基于模糊控制的隧道节能通风控制系统研究

【摘要】：为保证长隧道内空气质量和行车安全，需要设置机械通风加速隧道内空气的流动。常规的隧道通风控制虽能满足隧道内的环境要求，但是能耗巨大。所以需要找到合适的控制策略来控制射流风机的开启，使得在隧道内污染物浓度不超过规定值的前提下，风机开启数最少，进而达到节能的目的。本文对隧道通风系统的控制策略做了研究，主要内容包括： （1）首先对隧道通风系统进行了一维分析，建立了隧道空气动力学方程和污染物一维运移方程，并且介绍了污染物运移方程的具体解法。 （2）利用FLUENT对隧道通风系统进行了仿真，说明了射流区的速度分布不均对隧道污染物的运移影响很小，在设计控制器时，只需计算风机的开启数，而不需考虑风机的选择。 （3）为了保证设计的控制器的有效性，取不同的风速和源项，利用FLUENT计算隧道内的最大污染物浓度值，并利用这些结果对隧道污染物一维运移方程进行修正，使其更接近实际情况。 （4）建立了基于模糊推理的隧道通风控制系统。模糊控制器的输入为车流量和CO浓度偏离值（CO实际浓度与CO设计浓度之差），输出为射流风机应开启台数。通过对隧道空气动力学方程和污染物运移方程进行分析，设计出CO浓度偏离值、车流量和风机应开启台数的隶属度函数。模糊推理时选择马丹尼法和最大最小合成规则。仿真结果表明：这样建立的模糊控制器在能耗方面优于常用的分段控制，但风机开启的频率较高。 （5）提出了基于T-S模糊辨识的隧道通风控制方法。首先基于模糊C均值聚类和递推最小二乘法建立隧道通风系统T-S模糊模型；然后利用这个辨识模型预测下一时刻CO最大浓度值，根据CO最大浓度不得大于其规定浓度这个条件，计算需要开启的风机数；最后对T-S模糊模型进行在线修正，保证其适应性。仿真结果表明：这种控制方式不仅能达到节能的目的，风机开启的频率也大幅度减小。 【关键词】：隧道通风 模糊控制 T-S模糊辨识 节能
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U453.5;TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 概述10-11
• 1.2 隧道通风方式11-13
• 1.3 隧道纵向式通风控制13-16
• 1.3.1 隧道纵向式通风控制原则13-14
• 1.3.2 隧道纵向式通风控制方法14-15
• 1.3.3 国内外研究进展15-16
• 1.4 本文研究内容16-17
• 第2章 隧道纵向通风系统一维分析17-30
• 2.1 隧道通风系统组成17-19
• 2.2 隧道空气动力学分析19-23
• 2.2.1 连续性方程20
• 2.2.2 动量守恒方程20-23
• 2.3 隧道污染物运移分析23-29
• 2.3.1 分子扩散23-24
• 2.3.2 紊流传质24-27
• 2.3.3 纵向弥散27-28
• 2.3.4 污染物运移方程的解法28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 隧道纵向通风系统三维分析30-54
• 3.1 隧道通风系统三维数学模型30-36
• 3.1.1 隧道空气流动控制方程30-32
• 3.1.2 紊流模型32-36
• 3.2 隧道通风数值计算方法36-39
• 3.2.1 数值计算方法概述36-38
• 3.2.2 有限体积法的基本思想38-39
• 3.3 隧道通风 F lue nt 三维仿真39-53
• 3.3.1 隧道建模及网格划分40-41
• 3.3.2 隧道 Fluent 仿真过程41-45
• 3.3.3 隧道 Fluent 仿真结果分析45-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第4章 基于模糊推理的隧道纵向式通风控制54-66
• 4.1 模糊控制原理54-58
• 4.1.1 模糊控制概述54-55
• 4.1.2 模糊控制系统基本结构和功能55-58
• 4.2 隧道通风模糊控制器设计58-62
• 4.2.1 隶属度函数的确定59-61
• 4.2.2 模糊控制规则表61-62
• 4.3 基于模糊推理的控制系统仿真分析62-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第5章 T-S 模糊辨识在隧道纵向通风控制中的应用66-78
• 5.1 T- S 模糊辨识66-69
• 5.1.1 T-S 模糊模型概述66-67
• 5.1.2 T-S 模糊辨识原理67-69
• 5.2 隧道通风系统辨识69-72
• 5.2.1 基于 FCM 的模糊空间划分69-70
• 5.2.2 利用递推最小二乘法对结论参数进行辨识70-71
• 5.2.3 隧道通风系统 T- S 模糊辨识仿真71-72
• 5.3 基于 T- S 模糊辨识的隧道通风控制系统仿真72-77
• 5.3.1 基于 T- S 模糊辨识的隧道通风控制原理72-74
• 5.3.2 基于 T- S 模糊辨识的控制系统仿真结果分析74-77
• 5.4 本章小结77-78
• 结论与展望78-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-85
• 附录A 攻读学位期间发表和录用的论文目录85

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