基于模糊理论的地铁通风空调控制系统应用研究

石继阳

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

1 概述

城市轨道交通具有环境污染小、通行效率高的特点，已经成为国内各大中城市的重要交通方式。随着各地轨道交通网络的不断扩大，投入运营里程的加长，电能消耗问题也日益突出。在轨道交通总用电量中，通风空调系统占总用电量的50%左右，因此如何降低通风空调节能系统的能耗成为轨道交通建设的节能重点。轨道交通工程是人流聚汇聚的地下公共场合，正常工况下建立舒适的旅客乘车环境是控制空调系统的基础目标。

目前，综合了计算机通信技术、自动控制技术的已在地铁通风空调控制中广泛应用，实现了高度自动化控制，节约了运营人力物力成本。但由于地铁空调系统设计时，按运营初期所遇到的最大负荷考虑，并为远期客流考虑预留约10%的设计余量，故运营初期大部分时间通风空调系统各设备不会在满载状态下运行，造成大量能源浪费。因此将变量技术引入通风空调控制中，可以做到实时负荷变化控制系统运行转台，实现预测负荷变化提前实现系统优化运行。

2 传统通风空调控制模式

通常情况下，通风空调最高转换效率COP与负荷Ts的关系为：

式中：TD——冷水机组蒸发器平均温度（℃）；TS——空调主机冷凝器平均温度（℃）。

根据上述公式，可以计算得出地铁通风空调系统在一定的负荷工况下，系统转换效率COP保持最高值所对应的冷凝器温度TS，并根据此温度调节冷却塔散热风量和冷却水供水流量。

但由于环境湿度、环境温度湿度、末端负荷、冷却塔散热效果的时变性以及冷却水泵和冷水机组主机特性的变化，导致通风空调系统具有多变量、复杂、时变等特性，各过程参数之间存在较为严重的相互耦合关系，且各参数多为非线性特性，传统的数学模型难以达到系统最高运行效率的节能控制目标。

3 智能模糊控制方式

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制方法，非常适合于具有上述特性的地铁通风空调系统的节能控制。

3.1 模糊控制原理

模糊控制实际是一种对人脑模拟的智能控制，在难以使用精确数学模型的工业控制领域具有优越的控制性能。

模糊化的功能是将控制器的输入设定量Ur这个精确值转换为模糊语言，将输入值以适当的比例转换到一个阈值，即一定范围的模糊子集。

模糊推理环节，模仿人类大脑的模糊判断逻辑，利用数据库中的相关定义、函数描述及控制目标策略，进行模糊推论，得到模糊控制信号。

清晰化环节将上一环节的模糊信号转化为精确量值，反馈到被控对象。

模糊控制系统的核心组成部分，包括模糊化设定变量、数据库、逻辑判断和清晰化（去模糊）四个部分。

模糊控制系统如图1所示。

图1 模糊控制系统

3.2 冷冻水系统模糊控制模型

根据模糊控制理论建立地铁冷水系统控制模型，系统各节点设置水流量计、温度传感器、压差传感器和水位报警器等，对环境温度、系统末端负荷（供回水温度、压差、温差等参数）进行实时监测，并将测量的参数数据通过通信网络传送至模糊控制器主机，即输入数据的模糊化过程。

模糊控制器在收到实时数据的前提下，参照数据库中的系统历史数据或其他地铁工程既有的运行统计数据，通过系统设定的模糊推理环节，推算得出空调系统需要此事提供的制冷量，相应得出系统中冷冻水供回水温度、温差和流量的实时最佳值，达到去模糊过程，得出系统设备输出频率或水泵转速值。

调节各水泵变频控制器输出频率，调解水泵的转速，达到系统运行输出与环境或末端负荷的需求相适应的最优运行工况[1]。

4 系统实现及系统控制逻辑

通风空调水系统的所有设备及传感器都由节能控制系统控制。控制设备包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、水处理器、电动蝶阀及电动二通阀等。大系统设备包括组合式空调、回排风机、各类调节风阀，传感器除各类温湿度传感器外，还包括二氧化碳浓度传感器。各设备配置独立的变频控制柜，通过总线协议与节能控制柜通讯连接。

水泵控制柜及就地手操箱设置远程/就地转换开关，转换开关设置为“就地”位时，可在就地箱上进行水泵起、停控制，当开关设置为“远程”位时，由集控柜或BAS控制空调主机及冷冻水泵起、停，并对冷冻水泵变频器的速度进行调节。

正常工况时，节能控制系统作为BAS子系统，可由BAS实现单点控制、模式控制及时间表控制。BAS发出节能模式指令时，节能控制系统根据自身的传感器采集的参数，调解风阀、水阀的开度和变频设备的运行频率，并上传阀门的开关状态、设备的运行状态及传感器采集的信息。BAS系统发出单点控制指令时，BAS系统直接控制系统范围内的阀门或设备。

根据对空调系统负荷变化的跟踪情况，在不影响通风空调末端服务质量和系统设备安全运行的前提下，对空调水系统进行修正，达到制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、回排风机等设备节约电能（与工频运行状态进行比较）的效果，实现系统综合节能20%～40%。

系统优化前后COP值对比如图2所示。

图2 系统优化前后COP值对比

5 模糊控制系统的特点

5.1 具有安全保护功能

系统可设置冷冻水低流量保护、低温保护、低压差保护、高压差保护等保护措施，冷冻水系统实际流量低于设定的下限保护值时，控制柜自动采取适当措施，以保护冷水机组蒸发器安全运行，保证在变流量工况下整套系统的安全稳定运行[2]。

5.2 负荷动态调整，提升服务质量

与传统轨道交通空调系统定流量运行方式不同，模糊控制系统能够做到最优能力输出控制模式，即空调主机对应流量可随着地铁车站末端负荷需求情况全自动、实时调整，达到真正的变流量控制模式。因此，空调系统在满负荷或部分负荷各类运行工况下，都能在保障地铁通风空调系统舒适性的前提下，实现最大限度的节能效果[3]。

5.3 自适应优化控制

针对地铁通风空调多变量、相互耦合的复杂系统，只有充分利用现代最新计算机智能控制技术，才能实现冷冻水和冷却水系统的变流量运行，且系统能够进行类似人脑的知识处理和模糊推理功能，并利用自身数据库实现自学习、自寻优和自适应的智能控制功能。

5.4 实现最高热转换效率

依据系统设置的各种流量计、传感器，可对空调系统各设备的运行参数进行全面采集，各类风-水数据相互耦合、互相关联影响，智能模糊控制技术能够对采集的参数进行动态优化控制，最终适应通风空调系统时变性及非线性的要求，使空调系统始终保持在最佳工况状态运行，达到最高的热转换效率，减少主机约20%的能耗。

6 结语

综上所述，地铁站通风空调系统为多变量，时变性且非线性变化系统，传统控制方式存在较为严重的滞后和能源浪费问题。引入模糊控制理论及控制应用技术，以模糊控制理论为指导建立风水系统自适应模糊优化算法模型，以计算机技术、系统集成技术、变频调速技术为控制手段，以搜集的各项目经验数据为参照，实现了城市轨道交通通风空调系统随时处于高能源效率状态运行，取代传统的控制模式和原有的环控柜控制柜，在保障地铁车站站厅站台整体环境舒适性的前提下，最大限度地降低空调系统能源消耗，最终达到降低能耗的目的。