智能控制课程研究报告

学习智能控制课程研究报告标题：高速公路隧道节能智能模糊控制系统研究姓名：学号：专业：测试计量技术及仪器高速公路隧道通风照明节能智能模糊控制系统研究1.国内外公路隧道节能研究现状1.1国内高速公路隧道通风照明节能的研究现状据统计，2002年我国公路隧道通车里程已达704km/1782座。公路隧道通车里程比1979年增长了13倍。同时隧道建设技术不断的提高，1995年建成的成渝高速公路上的中梁山隧道长3.165km，缙云山隧道长2.529km，解决了我国长大公路隧道的通风问题，1999年通车的四川省川藏公路上的二郎山隧道长4.176km，同年通车的四川广安地区公路隧道长4.534km，1999年底实现双洞通车的全长2×4.116km的浙江省甬台高速公路大西邻至糊雾岭隧道，设置了照明、通风、防火监控等完善的运营机电设施。截至2009年底，我国已经建成公路隧道6139座，总长394.20万米。如此大规模的隧道建设，不但运营管理的任务十分艰巨，其安全与节能问题也日益突出。其中隧道耗电占高速公路运营中的很大一部分，以3公里长隧道为例，年电费约为400万元。如福建高速公路监控厦门分中心在对高速公路厦门大帽山隧道供配电系统、照明系统和通风系统进行了节能技术改造，通过适当提高线路电压、提高功率因素来改造供配电系统，经过一年的试运行，2009年5月底同比无功电量下降了85.48％，为福建高速公路减少电费支出87492.8元，取得了可喜的经济效益；对照明技术进行改造，将射流风机出风口处的风导向下方后，以此损坏率计算，一年可减少高压钠灯损坏38盏、镇流器损坏l8只、触发器损坏2只、灯具损坏l1套，合计节省购买灯具费用约2万多元。如全国高速公路隧道风机都采用“两台风机共用一套自耦降压起动装置”可节省50％的起动装置。1.2国外高速公路隧道通风照明节能研究现状在公路隧道照明技术方面国外研究较早，通过长期的研究和实践，技术成熟。早在20世纪60年代，依据交通量、速度和洞外亮度进行自动调光技术就已经应用于意、法两国之间的MontBlanc隧道照明。80年代后期，为了规范隧道照明设计和施工，减少交通事故，世界各国相继颁布了公路隧道照明设计规范。随后各国制定了适合本国国情的标准，如欧洲指定的《欧洲隧道照明标准》、日本的《隧道照明指南》等。为了节约电能，提高隧道照明效果和行车舒适性，保证公路隧道安全运行，针对隧道灯具国外进行了大量的研究。依据驾驶员视觉特性和隧道内的视觉环境制定了一系列数值计算准则。如德国的侧壁面计算方法和日本的灯具维护系数等。欧美发达国家从灯具材料、光学特性、外观质量、功能结构等做了深入研究，并取得了一定的成果。公路隧道通风方面的研究由来已久，欧洲和日本在这方面的研究都做了许多的工作，处于世界先进水平。1919年美国修建的穿越纽约哈德逊的Holland隧道，形成了世界上最早的人工全横向通风方式，2000年底通车的挪威莱尔多隧道，该隧道通风分段的单段长度最大为9.5km。日本对关越隧道一线采用了两座竖井加多台静电除尘器的纵向组合通风方案，该方案能适用于任何交通方式，任何长度的特长公路隧道的通风，同时带来了巨大的经济效益。2．研究的技术原理2.1公路隧道节能研究的技术原理隧道通风控制节能采用的是智能控制模型和智能控制的方法。它是通过对通风系统的模糊控制模型、神经网络控制模型和专家系统控制模型等进行研究，建立的智能控制模型；模糊逻辑控制方法是把人的经验形式化并引入控制过程，再运用模糊集合论进行数学处理，实现糊推理，进行判断决策，以达到令人满意的结果。控制模块：根据专家经验或过程控制的知识生成控制规则；根据过程的模糊模型生成控制规则；根据对手工控制操作的系统观察和测量生成控制规则；安全保护模块：加密CO\VI检测元件数量；采用平面、二次曲面拟合方法，计算隧道内CO\VI分布情况。隧道照明节能的智能控制方式是在自动控制方式的基础上，应用人工智能、专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制技术，并采用模糊控制等智能控制算法来实现隧道无级调光和照明节能的目的。入口段、过渡段加强照明,包括开启LED灯，测试LED灯照度值，测试关键断面照度值，以及关闭LED灯，开启高压钠灯，在相同断面测试该点的照度值。2.2模糊控制技术模糊控制本质上是一种基于语言规则的仿人智能控制。由于控制对象仅能提供一些模糊信息，计算机参与这类控制时必须模仿人类能够接受和处理模糊信息、进行模糊控制的本领。模糊控制器主要由模糊量化接口、模糊知识库、模糊推理机、解模糊接口四部分组成，如下图所示：模糊控制基本原理图2.2.1模糊化在模糊控制系统运行中，控制器的输入值、输出值是有确定数值的清晰量，而在进行模糊控制时，模糊推理过程是通过模糊语言变量进行的，因而必须先进行模糊化操作。所谓模糊化，就是把输入值匹配成相应语言变量语言值的隶属度过程。设一个模糊控制器输入的物理量为温度(以X表示)和压力(以XZ表示)，输出为阀门流量的校正量(以Y表示)，这是一个典型的二输入、一输出控制问题。我们可以将温度划分成“低”、“中”、“高”、“很高”四个部分(或称四档)，而将压力划分成“低于正常”，“正常”，“高于正常”三档，将阀门的开关状态划分为“关”、“半开”、“中等”、“开”四级，分别定义它们的隶属函数。人们将“温度”称为语言变量，温度的“低”、“中”、“高”、“较高”称为这个语言变量的语言值。在实际控制过程中，经常把一个物理量划分成“正大”、“正中”、“零”、“负大”、“负中”五级，分别以英文字母PB、PM、Z、NB、NM表示。模糊数的隶属函数可取不同的形状，如三角形、梯形、高斯型、钟形、Z形、S形等，针对工程问题，隶属函数的形状对控制效果的影响不大，因此，一般取形状简单，容易计算，并且和其它较为复杂的隶属函数得出得控制结果差别很小的三角形隶属函数即可。2.2.2模糊规则库模糊控制规则库是由一系列“IF-THEN”型的模糊条件语句所构成，它是模糊控制器的核心，规则是否正确地反映操作人员和有关专家的经验和知识，是否能适应被控对象的特性，直接关系到整个控制器的性能和控制效果。控制规则的生成方法：A.根据专家经验或过程知识生成控制规则模糊化模糊推理逆模糊化控制对象知识库模糊量模糊量模糊控制器精确量参考量r精确量输出y模糊控制规则是基于手动控制策略而建立的，而手动控制策略又是人们通过学习、实验以及长期经验积累而逐渐形成的，存储在操作者或专家中的一种技术知识集合，因而把蕴涵于知识集合中的知识经过理解、选择、归纳等过程抽取出来，即可形成经验型的知识模型。在此基础上，再经过一定的试凑、调整，可获得具有更好性能的控制规则。B.根据过程的模糊模型生成控制规则被控过程的动态特性可以用模糊语言来描述，这样的模型称为过程的模糊模型。基于过程的模糊模型能建立一组相应的模糊控制规则来达到系统希望的动态特性，这一组控制规则就形成模糊控制规则库。C.根据操作人员的实际控制过程生成控制规则在许多人工控制的工业系统中，熟练的操作人员可以成功地控制系统，但有时却难以给出用于模糊控制所用的控制语言。因此可以通过记录操作人员实际控制过程时的输入输出数据，并从中总结出模糊控制规则。根据以上原则建立的初步控制规则不一定是完美无缺的，往往还要通过试凑法或程序法等作进一步调整。控制规则的静态特性：A.完备性：是指对于任意的输入应确保它至少有一个可适用的规则，而且规则的适用度应大于一定的数，譬如0.5。B.干涉性：是指任意两条控制规则，如果前件部对应语言变量的隶属函数之间的重叠率不为零，那么两条规则就会产生相互作用。C.一致性：控制规则主要基于操作人员的经验，它取决于对多种性能的要求，而不同的性能指标要求往往互相制约，甚至是矛盾的。这就要求按这些指标确定的模糊控制不能出现互相矛盾的情况。即任意两条控制规则，如果前件部相同或相似，则后件部也应相同或相似。2.2.3模糊逻辑推理模糊推理是指由给定的输入到输出的映射过程。包括三个方面内容：(1)推理条件前提隶属度的聚集，也即在模糊规则的前件中应用模糊算子(与、或)。常用的与算子有:min(模糊交)和prod(代数积)常用的或算子有:max(模糊并)和probor(概率或)(2)规则激活:根据模糊蕴涵运算由前提推断结论。常用的模糊蕴涵算子有:最小运算min(Mamdani)、代数积prod(Larsen)、算术运算(Zadeh)(3)输出总合:合成每一条规则的结论，得出总的结论。常用的模糊合成算子有:max(模糊并)、probor(概率或)、sum(代数积)。各种模糊算子的不同组合和应用，就有不同的推理方法，常见的有:Mamdani推理、Larsen推理等等，这两种推理方法的模糊合成算子都是取max(模糊并)，只是模糊蕴涵算子不同，Mamdani推理取的是min(模糊交)，是将规则结论部分的模糊子集被规则前提条件的满足程度，即规则的力度相截(min)，而Larsen推理取的是Prod(代数积)，是将规则结论部分的模糊子集与规则前提条件的满足程度，即规则的力度相乘(prod)，两种推理方法差别不大。2.2.4反模糊化所谓反模糊化，是指将模糊推理得到的控制量(模糊量)变换为实际用于控制的清晰量，也就是根据输出模糊子集的隶属函数计算出确定的输出的数值。常用的反模糊化方法有:(1)重心法:重心法是取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心围模糊推理的输出值。(2)最大隶属度平均法(3)面积等分法(4)最大中点法2.3隧道照明节能智能控制隧道照明不同于一般道路照明，有其明显的特殊性，在隧道建设及其监控系统中占有重要地位，是隧道营运安全的基本保障。随着我国交通水平的提高和发展，隧道建设与日俱增，隧道照明设施的规模和数量也越来越大，隧道的营运电费和维护成本也越来越高，因此，既安全又经济节能的隧道照明技术和节能方案是隧道照明技术的重点发展方向。国内隧道灯具多采用白炽灯、紧凑型荧光灯、高压钠灯、低压钠灯等，可安装在拱顶、墙壁或吊装顶棚上，沿隧道纵向可单排布置，也可双排布置。在双排布置的情况下，可成对布置，也可交错布置。为了避免灯具不连续直射光由侧面进入驾驶室造成“闪光”的不快感觉，应尽量不将灯具装在侧面，而装在隧道顶部两侧或中央，且安装高度应在路面以上4m为宜。照明灯具呈线性分布。2.3.1隧道照明控制方式（1）人工控制。人工控制是指根据洞外亮度、交通量、平均车速及天气条件等因素的变化，由隧道管理人员手动控制照明回路的开/关或无级调控照明亮度，又可细分为远程人工控制方式和本地人工控制方式。（2）自动控制。自动控制方式是指利用光亮度检测仪、车辆检测器等设备采集的相关照明控制参数，由电子设备直接控制照明回路的开/关或无级调控照明亮度，无需人工参与控制过程，可细分为远程自动控制方式和本地自动控制方式。目前国内多数隧道采用的是自动控制为主、人工控制为辅的照明控制方式。（3）智能控制。智能控制方式是指在自动控制方式的基础上，应用人工智能、专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制技术，按隧道照明亮度递减适应曲线进行动态调光，以达到安全、舒适、高效、经济的照明效果，实现“按需照明”。2.3.2隧道照明控制模型（1）天气分级控制模型是当前普遍采用的一种控制方式，它将全天分为晴天、云天、阴天和重阴四个等级。这种控制模式将交通量和车速视为设计交通量和设计车速而忽略两者的变化，仅考虑洞外亮度的变化情况，照明控制中根据各时间段内选择天气分级即可。（2）一元参数控制模型是以单一洞外亮度为控制参数的，不考虑交通量和车速变化，仅考虑洞外亮度变化情况。一元参数控制模型的洞外亮度取值是洞外亮度检测器的实时检测值。它通过洞外亮度值的变化，来对照明进行控制，以使隧道洞内外亮度差在一个合适的范围内。（3）二元参数控制模型需要同时考虑洞外亮度和交通量的变化。二元参数控制模型同时以洞外亮度和交通量为控制参数，根据不同的值，对照明进行控制，使得隧道洞内外亮度差在一个合适的范围内。（4）三元参数控制模型需要综合考虑洞外亮度、交通量和车速变化。三元参数控制模