CN108332362B - 基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统及方法，该系统包括水温变送器、工况参数采样单元、参数监视单元、变频控制计算单元、输出逆变单元、变频器和循环水泵。通过隶属度向量分解方法，将采样对象值分解成为一个多维隶属度向量，此时采样对象变化也被分解到了多个维度上。合理选择隶属度函数，可以使采样对象的变化值在不同取值范围中时，体现到隶属度向量的不同子向量上，从而达到凸显变化趋势的效果。本发明通过对该趋势的镇定，实现对系统状态迁移的超前镇定。通过对空调系统中响应迟缓的系统变量进行模糊化向量分析，放大其本身小幅度变化中所体现的系统状态迁移趋势，并针对该趋势调整系统运行状态，维持运行稳态。

Description

基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统及方法。

背景技术

目前的中央空调水循环控制系统的节能控制方法，通常通过随动控制，根据实测参数值与控制目标值的偏差来调节水泵的运行频率，实现节能运行的目的。

由于空调系统存在较大的时滞性，在某一时刻实测参数值与控制目标值的偏差，实际只能反映此时空调系统的综合运行结果，并不能反应出系统的真正变化趋势。随动控制方法在被动地跟随该偏差值不断调节频率时，又产生了系统超调量的积累，进一步增大了系统运行的偏差。最终使系统的工况在一个较大范围内振荡，不利于系统的稳定运行和节能效果。

发明内容

本发明的目的在于在于针对现有技术的不足，提供一种基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统及方法，通过隶属度向量分解方法，将采样对象值分解成为一个多维隶属度向量，此时采样对象变化也被分解到了多个维度上。合理选择隶属度函数，可以使采样对象的变化值在不同取值范围中时，体现到隶属度向量的不同子向量上，从而达到凸显变化趋势的效果。本发明通过对该趋势的镇定，实现对系统状态迁移的超前镇定。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统及方法，包括水温变送器、工况参数采样单元、参数监视单元、变频控制计算单元、输出逆变单元、变频器和循环水泵，水温变送器连接工况参数采样单元，工况参数采样单元连接参数监视单元，参数监视单元连接变频控制计算单元，变频控制计算单元连接输出逆变单元，输出逆变单元连接变频器，变频器连接循环水泵。

水温变送器：完成回水温度的电传信号变送。

工况参数采集单元：完成水温电传信号的A/D转换。

参数监视单元：对参数采样值进行校验，过滤不正常的数据。

变频控制计算单元：首先将回水温度去除量纲并转化为一个多维隶属度向量，然后在向量的各个维度上进行计算，产生变频表征向量，最后根据权重向量进行拟合，给出变频输出表征量。

输出逆变单元：恢复变频输出表征量的量纲，并完成其D/A转换，输出控制电传信号。

变频器：根据控制电传信号调节水泵供电频率，实现水泵按指定频率变频运行。

基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制方法，包括以下处理步骤：

(1)系统初始化。

(2)工况参数采样单元通过水温变送器采样回水温度。

(3)参数监视单元进行数据合理性范围校验，不合理的采样数据应丢弃，

以免造成控制错误。

(4)变频计算控制单元向量分解过程，将采样数值分解为隶属度向量。

(5)调参算法根据采样向量与标准向量及历史采样向量在各维度上的偏差

计算调参向量。

(6)变频计算控制单元去模糊化，变频表征向量结合权重向量，计算得到

变频输出表征量。

(7)输出逆变单元将变频输出表征量ω转化为电传信号，输送到水泵变频器，改变水泵的工作频率。

每个采样周期循环执行第2步到第7步，实现根据控制参数值对水泵变频运行的持续控制。

进一步，在步骤(1)中，系统初始化的具体过程：

设定分析向量、权重向量、隶属度函数以及控制目标；

设给定分析向量为：

V_A＝[A₁，A₂，A₃…A_n]

这是一个n维向量，A₁，A₂，A₃…A_n分别代表第n维的标准值；

权重向量为：

V_W＝[W₁，W₂，W₃…W_n]

选取隶属度函数：

A_(x)＝f_n(x)

式中x为给定参数值，n为维度下标，f_n为对应于第n维的隶属度函数解析式；

所设定的隶属度函数需要进行连续性的校验；

设给定参数控制目标值为T，计算其隶属度，得到目标向量为：

V_T＝[f₁(T)，f₂(T)，f₃(T)…f_n(T)]

进一步，所设定的隶属度函数需要进行连续性的校验，隶属度函数连续性的校验方法：根据隶属度函数通式f_n(x)和给定的分析向量V_A，得到对应于每一维度的隶属度函数解析式，写成集合形式：

A_M(x)＝[f₁(x)，f₂(x)，f₃(x)，…，f_M(x)]

遍历集合A_(x)，对于其中每一个函数，求出使f_n(x)＞0的自变量区间，记为集合：

该集合中的所有元素应满足以下关系：对于所有的n∈[2，M]且n∈N，有

进一步，在步骤(4)中，变频计算控制单元向量分解的具体过程：

设有采样值X₁、X₂、X₃，其采样向量分别为：

进一步，在步骤(5)中，调参算法计算调参向量的具体过程：在此调参算法将根据采样向量与标准向量在每一个维度上的偏差分别进行调节，最后根据维度权重向量合并对各个维度的调节量，输出为系统调节输出量。

进一步，调参算法采用二阶趋势修正算法，其原理式为：

式中Δp参数调节量，k₁、k₂、k₃为常量系数，D为系统误差；

将上式离散化得：

Δp＝k₁·D₁+k₂·(D₁-D₂)+k₃·[(D₁-D₂)-(D₂-D₃)]

式中D_m为第m次采样的误差；

定义维度误差D_n(m)的计算通式为：

D_n(m)＝f_n(x_m)-f_n(T)

式中n为维度下标，N为采样下标，D_n(m)即为第n维上第m次采样的系统误差，X_m为第m次采样值；

定义根据向量各维度偏差计算的调参向量为：

ΔP＝[Δp₁，Δp₂，Δp₃…Δp_n]

其计算方程组为：

进一步，在步骤(6)中，变频计算控制单元去模糊化的具体过程：

设水泵工作频率数字化数值为ω，当前的变频输出偏移量为Δω，将ΔP结合V_W，最终的变频输出偏移量为：

此时的变频输出偏移量Δω是根据隶属度计算出的综合加权偏移量；

最终的变频输出表征量ω为：

ω＝ω+Δω

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明为基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统及方法，通过隶属度向量分解方法，将采样对象值分解成为一个多维隶属度向量，此时采样对象变化也被分解到了多个维度上。合理选择隶属度函数，可以使采样对象的变化值在不同取值范围中时，体现到隶属度向量的不同子向量上，从而达到凸显变化趋势的效果。本发明通过对该趋势的镇定，实现对系统状态迁移的超前镇定。

通过对空调系统中响应迟缓的系统变量进行模糊化向量分析，放大其本身小幅度变化中所体现的系统状态迁移趋势，并针对该趋势调整系统运行状态，维持运行稳态。能够从细微的采样结果变化中发现系统的迁移趋势，在系统状态迁移真正发生前抑制其不利影响。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明中基于向量化分析的中央空调水循环节能控制系统的结构示意图；

图2为本发明中变频计算控制单元向量分解的流程图；

图3为本发明中变频计算控制单元去模糊化的流程图；

图4为本发明中隶属度函数连续性校验的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，基于向量化分析的中央空调水循环节能控制系统，包括水温变送器、工况参数采样单元、参数监视单元、变频控制计算单元、输出逆变单元、变频器和循环水泵，水温变送器连接工况参数采样单元，工况参数采样单元连接参数监视单元，参数监视单元连接变频控制计算单元，变频控制计算单元连接输出逆变单元，输出逆变单元连接变频器，变频器连接循环水泵。

水温变送器：完成回水温度的电传信号变送。

工况参数采集单元：完成水温电传信号的A/D转换。

参数监视单元：对参数采样值进行校验，过滤不正常的数据。

变频控制计算单元：首先将回水温度去除量纲并转化为一个多维隶属度向量，然后在向量的各个维度上进行计算，产生变频表征向量，最后根据权重向量进行拟合，给出变频输出表征量。

输出逆变单元：恢复变频输出表征量的量纲，并完成其D/A转换，输出控制电传信号。

变频器：根据控制电传信号调节水泵供电频率，实现水泵按指定频率变频运行。

如图2所示，基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制方法，包括以下处理步骤：

(1)系统初始化，设定分析向量、权重向量、隶属度函数以及控制目标；

设给定分析向量为：

V_A＝[A₁，A₂，A₃…A_n]

这是一个n维向量，A₁，A₂，A₃…A_n分别代表第n维的标准值。

其权重向量为：

V_W＝[W₁，W₂,W₃…W_n]

选取隶属度函数：

A_(x)＝f_n(x)

式中x为给定参数值，n为维度下标，f_n为对应于第n维的隶属度函数解析式。

所设定的隶属度函数需要进行连续性的校验，校验方法见后述。

设给定参数控制目标值为T，计算其隶属度，得到目标向量为：

V_T＝[f₁(T)，f₂(T)，f₃(T)…f_n(T)]

(2)工况参数采样单元通过水温变送器采样回水温度。

(3)参数监视单元进行数据合理性范围校验，不合理的采样数据应丢弃，

以免造成控制错误。

(4)变频计算控制单元向量分解过程，将采样数值分解为隶属度向量；

设有采样值X₁、X₂、X₃，其采样向量分别为：

流程见图2。

(5)调参算法根据采样向量与标准向量及历史采样向量在各维度上的偏差

计算调参向量；

调参算法的目标是消除控制目标参数采样值与设定值的误差。在此调参算法将根据采样向量与标准向量在每一个维度上的偏差分别进行调节，最后根据维度权重向量合并对各个维度的调节量，输出为系统调节输出量。

调参算法可以有多种选择，在此以二阶趋势修正算法为例，其原理式为：

Δp＝k₁·D+k₂·D+k₃·D

式中Δp参数调节量，k₁、k₂、k₃为常量系数，D为系统误差。

将上式离散化得：

Δp＝k₁·D₁+k₂·(D₁-D₂)+k₃·[(D₁-D₂)-(D₂-D₃)]

式中D_m为第m次采样的误差。

定义维度误差D_n(m)的计算通式为：

D_n(m)＝f_n(x_m)-f_n(T)

式中n为维度下标，N为采样下标，D_n(m)即为第n维上第m次采样的系统误差，X_m为第m次采样值。

定义根据向量各维度偏差计算的调参向量为：

ΔP＝[Δp₁，Δp₂，Δp₃…Δp_n]

其计算方程组为：

(6)变频计算控制单元去模糊化，变频表征向量结合权重向量，计算得到

变频输出表征量；

设水泵工作频率数字化数值为ω，当前的变频输出偏移量为Δω，将ΔP结合V_W，最终的变频输出偏移量为：

此时的变频输出偏移量Δω是根据隶属度计算出的综合加权偏移量。

最终的变频输出表征量ω为：

ω＝ω+Δω

流程见图3；

(7)输出逆变单元将变频输出表征量ω转化为电传信号，输送到水泵变频

器，改变水泵的工作频率。

每个采样周期循环执行第2步到第7步，实现根据控制参数值对水泵变频运行的持续控制。

本发明使用单一变量进行系统的变频控制，通过对回水温度进行隶属度向量分析变频计算控制是本发明的一种典型应用，但本发明不仅限于通过回水温度控制。

隶属度函数连续性的校验方法：

根据隶属度函数通式f_n(x)和给定的分析向量V_A，得到对应于每一维度的隶属度函数解析式，写成集合形式：

A_M(x)＝[f₁(x)，f₂(x)，f₃(x)，…，f_M(x)]

遍历集合A_(x)，对于其中每一个函数，求出使f_n(x)＞0的自变量区间，记为集合：

该集合中的所有元素应满足以下关系：

对于所有的n∈[2，M]且n∈N，有

流程图见图4。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统，其特征在于：包括水温变送器、工况参数采样单元、参数监视单元、变频控制计算单元、输出逆变单元、变频器和循环水泵，所述水温变送器连接所述工况参数采样单元，所述工况参数采样单元连接所述参数监视单元，所述参数监视单元连接所述变频控制计算单元，所述变频控制计算单元连接所述输出逆变单元，所述输出逆变单元连接所述变频器，所述变频器连接所述循环水泵；

水温变送器：完成回水温度的电传信号变送；

工况参数采集单元：完成水温电传信号的A/D转换；

参数监视单元：对参数采样值进行校验，过滤不正常的数据；

变频控制计算单元：首先将回水温度去除量纲并转化为一个多维隶属度向量，然后在向量的各个维度上进行计算，产生变频表征向量，最后根据权重向量进行拟合，给出变频输出表征量；

输出逆变单元：恢复变频输出表征量的量纲，并完成其D/A转换，输出控制电传信号；

变频器：根据控制电传信号调节水泵供电频率，实现水泵按指定频率变频运行。

2.如权利要求1所述的基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统的节能控制方法，其特征在于包括以下处理步骤：

(1)系统初始化；

(2)工况参数采样单元通过水温变送器采样回水温度；

(3)参数监视单元进行数据合理性范围校验，不合理的采样数据应丢弃，以免造成控制错误；

(4)变频计算控制单元向量分解过程，将采样数值分解为隶属度向量；

(5)调参算法根据采样向量与标准向量及历史采样向量在各维度上的偏差计算调参向量；

(6)变频计算控制单元去模糊化，变频表征向量结合权重向量，计算得到变频输出表征量；

(7)输出逆变单元将变频输出表征量ω转化为电传信号，输送到水泵变频器，改变水泵的工作频率；

每个采样周期循环执行第2步到第7步，实现根据控制参数值对水泵变频运行的持续控制。

3.根据权利要求2所述的基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统的节能控制方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，所述系统初始化的具体过程：

设定分析向量、权重向量、隶属度函数以及控制目标；

设给定分析向量为：

V_A＝[A₁，A₂，A₃…A_n]

这是一个n维向量，A₁，A₂，A₃…A_n分别代表第n维的标准值；

权重向量为：

V_W＝[W₁，W₂，W₃…W_n]

选取隶属度函数：

A_(x)＝f_n(x)

式中x为给定参数值，n为维度下标，f_n为对应于第n维的隶属度函数解析式；

所设定的隶属度函数需要进行连续性的校验；

设给定参数控制目标值为T，计算其隶属度，得到目标向量为：

V_T＝[f₁(T)，f₂(T)，f₃(T)…f_n(T)] 。

4.根据权利要求3所述的基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统的节能控制方法，其特征在于：所设定的隶属度函数需要进行连续性的校验，所述隶属度函数连续性的校验方法：根据隶属度函数通式f_n(x)和给定的分析向量V_A，得到对应于每一维度的隶属度函数解析式，写成集合形式：

A_M(x)＝[f₁(x)，f₂(x)，f₃(x)，…，f_M(x)]

遍历集合A_(x)，对于其中每一个函数，求出使f_n(x)＞0的自变量区间，记为集合：

该集合中的所有元素应满足以下关系：对于所有的

且n∈N，有

5.根据权利要求2所述的基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统的节能控制方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，所述变频计算控制单元向量分解的具体过程：

设有采样值X₁、X₂、X₃，其采样向量分别为：

。

6.根据权利要求2所述的基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统的节能控制方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，所述调参算法计算调参向量的具体过程：在此调参算法将根据采样向量与标准向量在每一个维度上的偏差分别进行调节，最后根据维度权重向量合并对各个维度的调节量，输出为系统调节输出量。

7.根据权利要求6所述的基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统的节能控制方法，其特征在于：所述调参算法采用二阶趋势修正算法，其原理式为：

式中Δp参数调节量，k₁、k₂、k₃为常量系数，D为系统误差；

将上式离散化得：

Δp＝k₁·D₁+k₂·(D₁-D₂)+k₃·[(D₁-D₂)-(D₂-D₃)]

式中D_m为第m次采样的误差；

定义维度误差D_n(m)的计算通式为：

D_n(m)＝f_n(x_m)-f_n(T)

式中n为维度下标，N为采样下标，D_n(m)即为第n维上第m次采样的系统误差，X_m为第m次采样值；

定义根据向量各维度偏差计算的调参向量为：

其计算方程组为：

。

8.根据权利要求2所述的基于向量化分析的暖通循环水系统节能控制系统的节能控制方法，其特征在于：在所述步骤(6)中，所述变频计算控制单元去模糊化的具体过程：

设水泵工作频率数字化数值为ω，当前的变频输出偏移量为Δω，将ΔP结合V_W，最终的变频输出偏移量为：

此时的变频输出偏移量Δω是根据隶属度计算出的综合加权偏移量；

最终的变频输出表征量ω为：

ω＝ω+Δω。

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