河南輝煌城軌科技有限公司 趙 陽(yáng) 孟 科 郭丹洋 周 非 苗建科

焓值控制是地鐵系統(tǒng)中用于環(huán)境控制的一種重要方式。通過(guò)對(duì)焓值的控制實(shí)現(xiàn)地鐵站內(nèi)部溫度與濕度的均衡，使乘客感覺(jué)舒適。傳統(tǒng)的焓值控制主要通過(guò)PID方式進(jìn)行，在列車(chē)進(jìn)出站、出行高峰期等擾動(dòng)存在的情況下控制效果差，本文嘗試在PID中加入模糊環(huán)節(jié)，以優(yōu)化PID的控制效果。

1.背景

隨著社會(huì)發(fā)展，人們生活水平的提高，城鎮(zhèn)化水平加劇，城市人口數(shù)量日益增多，多數(shù)家庭都使用小轎車(chē)作為代步工具，然而城市交通卻面臨了巨大的壓力。城市擁堵、停車(chē)?yán)щy等問(wèn)題日益凸顯，再加上環(huán)境氣候問(wèn)題的嚴(yán)峻形勢(shì)，各地政府均在呼吁市民多乘坐公共交通工具出行，減少小轎車(chē)使用量。

地鐵是一種運(yùn)行于地下的軌道交通工具，具有運(yùn)載量大、不占用地表空間、安全穩(wěn)定、速度快等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)大型城市市民的青睞。地鐵站多數(shù)為地下站，車(chē)站空氣環(huán)境對(duì)乘客的乘坐舒適度甚至生命安全有著舉足輕重的影響，如何讓乘客有一個(gè)舒適安全的乘車(chē)環(huán)境成為一個(gè)必須解決的問(wèn)題。

地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)，通常使用焓值的高低來(lái)作為衡量地鐵站環(huán)境的指標(biāo)，傳統(tǒng)的焓值控制使用PID，但是PID控制對(duì)控制模型要求高，不精確地控制模型難以得到好的控制效果。但是地鐵站環(huán)境復(fù)雜，建立經(jīng)確模型困難，加之地鐵站內(nèi)擾動(dòng)源較多，因此需要一種可靠的不依賴精確數(shù)學(xué)模型且魯棒性強(qiáng)的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)焓值的控制。

2.焓值控制

焓是熱力學(xué)中表征物質(zhì)系統(tǒng)能量的一個(gè)狀態(tài)參量，空氣中的焓值是指空氣所含有的絕對(duì)熱量，空氣中的焓值是由干空氣的焓值和水蒸氣的焓值組成，干空氣的焓值與干球溫度有關(guān)系，水蒸氣的焓值與空氣中的含濕量和干球溫度有關(guān)系。而含濕量為每千克干空氣所含有的水蒸汽的質(zhì)量。

焓值計(jì)算公式：

i——表示空氣焓值，單位KJ/Kg干空氣

d——空氣含濕量，單位g/Kg干空氣

t——空氣干球溫度，單位℃

焓值控制是指環(huán)境控制系統(tǒng)根據(jù)焓值變化對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)下發(fā)命令的控制方式。實(shí)際焓值通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器和濕度傳感器采集，根據(jù)公式計(jì)算得到實(shí)際焓值。通過(guò)實(shí)際焓值和設(shè)計(jì)焓值的計(jì)算得到焓差，根據(jù)焓差判斷執(zhí)行器件（空調(diào)機(jī)組、蒸發(fā)冷凝設(shè)備）將要執(zhí)行的動(dòng)作。目前，使用最多的焓值控制是使用PID控制。其流程圖如圖1所示。

圖1

圖2

模糊算法是通過(guò)模糊控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)的一種智能算法，該算法的特點(diǎn)是魯棒性強(qiáng)、對(duì)模型依賴小，對(duì)PID算法加入模糊控制規(guī)則后能明顯改善控制性能。模糊PID控制方式如圖2所示。

圖3

圖4

3.系統(tǒng)建模與仿真

系統(tǒng)建模分為物理模型和數(shù)學(xué)模型，本文用于系統(tǒng)分析因此要建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)建模又分為激勵(lì)建模和實(shí)驗(yàn)建模，參照西安建筑科技大學(xué)碩士研究生張夏的畢業(yè)論文《變新風(fēng)的最小焓差控制》一文中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)傳遞函數(shù)采用公式2：

使用Matlab為系統(tǒng)建立仿真模型，使用模糊控制設(shè)計(jì)模糊控制器，模糊控制器包含e和ec的隸屬度函數(shù)、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的偏差控制規(guī)則表、以及最終根據(jù)控制規(guī)則表編寫(xiě)模糊規(guī)則，并輸出到工作空間，具體過(guò)程不在一一贅述。

使用Simulink做模糊自適應(yīng)PID仿真，如圖3所示。

圖3中控制器使用模糊PID控制器，傳遞函數(shù)使用公式2中的分?jǐn)?shù)，延時(shí)部分參數(shù)設(shè)置44，在1900s時(shí)加入的擾動(dòng)，擾動(dòng)大小為0.2，擾動(dòng)存在時(shí)間為100s，最終仿真效果如圖4所示。

從圖4中可以看到在模糊控制器作用下系統(tǒng)響應(yīng)較快，控制曲線超調(diào)小于20%，出現(xiàn)擾動(dòng)后能很快回到穩(wěn)定點(diǎn)。

結(jié)論

由于模糊控制不需要建立精確的被控對(duì)象模型且抗干擾能力強(qiáng)，因此更適合像地鐵站這種影響因素多，精確模型難以建立而且干擾源多的情況使用，由仿真的結(jié)果看，系統(tǒng)能迅速達(dá)到設(shè)定點(diǎn)，少許超調(diào)后迅速回到設(shè)定點(diǎn)并穩(wěn)定，出現(xiàn)擾動(dòng)后有所反應(yīng)，擾動(dòng)消失后快速穩(wěn)定，可見(jiàn)控制效果較好。