專(zhuān)利名稱(chēng)：暖通空調(diào)系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)節(jié)能控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于暖通空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)控制領(lǐng)域，尤其涉及非線性自適應(yīng)控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
暖通空調(diào)系統(tǒng)(Heating，ventilating，andairconditioningsystem，簡(jiǎn)稱(chēng)HVAC系統(tǒng))作為現(xiàn)代建筑重要組成部分之一，是現(xiàn)代建筑中不可缺少的能耗運(yùn)行系統(tǒng)，無(wú)疑也是樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域中重要的研究方向，它能控制并保持空氣中合適的溫度、濕度壓力等舒適度水平，為人們提供一個(gè)舒適的生產(chǎn)、生活環(huán)境，但是暖通空調(diào)系統(tǒng)消耗掉的能源也是非常驚人的。在我國(guó)，建筑能耗在總能耗中所占的比例越來(lái)越大，目前已經(jīng)占據(jù)全國(guó)總能耗的30%，而在建筑能耗中，暖通空調(diào)系統(tǒng)所耗費(fèi)的能量占到大樓消耗總能量的30％-50％，而且呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，甚至達(dá)到建筑總能耗的50%以上，因此研究空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方案具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。而在影響空調(diào)系統(tǒng)能耗的諸多因素中，空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制是很重要的方面，據(jù)有關(guān)專(zhuān)家分析，如果大力開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用先進(jìn)的系統(tǒng)優(yōu)化控制節(jié)能技術(shù)，現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)完全可以節(jié)能20％-50％，從而使我國(guó)公共建筑和居住建筑節(jié)能50%以上，在目前全球能源緊張的大形式下，特別是國(guó)內(nèi)大力提倡全民節(jié)能的大環(huán)境下，這將對(duì)解決日益尖銳的能源和環(huán)境問(wèn)題有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。
隨著建筑業(yè)的迅速發(fā)展，建筑物的總能耗及按人口或面積的能耗也隨之逐年增長(zhǎng)，暖通空調(diào)系統(tǒng)作為室內(nèi)環(huán)境創(chuàng)造者和維護(hù)者受到格外的重視。如何因地制宜的合理選擇能源資源，如何充分有效的用能，如何提高建筑用能系統(tǒng)的效率是每一個(gè)暖通空調(diào)工程師的任務(wù)。目前國(guó)內(nèi)外的智能建筑節(jié)能研究主要包括原有傳統(tǒng)建筑節(jié)能方法和準(zhǔn)確的高科技調(diào)節(jié)和控制，而暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能措施主要從精心研究暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，積極改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能減少冷熱損失，加強(qiáng)對(duì)空調(diào)操作人員的培訓(xùn)和管理，選擇新型節(jié)能且舒適健康的空調(diào)系統(tǒng)，采用變頻技術(shù)，設(shè)置熱能回收裝置，推廣天然及可再生能源的使用等幾方面考慮。但是，以上的節(jié)能方式都是從智能建筑的全局來(lái)考慮問(wèn)題，忽略了暖通空調(diào)本身的設(shè)計(jì)問(wèn)題。特別需要重視的是，改善暖通空調(diào)內(nèi)部的節(jié)能與優(yōu)化控制策略，采用先進(jìn)的自動(dòng)控制算法提高系統(tǒng)的控制水平，才是實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的根本途徑之一。
目前隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提高，暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制技術(shù)在軟、硬件方面都有了迅猛發(fā)展，暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制內(nèi)容也發(fā)生了巨大變化，控制的目標(biāo)已從單一的溫度控制轉(zhuǎn)向舒適和節(jié)能兼?zhèn)涞目刂?，控制的?duì)象也從電源開(kāi)關(guān)、溫度設(shè)定器擴(kuò)展為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、膨脹閥開(kāi)度、室內(nèi)外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、室內(nèi)機(jī)風(fēng)柵方向等。隨著暖通空調(diào)系統(tǒng)控制研究的不斷深入發(fā)展，越來(lái)越多的控制策略已經(jīng)大量的應(yīng)用到暖通空調(diào)系統(tǒng)全局控制或者局部控制中來(lái)。但是在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制策略研究過(guò)程中，PID、DDC、切換控制等傳統(tǒng)的控制算法一直以來(lái)占據(jù)了統(tǒng)治地位，至今仍然被廣泛應(yīng)用。另外，為了改善系統(tǒng)的控制性能，最近一些先進(jìn)的控制策略也不斷應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制中。作為一種在實(shí)際工業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的控制技術(shù)，預(yù)測(cè)控制也已經(jīng)應(yīng)用到暖通空調(diào)系統(tǒng)的工業(yè)控制中。由MoreiraVD,AmaralWC和FerreiraPA在ProccedingsofIEEEinternationalconferenceoncontrolapplications，Taipei,2004:667-672上發(fā)表的題為《Anewapproachforrobustmodelpredictivecontrolwithanapplicationtoanair-conditioningsystem》文章，采用基于Hamilton-lagranger方法和預(yù)測(cè)滾動(dòng)優(yōu)化算法訓(xùn)練多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為優(yōu)化反饋控制器求解優(yōu)化反饋解，利用預(yù)測(cè)控制克服干擾和不確定性的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)對(duì)象特性的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，并且成功應(yīng)用到變風(fēng)量暖通空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)控制中。
人工智能的研究、發(fā)展和應(yīng)用是當(dāng)今科技發(fā)展的一個(gè)重要特征，在二十世紀(jì)九十年代末，人工智能開(kāi)始在制冷空調(diào)裝置系統(tǒng)仿真領(lǐng)域出現(xiàn)，制冷空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域的智能仿真開(kāi)始受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，他們將經(jīng)典的數(shù)學(xué)模型和現(xiàn)代人工智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在一定條件下充分發(fā)揮二者的長(zhǎng)處，彌補(bǔ)各自的不足。他們采用的人工智能算法主要是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由魏東,張明廉和支謹(jǐn)在系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005,17(3):697-701頁(yè)上發(fā)表的題為《神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性預(yù)測(cè)優(yōu)化控制及仿真研究》的文章，綜述了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的研究和開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，闡述了負(fù)荷預(yù)測(cè)、能量管理、故障診斷、系統(tǒng)辨識(shí)與控制等各個(gè)應(yīng)用方面，對(duì)進(jìn)一步的研究方向提出了展望。人工智能技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)控制的應(yīng)用中，模糊邏輯控制由于不需要建立系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型而得到了更加廣泛的應(yīng)用。采用模糊控制的變頻式空調(diào)器，可以充分利用操作者的經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家知識(shí)，克服系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而難以建模的問(wèn)題，而且可以自動(dòng)根據(jù)室內(nèi)的熱環(huán)境因素調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，為人們創(chuàng)造一個(gè)舒適環(huán)境，同時(shí)也有利于節(jié)約電能，延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命。由AlcalaR,CasillsJ和CordonO在EngineeringApplicationofArtificialIntelligence,2005,18:279-296頁(yè)上發(fā)表的題為《Ageneticruleweightingandselectionprocessforfuzzycontrolofheating,ventilatingandairconditioningsystems》的文章，針對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)難以控制的現(xiàn)狀提出一種帶有遺傳因子規(guī)則加權(quán)和選擇過(guò)程的模糊控制算法，大大改進(jìn)了系統(tǒng)的控制性能，提高了閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性。為了提高控制效果，適應(yīng)過(guò)程參數(shù)的變化對(duì)控制系統(tǒng)的要求，又出現(xiàn)了在線調(diào)節(jié)模糊控制參數(shù)的自適應(yīng)、自組織模糊控制器。
隨著被控系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，控制系統(tǒng)中經(jīng)常存在著不確定性、多干擾、非線性、滯后、非最小相位等，且多個(gè)變量之間相互關(guān)聯(lián)，即耦合，傳統(tǒng)的單變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法顯然無(wú)法滿足要求，工程中常常引入多變量非線性系統(tǒng)的控制方法。多變量系統(tǒng)指復(fù)雜的、相互緊密聯(lián)系的控制對(duì)象，簡(jiǎn)單采用各回路獨(dú)立控制的方法難以得到滿意的控制效果。非線性系統(tǒng)指系統(tǒng)中含有變量間的關(guān)系不僅僅是線性的，因此研究和應(yīng)用實(shí)用的多變量非線性系統(tǒng)控制理論和設(shè)計(jì)方法一直成為控制界的熱點(diǎn)。狀態(tài)空間理論的出現(xiàn)，為多變量系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具，產(chǎn)生了線性狀態(tài)反饋解耦、線性輸出反饋解耦等一系列研究成果，并且成功地解決了許多重要問(wèn)題。同時(shí)，經(jīng)典控制理論的一些方法也在向多變量系統(tǒng)擴(kuò)展，出現(xiàn)了逆奈魁斯特法、特征軌跡法、序列回差法等一批多變量頻域控制理論方面的研究成果。但是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是將非線性模型線性化，人為地消去耦合，忽略掉很多因素的影響，這種方法往往難以得到令人滿意的控制性能，因而目前對(duì)非線性控制系統(tǒng)的研究成為一個(gè)重要而又困難的挑戰(zhàn)性課題。
目前控制理論研究領(lǐng)域的多變量非線性系統(tǒng)控制算法的研究成果大多僅停留在理論研究階段，還沒(méi)有很好的應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)生活中去，也是十分值得關(guān)注的問(wèn)題?；诜蔷€性模型的控制規(guī)律設(shè)計(jì)首先遇到的問(wèn)題是如何建立一個(gè)準(zhǔn)確的并且適于控制規(guī)律設(shè)計(jì)的能夠較為準(zhǔn)確反映非線性動(dòng)態(tài)的模型，其次設(shè)計(jì)控制器的難點(diǎn)在于如何消除各自由度的耦合、擾動(dòng)、不確定等非線性因素。而非線性自適應(yīng)控制理論、特別是backstepping控制、魯棒控制等先進(jìn)控制算法的發(fā)展正在不斷解決這一難題。但是，這些方法目前應(yīng)用的領(lǐng)域大多只是和模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能方法結(jié)合，應(yīng)用到化工、電力等工業(yè)控制中，幾乎沒(méi)有考慮到人們?nèi)粘Ｉ钪械目照{(diào)系統(tǒng)也是一個(gè)復(fù)雜非線性多變量系統(tǒng)，因此這將是非線性自適應(yīng)控制理論應(yīng)用的全新領(lǐng)域，蘊(yùn)涵著巨大的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。
國(guó)內(nèi)暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制研究起步比較晚，特別是國(guó)內(nèi)暖通空調(diào)控制的發(fā)展至少要落后國(guó)外十余年的時(shí)間，國(guó)內(nèi)研究暖通空調(diào)系統(tǒng)和建筑智能化以及樓宇自動(dòng)化的課題，存在著廣泛的研究方向，建筑學(xué)上主要關(guān)注暖通空調(diào)設(shè)計(jì)方案的節(jié)能研究，即怎樣通過(guò)暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)、施工、審圖和方案評(píng)審等環(huán)節(jié)減少建筑中暖通空調(diào)的能耗，達(dá)到節(jié)能的目的，熱力學(xué)研究者的研究集中在制冷劑的選擇，熱量的轉(zhuǎn)換，能量的守恒等方面，而自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的研究目前的熱點(diǎn)是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)直接數(shù)字控制，大多數(shù)仍然集中于PID控制技術(shù)等傳統(tǒng)控制策略，現(xiàn)有的暖通空調(diào)系統(tǒng)控制理論研究特別是非線性自適應(yīng)控制策略的應(yīng)用比較匱乏。
工業(yè)自動(dòng)化儀表與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及高層智能建筑的興建，不斷推動(dòng)著暖通空調(diào)系統(tǒng)在各類(lèi)工業(yè)和民用建筑中的廣泛應(yīng)用。眾所周知，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能自動(dòng)化控制技術(shù)是使空調(diào)系統(tǒng)能夠高效節(jié)能運(yùn)行不可或缺的組成部分。一個(gè)可靠、精確、具有智能功能的計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)可以依據(jù)室外氣象條件與室內(nèi)熱濕負(fù)荷，在滿足使用要求的前提下，確定最佳節(jié)能溫、濕度控制方案和最節(jié)能的空氣處理過(guò)程，使空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行在最節(jié)能工況下。然而，由于暖通空調(diào)系統(tǒng)中存在溫度、濕度、壓力、流速、能耗等多個(gè)相互作用的變量，而且各個(gè)控制回路中還存在著高度的非線性、時(shí)變特征、耦合、時(shí)滯、擾動(dòng)以及不確定性等因素，整個(gè)系統(tǒng)形成了典型的復(fù)雜非線性多變量系統(tǒng)。如何更有效地將日益成熟和豐富的非線性多變量系統(tǒng)控制理論利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到暖通空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際控制中，在空調(diào)工程中充分發(fā)揮國(guó)內(nèi)外各種先進(jìn)的自動(dòng)化控制策略，真正實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能和優(yōu)化，設(shè)計(jì)出適合不同用戶要求、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)，成為空調(diào)領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。
暖通空調(diào)系統(tǒng)存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 1)目前暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制策略研究仍然大部分停留在PID、DDC、DLC、開(kāi)關(guān)控制等傳統(tǒng)策略上，或者將采用模糊，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法等調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)來(lái)提高PID控制性能，沒(méi)有從根本上實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)的非線性多變量控制； 2)目前存在暖通空調(diào)系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)控制算法主要包括模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制算法，沒(méi)有基于建立系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，因此存在著很大的不精確性，不能通過(guò)溫濕度的直接優(yōu)化控制提高能源利用效率，從而很難實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)在不同負(fù)荷下、不同工況條件下都能以最佳效率運(yùn)行，并且達(dá)到最好的控制效果； 3)隨著自動(dòng)控制理論的深入研究和發(fā)展，非線性多變量系統(tǒng)的自適應(yīng)控制策略的研究，包括自適應(yīng)解耦控制、backstepping控制、魯棒控制等已經(jīng)在理論上相當(dāng)成熟和完善，但是卻很少在現(xiàn)實(shí)工業(yè)和生產(chǎn)生活中得到很好的應(yīng)用和實(shí)踐，特別是在暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能與優(yōu)化控制研究中更是很少采用，而且基于多變量非線性暖通空調(diào)系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性等特性也沒(méi)有進(jìn)行理論上的分析和探討。


發(fā)明內(nèi)容
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案 一種暖通空調(diào)系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)節(jié)能控制方法，該非線性自適應(yīng)節(jié)能控制方法包括以下步驟 a. 利用傳感器檢測(cè)房間內(nèi)溫度和相對(duì)濕度的實(shí)際值； b. 分別求出溫度和相對(duì)濕度設(shè)定值與實(shí)際值的誤差，將其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后作為自適應(yīng)控制器的輸入信號(hào)； c. 自適應(yīng)控制器根據(jù)輸入信號(hào)對(duì)冷凍水的流速和進(jìn)入房間的風(fēng)流速同時(shí)調(diào)節(jié)，輸出新的冷凍水的流速和進(jìn)入房間的風(fēng)流速的信號(hào)； d. 對(duì)自適應(yīng)控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換后，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用于暖通空調(diào)系統(tǒng)； e. 暖通空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制模型調(diào)節(jié)房間內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度； f. 返回a步驟繼續(xù)執(zhí)行。
所述的暖通空調(diào)系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)節(jié)能控制方法，在所述e中，所述暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制模型為



，
其中，

是系統(tǒng)的狀態(tài)變量，

是系統(tǒng)輸入變量即空氣流速和冷凍水流速，

是系統(tǒng)輸出變量即房間內(nèi)溫度和相對(duì)濕度，

-

分別是由3個(gè)狀態(tài)變量和相關(guān)參數(shù)構(gòu)成的非線性系數(shù)，其中

，

，

，

，

，其中

分別為

，

，

，

；

-

，

表達(dá)式中各參數(shù)含義如下

是時(shí)間常數(shù)，

表示房間溫度，

表示空氣流速，

表示供熱空間的體積，

為供風(fēng)溫度，

為水蒸氣的焓，

為空氣的比熱值，

為供風(fēng)的濕度比率，

為房間內(nèi)空氣的濕度比率，

為系統(tǒng)空氣通風(fēng)比例，

為空氣質(zhì)量密度，

為濕度負(fù)載，

為換熱器的體積，

為溫度負(fù)載，

為液態(tài)水的焓，

為房間外空氣的濕度比率，

為冷凍水流速。



圖1暖通空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)回路原理圖； 圖2暖通空調(diào)系統(tǒng)自適應(yīng)控制框圖； 圖3HVAC控制系統(tǒng)原理圖； 圖4HVAC系統(tǒng)控制流程圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明 暖通空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜大系統(tǒng)，它的組成包括建筑物的所有房間，冷卻水循環(huán)，冷凍水循環(huán)，制冷劑循環(huán)等，主要的空調(diào)設(shè)備包括風(fēng)機(jī)盤(pán)管，蒸發(fā)器，冷凝器，冷卻塔，壓縮機(jī)，制冷機(jī)組等。一個(gè)基本的暖通空調(diào)系統(tǒng)由空氣處理機(jī)組以及避免因新風(fēng)太冷而產(chǎn)生凝結(jié)的預(yù)熱盤(pán)管，清除空氣中灰塵的過(guò)濾器，送風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)，冷卻盤(pán)管及加熱盤(pán)管和各種風(fēng)閥等組成，各個(gè)部分綜合組成暖通空調(diào)系統(tǒng)中的空氣處理和分配系統(tǒng)。以水冷系統(tǒng)為例基于暖通空調(diào)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)和主要功能，系統(tǒng)中的熱能傳遞從左到右依次經(jīng)過(guò)室內(nèi)空氣回路，冷凍水回路，制冷劑回路，冷卻水回路，冷卻塔回路五個(gè)回路，空調(diào)裝置吸取空間中的熱量并把它們排出室外，完成對(duì)房間內(nèi)空氣的調(diào)節(jié)和控制。經(jīng)過(guò)暖通空調(diào)系統(tǒng)中每一個(gè)回路的連續(xù)熱交換過(guò)程，建筑物內(nèi)房間的空氣溫度、濕度、壓力等得到了調(diào)節(jié)，在這個(gè)動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜過(guò)程中，冷凍水的溫度、冷卻水流速、冷卻塔以及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等都必須得到良好的控制，使其在最高效的狀態(tài)下進(jìn)行工作，因此必然通過(guò)設(shè)計(jì)高效節(jié)能的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且在建筑物中，對(duì)于任意給定的冷負(fù)荷，除了制冷機(jī)組的優(yōu)化組合以外，空氣、水分布以及冷卻塔系統(tǒng)的耗能也是非常重要的，因此優(yōu)化控制策略在每個(gè)環(huán)節(jié)都能夠產(chǎn)生節(jié)能效果。
由此可見(jiàn)，暖通空調(diào)系統(tǒng)是由多個(gè)相互作用變量構(gòu)成的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，為了提高能源的利用效率，更好的節(jié)約能源，同時(shí)讓暖通空調(diào)系統(tǒng)帶給人們?cè)絹?lái)越舒適的生活環(huán)境，針對(duì)目前暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制研究中存在的一些問(wèn)題，為了將多變量非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制策略應(yīng)用到暖通空調(diào)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能和優(yōu)化控制。空調(diào)系統(tǒng)中主要是對(duì)溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行控制，這兩個(gè)參數(shù)常常是在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象里同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)的兩個(gè)被調(diào)量，兩個(gè)參數(shù)在調(diào)節(jié)過(guò)程中相互影響，如房間溫度升高時(shí)，在含濕量不變的情況下，則相對(duì)濕度下降，因此在自動(dòng)控制中要充分考慮到溫濕度的相關(guān)性?？照{(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)是以空調(diào)房間的溫、濕度控制為中心，通過(guò)工況轉(zhuǎn)換與空氣處理過(guò)程，每個(gè)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系在一起的整體控制系統(tǒng)，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都將影響空調(diào)房間的溫濕度調(diào)節(jié)，甚至使整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。
1建立暖通空調(diào)系統(tǒng)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型 暖通空調(diào)系統(tǒng)是由多種設(shè)備、多個(gè)循環(huán)回路、眾多變量和參數(shù)構(gòu)成的復(fù)雜非線性多變量系統(tǒng)，如圖1所示。因此模型的建立是一個(gè)非常復(fù)雜困難的過(guò)程，為了將非線性多變量系統(tǒng)控制策略應(yīng)用其中，首先必須深刻認(rèn)識(shí)暖通空調(diào)系統(tǒng)的物理機(jī)理，從熱力學(xué)、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)等方面全面掌握空調(diào)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，為了達(dá)到系統(tǒng)節(jié)約能源的目的，從系統(tǒng)全局能量管理的角度，基于暖通空調(diào)系統(tǒng)的基本原理采用機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模相結(jié)合的方法，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
一個(gè)基本的暖通空調(diào)系統(tǒng)由空氣處理機(jī)組以及避免因新風(fēng)太冷而產(chǎn)生凝結(jié)的預(yù)熱盤(pán)管，清除空氣中灰塵的過(guò)濾器，送風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)，冷卻盤(pán)管及加熱盤(pán)管和各種風(fēng)閥等組成，各個(gè)部分綜合組成暖通空調(diào)系統(tǒng)中的空氣處理和分配系統(tǒng)。以水冷系統(tǒng)為例，基于暖通空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和主要設(shè)備，系統(tǒng)中的熱能傳遞從左到右最多經(jīng)過(guò)五個(gè)回路，裝置吸取空間中的熱量并把它們排出室外，完成對(duì)房間內(nèi)空氣的調(diào)節(jié)和控制，如圖1所示。
空調(diào)系統(tǒng)的能量消耗來(lái)自于組成系統(tǒng)的各個(gè)耗能設(shè)備，建模的目標(biāo)是使所有能耗設(shè)備所消耗的能量之和達(dá)到最小，才能最大程度的實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，即必須滿足

(1) 其中，

分別代表空調(diào)系統(tǒng)的總能耗，冷卻盤(pán)管風(fēng)扇，蒸發(fā)器的冷凍水泵，冷凝器，壓縮機(jī)水泵，冷卻塔風(fēng)扇的能耗。
每一個(gè)分量代表了一種設(shè)備的能耗，所以首先需要確定每一個(gè)分量的數(shù)學(xué)模型，這必須對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)控制回路的熱交換過(guò)程、每個(gè)設(shè)備的用能情況以及系統(tǒng)循環(huán)中的水、空氣和制冷劑等的能量一一進(jìn)行分析和求解，確定相應(yīng)的約束條件。以制冷設(shè)備為例，它的能耗可以描述為

(2)

(3)

(4) 其中，

第i個(gè)冷凝器的設(shè)計(jì)制冷容量，

第i個(gè)冷凝器的設(shè)計(jì)的性能系數(shù)，

第i個(gè)冷凝器的部分負(fù)載率的調(diào)節(jié)因子，

第i個(gè)冷凝器的溫度調(diào)節(jié)因子，

第i個(gè)冷凝器的真實(shí)制冷容量，

供應(yīng)的冷凍水的溫度，

供應(yīng)壓縮器的水溫度，

和

分別是由

和

確定的常系數(shù)，而制冷設(shè)備所消耗能量的總和來(lái)源于每個(gè)空調(diào)房間的冷負(fù)荷，而且這些負(fù)荷分布于每一個(gè)可操作的制冷設(shè)備中，隨著房間內(nèi)環(huán)境的不斷變化冷負(fù)荷也隨之發(fā)生變化，因此需要設(shè)計(jì)出切實(shí)可行的建模方法才能得到較為準(zhǔn)確的制冷能耗模型；對(duì)于風(fēng)扇、泵等耗能設(shè)備所消耗的能量，同樣會(huì)受到暖通空調(diào)系統(tǒng)的內(nèi)部和外部環(huán)境的影響而產(chǎn)生變化，因此建模的過(guò)程是通過(guò)機(jī)理和實(shí)驗(yàn)建模方法對(duì)方程(1)的各個(gè)部分建立能量模型的復(fù)雜過(guò)程。
最終我們的目標(biāo)是從能耗角度得到由冷凍水流速和溫度、冷卻水流速和溫度、進(jìn)出房間的空氣的流速和溫度等基本變量組成的暖通空調(diào)系統(tǒng)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型，為了更好的研究多變量非線性控制策略在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，不失一般性，我們通過(guò)一定的假設(shè)條件將模型簡(jiǎn)化為一個(gè)雙輸入雙輸出(TITO)非線性模型，其中初步選定房間內(nèi)的溫度和濕度作為系統(tǒng)輸出，而冷凍水的流速和進(jìn)入房間時(shí)的新風(fēng)流速作為控制律。
2從暖通空調(diào)系統(tǒng)的多變量非線性全局角度選擇控制策略 多變量系統(tǒng)的控制相對(duì)于單變量系統(tǒng)的控制而言非常復(fù)雜，而且在理論成果上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于SISO系統(tǒng)的控制，其根本原因在于多變量系統(tǒng)中存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的變量間相互作用，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的良好控制，基于目前暖通空調(diào)系統(tǒng)中存在的溫濕度負(fù)荷之間的動(dòng)態(tài)耦合與擾動(dòng)等非線性關(guān)系，如果從多變量系統(tǒng)整體角度來(lái)考慮非線性多變量系統(tǒng)的自適應(yīng)魯棒控制器設(shè)計(jì)，能夠動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)中溫度、濕度、壓力等變量之間的相互作用，將能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的控制性能。
2.1將溫濕度負(fù)荷看作未知參數(shù)，采用自適應(yīng)控制策略 首先在問(wèn)題1的基礎(chǔ)上建立暖通空調(diào)系統(tǒng)的非線性多變量狀態(tài)空間表達(dá)式，其中具有慢時(shí)變性的熱能負(fù)荷和濕度負(fù)荷不再看作常數(shù)而是均作為未知參數(shù)處理，然后基于這一模型設(shè)計(jì)觀測(cè)器，進(jìn)行反饋線性化，根據(jù)傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制算法設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器(如圖2所示)，從而使暖通空調(diào)系統(tǒng)具有更好的魯棒性、實(shí)用性等優(yōu)良的控制性能。如果假設(shè)房間內(nèi)溫度是均勻分布的，假設(shè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型已經(jīng)獲得了，用來(lái)作為初始模型，其中包括了溫濕度比，如下


(5)
其中，

表示房間溫度，

表示空氣流速，

表示供熱空間的體積58464，

供風(fēng)溫度，

水蒸氣的焓，

空氣的比熱值0.24，

供風(fēng)的濕度比率，

房間內(nèi)空氣的濕度比率，

系統(tǒng)空氣通風(fēng)比例，

空氣質(zhì)量密度0.074，

濕度負(fù)載，

換熱器的體積，

溫度負(fù)載，

液態(tài)水的焓，

房間外空氣的濕度比率，

冷凍水流速。
這是制冷過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于制熱過(guò)程的模型除了一些符號(hào)的區(qū)別之外是類(lèi)似的，我們的控制目標(biāo)是使溫度

和濕度

均達(dá)到設(shè)定值，控制律是從制冷裝置流入熱交換器的冷凍水流速

和風(fēng)扇導(dǎo)致的空氣流速

，并且定義

為通風(fēng)率，即房間空氣交換的比率。為了便于利用自適應(yīng)控制算法實(shí)現(xiàn)更好的控制，首先定義變量和參數(shù)如下

，

，

，

，

，

，

，

，

，

，

，
令

，

，

，

(s是微分變量，

是比例系數(shù)，

是時(shí)間常數(shù)),


，

，






，

， 然后通過(guò)變量轉(zhuǎn)換建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程，如下



，

(6)

是系統(tǒng)的狀態(tài)變量，

分別是系統(tǒng)輸入和輸出變量，而

-

分別是由3個(gè)狀態(tài)變量和相關(guān)參數(shù)構(gòu)成的非線性系數(shù)，首先需要基于暖通空調(diào)系統(tǒng)的多變量非線性模型(5)確定它們的值，然后就是基于方程(6)這一模型引入切實(shí)可行的傳統(tǒng)自適應(yīng)控制算法的設(shè)計(jì)和分析實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能和優(yōu)化控制，這里的傳統(tǒng)自適應(yīng)控制算法指固定增益的自適應(yīng)控制算法。
3將以上非線性自適應(yīng)控制理論成功的應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之后，進(jìn)行智能建筑實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)的試驗(yàn)驗(yàn)證和分析 為了驗(yàn)證理論研究的正確性，檢驗(yàn)基于暖通空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行的多變量非線性控制算法的有效性，需要將這些算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在仿真驗(yàn)證正確的基礎(chǔ)上在實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到系統(tǒng)良好的性能指標(biāo)才能保證理論算法的有效性。主要分以下三個(gè)階段進(jìn)行 (1)首先將理論上建立起來(lái)的控制策略在計(jì)算機(jī)上的MATLAB，C++等軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，針對(duì)建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證控制效果，進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的先進(jìn)控制策略的動(dòng)態(tài)控制性能； (2)然后在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上搭建軟件平臺(tái)，將這些有效的控制算法利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證，檢驗(yàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)模型的可靠性，同時(shí)驗(yàn)證控制算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，保證系統(tǒng)的良好控制性能； (3)理論算法分析和仿真實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的驗(yàn)證都獲得良好的控制效果之后，嘗試將建立的暖通空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型利用虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)的軟件建立暖通空調(diào)系統(tǒng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，服務(wù)于進(jìn)一步更多的試驗(yàn)研究；而且可以進(jìn)行暖通空調(diào)系統(tǒng)控制的軟硬件開(kāi)發(fā)，申請(qǐng)專(zhuān)利，實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化等實(shí)際應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種暖通空調(diào)系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)節(jié)能控制方法，其特征在于該非線性自適應(yīng)節(jié)能控制方法包括以下步驟
利用傳感器檢測(cè)房間內(nèi)溫度和相對(duì)濕度的實(shí)際值；
分別求出溫度和相對(duì)濕度設(shè)定值與實(shí)際值的誤差，將其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后作為自適應(yīng)控制器的輸入信號(hào)；
自適應(yīng)控制器根據(jù)輸入信號(hào)對(duì)冷凍水的流速和進(jìn)入房間的風(fēng)流速同時(shí)調(diào)節(jié)，輸出新的冷凍水的流速和進(jìn)入房間的風(fēng)流速的信號(hào)；
對(duì)自適應(yīng)控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換后，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用于暖通空調(diào)系統(tǒng)；
暖通空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制模型調(diào)節(jié)房間內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度；
返回a步驟繼續(xù)執(zhí)行。
2.如權(quán)利要求1所述的暖通空調(diào)系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)節(jié)能控制方法，其特征在于在所述e中，所述暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制模型為
，
其中，
是系統(tǒng)的狀態(tài)變量，
是系統(tǒng)輸入變量即空氣流速和冷凍水流速，
是系統(tǒng)輸出變量即房間內(nèi)溫度和相對(duì)濕度，
-
分別是由3個(gè)狀態(tài)變量和相關(guān)參數(shù)構(gòu)成的非線性系數(shù)，其中
，
，
，
，
，其中
分別為
，
，
，
；
-
，
表達(dá)式中各參數(shù)含義如下
是時(shí)間常數(shù)，
表示房間溫度，
表示空氣流速，
表示供熱空間的體積，
為供風(fēng)溫度，
為水蒸氣的焓，
為空氣的比熱值，
為供風(fēng)的濕度比率，
為房間內(nèi)空氣的濕度比率，
為系統(tǒng)空氣通風(fēng)比例，
為空氣質(zhì)量密度，
為濕度負(fù)載，
為換熱器的體積，
為溫度負(fù)載，
為液態(tài)水的焓，
為房間外空氣的濕度比率，
為冷凍水流速。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種暖通空調(diào)系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)節(jié)能控制方法，該方法針對(duì)目前暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制研究中存在的一些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能和優(yōu)化控制，從系統(tǒng)全局能量管理的角度，主要對(duì)溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行控制，這兩個(gè)參數(shù)常常是在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象里同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)的兩個(gè)被調(diào)量，兩個(gè)參數(shù)在調(diào)節(jié)過(guò)程中相互影響，因此在自動(dòng)控制中要充分考慮到溫濕度的相關(guān)性?？照{(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)是以空調(diào)房間的溫、濕度控制為中心，通過(guò)工況轉(zhuǎn)換與空氣處理過(guò)程，每個(gè)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系在一起的整體控制系統(tǒng)，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都將影響空調(diào)房間的溫濕度調(diào)節(jié)，甚至使整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。
文檔編號(hào)F24F11/00GK101782261SQ20101015367
公開(kāi)日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者呂紅麗, 姚慶梅, 王桂娟, 徐紅東, 邵蘭云, 趙秀珍, 王秋霞 申請(qǐng)人:呂紅麗