基于模糊控制的隧道射流风机变频器应用和仿真

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(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)

0 引言

贵州交通的持续建设，2016年全省高速公路通车里程达5433 km。贵州地貌属于山地高原，高速公路建设中多存在短型隧道。隧道是一个半封闭系统，行车过程的CO、风尘，影响行车安全系数，通风必不可少[1]。高速公路隧道中风机多采用射流风机，较长、特长的隧道，存在多对射流风机，通过智能控制控制风机对数的启停，但是短型隧道，长度刚好达到需要安装射流风机的往往只存在一对或者两对射流风机，控制开启风机对数的方法不能有效达到节能目的。而且射流风机在启动的瞬间电流过大，对电网冲击巨大[2]。通过变频器控制射流风机不仅能缓解风机启动对电网的冲击同时还能达到节能效果。

本文提出以PLC为控制单元，通过变频器控制风机的启动，减少对电网的冲击，同时通过传感器采集实时数值，通过模糊控制变频器输出的频率，控制风机转速达到节能效果。

1 模糊控制通风系统

模糊控制通风系统主要包括CO/VI检测器、微波车辆检测器、PLC、变频器、射流风机、控制箱等。同时控制箱上设有紧急手动风机启动开关，有限级别高于PLC变频控制，保证特殊情况下，快速工频运作保证安全[3]。隧道通风系统处于PLC控制的自动模式时，通过传感器采集隧道内CO浓度、VI值以及交通流量。PLC设置合适采用时间比如5 s，对传感器反馈的数据进行处理，计算出CO浓度的变化趋势和VI值的变化趋势，如正变化值增大还是负变化值减少。PLC将CO浓度值、CO变化趋势、VI值、VI变化趋势、车流量值乘以量化因子进行比例变化映射成到模糊论域，将模糊化后的值与存储在PLC中通过MATLAB生成的模糊控制查询表进行数据对比确定输出，将输出值乘以比例因子进行清晰化处理，得到真实变频器输出。实时监测隧道交通情况变化，智能控制变频器输出及风机转速保证隧道行车安全同时达到节能目的。系统原理图如图1。

图1 模糊控制通风系统原理图

2 模糊控制器设计

影响隧道行车安全的主要因素有CO浓度、能见度，考虑到隧道通风系统是一个大时滞系统，通过PLC计算CO和VI的变化速度，根据CO和VI的变化趋势预先改变频率减少延迟[4]。CO和VI是两个独立的因素，设计两个模糊控制器。一是以CO、ΔCO、车流量为输入的模糊控制器，二是以VI、ΔVI、车流量为输入的模糊控制器。通过PLC对两个输出结果进行比较，选择较大的输出作为变频器的输出变频[5-6]，保证两个因素值都满足要求。本文以CO、ΔCO、车流量为输入的模糊控制器为例进行设计。

2.1 输入变量论域及隶属度函数

根据《公路隧道通风照明设计规范》，对于运营隧道，1000 m的隧道CO浓度应不大于250 ppm，取定CO的物理论域为[150， 250]ppm，模糊论域为[0， 10]，定义其模糊变量语言为[小 较小 适中 较大 大]，表示为{NB NS Z PS PB}。ΔCO为CO的变化速度，确定ΔCO的物理论域[-5，5]ppm，模糊论域[-1，1]，定义其模糊变量语言为[负零正]，表示为{N Z P }，N表示ΔCO变化趋势为负，CO浓度正在减少，反之P表示浓度增加，变化趋势为正。平均车流量为450 pcu/h，选定车流量物理论域[400 ，500]，模糊论域[0，10]，变量语言为[小 适中 大]，表示为{S M B }。三角形函数运算简单且灵敏度较高[7]，因此三输入均选用三角形函数，如图2、图3、图4。

图2 CO浓度隶属度函数

图3 ΔCO的隶属度函数

图4 车流量隶属度函数

2.2 输出变量论域及隶属度函数

变频器的输出频率为模糊控制的输出，用Q来表示，物理论域为[0，50]Hz，模糊领域为[0，5]，模糊子集为Q={频率零(Z)，频率低(L)，频率中(M)，频率高(H)}。为了使风机转速变化平稳，隶属度函数选取高斯型，如图5。

图5 输出频率隶属度函数

2.3 通风模糊控制规则制定

根据隧道通风系统的特点，结合传统通风控制经验，确定模糊控制规则。如果CO浓度大而且变化趋势为正增长、流量也较大，则变频器输出频率较大。对应的模糊关系表达式为：if CO浓度 is PB and CO变化趋势 is B and 车流量is B ，then 输出频率 is H。 将CO浓度、CO浓度变化趋势、车流量分别模糊成5个、3个、3个变量，共45条控制规则，如表1。

表1模糊控制规则表

2.4 通风系统MATLAB仿真

在MATLAB中对模糊控制隧道通风系统进行仿真，得到不同情况下的变频器频率输出。图6可以看出 CO浓度很小时且增长趋势为负，变频器输出频率为0，随着CO浓度的上升和上升速度的变大，变频器输出频率变大。图7随着车流量增加和CO浓度值升高，变频器输出频率变高，保证隧道有足够的通风量。图8表示在CO浓度中等、CO变化量较小、车流量中等情况下变频器的输出，结果可以看出当隧道车流量中等且CO浓度符合安全标准、没有明显增长趋势情况下，变频器输出频率较低，维持隧道基本空气流通即可。从图6和图7可以看出频率变化平稳，缓慢没有出现频率急剧变化情况，符合现实需求。

图6 CO浓度-CO变化趋势 图7 CO浓度-车流量 下输出频率 下输出频率

图8 CO浓度中等、CO变化趋势小、车流量中等 情况下变频器的输出

3 变频调速节能原理

隧道是一个半封闭系统，射流风机的工作，使隧道内行车高低压进行换气保证隧道通风安全。换气量大小与风机的风压、风量有关，而风压、风量与风机的转速相关，通过不同频率下改变转速适应不同CO/VI浓度下通风需求量达到节能[7]。具体工作原理：

步电动转速与电源频率的关系：

n=60f(1-s)/p

(1)

式中：n为转速，s为转差率，p为垫极对数，f为电源频率。

风机风量与风机转速关系：

Q=Kn

(2)

式中 ：Q为风量，n为风机转速，K为比例系数。

风机风压与转速关系：

H=cln2

(3)

式中：H为风压，n为风机转速，cl为比例系数。

风机轴功率与转速关系：

P=Dn3

(4)

式中：P为轴功率，n风机转速，D比例系数。

式(1)—式(4)表明风机转速与电源频率成正比，风机风量与转速成正比，风压与转速平方成正比，轴功率与转速三次方成正比[8]。可以发现当CO/VI浓度较低，隧道通风量需求较少时，通过改变变频器频率，降低风机转速，可以大幅度地成三次方的降低轴功率，与传统工频开启方式比较耗电量大大减少，达到节能目的。

4 结论

本文设计两个相互独立的三输入模糊控制器，分别监控CO浓度值和VI值变化，通过PLC进行模糊运算，并对两个控制器的输出进行比较，选取大者作为最后变频器输出，保证二者都能满足行车安全规范。与传统短型隧道风机控制方法相比，由变频器控制风机启动不仅降低了对电网的冲击，同时由传感器采集隧道交通的实时数据，智能控制变频器输出频率控制风机转速，达到节能效果。