本發(fā)明涉及隧道工程領(lǐng)域，特別涉及一種隧道智能通風(fēng)控制方法。

背景技術(shù)：

隨著我國高速公路不斷發(fā)展，高速公路建設(shè)不斷向山區(qū)擴展，高速公路，尤其是高速公路隧道越來越多、越來越長。由于隧道是一個相對封閉的區(qū)域，汽車在其中行駛時排出的廢氣不像在其他路段時會隨自然風(fēng)和交通風(fēng)擴散到大氣中。特別是對于距離長、交通量大的隧道，自然風(fēng)和交通風(fēng)對隧道內(nèi)空氣的置換能力差，所以必須采取機械通風(fēng)方式，否則汽車排出的一氧化碳、氮氧化合物、碳氫化合物、亞硫酸氣體和煙塵粉塵等有害物質(zhì)將造成隧道內(nèi)空氣的污染。當(dāng)co質(zhì)量濃度很大時，會危及人的身體；煙塵粉塵則會惡化視野降低車輛安全行駛的視距。為了保證人員在隧道中的安全，需要對隧道中有害廢氣的質(zhì)量濃度和能見度進行觀測和控制，因此在隧道中建立通風(fēng)控制系統(tǒng)非常有必要。當(dāng)前的通風(fēng)控制方法通常是以時段、經(jīng)驗作為判斷依據(jù)，采取臺數(shù)控制法整臺開啟或關(guān)閉射流風(fēng)機；該方式通風(fēng)控制滯后、控制手段單一、運營效率低且效果不明、能耗偏高，極不符合交通運輸行業(yè)的發(fā)展趨勢。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種隧道智能通風(fēng)控制方法，可通過實時co濃度值、煙塵濃度值、隧道風(fēng)速值及隧道交通量反饋循環(huán)，充分發(fā)揮射流風(fēng)機變頻調(diào)速的特征，不斷調(diào)整當(dāng)前控制量，最大限度地達到運營工況下的節(jié)能減排、高效通風(fēng)、智能管理。

本發(fā)明的隧道智能通風(fēng)控制方法，包括以下步驟：

(a)、co濃度檢測儀、煙塵濃度檢測儀、風(fēng)速傳感儀和交通量記錄儀分別檢測隧道內(nèi)的co濃度值、煙塵濃度值、隧道風(fēng)速值及隧道交通量，co濃度檢測儀、煙塵濃度檢測儀和風(fēng)速傳感儀將co濃度值、煙塵濃度值、隧道風(fēng)速值及隧道交通量上傳至中央控制計算機；

(b)、中央控制計算機對co濃度值、煙塵濃度值進行判斷，若co濃度值或者煙塵濃度值超出中央控制計算機的設(shè)定上限值則進行步驟(c)，若co濃度值和煙塵濃度值均未超出中央控制計算機的設(shè)定上限值則進行步驟(d)；

(c)、中央控制計算機控制第一模糊智能控制器和第二模糊智能控制器分別計算處理接收到的co濃度值和煙塵濃度值，第一模糊智能控制器和第二模糊智能控制器將計算處理后得到的控制頻率信號輸出給射流風(fēng)機，射流風(fēng)機根據(jù)兩控制頻率信號中的較大值改變運行頻率，直到co濃度值及煙塵濃度值低于中央控制計算機的設(shè)定下限值；

(d)、中央控制計算機計算當(dāng)前交通量及co濃度下的co通風(fēng)風(fēng)速值，并計算當(dāng)前交通量及煙塵濃度下的vi通風(fēng)風(fēng)速值，取co通風(fēng)風(fēng)速值與vi通風(fēng)風(fēng)速值之間的較大值作為隧道所需風(fēng)速值，若隧道所需風(fēng)速值大于隧道風(fēng)速值，中央控制計算機控制第三模糊智能控制器計算處理接收到的隧道風(fēng)速值，第三模糊智能控制器將計算處理后得到的控制頻率信號輸出給射流風(fēng)機，射流風(fēng)機根據(jù)控制頻率信號改變運行頻率，直到隧道風(fēng)速值大于或等于隧道所需風(fēng)速值。

進一步，在步驟(c)中，第一模糊智能控制器的計算處理過程包括以下步驟：

(c11)、模型初始化步驟，根據(jù)第一模糊智能控制器預(yù)先給定的co設(shè)計濃度，計算出co濃度的偏差和偏差變化率；

(c12)、co濃度偏差變量模糊化步驟，根據(jù)步驟(c11)計算出的偏差按編制好的程序計算出co濃度的隸屬度和模糊量；

(c13)、co濃度偏差變化率模糊化步驟，根據(jù)步驟(c11)計算出的偏差變化率按編制好的程序計算出co濃度的隸屬度和模糊量；

(c14)、模糊推理步驟，以步驟(c12)和步驟(c13)計算出來的模糊量為輸入?yún)?shù)，按編制好的程序在模糊規(guī)則庫中查表計算出模糊控制量；

(c15)、去模糊化處理步驟，把步驟(c14)計算出的模糊控制量，通過編制好的程序計算出控制頻率。

進一步，在步驟(c)中，第二模糊智能控制器的計算處理過程包括以下步驟：

(c21)、模型初始化步驟，根據(jù)第二模糊智能控制器預(yù)先給定的煙塵設(shè)計濃度，計算出煙塵濃度的偏差和偏差變化率；

(c22)、煙塵濃度偏差變量模糊化步驟，根據(jù)步驟(c21)計算出的偏差按編制好的程序計算出煙塵濃度的隸屬度和模糊量；

(c23)、煙塵濃度偏差變化率模糊化步驟，根據(jù)步驟(c21)計算出的偏差變化率按編制好的程序計算出煙塵濃度的隸屬度和模糊量；

(c24)、模糊推理步驟，以步驟(c22)和步驟(c23)計算出來的模糊量為輸入?yún)?shù)，按編制好的程序在模糊規(guī)則庫中查表計算出模糊控制量；

(c25)、去模糊化處理步驟，把步驟(c24)計算出的模糊控制量，通過編制好的程序計算出控制頻率。

進一步，在步驟(d)中，第三模糊智能控制器的計算處理過程包括以下步驟：

(d11)、模型初始化步驟，根據(jù)隧道所需風(fēng)速，計算出風(fēng)速的偏差和偏差變化率；

(d12)、風(fēng)速偏差變量模糊化步驟，根據(jù)步驟(d11)計算出的偏差按編制好的程序計算出風(fēng)速的隸屬度和模糊量；

(d13)、風(fēng)速偏差變化率模糊化步驟，根據(jù)步驟(d11)計算出的偏差變化率按編制好的程序計算出風(fēng)速的隸屬度和模糊量；

(d14)、模糊推理步驟，以步驟(d12)和步驟(d13)計算出來的模糊量為輸入?yún)?shù)，按編制好的程序在模糊規(guī)則庫中查表計算出模糊控制量；

(c15)、去模糊化處理步驟，把步驟(d14)計算出的模糊控制量，通過編制好的程序計算出控制頻率。

進一步，在步驟(b)中，當(dāng)co濃度值或者煙塵濃度值超出中央控制計算機的設(shè)定上限值后，co濃度檢測儀、煙塵濃度檢測儀在延時1min-3min后再次檢測隧道內(nèi)的co濃度值、煙塵濃度值，若co濃度值或者煙塵濃度值仍然超出中央控制計算機的設(shè)定上限值則進行步驟(c)，若co濃度值和煙塵濃度值已不超出中央控制計算機的設(shè)定上限值則返回步驟(a)。

進一步，在步驟(c)中，當(dāng)射流風(fēng)機根據(jù)控制頻率信號改變運行頻率運行設(shè)定時間后，若co濃度檢測儀、煙塵濃度檢測儀檢測到的co濃度值或煙塵濃度值低于中央控制計算機的設(shè)定下限值，則射流風(fēng)機在運行3min-10min后關(guān)閉，若co濃度值或煙塵濃度值高于中央控制計算機的設(shè)定下限值，則中央控制計算機控制第一模糊智能控制器和第二模糊智能控制器分別計算處理更新后的co濃度值和煙塵濃度值。

進一步，在步驟(d)中，當(dāng)射流風(fēng)機根據(jù)控制頻率信號改變運行頻率運行設(shè)定時間后，若隧道風(fēng)速值大于或等于隧道所需風(fēng)速值，則射流風(fēng)機在運行3min-10min后關(guān)閉，若隧道所需風(fēng)速值大于隧道風(fēng)速值，則中央控制計算機控制第三模糊智能控制器計算處理更新后的隧道風(fēng)速值。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的隧道智能通風(fēng)控制方法，通過實時co濃度值、煙塵濃度值、隧道風(fēng)速值及隧道交通量反饋循環(huán)，充分發(fā)揮射流風(fēng)機變頻調(diào)速的特征，不斷調(diào)整當(dāng)前控制量，最大限度地達到運營工況下的節(jié)能減排、高效通風(fēng)、智能管理。

本發(fā)明的隧道智能通風(fēng)控制方法是一個閉環(huán)的反饋調(diào)節(jié)過程，其通過現(xiàn)場檢測儀反饋的污染物濃度、風(fēng)速、交通路參數(shù)參數(shù)，計算相應(yīng)的偏差及偏差變化率，再根據(jù)預(yù)設(shè)的模糊控制規(guī)則調(diào)整比例系數(shù)kp、積分作用系數(shù)ki、微分作用系數(shù)kd的取值，通過pid運算得到變頻器的控制頻率，控制射流風(fēng)機變頻運轉(zhuǎn)，迅速改變速調(diào)內(nèi)通風(fēng)環(huán)境，循環(huán)反饋污染物濃度、風(fēng)速參數(shù)并不間斷計算輸出當(dāng)前控制頻率，實現(xiàn)按需通風(fēng)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述：

圖1為本發(fā)明的原理框圖；

圖2為本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

本發(fā)明的隧道智能通風(fēng)控制方法，包括以下步驟：

(a)、co濃度檢測儀、煙塵濃度檢測儀、風(fēng)速傳感儀和交通量記錄儀分別檢測隧道內(nèi)的co濃度值、煙塵濃度值、隧道風(fēng)速值及隧道交通量，co濃度檢測儀、煙塵濃度檢測儀和風(fēng)速傳感儀將co濃度值、煙塵濃度值、隧道風(fēng)速值及隧道交通量上傳至中央控制計算機；

(b)、中央控制計算機對co濃度值、煙塵濃度值進行判斷，若co濃度值或者煙塵濃度值超出中央控制計算機的設(shè)定上限值則進行步驟(c)，若co濃度值和煙塵濃度值均未超出中央控制計算機的設(shè)定上限值則進行步驟(d)；

(c)、中央控制計算機控制第一模糊智能控制器和第二模糊智能控制器分別計算處理接收到的co濃度值和煙塵濃度值，第一模糊智能控制器和第二模糊智能控制器將計算處理后得到的控制頻率信號輸出給射流風(fēng)機，射流風(fēng)機根據(jù)兩控制頻率信號中的較大值改變運行頻率，直到co濃度值及煙塵濃度值低于中央控制計算機的設(shè)定下限值；

(d)、中央控制計算機計算當(dāng)前交通量及co濃度下的co通風(fēng)風(fēng)速值，并計算當(dāng)前交通量及煙塵濃度下的vi通風(fēng)風(fēng)速值，取co通風(fēng)風(fēng)速值與vi通風(fēng)風(fēng)速值之間的較大值作為隧道所需風(fēng)速值，若隧道所需風(fēng)速值大于隧道風(fēng)速值，中央控制計算機控制第三模糊智能控制器計算處理接收到的隧道風(fēng)速值，第三模糊智能控制器將計算處理后得到的控制頻率信號輸出給射流風(fēng)機，射流風(fēng)機根據(jù)控制頻率信號改變運行頻率，直到隧道風(fēng)速值大于或等于隧道所需風(fēng)速值。

在步驟(c)中，第一模糊智能控制器的計算處理過程包括以下步驟：

(c11)、模型初始化步驟，根據(jù)第一模糊智能控制器預(yù)先給定的co設(shè)計濃度，計算出co濃度的偏差和偏差變化率；

(c12)、co濃度偏差變量模糊化步驟，根據(jù)步驟(c11)計算出的偏差按編制好的程序計算出co濃度的隸屬度和模糊量；

(c13)、co濃度偏差變化率模糊化步驟，根據(jù)步驟(c11)計算出的偏差變化率按編制好的程序計算出co濃度的隸屬度和模糊量；

(c14)、模糊推理步驟，以步驟(c12)和步驟(c13)計算出來的模糊量為輸入?yún)?shù)，按編制好的程序在模糊規(guī)則庫中查表計算出模糊控制量；

(c15)、去模糊化處理步驟，把步驟(c14)計算出的模糊控制量，通過編制好的程序計算出控制頻率。

在步驟(c)中，第二模糊智能控制器的計算處理過程包括以下步驟：

(c21)、模型初始化步驟，根據(jù)第二模糊智能控制器預(yù)先給定的煙塵設(shè)計濃度，計算出煙塵濃度的偏差和偏差變化率；

(c22)、煙塵濃度偏差變量模糊化步驟，根據(jù)步驟(c21)計算出的偏差按編制好的程序計算出煙塵濃度的隸屬度和模糊量；

(c23)、煙塵濃度偏差變化率模糊化步驟，根據(jù)步驟(c21)計算出的偏差變化率按編制好的程序計算出煙塵濃度的隸屬度和模糊量；

(c24)、模糊推理步驟，以步驟(c22)和步驟(c23)計算出來的模糊量為輸入?yún)?shù)，按編制好的程序在模糊規(guī)則庫中查表計算出模糊控制量；

(c25)、去模糊化處理步驟，把步驟(c24)計算出的模糊控制量，通過編制好的程序計算出控制頻率。

在步驟(d)中，第三模糊智能控制器的計算處理過程包括以下步驟：

(d11)、模型初始化步驟，根據(jù)隧道所需風(fēng)速，計算出風(fēng)速的偏差和偏差變化率；

(d12)、風(fēng)速偏差變量模糊化步驟，根據(jù)步驟(d11)計算出的偏差按編制好的程序計算出風(fēng)速的隸屬度和模糊量；

(d13)、風(fēng)速偏差變化率模糊化步驟，根據(jù)步驟(d11)計算出的偏差變化率按編制好的程序計算出風(fēng)速的隸屬度和模糊量；

(d14)、模糊推理步驟，以步驟(d12)和步驟(d13)計算出來的模糊量為輸入?yún)?shù)，按編制好的程序在模糊規(guī)則庫中查表計算出模糊控制量；

(c15)、去模糊化處理步驟，把步驟(d14)計算出的模糊控制量，通過編制好的程序計算出控制頻率。

第一模糊智能控制器、第二模糊智能控制器及第三模糊智能控制器為獨立的通風(fēng)控制器，均為兩輸入、三輸出的結(jié)構(gòu)：輸入為相應(yīng)的偏差和偏差變化率，輸出為pid參數(shù)kp、ki和kd；通過找出控制器的3個參數(shù)kp、ki和kd與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷采集污染物濃度、車流量及當(dāng)前風(fēng)速，計算e和ec并將其作為控制器的輸入，根據(jù)模糊控制規(guī)則對3個參數(shù)進行在線調(diào)整，以滿足不同e和ec對控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。由此改變變頻器電源輸出頻率以調(diào)控風(fēng)機運轉(zhuǎn)速度，保證公路隧道內(nèi)的co和煙塵濃度均不超出允許的標準要求，并使洞內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)達到所需風(fēng)速。

在步驟(b)中，當(dāng)co濃度值或者煙塵濃度值超出中央控制計算機的設(shè)定上限值后，co濃度檢測儀、煙塵濃度檢測儀在延時1min-3min(優(yōu)選為2min)后再次檢測隧道內(nèi)的co濃度值、煙塵濃度值，若co濃度值或者煙塵濃度值仍然超出中央控制計算機的設(shè)定上限值則進行步驟(c)，若co濃度值和煙塵濃度值已不超出中央控制計算機的設(shè)定上限值則返回步驟(a)；優(yōu)選地，在延時2min后若公路隧道內(nèi)co濃度值或者煙塵濃度值仍然超出中央控制計算機的設(shè)定上限值，則由中央控制計算機發(fā)出指令“所有射流風(fēng)機變頻啟動”，控制信號由中央控制計算機傳送至變頻器后，變頻器根據(jù)信號狀態(tài)，輸出電源頻率20hz，使得射流風(fēng)機電機處于低速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，若故障報警，則維護檢查，若無故障則進行步驟(c)。

在步驟(c)中，當(dāng)射流風(fēng)機根據(jù)控制頻率信號改變運行頻率運行設(shè)定時間后，若co濃度檢測儀、煙塵濃度檢測儀檢測到的co濃度值或煙塵濃度值低于中央控制計算機的設(shè)定下限值，則射流風(fēng)機在運行3min-10min(優(yōu)選為5min)后關(guān)閉(由中央控制計算機發(fā)出指令“所有射流風(fēng)機停止運行”)，若co濃度值或煙塵濃度值高于中央控制計算機的設(shè)定下限值，則中央控制計算機控制第一模糊智能控制器和第二模糊智能控制器分別計算處理更新后的co濃度值和煙塵濃度值。

在步驟(d)中，當(dāng)射流風(fēng)機根據(jù)控制頻率信號改變運行頻率運行設(shè)定時間后，若隧道風(fēng)速值大于或等于隧道所需風(fēng)速值，則射流風(fēng)機在運行3min-10min(優(yōu)選為5min)后關(guān)閉(由中央控制計算機發(fā)出指令“所有射流風(fēng)機停止運行”)，若隧道所需風(fēng)速值大于隧道風(fēng)速值，則中央控制計算機控制第三模糊智能控制器計算處理更新后的隧道風(fēng)速值。

例一：下面說明第一模糊智能控制器的原理及計算處理過程。

建立兩輸入、三輸出的第一模糊智能控制器。第一模糊智能控制器的輸入為co濃度的偏差e和偏差變化率ec，輸出為pid參數(shù)kp、ki和kd，再通過pid自適應(yīng)調(diào)整輸出數(shù)據(jù)的大小而改變變頻器電源輸出頻率以調(diào)控風(fēng)機運轉(zhuǎn)速度，保證公路隧道內(nèi)的co濃度在允許的范圍內(nèi)。

利用經(jīng)過離散化處理的數(shù)字pid的公式：

式中：u(k)——第k個采樣時刻控制器的輸出控制量；

e(k)——第k次采樣時的偏差值；

kp——比例增益；

ki——積分增益；

kd——微分增益。

找出控制器的3個參數(shù)kp、ki和kd與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中不斷地檢測e和ec并將其作為控制器的輸入，由控制器根據(jù)模糊控制規(guī)則對3個參數(shù)進行在線調(diào)整，以滿足不同e和ec對控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。

1)設(shè)定輸入輸出變量論域及模糊子集的隸屬函數(shù)

co濃度偏差定義為：e＝σ-cco

式中：σ——co設(shè)計濃度(ppm)；cco——實測的co濃度(ppm)。

co設(shè)計濃度為100-150pff，不妨設(shè)co設(shè)計濃度為q，風(fēng)機運行程序過程中co實際濃度范圍為[q-z，q+z]ppm，z取值范圍為20-50ppm。因而co濃度變化區(qū)域為(-z，z)ppm；

將co濃度的真實論域[q-z，q+z]，利用公式y(tǒng)＝6(q-x)/z將在區(qū)間[q-z，q+z]內(nèi)變化的量q變換到離散論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。其模糊子集為{fa，fb，fc，fd，fe，ff，fg}，子集中的元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。fa表明污染物濃度比設(shè)定值高很多；fb表明污染物濃度比設(shè)定值高一些；fc表明污染物濃度比設(shè)定值高得不多；fd表明污染物濃度與設(shè)定值基本相同；fe表明污染物濃度比設(shè)定值低很少；ff表明污染物濃度比設(shè)定值低一些；fg表明污染物濃度比設(shè)定值低很多。

co濃度的偏差變化率ec＝et-et-1，真實論域為[-p，p]，p取值范圍為2-10ppm。同理利用公式y(tǒng)＝12x/2p＝6x/p將在區(qū)間[-p，p]變化的偏差變化率ec離散到論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，其模糊子集為{fa，fb，fc，fd，fe，ff，fg}，子集中的元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。fa表明污染物濃度增大速度快；fb表明污染物濃度增大速度一般；fc表明污染物濃度增大速度慢；fd表明污染物濃度基本不變；fe表明污染物濃度下降速度慢；ff表明污染物濃度下降速度一般；fg表明污染物濃度下降速度快。

kp的穩(wěn)定設(shè)定范圍為(a，b)、ki為(c，d)、kd為(e，f)。plc中的pid初始參數(shù)kp0設(shè)為g，ki0設(shè)為h，kd0設(shè)為j。

輸出變量kp、ki、kd模糊子集均設(shè)為{fa，fb，fc，fd，fe，ff，fg}。將三個參數(shù)量化到離散區(qū)域(-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6)內(nèi)。

2)隸屬度函數(shù)的選擇

選擇三角形隸屬函數(shù)，這種形狀較尖的模糊子集的分辨率和控制靈敏度較高。

3)模糊規(guī)則的設(shè)定

各參數(shù)調(diào)節(jié)作用如下：

(1)比例系數(shù)kp是按比例反映系統(tǒng)的偏差，作用是加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高調(diào)節(jié)精度。kp越大，響應(yīng)速度越快，調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致不穩(wěn)定。kp過小則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)變慢，延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)動態(tài)特性變差。

(2)積分作用系數(shù)ki作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差。ki越大，穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但ki過大會在響應(yīng)過程初期產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致超調(diào)。ki過小會使靜態(tài)誤差難以消除，影響調(diào)節(jié)精度。

(3)微分作用系數(shù)kd的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。能在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報。kd過大會使響應(yīng)過程提前制動，延長調(diào)節(jié)時間，且降低抗干擾能力。

在本系統(tǒng)設(shè)計中，第一模糊智能控制器輸入變量為7級模糊劃分，包含49條模糊規(guī)則。根據(jù)變頻通風(fēng)控制的特點以及kp、ki、kd對系統(tǒng)控制的作用寫成模糊推理句：

rule1：if(eisfa)and(ecisfa)then(kpisfg)and(kiisfa)and(kdisfe)

rule2：if(eisfa)and(ecisfb)then(kpisfg)and(kiisfa)and(kdisfc)

rule3：if(eisfa)and(ecisfc)then(kpisff)and(kiisfb)and(kdisfa)

rule4：if(eisfa)and(ecisfd)then(kpisff)and(kiisfb)and(kdisfa)

……

rule48：if(eisfg)and(ecisff)then(kpisfa)and(kiisfg)and(kdisfe)

rule49：if(eisfg)and(ecisfg)then(kpisfa)and(kiisfg)and(kdisfg)

kp、ki、kd的調(diào)整規(guī)則見下表。

表一kp的調(diào)整規(guī)則

表二ki的調(diào)整規(guī)則

表三kd的調(diào)整規(guī)則

4)模糊推理

每一條模糊條件語句表示的輸入、輸出之間的模糊關(guān)系采用mamdani推理法，例如對kp來說，有：

r1＝fae×faec×fgkp；r2＝fae×fbec×fgkp；……r49＝fge×ffec×fakp。

模糊關(guān)系矩陣r，公式為同理，ki、kd得出相應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣r。3個輸出量模糊推理可由u＝(e×ec)οr求得。

5)反模糊化

把模糊量轉(zhuǎn)換為精確量的過程稱為反模糊化defuzzification。本控制器采用重心法進行反模糊化，重心法是加權(quán)平均法的一種特殊情況，權(quán)系數(shù)取隸屬度。計算公式如下：

計算得到的每一個模糊元素x，可以求出真實論域中與之對應(yīng)的一個精確值。轉(zhuǎn)換公式如下：

所得的三個數(shù)值分別為各自的疊加變量，該值與初始值(kp0、ki0、kd0)疊加得到kp、ki、kd三個參數(shù)的終值：kp、ki、kd。

(代入公式kp＝kp+kp0；ki＝ki+ki0；kd＝kd+kd0.)

得到kp、ki、、kd并輸入plc中經(jīng)公式1計算輸出當(dāng)前控制頻率，達到自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)的目的，迅速改變隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)。

例二：下面說明第二模糊智能控制器的原理及計算處理過程。

煙塵設(shè)計濃度表示煙塵對空氣的污染程度，通過測定污染空氣中100m距離的煙塵光線透過率來確定，也稱為100m透過率，為洞內(nèi)能見度指標。

同第一模糊智能控制器類似，煙塵設(shè)計濃度k取0.005-0.0075m^-1。不妨設(shè)煙塵設(shè)計濃度為0.0055m^-1。

1)設(shè)定輸入輸出變量論域及模糊子集的隸屬函數(shù)

煙塵濃度偏差定義為：e＝σ-c

式中：σ——煙塵設(shè)計濃度(m^-1)；c——實測的煙塵濃度(m^-1)。

風(fēng)機運行程序過程中煙塵實際濃度范圍為[m-n，m+n]m^-1，n的取值范圍為0.001-0.004，因而煙塵濃度變化區(qū)域為(-n，n)m^-1；

將煙塵濃度的真實論域[m-n，m+n]，利用公式y(tǒng)＝12(m-x)/2n＝6(m-x)/n將在區(qū)間[m-n，m+n]內(nèi)變化的量x變換到離散論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。其模糊子集為{fa，fb，fc，fd，fe，ff，fg}，子集中的元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。fa表明污染物濃度比設(shè)定值高很多；fb表明污染物濃度比設(shè)定值高一些；fc表明污染物濃度比設(shè)定值高得不多；fd表明污染物濃度與設(shè)定值基本相同；fe表明污染物濃度比設(shè)定值低很少；ff表明污染物濃度比設(shè)定值低一些；fg表明污染物濃度比設(shè)定值低很多。

煙塵濃度的偏差變化率ec＝et-et-1，真實論域為[-r，r]，r的取值范圍為0.0002-0.001，同理利用公式y(tǒng)＝12x/2r＝6x/r將在區(qū)間[-r，r]變化的偏差變化率ec離散到論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，其模糊子集為{fa，fb，fc，fd，fe，ff，fg}，子集中的元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。fa表明污染物濃度增大速度快；fb表明污染物濃度增大速度一般；fc表明污染物濃度增大速度慢；fd表明污染物濃度基本不變；fe表明污染物濃度下降速度慢；ff表明污染物濃度下降速度一般；fg表明污染物濃度下降速度快。

kp的穩(wěn)定設(shè)定范圍為(a，b)、ki為(c，d)、kd為(e，f)。plc中的pid初始參數(shù)kp0設(shè)為g，ki0設(shè)為h，kd0設(shè)為j。

輸出變量kp、ki、kd模糊子集均設(shè)為{fa，fb，fc，fd，fe，ff，fg}。將三個參數(shù)量化到離散區(qū)域(-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6)內(nèi)。

該部分步驟2)-5)與例一中對應(yīng)部分相同，在此不再贅述。

例三：下面說明第三模糊智能控制器的原理及計算處理過程。

按實際交通量對隧道通風(fēng)系統(tǒng)需風(fēng)量進行計算，按照co、vi工況進行比較，兩者取最大值作為所需風(fēng)速進行洞內(nèi)風(fēng)速控制，即隧道所需風(fēng)速值為co通風(fēng)風(fēng)速值與vi通風(fēng)風(fēng)速值中的較大值，用公式表達：v需＝max(vco,vvi)。

比較實測風(fēng)速與計算出的v需比較，若v需≤v實，則不需要開啟風(fēng)機；若v需＞v實，則控制風(fēng)機變頻運轉(zhuǎn)達到所需風(fēng)速。

在v需＞v實工況下，令x＝v需，y＝v實。x取(0～5)m/s，y取(-5～x)m/s。建立兩輸入、三輸出的風(fēng)速模糊控制器。風(fēng)速模糊控制器的輸入為風(fēng)速濃度的偏差e和偏差變化率ec，輸出為pid參數(shù)kp、ki和kd，再通過pid自適應(yīng)調(diào)整輸出數(shù)據(jù)的大小而改變變頻器電源輸出頻率以調(diào)控風(fēng)機運轉(zhuǎn)速度，保證公路隧道內(nèi)的風(fēng)速達到所需風(fēng)速。

利用經(jīng)過離散化處理的數(shù)字pid的公式1，找出控制器的3個參數(shù)kp、ki和kd與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中不斷地檢測e和ec并將其作為控制器的輸入，由控制器根據(jù)模糊控制規(guī)則對3個參數(shù)進行在線調(diào)整，以滿足不同e和ec對控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。

1)設(shè)定輸入輸出變量論域及模糊子集的隸屬函數(shù)

風(fēng)速偏差定義為：e＝x-y

式中：x——所需風(fēng)速(m/s)；y——實測風(fēng)速(m/s)。

x范圍為(0～5)m/s，由實際計算獲取；y取(-5～x)m/s。風(fēng)速偏差變化區(qū)域為(0，x+5)m/s；

將風(fēng)速偏差的真實論域[0，x+5]，利用公式s＝6(x-y)/(x+5)變換到離散論域{0，1，2，3，4，5，6}。其模糊子集為{fd，fe，ff，fg}，子集中的元素分別代表零、小、中、大。fd表明實際風(fēng)速與所需風(fēng)速值基本相同；fe表明實際風(fēng)速比所需風(fēng)速值低很少；ff表明實際風(fēng)速比所需風(fēng)速值低一些；fg表明實際風(fēng)速比所需風(fēng)速值低很多。

co濃度的偏差變化率ec＝et-et-1，真實論域為[-i，i]，i取值范圍為0.5-1.5m/s。同理利用公式y(tǒng)＝12x/2i＝6x/i將在區(qū)間[-i，i]變化的偏差變化率ec離散到論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，其模糊子集為{fa，fb，fc，fd，fe，ff，fg}，子集中的元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。fa表明風(fēng)速增大速度快；fb表明風(fēng)速增大速度一般；fc表明風(fēng)速增大速度慢；fd表明風(fēng)速基本不變；fe表明風(fēng)速下降速度慢；ff表明風(fēng)速下降速度一般；fg表明風(fēng)速下降速度快。

kp的穩(wěn)定設(shè)定范圍為(a，b)、ki為(c，d)、kd為(e，f)。plc中的pid初始參數(shù)kp0設(shè)為g，ki0設(shè)為h，kd0設(shè)為j。

輸出變量kp、ki、kd模糊子集均設(shè)為{fa，fb，fc，fd，fe，ff，fg}。將三個參數(shù)量化到離散區(qū)域(-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6)內(nèi)。

該部分的步驟2)-5)與例一中對應(yīng)部分相同，在此不再贅述。

其中，vco、vvi可通過以下方式計算：

基于實時交通量計算當(dāng)前工況下需風(fēng)量，控制風(fēng)機變頻運轉(zhuǎn)迅速達到所需風(fēng)速。

1)交通量計算

①對本路段近一周交通組成進行統(tǒng)計。分別列出小客車、大客車、小貨車、中貨車，大貨車，拖掛車占整個交通量的百分比。

②將實際檢測出的交通量乘以①中各種車型百分比即可得到實際檢查交通量下的各車型數(shù)量。例如：小客車數(shù)量＝實際檢測車輛數(shù)*小客車車型比

此外，除了上述統(tǒng)計方式，目前還能直接利用相關(guān)檢測方法檢測出實際的各車型數(shù)量，可直接采用檢測數(shù)據(jù)，并非必須采用上述方式計算。

2)nm·fm計算

①計算∑nm·fm值，分co和vi兩種工況

co工況：∑nm·fm＝小客車*1+大客車*1+小貨車*2.5+中貨車*1+大貨車*1+拖掛車*1

vi工況：∑nm·fm＝小客車*0+大客車*1.5+小貨車*0+中貨車*1.0+大貨車*1.5+拖掛車*3

3)co工況下需風(fēng)量及所需風(fēng)速計算

該工況分車速分別進行計算，以通過整個隧道的平均車速為準。

a.一氧化氮基準排放量qco取值：機動車有害氣體基準排放量以2000年為起點，按每年2.0％的遞減率計算至設(shè)計目標年份獲得的排放量作為隧道通風(fēng)設(shè)計目標年份的基準排放量，最大折減年限不宜超過30年。則2030年后所有年的值均與2030年一樣。2000年qco為0.007。2001年為0.00686……2015年為0.00517……2030年及以后均為0.00382

b.排倍。10km/h時為2、20km/h時為2、30～100km/h時均為1。

c.考慮co的車況系數(shù)fa，各行車速度下均為1。

d.車密度系數(shù)fd見下表

表四車密度系數(shù)fd

e.考慮co的海拔高度系數(shù)：隧道海報高度為400m及以下均為1；400m以上按fh＝h/1800+0.78計算，式中h為隧道兩端洞口海拔高度的平均數(shù)。

f.考慮co的縱坡修正系數(shù)fco見下表

表五考慮co的縱坡-車速系數(shù)fiv

采用內(nèi)插法取值。

g.隧道內(nèi)co設(shè)計濃度取值

30km/h～100km/h時，隧道內(nèi)co設(shè)計濃度按下表取值。

表六co設(shè)計濃度δco

注：隧道長度為1000m<l≤3000m時，可按線性內(nèi)插法取值。

10km/h～20km/h時，阻滯段的平均co設(shè)計濃度δco取150cm³/m³。

i.co排放量應(yīng)按下式計算：

式中：qco——隧道co排放量(m³/s)；

qco——設(shè)計目標年份的co基準排放量[m³/(veh·km)]，按第a條取值；

排倍——按第b條取值；

fa——考慮co的車況系數(shù)，按第c條取值；

fd——車密度系數(shù)，按第d條取值；

fh——考慮co的海拔高度系數(shù)，第e條取值；

fiv——考慮co的縱坡修正系數(shù)，按第f條的表五取值；

l——與fiv對應(yīng)取值。即。隧道一般都有好幾個縱坡，計算時，我們以隧道形成方向進行計算。不同縱坡的fiv與對應(yīng)長度的fiv相乘，然后相加，如fiv1*l1+fiv2*l2+……fivn*ln＝式1中的fiv·l。

——為∑nm·fm＝小客車*1+大客車*1+小貨車*2.5+中貨車*1+大貨車*1+拖掛車*1

j.稀釋co的需風(fēng)量應(yīng)按下式計算：

式中：qreq(co)——隧道稀釋co的需風(fēng)量(m³/s)；

qco——隧道co排放量(m³/s)，第i條計算結(jié)果；

δ——co濃度，按第g條取值；

p0——標準大氣壓(kn/m²)，取101.325kn/m²；

p——隧址大氣壓(kn/m²)，

t0——標準氣溫(k)，取273k；

t——隧址夏季氣溫(k)，可278k。

算出來的qreq(co)則為本隧道co工況下的需風(fēng)量，qreq(co)除以隧道斷面面積，即為co工況下的通風(fēng)風(fēng)速。即vco＝qreq(co)/s，s為隧道斷面面積。

綜上：

4)vi工況下需風(fēng)量計算

該工況分車速分別進行計算，以通過整個隧道的平均車速為準。

k.煙塵基準排放量qvi取值：機動車有害氣體基準排放量以2000年為起點，按每年2.0％的遞減率計算至設(shè)計目標年份獲得的排放量作為隧道通風(fēng)設(shè)計目標年份的基準排放量，最大折減年限不宜超過30年。則2030年后所有年的值均與2030年一樣。2000年qvi為2.0。2001年為1.96……2015年為1.48……2030年及以后均為1.09。

l.排倍。10～100km/h時均為1。

m.考慮vi的車況系數(shù)fa，各行車速度下均為1。

n.車密度系數(shù)fd見下表

表七車密度系數(shù)fd

o.考慮vi的海拔高度系數(shù)：隧道海報高度為400m及以下均為1；400m以上按fh＝0.0003h+0.88計算，式中h為隧道兩端洞口海拔高度的平均數(shù)。

p.考慮vi的縱坡修正系數(shù)fvi見下表

表八考慮vi的縱坡-車速系數(shù)fiv

采用內(nèi)插法取值。

q.隧道內(nèi)vi設(shè)計濃度取值

采用顯色指數(shù)33≤ra≤60、相關(guān)色溫2000～3000k的鈉光源時，煙塵設(shè)計濃度k應(yīng)按下表取值。

表九煙塵設(shè)計濃度k(鈉光源)

注：“*”此工況下應(yīng)采取交通管制或關(guān)閉隧道等措施，報警。

采用顯色指數(shù)ra≥65、相關(guān)色溫3300～6000k的熒光燈、led燈等光源時，煙塵設(shè)計濃度k應(yīng)按下表取值。

表十煙塵設(shè)計濃度k(熒光燈、led燈等光源)

注：“*”此工況下應(yīng)采取交通管制或關(guān)閉隧道等措施，報警。

r.vi排放量應(yīng)按下式計算：

式中：qvi——隧道vi排放量(m³/s)；

qvi——設(shè)計目標年份的vi基準排放量[m³/(veh·km)]，按第k條取值；

排倍——按第l條取值；

fa——考慮vi的車況系數(shù)，按第m條取值；

fd——車密度系數(shù)，按第n條取值；

fh——考慮vi的海拔高度系數(shù)，第o條取值；

fiv——考慮vi的縱坡修正系數(shù)，按第p條的表八取值；

l——與fiv對應(yīng)取值。即。隧道一般都有好幾個縱坡，計算時，我們以隧道形成方向進行計算。不同縱坡的fiv與對應(yīng)長度的fiv相乘，然后相加，如fiv1*l1+fiv2*l2+……fivn*ln＝式1中的fiv·l。

——小客車*0+大客車*1.5+小貨車*0+中貨車*1.0+大貨車*1.5+拖掛車*3

s.稀釋vi的需風(fēng)量應(yīng)按下式計算：

式中：qreq(vi)——隧道稀釋煙塵的需風(fēng)量(m³/s)；

qvi——隧道vi排放量(m³/s)，第r條計算結(jié)果

k——煙塵設(shè)計濃度(m^-1)，按第q條取值。

算出來的qreq(vi)則為本隧道vi工況下的需風(fēng)量，qreq(vi)除以隧道斷面面積，即為vi工況下的通風(fēng)風(fēng)速。即vvi＝qreq(vi)/s，s為隧道斷面面積。

綜上：

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。