基于模糊PID控制算法的車站空調(diào)系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 摘要近年來，地鐵作為城市公共交通工具發(fā)展迅速，各大城市的地鐵線路將整個城市貫通，極大的方便了市民的出行。隨著地鐵的飛速發(fā)展，站內(nèi)環(huán)境的控制也逐漸引起廣泛關(guān)注，人們對于地鐵車站內(nèi)環(huán)境舒適的要求也日益提高。地鐵車站作為特殊的建筑系統(tǒng)，具有面積大、地下區(qū)域人員流動性大等特點，因此其空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控對象具有非線性、大滯后等特性。目前，地鐵車站的空調(diào)系統(tǒng)大多都采用傳統(tǒng)的PID控制方式，但是，實際控制過程中地鐵車站環(huán)境時刻在發(fā)生變化，這導(dǎo)致傳統(tǒng)的PID算法難以達到控制要求。本文在研究模糊PID控制原理的基礎(chǔ)上，采用模糊PID控制算法來控制車站空調(diào)系統(tǒng)。介紹了整個研究過程的設(shè)計思路及設(shè)計原理，對地鐵車站系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)建模，設(shè)計地鐵車站模糊PID控制器，并在MATLAB/SIMULINK平臺上對地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)進行仿真研究，分別仿真了基于常規(guī)PID和模糊PID算法控制下的系統(tǒng)，經(jīng)過對比分析顯示模糊PID控制器具有超調(diào)量小、響應(yīng)時間短、魯棒性好等特點，驗證了設(shè)計的正確性和可行性。關(guān)鍵詞：模糊PID；溫度控制；空調(diào)系統(tǒng)；仿真第1章緒論隨著社會的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程加快，城市居民量增長迅速，城市交通狀況變得越來越擁擠，各個大中城市地鐵修建加快，有的城市構(gòu)成了十幾條線路組成的地下鐵路交通網(wǎng)，將城市的各個角落連接起來，極大地緩解了城市的交通擁堵問題，方便了市民的出行。地鐵車站大都位于地下深處，其內(nèi)部環(huán)境與外界隔絕，人們對地鐵車站的舒適性也提出了更高的要求。近年來，智能控制算法越來越多的應(yīng)用到各個行業(yè)，使用模糊PID控制算法來控制車站空調(diào)系統(tǒng)，從而使地鐵車站環(huán)境滿足人們的舒適程度。1.1課題研究背景隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，大量人口流向城市，城鎮(zhèn)化進程明顯加快，汽車的使用量也愈發(fā)普及，城市的交通狀況愈發(fā)擁堵，傳統(tǒng)的交通方式已經(jīng)無法滿足城市市民的需要。近年來地鐵修建進程加快，另外地鐵出行有著安全高效、通勤方便等優(yōu)點，因此，越來越多的人選擇乘地鐵出行，同時人們對地鐵車站的舒適性要求也日益提高。隨著乘坐地鐵出行的人越來越多，人們對地鐵車站的環(huán)境也提出了更高的要求。在我國，最早期的地鐵車站基本沒有空調(diào)系統(tǒng)，地鐵車站主要依靠自然通風(fēng)，因此其舒適性很差。隨著社會的發(fā)展，一些機械通風(fēng)設(shè)備慢慢被用到地鐵車站中，使地鐵車站環(huán)境得到了一些改善。進入新世紀(jì)以后，地鐵空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展迅速，智能控制也被逐漸運用到地鐵車站溫控中。目前地鐵車站溫控方式大都采用多個復(fù)合的PID控制，即比例積分微分控制方式，但由于地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)具有大滯后、干擾多、延時大等特點，因此使用多個復(fù)合PID整定變得困難，設(shè)定的PID參數(shù)只有在地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)理想的情況下才能對溫度有較好的控制。如果有較大的擾動，系統(tǒng)的誤差則變大，使得傳統(tǒng)的PID控制難以滿足對溫度的控制。模糊控制作為一種新型控制器，不需要掌控精確的數(shù)學(xué)模型，通過模擬人的推理，構(gòu)建模糊規(guī)則表來決定控制量，非常適合地鐵車站這種大滯后、干擾多的系統(tǒng)。地鐵車站作為地下封閉空間，人流量大，乘客集中，空氣流通閉塞，列車在形式過程中也會帶來大量熱氣，這些因素都會影響地鐵車站的空氣品質(zhì)，如果不能通過空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)使溫度維持在合適的區(qū)間，則車站環(huán)境將影響乘客候車的舒適性，因此如何用模糊PID的控制方式來有效的控制車站空調(diào)系統(tǒng)，使地鐵車站溫度維持在合適的區(qū)間變得尤為重要。本次研究課題就是針對地鐵車站的環(huán)境特點，考慮如何設(shè)計模糊PID控制器，從而控制地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)，使車站溫度穩(wěn)定迅速的達到設(shè)定值，以滿足現(xiàn)實的需要。1.2課題研究的目的及意義地鐵作為城市交通運輸不可缺少的一部分，與人們的生活息息相關(guān)，也受到了各地政府的重視。地鐵交通具有輸客量大、安全準(zhǔn)時等優(yōu)點，但是地鐵軌道和車站大都位于地下，因此需要營造一個良好的、舒適的乘車環(huán)境，來滿足人們選擇地鐵出行的需要。隨著地鐵運營能力的增強，人員密度也越來越大，而地鐵環(huán)境中的大功率設(shè)備，會產(chǎn)生大量的熱能，如果不能及時排除這些熱能，將會使地鐵車站內(nèi)的環(huán)境溫度上升，使人們產(chǎn)生不適。傳統(tǒng)的通風(fēng)方式已經(jīng)不能滿足地鐵車站環(huán)境的變化，因此如何合理的運用空調(diào)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)地鐵車站的環(huán)境溫度成為關(guān)鍵。針對以上情況，選擇一種智能控制方法來控制地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)，使地鐵車站溫度維持在舒適的區(qū)間，對于乘客乘車的舒適性具有重大意義。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀地鐵作為城市的主要交通工具之一，大多數(shù)地鐵線路都位于地下，這在很大程度上節(jié)省了城市的地面空間，但是地鐵環(huán)境較為封閉，列車在行駛過程中摩擦空氣，在地鐵到站時，給地鐵車站帶來大量的熱空氣，使地鐵車站內(nèi)溫度快速上升，同時地鐵車站內(nèi)有大量的機電設(shè)備，這些機電設(shè)備在運行過程中也會釋放出大量的熱能，地鐵車站內(nèi)乘客集中在一定的空間內(nèi)，這些因素都會使地鐵車站內(nèi)的環(huán)境發(fā)生變化[1]?；谝陨弦蛩?，為了達到控制地鐵車站溫度的目的，需要在地鐵站內(nèi)合理地設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，并有效地控制空調(diào)系統(tǒng)中的各種機電設(shè)備，使地鐵車站內(nèi)的環(huán)境溫度維持在合適的數(shù)值[2]。地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)是一個非線性、延遲的復(fù)雜系統(tǒng)，目前國內(nèi)對于地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的控制基本采用傳統(tǒng)的PID控制方式。地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷之間存在著相互轉(zhuǎn)化、耦合的關(guān)系[3]。目前國內(nèi)外對地鐵車站溫控系統(tǒng)的控制方法大概有以下幾種：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制、常規(guī)PID控制、預(yù)測函數(shù)控制、模糊PID控制等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與PID控制相結(jié)合，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的靈活性和學(xué)習(xí)能力強等優(yōu)點，但由于其仍采用PID參數(shù)，PID控制對信號處理太簡單不能充分發(fā)揮其優(yōu)點，并且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也不能避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的缺陷。預(yù)測函數(shù)控制其抗干擾能力、穩(wěn)定性和魯棒性等明顯增強，但是預(yù)測函數(shù)控制對系統(tǒng)的跟隨性不好，其穩(wěn)態(tài)誤差較大。模糊PID控制方式將常規(guī)的PID控制方式和模糊理論結(jié)合起來，形成一種新型的智能控制方式，吸收常規(guī)PID控制方式的優(yōu)點，因此模糊PID控制方式具有精度高、魯棒性好、抗干擾性強的優(yōu)點[4]。綜上所述，在傳統(tǒng)的PID控制方式上引入模糊控制，根據(jù)地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)溫度的變化，形成一種自適應(yīng)的模糊PID控制技術(shù)，根據(jù)目前傳統(tǒng)控制方案存在的問題，使用模糊PID控制地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)，對地鐵車站環(huán)境的溫度進行調(diào)節(jié)。1.4主要研究內(nèi)容本文主要對地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)進行研究，目的是實現(xiàn)地鐵車站溫度的調(diào)節(jié)。文章首先介紹了地鐵車站溫度控制的研究背景和研究現(xiàn)狀，簡要介紹了地鐵車站環(huán)境控制系統(tǒng)，詳細(xì)的介紹了地鐵車站系統(tǒng)，對地鐵車站的總體方案進行了研究，搭建了地鐵車站系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，接下來介紹了智能控制方式，主要對常規(guī)PID控制和模糊PID控制做了詳細(xì)的介紹，對地鐵車站模糊PID控制器進行了設(shè)計。最后在Simulink平臺搭建系統(tǒng)的仿真模型，對系統(tǒng)的輸出波形進行分析，比較地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)在PID控制下和模糊PID控制下的優(yōu)劣性。文章各章節(jié)內(nèi)容如下：（1）文章第1章為緒論。主要介紹了基于模糊PID地鐵車站溫度控制系統(tǒng)的研究背景、課題研究的目的和意義以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。（2）文章第2章介紹了地鐵車站環(huán)境控制系統(tǒng)。對地鐵車站環(huán)境控制系統(tǒng)的特點和組成進行了介紹，主要研究了地鐵車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)。（3）文章第3章是對地鐵車站溫度控制系統(tǒng)的研究。在該章對地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的總體方案進行了設(shè)計，通過地鐵車站實例，對地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)進行了數(shù)學(xué)模型的建立。（4）文章第4章是對地鐵車站系統(tǒng)控制策略的研究。介紹了智能控制方式，主要對常規(guī)的PID控制方式和模糊PID控制方式的控制原理進行了系統(tǒng)的研究，介紹了PID控制器和模糊PID控制器的設(shè)計方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的模糊PID控制器。（5）文章第5章是對基于模糊PID地鐵車站溫度控制的仿真研究。在MATLAB/Simulink平臺上對地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)進行了仿真模型搭建，通過對仿真波形的研究，比較了PID控制和模糊PID控制的優(yōu)劣。（6）文章第6章為總結(jié)與展望。主要對本文的研究內(nèi)容進行了系統(tǒng)的總結(jié)，對文章存在的不足提出了一些設(shè)想以及展望了下一步的研究方向。第2章地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)2.1地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)綜述2.1.1地鐵環(huán)控系統(tǒng)概述地鐵車站不同于地面其他類型車站，其環(huán)控系統(tǒng)較為復(fù)雜，比如設(shè)備多、操作繁瑣等，在實施過程中有很大的難度，如果不能合理的進行控制，則達不到及時準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)車站內(nèi)環(huán)境。地鐵環(huán)控系統(tǒng)一般由以下設(shè)備組成：地鐵車站區(qū)域環(huán)境控制系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng)和地鐵車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，而地鐵車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)又分為車站管理用房和設(shè)備用房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)以及地鐵車站公共區(qū)域空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)[5]。本文主要研究地鐵車站公共區(qū)域空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)。2.1.2地鐵環(huán)控系統(tǒng)的特點地鐵系統(tǒng)區(qū)別于地面其他建筑，其主要特點是由地鐵隧道和若干地鐵車站相連的整體。位于地面以下的地鐵車站作為一個封閉的空間，其與外界聯(lián)系很少，并且還受到乘客人流量的影響，地鐵環(huán)控系統(tǒng)的主要特點如下：（1）地鐵車站環(huán)境控制系統(tǒng)空間較為封閉，受地面天氣、溫度、氣候等因素影響不大，所以對地鐵車站溫度的調(diào)節(jié)主要依靠車站內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)。（2）一般情況下地鐵車站的客流量都較大，在節(jié)假日或者上下班高峰期，地鐵車站各種設(shè)備往往都在滿負(fù)荷運行，如果發(fā)生火災(zāi)等事故，乘客不能被快速安全的疏散。因此，地鐵環(huán)控系統(tǒng)在設(shè)計時必須充分考慮到各種事故的發(fā)生，不僅要考慮到發(fā)生火災(zāi)等突發(fā)事故時人員的疏散問題，又要做到地鐵車站及時的排煙通風(fēng)。（3）地鐵環(huán)控系統(tǒng)具有內(nèi)熱源。這些主要來自列車運行時所帶來的熱風(fēng)和大量乘客所散發(fā)的熱量，這些內(nèi)熱源基本是無規(guī)律的。（4）地鐵環(huán)控系統(tǒng)有大量的活塞風(fēng)?；钊L(fēng)主要是地鐵在隧道中高速運行時摩擦空氣所形成的熱氣流，其對地鐵隧道有通風(fēng)換氣的作用，但是會增加地鐵環(huán)控系統(tǒng)的負(fù)荷。（5）地鐵環(huán)控系統(tǒng)具有“熱庫效應(yīng)”。地鐵基本上都位于地下，地鐵附近的土壤在夏季的時候儲存能量，在冬季的時候釋放能量，這可以自發(fā)的調(diào)節(jié)地鐵車站的濕度和溫度，但是需要經(jīng)過長時間的過程才能使地鐵環(huán)控系統(tǒng)達到穩(wěn)定的狀態(tài)。（6）地鐵環(huán)控系統(tǒng)中有大量的設(shè)備，例如空調(diào)機、排風(fēng)機、送風(fēng)機，在這些設(shè)備運行的時候會產(chǎn)生大量的熱量，這增加了地鐵的運營成本。但為了保證乘客乘車的舒適性，在設(shè)計地鐵環(huán)控系統(tǒng)時也必須按照高峰期時的客流量進行設(shè)計。2.2地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)的組成地鐵環(huán)控系統(tǒng)主要由地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)和地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)組成，地鐵環(huán)控系統(tǒng)的組成如圖1所示。圖1地鐵環(huán)控系統(tǒng)的組成2.2.1車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主要包括車站公共區(qū)間空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、設(shè)備及管理房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)以及空調(diào)制冷循環(huán)水系統(tǒng)。車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)通過橫排風(fēng)的通風(fēng)方式，一般地鐵車站都有兩層，分為站臺層和站廳層，其中站廳層的通風(fēng)方式為上送上排，站臺層的通風(fēng)方式為上送下排[6]。（1）車站公共區(qū)間空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)全空氣系統(tǒng)一般稱為大系統(tǒng)，大系統(tǒng)主要由空調(diào)風(fēng)機、排風(fēng)機、新風(fēng)機等組成，該系統(tǒng)主要應(yīng)用在地鐵車站公共區(qū)域制冷空調(diào)系統(tǒng)中。該系統(tǒng)主要承擔(dān)兩個方面的職責(zé)：其一是發(fā)生火災(zāi)的時候，能夠?qū)⒄九_層和站廳層的公共區(qū)間內(nèi)的煙霧排除，及時的消除火災(zāi)，保證乘客和工作人員的安全；其二是在正常工作的條件下，能夠很好地調(diào)節(jié)站臺層和站廳層公共區(qū)間的濕度和溫度，以保證地鐵車站中良好的空氣環(huán)境。（2）設(shè)備及管理房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備及管理房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)通常稱為小系統(tǒng)，小系統(tǒng)主要由回排風(fēng)機及相關(guān)閥門、小新風(fēng)機、小型的空調(diào)機組成。該系統(tǒng)一般設(shè)置在地下或者地面車站中，該系統(tǒng)的主要對車站設(shè)備房和車站工作人員的辦公區(qū)域的濕度和溫度進行調(diào)節(jié)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，能夠盡快的排出煙霧，以保證地鐵車站設(shè)備的正常運行和工作人員的生命安全。（3）空調(diào)制冷循環(huán)水系統(tǒng)空調(diào)制冷循環(huán)水系統(tǒng)一般配合車站公共區(qū)間空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)和設(shè)備及管理房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運行。該系統(tǒng)通常由冷卻塔、分水集水器、冷水機組及水泵和各種閥門組成。該系統(tǒng)中的設(shè)備一般都在天氣炎熱的夏季運行，其作用主要是為了給地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)提供冷源。2.2.2隧道通風(fēng)系統(tǒng)地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)包括機械通風(fēng)系統(tǒng)和車站區(qū)間排熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)在發(fā)生火災(zāi)時，能夠排煙通氣，正常運行時，能夠?qū)Φ罔F隧道內(nèi)的廢氣進行排除，改善其空氣質(zhì)量[7]。（1）機械通風(fēng)系統(tǒng)機械通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備主要由活塞風(fēng)井、隧道風(fēng)機和風(fēng)閥組成。在正常運行時，對地鐵隧道進行通風(fēng)，排除廢氣，改善空氣質(zhì)量；在緊急情況發(fā)生時，隧道風(fēng)機對地鐵隧道進行強制的通風(fēng)。（2）車站區(qū)間排熱系統(tǒng)該系統(tǒng)由軌道上下的排熱風(fēng)道組成，主要對?？吭谡九_的列車進行排熱。綜上所述，本章對地鐵環(huán)控系統(tǒng)做了簡要分析，詳細(xì)分析了地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)，以此為基礎(chǔ)建立地鐵車站系統(tǒng)的總體方案和地鐵車站系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。第3章系統(tǒng)方案研究3.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計本次課題主要是研究地鐵車站制冷問題，為了達到根據(jù)地鐵車站溫度的變化來控制地鐵車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量的目的，所以采用模糊PID控制方式來調(diào)節(jié)地鐵車站的溫度，從而在溫度變化時及時做出反應(yīng)，使車站內(nèi)溫度保持在設(shè)定的溫度值，這需要調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)機的供電頻率，調(diào)節(jié)其送風(fēng)量，進而調(diào)整冷量。地鐵車站溫度控制系統(tǒng)的總體方案如圖2所示。圖2地鐵車站溫度控制系統(tǒng)總體方案在地鐵車站空調(diào)控制系統(tǒng)中，溫度的給定值是地鐵站廳層和站臺層的設(shè)定溫度，在夏季時，室外溫度大都達到35℃以上，由于地鐵車站人流量較大，給定值可以設(shè)置成24℃，從而維持地鐵車站舒適的候車環(huán)境。將地鐵車站平均溫度與設(shè)定值進行比較，得到偏差信號，將本次偏差值與前次偏差值相減，得到偏差變化率，模糊PID控制器根據(jù)偏差信號和偏差變化率信號的變化輸出一個控制信號。地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)作為執(zhí)行機構(gòu)，其根據(jù)控制信號的變化來調(diào)節(jié)送風(fēng)量和冷量，從而調(diào)節(jié)地鐵車站內(nèi)的溫度值[8]。此時車站內(nèi)的實際溫度通過傳感器與設(shè)定值進行比較形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)。擾動量主要包括客流量的大小和地鐵到達車站時帶來的熱風(fēng)，這會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，地鐵車站溫度變化時通過傳感器傳給模糊PID控制器，模糊PID控制器根據(jù)偏差信號和偏差變化率，發(fā)出指令使地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生動作，從而使地鐵車站溫度維持在設(shè)定值附近。通過這個閉環(huán)反饋系統(tǒng)，可以使送風(fēng)量與所需的送風(fēng)量相近，這樣以來即達到了調(diào)節(jié)溫度的目的，又節(jié)約了能源。3.2地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立在一般情況下，研究一個系統(tǒng)需要建立一個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。而在實際工程應(yīng)用過程中，由于存在較多的干擾量，實際系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型很難確定，而數(shù)學(xué)模型的確定基本上都是系統(tǒng)優(yōu)化后的近似模型。車站空調(diào)系統(tǒng)控制的車站溫度是一個干擾較多的控制量，其動態(tài)特性為一個復(fù)雜的高階微分方程，該控制對象慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)較大，控制量的輸出往往出現(xiàn)較大的延遲，為了得到較為理想的控制效果，在滿足實際工程應(yīng)用的情況下，可以用一階慣性環(huán)節(jié)加滯后環(huán)節(jié)用來描述地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其傳遞函數(shù)可以表示為 （3.1）式中：S—復(fù)變數(shù)K—增益系數(shù)T—響應(yīng)延遲時間—系統(tǒng)純延遲時間本課題以上海軌道交通4號線浦電路站的數(shù)據(jù)為依據(jù)進行建模。浦電路地鐵站位于上海市福山路浦電路，為地下島式站臺設(shè)計[9]。以往的研究結(jié)果使用了流體力學(xué)軟件對上海軌道交通4號線浦電路站進行了建模和仿真分析，在發(fā)表的論文中詳細(xì)研究了上海軌道交通4號線浦電路站的各種參數(shù)，根據(jù)已有的研究數(shù)據(jù)，現(xiàn)對上海軌道交通4號線浦電路站的各種參數(shù)設(shè)置如下：邊界條件設(shè)定為：對靜壓箱送風(fēng)界面，假定送風(fēng)溫度為24℃，送風(fēng)風(fēng)量為65000m3/h，折合到送風(fēng)界面的風(fēng)速為1.20m/s。對送風(fēng)界面1.00m/s、0.80m/s、0.60m/s靜壓箱回風(fēng)界面：根據(jù)回排風(fēng)機的風(fēng)量，折合到界面的風(fēng)速為0.95m/s，站廳層的出口均設(shè)定為自由出口，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，系統(tǒng)啟動前站內(nèi)溫度為31℃，呈均勻穩(wěn)態(tài)。根據(jù)送風(fēng)風(fēng)速為1.20m/s假定該系統(tǒng)在空調(diào)送風(fēng)后約300s內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)，即取T=300s；為簡化起見，取K=1；為機械環(huán)節(jié)以及管道送風(fēng)引起的純延遲，其值應(yīng)該較小，取=5s。則根據(jù)（3.1）公式，得到的地鐵車站對象的傳遞函數(shù)為 （3.2）在工程應(yīng)用中，被控對象的數(shù)學(xué)模型大都較為復(fù)雜，干擾量較多，其傳遞函數(shù)是高階傳遞函數(shù)。在此實例中，對上海軌道交通4號線浦電路站的數(shù)學(xué)模型進行了簡化，上式得到的被控對象的傳遞函數(shù)是近似表示。

第4章地鐵車站系統(tǒng)控制策略的研究4.1PID控制原理PID控制器歷史悠久，是經(jīng)典控制領(lǐng)域中常用的控制方式，常規(guī)PID控制方式具結(jié)構(gòu)較為簡單，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性較好，因此其經(jīng)常應(yīng)用在工程領(lǐng)域當(dāng)中，PID控制器由比例（P）、積分（I）、微分（D）三個環(huán)節(jié)組成[10]，典型的PID控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3典型PID控制結(jié)構(gòu)圖中為偏差值，其值為輸入值與輸出值之差。偏差信號與控制器的輸出的關(guān)系為 （4.1）由式（4.1）可以得到傳遞函數(shù)為 （4.2）上式中：—比例系數(shù)—積分系數(shù)—微分系數(shù)—積分時間常數(shù)—微分時間常數(shù)在工程設(shè)計中，比例、積分和微分參數(shù)的確定是PID控制器設(shè)計的關(guān)鍵，各個環(huán)節(jié)的控制作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)控制方式簡單，實際應(yīng)用較為廣泛。比例關(guān)系是由輸出值與輸入值的偏差構(gòu)成，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時，比例調(diào)節(jié)會產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用來減少系統(tǒng)偏差，其控制效果由比例系數(shù)KP來決定。當(dāng)增大系統(tǒng)的比例系數(shù)KP時，則能使加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。比例系數(shù)KP的值應(yīng)設(shè)置成合適的范圍，如果系統(tǒng)的比例系數(shù)的值設(shè)置的太大，則系統(tǒng)的超調(diào)量會變大，造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。如果系統(tǒng)的比例系數(shù)的值設(shè)置的過小，則使系統(tǒng)達到穩(wěn)定所需的時間會變長，導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度變差。（2）積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)主要用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，理論上只要系統(tǒng)有誤差存在，積分調(diào)節(jié)就會持續(xù)進行，直至消除誤差，積分調(diào)節(jié)才停止。積分時間常數(shù)Ti的大小決定著積分控制的強弱，積分時間常數(shù)Ti的值越小，積分調(diào)節(jié)的作用就越強，但是如果積分調(diào)節(jié)過強，則會導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)量增大，嚴(yán)重會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，反之積分時間常數(shù)Ti的值越大，則系統(tǒng)的積分作用越弱。因此積分時間常數(shù)的大小也要設(shè)置在合理的范圍。（3）微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，減小系統(tǒng)的超調(diào)量，減小系統(tǒng)的振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但當(dāng)微分調(diào)節(jié)越強時，系統(tǒng)的抗干擾性能越弱，因此也要合理設(shè)置微分時間常數(shù)，比例、積分、微分共同作用，構(gòu)成PID控制，以使系統(tǒng)達到較為理想的狀態(tài)。然而，在一些時變系統(tǒng)中，參數(shù)往往時刻在發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在時刻變化，無論如何調(diào)節(jié)PID的各個參數(shù)，也不能精確地完成對系統(tǒng)的控制。因此要想達到較為理想的控制效果，PID往往需要與模糊控制理論結(jié)合起來，以自適應(yīng)模糊PID的控制方式完成對系統(tǒng)的精確控制。4.2模糊控制原理4.2.1模糊控制概述在經(jīng)典集合中，存在著非此即彼的關(guān)系，例如描述一個人的性別，那么這個人不是男生就是女生。但是在實際生活中，有些現(xiàn)象不是非此即彼的關(guān)系，例如人的身高，沒有明確的規(guī)定多高稱作高個子，那么這個集合就叫做模糊集合，模糊集合用隸屬度來描述接近于某一值的程度[11]。在實際工程應(yīng)用中，被控對象的系統(tǒng)大都較為復(fù)雜，這些復(fù)雜系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型時，其數(shù)學(xué)模型大都是高階的傳遞函數(shù)，建立其精確的數(shù)學(xué)模型較為困難，常規(guī)的PID控制方式在復(fù)雜系統(tǒng)中難以達到較好的控制效果。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，智能控制算法也發(fā)展迅速，從而建立了一種不需要精確的數(shù)學(xué)模型就能達到控制效果的控制方式，模糊控制只需要憑借豐富的實踐經(jīng)驗，模擬人腦的思維方式設(shè)計控制器。模糊控制理論是在大量的操作經(jīng)驗基礎(chǔ)上建立起來的，對于一個經(jīng)驗豐富的專家，可以依靠自己大量的實踐經(jīng)歷，用一種合適的方法來控制一個較復(fù)雜的系統(tǒng)。模糊理論就是將這些豐富的實踐經(jīng)驗進行系統(tǒng)的總結(jié)歸納，用語言的方式表達出來，從而形成一種不精確的、定性的控制規(guī)則，再用模糊數(shù)學(xué)將其定量轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，形成模糊控制理論。模糊控制理論的核心是模糊集合、模糊語言和模糊邏輯，模糊控制是一種非線性的分段控制，其用機器語言來來描述專家經(jīng)驗，在不建立系統(tǒng)精確模型的前提下，通過改變控制量的值來實現(xiàn)被控對象較為精確的控制。模糊控制經(jīng)過不斷地發(fā)展，其理論不斷成熟，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在工程及自動控制等領(lǐng)域。模糊控制理論具有以下特點：（1）模糊控制基于專家經(jīng)驗建立模糊規(guī)則，模糊規(guī)則是用語言來表示的，易于接受，且模糊控制器容易構(gòu)造，可以與軟件結(jié)合使用。（2）模糊控制不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，簡化了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，模糊控制器是一種語言控制器，便于操作人員使用自然語言進行人機對話。（3）模糊控制的魯棒性較好。通過專家經(jīng)驗設(shè)計的模糊規(guī)則可以對復(fù)雜對象進行有效的控制。4.2.2模糊控制器設(shè)計模糊控制主要由輸入輸出接口、模糊控制器、被控對象和傳感器等組成，模糊控制器是模糊控制的核心。模糊控制器一般有一維模糊控制器、二維模糊控制器和三維模糊控制器。一維度模糊控制器的輸入只有一個偏差值，在高階系統(tǒng)中很難使系統(tǒng)達到較好的動態(tài)性能。三維模糊控制器的輸入有偏差、偏差變化率和偏差的二階微分，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在設(shè)計中難以實現(xiàn)。本次設(shè)計采用二維模糊控制器，其輸入為偏差信號及偏差變化率，其即能達到滿意的控制效果又易于實現(xiàn)。在控制過程中，將采集到的數(shù)據(jù)與給定值進行比較，得到偏差與偏差變化率，在模糊控制器中經(jīng)過模糊化、模糊推理及清晰化，得到輸出控制量來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)作用于被控對象，系統(tǒng)的輸出值通過傳感器與給定值進行比較，經(jīng)過這個閉環(huán)控制，達到溫度調(diào)節(jié)的目的。模糊控制的原理圖如圖4所示。圖4模糊控制原理圖在模糊控制器的設(shè)計時，首先要進行輸入量的模糊化，其次需要建立控制規(guī)則庫，再進行模糊推理，最后進行輸出量解模糊。下面將逐個介紹模糊控制器的設(shè)計過程。（1）模糊化在變量模糊化的過程中，由于基本論域內(nèi)的量是精確量，因此模糊控制器的輸入和輸出都是精確量，但是模糊控制算法需要模糊量，所以輸入的精確量需要轉(zhuǎn)化為模糊量。模糊控制器有誤差和誤差變化率兩個輸入變量，輸出變量為控制量，通常將模糊變量劃分為以下不同等級。負(fù)大、負(fù)小、零、正小、正大。2）負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。模糊量劃分的等級沒有清晰的界限，一般劃分的越細(xì)描述的越準(zhǔn)確，但如果劃分的過細(xì)，則控制規(guī)則變得會更加復(fù)雜，不易達到控制效果。模糊變量等級劃分好之后，就要根據(jù)語言值確定系統(tǒng)的隸屬度函數(shù)，元素隸屬于模糊的程度稱作隸屬度，隸屬度函數(shù)的區(qū)間為[0,1]。隸屬函數(shù)的選取主要取決于被控制對象的特性及設(shè)計者的習(xí)慣，目前常用的隸屬函數(shù)主要有三角形函數(shù)、梯形函數(shù)、高斯型函數(shù)和鐘形函數(shù)等[13]，具體如下：三角形函數(shù)三角形函數(shù)的模型為 （4.3）三角形隸屬函數(shù)如圖5所示。圖5三角形隸屬函數(shù)2）梯形函數(shù)梯形函數(shù)的模型為 （4.4）梯形隸屬函數(shù)如圖6所示。圖6梯形隸屬函數(shù)3）高斯型函數(shù)高斯型函數(shù)的模型為 （4.5）高斯型隸屬函數(shù)如圖7所示。圖7高斯型隸屬函數(shù)4）鐘型函數(shù)鐘型函數(shù)的模型為 （4.6）鐘型隸屬函數(shù)如圖8所示。圖8鐘型隸屬函數(shù)上式中，x為變量，a、b、c、d為常數(shù)。本文的輸入變量與輸出變量均采用三角形隸屬度函數(shù)。（2）模糊控制規(guī)則模糊控制器的核心就是模糊規(guī)則，模糊控制器的性能就是由模糊規(guī)則設(shè)計的優(yōu)劣決定的，控制規(guī)則是基于實際操作人員或?qū)＜覍ο到y(tǒng)操作經(jīng)驗歸納總結(jié)得出的模糊語句。偏差、偏差變化率及輸出量分別記為、、，則控制規(guī)則如下。 Ifisandisthenis （4.7） Ifisandisthenis （4.8）... Ifisandisthenis （4.9）（3）模糊推理模糊推理是一種近似推理方法，當(dāng)隸屬度在各自的輸入輸出變量論域上已知時，則每一條模糊語句的模糊關(guān)系就可以被推理出來。（4）清晰化經(jīng)過模糊推理之后，能夠得到輸入輸出的模糊量，還需要對模糊量進行轉(zhuǎn)換得到控制量。在進行清晰化的過程中，需要定義一個語言變量給控制器的輸出量，將控制量的模糊論域劃分為七檔，控制量的模糊論域如表1所示。表1控制量的模糊論域負(fù)大負(fù)中負(fù)小零正小正中正大NBNMNSZOPSPMPB目前常用的清晰化的方法主要是重心法和最大隸屬度法。1）重心法重心法又稱作加權(quán)平均法，主要是對輸出模糊子集的各個元素，以及所對應(yīng)的隸屬度求其加權(quán)平均值，再四舍五入得到控制量的精確值，是目前最合理和應(yīng)用最為廣泛的方法[14]。其計算公式為 （4.10）2）最大隸屬度法最大隸屬度法計算過程比較方便，是較為簡單的一種方法，它可以將模糊子集隸屬函數(shù)最大值所對應(yīng)的輸出論域的值直接輸出。其計算公式為 （4.11）本文采用重心法進行變量的清晰化。4.3地鐵車站模糊PID控制器的設(shè)計4.3.1變量模糊化模糊PID控制器為兩個輸入三個輸出的結(jié)構(gòu)模式，選取地鐵車站溫度和地鐵車站溫度變化率作為控制器的輸入量，選取PID的三個參數(shù)、、作為模糊PID控制器的輸出量。模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。輸入變量與輸出變量的模糊子集為：{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，其分別代表{負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大、零、正小、正中、正大}。兩個輸入變量和三個輸出變量的模糊論域為[-6,6]，輸入與輸出變量的隸屬函數(shù)均為三角形模糊集合[15]。在地鐵車站溫度控制中，輸入量為設(shè)定的溫度值，在本次設(shè)計中溫度值設(shè)定為24℃，偏差信號和偏差變化率經(jīng)過模糊推理輸出控制信號，控制信號作用于地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)，輸出調(diào)節(jié)后的溫度值。圖9模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)、分別為溫度和溫度變化率的量化因子，、、分別為輸出變量、、的比例因子。 （4.12） （4.13） （4.14） （4.15） （4.16）各變量模糊集合隸屬度函數(shù)如圖10、如圖11、如圖12、如圖13、圖14所示。圖10輸入變量的隸屬度函數(shù)圖11輸入變量的隸屬度函數(shù)圖12輸出變量的隸屬度函數(shù)圖13輸出變量的隸屬度函數(shù)圖14輸出變量的隸屬度函數(shù)4.3.2模糊規(guī)則表的建立根據(jù)PID參數(shù)的整定和專家經(jīng)驗，可建立、、的模糊規(guī)則表，分別如表2、表3及表4所示?？刂埔?guī)則如圖15所示。ec?表2模糊規(guī)則表e?NBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMPBPBec表3模糊規(guī)則表e??NBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPBec表4模糊規(guī)則表e??NBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPBece圖15模糊規(guī)則表4.3.3模糊量的清晰化由于輸出量KP、KI、KD都是變化域內(nèi)的量，因此需要乘以量化因子得到、、，修正值Kp、KI、KD的計算公式為 （4.17） （4.18） （4.19）將模型導(dǎo)入工作空間，嵌入Simulink中的Fuzzy模塊中，進行仿真。第5章系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析5.1Simulink簡介Simulink工具箱是美國MathWorks公司推出的MATLAB中的一種可視化仿真工具。Simulink有豐富的模塊庫，用戶也可以建立自己的模塊，在使用過程中只需要將模塊拖拽到自己的仿真模型中，能快速的完成仿真模型搭建，還可以與其他軟件結(jié)合使用。Simulink工具箱是基于MATLAB平臺下實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真及分析的環(huán)境，其具有結(jié)構(gòu)清晰、靈活、高效等優(yōu)點，很大的降低了初學(xué)者的難度，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)、汽車、航空航天等諸多領(lǐng)域中。5.2系統(tǒng)仿真模型在本文第3章的研究中，確定了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，在計算機中采用Simulink仿真工具對地鐵車站空調(diào)控制系統(tǒng)進行仿真搭建，PID控制的輸出和模糊PID控制下的輸出連接在同一示波器上，比較PID控制器和模糊PID控制器的控制效果。系統(tǒng)的仿真模型如圖16所示。圖16系統(tǒng)仿真模型該模型由PID控制和模糊PID控制兩個部分組成，其中常規(guī)PID的仿真模型圖如圖17所示。該模型是一個閉環(huán)系統(tǒng)，輸入信號是數(shù)值為1的階躍信號，PID控制器各個參數(shù)設(shè)置為Kp=3、Ki=0.02、Kd=0.15。圖17PID仿真模型模糊PID的仿真模型的核心為模糊控制器，輸入信號是值為1的階躍信號，模糊控制器的輸入為溫度偏差值和偏差變化率，經(jīng)過模糊運算后控制器輸出Kp=3.15、Ki=0.15、Kd=0.021，模糊控制模塊模型如圖18所示。圖18模糊控制模塊模型5.3仿真波形分析系統(tǒng)模型的輸入為1的階躍信號，仿真時間t設(shè)置為2000s，步長求解器采用ode45算法，將Fuzzy模塊導(dǎo)入系統(tǒng)中，對系統(tǒng)進行仿真，仿真波形如圖19所示。2121圖19系統(tǒng)仿真波形圖19中的兩條波形曲線，曲線1代表PID控制下系統(tǒng)階躍波形，曲線2代表模糊控制下系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形。從系統(tǒng)的兩條階躍響應(yīng)曲線可以看出，在PID控制下，系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)，而在模糊PID控制下，系統(tǒng)可以迅速的實現(xiàn)對車站空調(diào)系統(tǒng)的控制，基本沒有超調(diào)。在實際地鐵車站溫度控制系統(tǒng)中，外部環(huán)境的變化及人流量的變化都會影響地鐵車站環(huán)境，從而影響系統(tǒng)的多容性，體現(xiàn)在控制對象模型的響應(yīng)延滯時間T會發(fā)生較大的變化。在系統(tǒng)仿真過程中，在不改變控制器參數(shù)的情況下，改變系統(tǒng)的響應(yīng)延滯時間T的大小，通過仿真波形對比PID控制和模糊PID控制的優(yōu)劣。當(dāng)T=100s時，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖20所示。2121圖20T=100s時系統(tǒng)響應(yīng)曲線根據(jù)圖20的仿真波形可以看出，控制對象模型的響應(yīng)延滯時間調(diào)節(jié)到100s時，PID控制下系統(tǒng)的超調(diào)量增大，而模糊PID控制下的系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，系統(tǒng)能較快的達到穩(wěn)定。當(dāng)T=400s時，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖21所示。1212圖21T=400s時系統(tǒng)響應(yīng)曲線由控制對象模型的響應(yīng)延滯時間分別在100s和400s時的輸出波形可知，在地鐵車站系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型發(fā)生變化時，模糊PID控制相較于常規(guī)PID控制穩(wěn)定性更好。在仿真時間t=900s時，加入一個寬度為100s，幅值為0.1的方波干擾信號，比較在加擾動時常規(guī)PID控制和模糊控制對系統(tǒng)的影響。擾動情況下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖22所示，擾動下系統(tǒng)的放大圖如圖23所示。1212圖22擾動下系統(tǒng)響應(yīng)曲線2121圖23擾動下系統(tǒng)響應(yīng)放大圖由擾動下系統(tǒng)的輸出波形可知，在加入擾動下，模糊PID控制下在擾動消失后系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定，對系統(tǒng)影響較小，而PID控制下系統(tǒng)對于干擾信號波動較大，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的時間也稍長。由圖23可以清晰看出，在900s對系統(tǒng)加擾動時，模糊PID控制下的系統(tǒng)抗干擾性能較強，系統(tǒng)能較快的恢復(fù)穩(wěn)定。綜上所述，模糊PID控制相較于常規(guī)PID控制的系統(tǒng)輸出較為穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，魯棒性能好，同時也驗證了本次設(shè)計的正確性和可行性。第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)是地鐵環(huán)控系統(tǒng)中的重要組成部分，為保證地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)可靠的運行，保證乘客乘車的舒適性，本文對地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的組成、工作特性、控制策略進行了研究，通過仿真對比PID控制和模糊PID控制，選擇出各個性能更優(yōu)的模糊PID控制來控制地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)，從而達到系統(tǒng)的控制要求。（1）本文對地鐵車站溫控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和研究意義進行了闡述，對復(fù)雜的地鐵環(huán)控系統(tǒng)做了介紹和分析，主要介紹了地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的組成及特點，通過調(diào)節(jié)地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量來改變地鐵車站的溫度。（2）本文對系統(tǒng)的總體方案進行了研究，通過地鐵車站實例對系統(tǒng)進行建模，詳細(xì)介紹了PID控制原理和模糊控制原理，分析了模糊PID控制器的設(shè)計方法，以地鐵車站的溫度偏差與偏差變化率作為控制器的輸入量，以PID的三個參數(shù)、、作為模糊PID控制器的輸出量，對模糊PID控制器進行變量模糊化、建立模糊規(guī)則表、模糊量的清晰化進行了設(shè)計。（3）本文在MATLAB平臺中的仿真工具箱Simulink中對系統(tǒng)模型進行搭建，得到系統(tǒng)在PID控制下和在模糊PID控制下的仿真波形，比較階躍輸入信號下的響應(yīng)曲線，證明在模糊PID控制下的系統(tǒng)具有較好的輸出效果，系統(tǒng)在模糊PID控制下具有較小的調(diào)節(jié)時間和較小的超調(diào)量，系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性較好。在加入擾動信號下，對比兩種控制方式下的輸出波形，顯示出模糊PID控制下的系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，其有較好的魯棒性。6.2展望本文主要