冰雪道路流体热融系统模型分析与控制机理研究

The background of the paper is to remove ice and snow on road, security traffic safety and improve the capacity of traffic. In practice, snow-melting transferring in road structure makes low prediction precision of snowmelt model. Meanwhile, there are many problems during the control process of the fluid hydronic snow melting system, such as large time delay, pure time delay, large thermal inertia, strong nonlinear, and poor anti-interference. This paper utilizes many methods of theory analysis, model building, algorithm design, simulation and experiment to solve a few key scientific problems of the fluid hydronic snow melting system based on related research, including analyzing the road structure and internal stress of buried pipe in the fluid hydronic snow melting system based on the theory of mechanics; building up the composite snowmelt model of the fluid hydronic snow melting system based on the temperature and humidity change rule on the base of heat transfer, mass transfer and phase change theory; building up the snowmelt process control model in the fluid hydronic snow melting system according to melting characteristics; building up the snowmelt process control system in the fluid hydronic snow melting system based on the prediction control theory combined with the thought of the intelligence control. This project provides necessary theory basis and technological support for the application of the renewable thermal fluid hydronic snow melting technology in our country.

本项目的研究以及时有效地清除路面冰雪，保障交通安全和提高道路通行能力为背景，针对由于融化雪水在道路结构中传递致使融雪模型预测精度低和循环流体加热道路融雪系统运行过程控制中存在的大滞后、纯时间延迟、大热惯性、强非线性、抗干扰性差等诸多实际问题，采用理论分析、模型建立、算法设计、仿真和实验相结合的方法，在已有相关研究基础上，解决了循环流体加热道路融雪系统的几个关键性科学问题，包括基于力学理论，开展对循环流体加热道路融雪系统道路结构及内部埋管受力分析研究；以传热学、传质学和相变学的理论为基础，建立基于温湿度变化规律的循环流体加热道路融雪系统复合融雪模型；基于融雪特性，建立循环流体加热道路融雪系统融雪过程控制模型；以预测控制为基础理论，并结合智能控制思想，建立循环流体加热道路融雪系统融雪运行过程控制体系。本项目的研究为基于可再生热源流体加热道路融雪技术在我国推广应用提供必要的理论基础与技术支撑。

在我国北方冬季，路面积雪结冰是阻碍道路交通、引起交通事故的关键性因素；另外，冰雪路面还严重制约了道路通行能力及交通运输效率，从而对经济造成重大损失。因此，科学合理的清除路面冰雪技术的研究是十分必要和急迫的。目前，在国内外众多清除路面冰雪的方式中，流体热融化法是一种比较先进的除雪方法。但是，国内外对于流体热融化技术的研究还处于起步阶段，缺乏理论基础。针对这种情况，本项目主要研究了以下内容，取得了一些重要结果，现简单概述如下：.根据循环流体热融系统对降雪情况测量的实际需求，设计开发了基于物联网的雪情实时监测系统，制作出了公路雪情监测系统的样机，并进行了系统应用性测试，实现了对降雪厚度、降雪速率、环境温度、空气相对湿度等影响融雪特性的各要素数据的动态采集；对以单片机为控制核心的流体热融控制系统的软件与硬件进行了设计，在此基础上，开展了循环流体热融系统融雪性能的试验研究，分析了融雪过程控制系统的工作特性及路面温变特性，验证了试验系统的合理性与可靠性。.依据热融管温度达到给定温度的温度升高曲线的阶跃响应特点，基于时域方向研究了二阶环节阶跃响应曲线，通过模拟纯滞后，进而求得二阶纯滞后串联的阶跃响应图形，并确定相关的参数。在实验的基础上，运用阶跃响应分析法相关理论得到流体热融系统热能对象的数学模型，并验证了过程控制模型的合理性与准确性。.进行了循环流体热融系统融雪过程控制机理的研究。研究采用CMAC-PID复合控制设计了循环流体热融系统控制器，改进Smith预估为循环流体热融控制系统提供时滞补偿。设计了控制器的结构、CMAC的量化算法和映射算法，以梯度下降法和系统误差的最小方差法分析了小脑模型神经网络的学习、输出算法，分析了改进Smith预估器的滤波参数和循环流体热融控制系统稳定性、误差的关系，得出滤波参数与系统稳定性、稳态误差呈正相关，与系统响应速度呈负相关的结论。

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