的隶属度函数曲线类似，只是论域不同。

图3　电压偏差E的隶属度函数曲线

3) 模糊规则表。

模糊推理机有2个输入语言变量(E、Ec)，3个输出语言变量(Kp、Ki和Kd)。其各有7个状态，共49条模糊推理规则，均由工作人员根据实际经验来制定。输出变量采用面积重心法进行解模糊化计算，即取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理最终输出值。Matlab模糊工具箱可按照if-else形式录入详细的模糊规则，如图4所示，录入后，可查看经模糊规则运算并解模糊化后的三维立体图，从而可直观地看出模糊规则是否合理[8]。Kp、Ki和Kd对应的三维立体图分别如图5所示。

图4　Matlab中编辑模糊规则

图5　输出模糊变量对应的三维立体图

4结束语

减压节能智能照明节电系统是众多隧道高压钠灯照明节能的首选技术。其技术成熟，优势明显，经在陕西省2条高速公路隧道中试用，节电率分别达到34%和45.8%。在避免因更换灯具而发生高昂费用的前提下，有效实现了节能减排目标，是值得大力推广的一种绿色技术。

参 考 文 献

[1]唐珂.高速公路营运期能耗水平分析与测算方法研究[D].西安：长安大学，2013.

[2]陕西省交通厅质监站.关于隧道照明灯具对比试验的总结汇报[R].西安：陕西省交通厅质监站，2010.

[3]史兆培，王玉爽，严登俊.城市路灯照明节能技术现状与发展趋势[J].中国照明电器，2009(10)：11-16.

[4]张振，张万奎.高压钠灯降压调光节电试验[J].照明工程学报，2010，21(2)：47-48.

[5]林敦，彭少志.自耦变压器降压方法在电网电压过高地区的应用[J].电世界，2008，49(6)：28-29.

[6]胡包钢，应浩.模糊PID控制技术研究发展回顾及其面临的若干重要问题[J].自动化学报，2001，27(4)：567-584.

[7]刘革辉，单杰峰.Matlab软件中的Fuzzy Logic工具箱在模糊控制系统仿真中的应用[J].计算机仿真，2000，17(5)：69-72.

[8]黄昕颖.基于MATLAB模糊工具箱的PID参数整定[J].现代制造，2011(3)：39-40.

Application of Fuzzy PID Control in Highway Tunnel Lighting Power-saving System

CHEN Ruiqi

Abstract:Appropriate reduction and stabilization of power supply voltage after HV sodium lamps light up is a most common tunnel energy-saving mode. This paper introduces the features of HV sodium lamps, compares and analyzes 3 voltage regulating techniques for lighting circuit, and proposes a voltage regulating control algorithm based in fuzzy PID in accordance with the target value of voltage reduction of HV sodium lamps determined pursuant to the specification and actual conditions. The simulation test and actual data show that the fuzzy PID control reaches 35%～45% power-saving rate and exhibits a certain value of application.

Keywords:highway tunnel; lighting control; fuzzy; PID; energy-saving

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.030

收稿日期：2015-12-07

作者简介：陈瑞琦(1977-)，男，山西省临汾市人，硕士，工程师。

文章编号：1009-6477(2016)03-0138-04中图分类号：U453.7

文献标识码：A