CN110243056B - 无中心自组织的变风量末端优化控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无中心自组织的变风量末端优化控制方法及系统，其中，方法包括：在变风量送风系统中的每个末端设置一个智能控制器，并将智能控制器互联以构造无中心自组织网络；当满足触发条件时，由任一智能控制器发起调节任务；在任一智能控制器发起调节任务后，智能控制器与相邻的智能控制器进行信息交互；通过多次信息交互，变风量送风系统达到预定的收敛条件，确定每台风阀优化后的运行状态。该方法能够自组织、自协调的变风量送风系统，增强系统灵活性、优化控制效果和提高控制效率，满足系统运行的节能需求且提升用户使用体验。

Description

无中心自组织的变风量末端优化控制方法及系统

技术领域

本发明涉及智能空调技术领域，尤其涉及一种无中心自组织的变风量末端优化控制方法及系统。

背景技术

在中央空调送风系统中，通常使用多台末端风阀为多个区域提供需求风量，并通过调节风机的启停状态和风阀的开度来满足系统末端温度调节的需求。

在相关技术中，通常采用集中控制的方式，即采用一台或多台DDC(DirectDigital Control直接数字控制)控制所有并联的变风量末端风阀设备。DDC控制器本身不具备解决复杂系统计算能力，且多台DDC之间不具备通讯能力，因此可操作性差，因此不能实现并联风阀的优化控制。此外，这种集中式的控制方式需要对控制器和风阀进行手动配置，带来大量的现场调试工作，扩展性也比较差。在建筑改、扩建过程中，集中式系统需要完成组网配置工作，监控管理软件需要重新编制与升级，可扩展能力与升级能力较差，亟待解决。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一方面目的在于提出一种能够增强变风量系统灵活性、优化控制效果和提高控制效率的无中心自组织的变风量末端优化控制方法。

本发明另一方面目的在于提出一种无中心自组织的变风量末端优化控制系统。

为达到上述目的，本发明一方面的实施例提出了一种无中心自组织的变风量末端优化控制方法，包括以下步骤：在变风量送风系统中的每个末端设置一个智能控制器，并将所述智能控制器互联以构造无中心自组织网络；当满足触发条件时，由任一所述智能控制器发起调节任务；在任一所述智能控制器发起调节任务后，所述智能控制器与相邻的智能控制器进行信息交互；通过多次所述信息交互，所述变风量送风系统达到预定的收敛条件，确定每台风阀优化后的运行状态。

根据本发明实施例的无中心自组织的变风量末端优化控制方法，通过在变风量送风系统中的每个末端设置智能控制器，将其互联构造无中心自组织网络，使系统具有自组织、自协调的特性；并可由任意调节器发起调节任务，在信息交互后优化风阀运行状态，达到增强系统灵活性、优化控制效果、提高控制效率的目的，满足系统运行的节能需求且提升用户使用体验。

在一些示例中，所述在变风量送风系统中的每个末端设置一个智能控制器，并将所述智能控制器互联以形成无中心自组织网络，包括：变风量末端智能控制器预置分布式优化控制算法；将智能控制器按照变风量末端的风道物理连接拓扑进行通信连接。

在一些示例中，所述满足触发的条件，包括：由所述智能控制器根据设定温度与实际温度计算得到的相应风阀需求送风量发生变化和/或所述智能控制器达到预设的控制周期和/或系统的能耗需要进行优化。

在一些示例中，所述在任一所述智能控制器发起调节任务后，所述智能控制器与相邻的智能控制器进行信息交互，包括：所述智能控制器参考相应风阀当前实际工作点，以风阀开度最大并满足本地风量需求为调节目标，计算得到新的阀门开度和优化计算状态；所述智能控制器将阀门阻抗与优化计算状态写入传递信息，发送给其相邻的智能控制器；根据接收到的邻近阀门阻抗和优化计算状态，参考本地风量需求及压力平衡约束方程，运算得到新的阀门开度；根据新的阀门开度，计算得到压力平衡方程满足度。

在一些示例中，所述通过多次所述信息交互，所述变风量送风系统达到预定的收敛条件，包括：所有接收到传递信息的智能控制器，在接收到传递信息的瞬间开始计时，并判断；在预定收敛周期内如果后续没有收到其它相邻控制器的传递信息，则判定达到预定的收敛条件；在预定收敛周期内如果后续收到了其它相邻控制器的传递信号，则重新计时。

在一些示例中，所述无中心自组织的变风量末端优化控制方法还包括：若系统中没有发起调节任务的末端智能控制器，则保持风阀运行状态不变

本发明的另一方面的实施例提出了一种无中心自组织的变风量末端优化控制系统，包括：构造模块，用于在变风量送风系统中的每个末端设置一个智能控制器，并将所述智能控制器互联以形成无中心自组织网络；触发模块，用于当满足触发条件时，由任一所述智能控制器发起调节任务；信息交互模块，用于在任一所述智能控制器发起调节任务后，所述智能控制器与相邻的智能控制器进行信息交互；控制模块，用于通过多次所述信息交互，所述变风量送风系统达到预定的收敛条件，确定每台风阀优化后的运行状态。

根据本发明实施例的无中心自组织的变风量末端优化控制系统，通过在变风量送风系统中的每个末端设置智能控制器，将其互联构造无中心自组织网络，使系统具有自组织、自协调的特性；并可由任意调节器发起调节任务，在信息交互后优化风阀运行状态，达到增强系统灵活性、优化控制效果、提高控制效率的目的，满足系统运行的节能需求且提升用户使用体验。

在一些示例中，所述触发模块的触发条件包括：由所述智能控制器根据设定温度与实际温度计算得到的相应风阀需求送风量发生变化和/或所述智能控制器达到预设的控制周期和/或系统的能耗需要进行优化。

在一些示例中，所述信息交互模块还用于：所述智能控制器参考相应风阀当前实际工作点，以风阀开度最大并满足本地风量需求为调节目标，计算得到新的阀门开度和优化计算状态；所述智能控制器将阀门阻抗与优化计算状态写入传递信息，发送给其相邻的智能控制器；根据接收到的邻近阀门阻抗和优化计算状态，参考本地风量需求及压力平衡约束方程，运算得到新的阀门开度；根据新的阀门开度，计算得到压力平衡方程满足度。

在一些示例中，所述控制模块还用于：所有接收到传递信息的智能控制器，在接收到传递信息的瞬间开始计时，并判断；在预定收敛周期内如果后续没有收到其它相邻控制器的传递信息，则判定达到预定的收敛条件；在预定收敛周期内如果后续收到了其它相邻控制器的传递信号，则重新计时。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例无中心自组织的变风量末端优化控制方法的流程图；

图2是本发明的一个实施例的无中心自组织变风量末端控制系统结构示意图；

图3是本发明实施例的变风量末端控制过程的信号传递关系示意图；

图4是本发明实施例的一个风阀发起调节任务之后的迭代计算过程示意图；

图5是本发明实施例的压力无关型末端各风阀调节过程及结果示意图；

图6是本发明实施例的压力有关型末端风阀运行状态结果示意图；和

图7是根据本发明实施例的无中心自组织的变风量末端优化控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1是根据本发明实施例的无中心自组织的变风量末端优化控制方法的流程图，如图1所示该方法具体步骤如下所示：

S101，在变风量送风系统中的每个末端设置一个智能控制器，并将智能控制器互联以构造无中心自组织网络。

可以理解的是，无中心自组织网络指网络中的每个节点的地位是平等的，整个网络是扁平的，没有中心或首脑的概念，该网络依据实际物理空间拓扑连接，可以是链状的，可以是环状的，还可以是网格状或星形的，即网络中的所有节点之间以某种拓扑关系互联，而在拓扑关系上互联的节点之间进行信息传递，在拓扑关系上不关联的节点间不进行信息交互。

在本发明的一个具体实施例中，对于本发明实施例的变风量末端控制系统而言，无中心网络中的每个风阀的地位均是平等的，各并联风阀通过相应的控制其平等地自主协调完成控制目标，分布式地计算出优化控制方案。例如：如果新增风阀时，只需要将其智能控制器与其它风阀控制器连接，该控制器即可自组织地识别并加入上述的无中心网络中。这种情况下，可以降低传统控制形式的人工配置调试的工作量，实现控制设备的即插即用，提高系统的控制效率、鲁棒性及可扩展性

如图2所示，变风量末端控制系统中包括n(通常n为大于1的正整数)个并联的风阀，每个风阀配置有一个控制器。在具体示例中，多个控制器形成的无中心网络的实现形式可以为有线网络和无线网络中二者之一或二者的组合。

也就是说，多个控制器之间可以通过但不限于有线网络、无线网络或者结合有线无线两种形式的综合网络进行连接，构成扁平化无中心网络。需要说明的是，本发明实施例中的无中心网络可以采用多种通信协议进行通信，只要能够保证通信的实时性和有效性即可。也就是说，本发明实施例的无中心网络不限定于任何具体的通信控制协议，只要能进行满足要求的网络通信和控制即可，由此，此处的节点控制网络或者网络可以以较为广泛的技术领域中含义来进行理解和限定。

结合图2和图3，在本发明的一个具体实施例中，各个末端智能控制器还可以与相应的风量或温度传感器相连，以便从相应的风量(压力无关型)或温度传感器中获取传递的风量或温度信号，控制器与风阀相连来变更对应风阀的运行状态。

S102，当满足触发条件时，由任一智能控制器发起调节任务。

在本发明的一个具体示例中，无中心自组织网络中的每台运行中的风阀对应的控制器均可以发起调节任务，当其中一台风阀控制器发起调节任务时，其余的风阀控制器则配合该控制器完成系统的运算。

此外，在本发明实施例中，每个控制器运行的控制程序都是相同的，因此，有可能在相同或相近的时间内，多个风阀的控制器均满足任务发起条件而发起调节任务，针对这种情况，系统需要设置相应的处理机制，在本发明的一个实施例中，可以通过如下两种方式进行处理：

1、先计算后处理的仲裁机制。具体而言，在一个具体实施例中，针对每个调节任务分别计算一遍，几个无中心控制器连接组成了无中心计算网络，等同于一个操作系统，该系统下支持多任务并行处理，因而当有多个控制器同时发起调节任务时，系统可以同时运算，得到多个结果。然后再通过仲裁机制，选出应该执行哪个调节任务的结果。

2、先处理后计算的仲裁机制。具体而言，在一个具体实施例中，首先通过仲裁机制确定谁来发起调节任务，然后由它发起调节任务，即：当遇到多个控制器同时发起调节任务时，先通过仲裁机制选出一个发起者，然后由它发起调节任务。

在具体示例中，由于先处理后计算的仲裁机制首先确定由哪一个控制器发起调节任务，因此，相对于第一种先计算后处理的仲裁机制，计算量少。可以理解是，在多数情况下，可以使用第二种先处理后计算的仲裁机制以减少计算量。

在本发明的一个实施例中，仲裁机制的形式也包括多种，例如：事先由人工指定优先级，运行过程中按照设定好的优先级来决定采取哪种运算结果、抽签、抢令牌、随机指定等。

在本发明的具体示例中，触发条件可以有多种形式，包括但不仅限于：

1)可以由控制器收集到的需求风量值与风量测量值之间的偏差绝对值超出了预设的风量偏差阈值，即风阀的工作状态不能满足末端对风量的需求，这时需要对风阀的开度进行调整以便满足末端房间对风量的需求。

2)可以根据时间来确定，例如为每个末端控制器设定一个控制周期，每过一定的时间就由该风阀控制器发起一次调节任务。

S103：在任一智能控制器发起调节任务后，智能控制器与相邻的智能控制器进行信息交互。

可以理解的是，智能控制器之间的信息交互的过程是一个迭代计算的过程，结合图3至图6具体说明这一信息交互的迭代计算过程。

在具体示例中，发起调节任务的末端智能控制器执行如下步骤：控制器参考相应风阀当前实际工作点，以风阀开度最大并满足本地风量需求为调节目标，计算得到新的阀门开度和优化计算状态；控制器将阀门阻抗与优化计算状态写入传递信息，发送给其相邻的风阀控制器。

进一步地，收到传递信息的末端智能控制器执行以下步骤：根据接收到的邻居阀门阻抗和优化计算状态，参考本地风量需求及压力平衡约束方程，运算得到新的阀门开度；根据新的阀门开度，计算得到压力平衡方程满足度；并判断：若新的阀门开度仍未满足压力平衡方程，表明仍未达到调节目标，将新的阀门开度与优化计算状态写入传递信息并发送给相邻控制器；若新的风量调节偏差的绝对值低于或等于预设调节偏差阈值，则再次判断：若系统能耗等于或低于本次调节任务发起之前，则不再发送传递信息；若系统能耗高于本次调节任务发起之前，则将新的目标效率点设定为效率调节预期，计算得到新的风阀风量和新的风量调节偏差；控制器将新的效率调节预期和新的风量调节偏差写入传递信息，发送给其相邻的风阀控制器。

在具体的实施例中，如图5和图6所示，初始的工况为三台风阀均处于关闭状态，初始的风量均为0，此时出现风量需求的变化(例如在本实施例中共设置了四种不同的风量需求情况)，任一运行中的风阀发现了这一状况，即可发起调整任务。各阀门根据本地需求风量与接收到的邻居风阀需求风量与阀门开度信息，运行本地计算任务。

其中，罚因子初始值可以取得较小，罚因子的调整可以是定步长的，即每次调整的步长可以为0.01，当然也可以更少或者在调节过程也可以是变步长的，步长可以根据风量调节偏差的大小采用二分法或下降法，这样，可以达到更快的收敛速度。

S104，通过多次信息交互，变风量送风系统达到预定的收敛条件，确定每台风阀优化后的运行状态。

通过多个智能调节器之间的信息交互，确定风阀性能参数、预设风量偏差阈值和预设风量调节偏差阈值，获得变风量送风系统预定的收敛条件，进而确定每台风阀优化后的运行状态。

进一步地，判断是否达到预定的收敛条件的过程包括如下步骤：所有接收到传递信息的控制器，在接收到传递信息的瞬间开始计时，并执行下述步骤：在预定收敛周期内如果后续没有收到其它相邻控制器的传递信息，则判定达到预定的收敛条件；在预定收敛周期内如果后续收到了其它相邻控制器的传递信号，则重新计时。

在具体示例中，若系统中没有发起调节任务的末端智能控制器，则保持风阀运行状态不变。

可以理解的是，风阀的性能曲线可变，改变的方式包括：人工定期对风阀性能进行测试标定并手动修改；或者控制器内部加入自学习算法，在风阀运行的过程中，自动检测风阀性能并调整风阀的性能曲线。

根据本发明实施例的无中心自组织的变风量末端优化控制方法，通过在变风量送风系统中的每个末端设置智能控制器，将其互联构造无中心自组织网络，使系统具有自组织、自协调的特性；并可由任意调节器发起调节任务，在信息交互后优化风阀运行状态，达到增强系统灵活性、优化控制效果、提高控制效率的目的，满足系统运行的节能需求且提升用户使用体验。

图7是本发明实施例的无中心自组织的变风量末端优化控制系统的结构示意图，如图7所示，本发明实施例的无中心自组织的变风量末端优化控制系统10，包括：构造模块100，用于在变风量送风系统中的每个末端设置一个智能控制器，并将智能控制器互联以形成无中心自组织网络；触发模块200，用于当满足触发条件时，由任一智能控制器发起调节任务；信息交互模块300，用于在任一智能控制器发起调节任务后，智能控制器与相邻的智能控制器进行信息交互；控制模块400，用于通过多次信息交互，变风量送风系统达到预定的收敛条件，确定每台风阀优化后的运行状态。

进一步地，触发模块100的触发条件包括：由智能控制器根据设定温度与实际温度计算得到的相应风阀需求送风量发生变化和/或智能控制器达到预设的控制周期和/或系统的能耗需要进行优化。

进一步地，信息交互模块200还用于：智能控制器参考相应风阀当前实际工作点，以风阀开度最大并满足本地风量需求为调节目标，计算得到新的阀门开度和优化计算状态；智能控制器将阀门阻抗与优化计算状态写入传递信息，发送给其相邻的智能控制器；根据接收到的邻近阀门阻抗和优化计算状态，参考本地风量需求及压力平衡约束方程，运算得到新的阀门开度；根据新的阀门开度，计算得到压力平衡方程满足度。

进一步地，控制模块400还用于：所有接收到传递信息的智能控制器，在接收到传递信息的瞬间开始计时，并判断；在预定收敛周期内如果后续没有收到其它相邻控制器的传递信息，则判定达到预定的收敛条件；在预定收敛周期内如果后续收到了其它相邻控制器的传递信号，则重新计时。

需要说明的是，前述对无中心自组织的变风量末端优化控制方法实施例的解释说明也适用于该无中心自组织的变风量末端优化控制系统，此处不再赘述。

根据本发明实施例的无中心自组织的变风量末端优化控制系统，通过在变风量送风系统中的每个末端设置智能控制器，将其互联构造无中心自组织网络，使系统具有自组织、自协调的特性；并可由任意调节器发起调节任务，在信息交互后优化风阀运行状态，达到增强系统灵活性、优化控制效果、提高控制效率的目的，满足系统运行的节能需求且提升用户使用体验。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种无中心自组织的变风量末端优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在变风量送风系统中的每个末端设置一个智能控制器，并将所述智能控制器互联以构造无中心自组织网络；

当满足触发条件时，由任一所述智能控制器发起调节任务；

在任一所述智能控制器发起调节任务后，所述智能控制器与相邻的智能控制器进行信息交互,所述在任一所述智能控制器发起调节任务后，所述智能控制器与相邻的智能控制器进行信息交互，包括：所述智能控制器参考相应风阀当前实际工作点，以风阀开度最大并满足本地风量需求为调节目标，计算得到新的阀门开度和优化计算状态；所述智能控制器将阀门阻抗与优化计算状态写入传递信息，发送给其相邻的智能控制器；根据接收到的邻近阀门阻抗和优化计算状态，参考本地风量需求及压力平衡约束方程，运算得到新的阀门开度；根据新的阀门开度，计算得到压力平衡方程满足度；

通过多次所述信息交互，所述变风量送风系统达到预定的收敛条件，确定每台风阀优化后的运行状态。

2.根据权利要求1所述的无中心自组织的变风量末端优化控制方法，其特征在于，所述在变风量送风系统中的每个末端设置一个智能控制器，并将所述智能控制器互联以形成无中心自组织网络，包括：

变风量末端智能控制器预置分布式优化控制算法；

将智能控制器按照变风量末端的风道物理连接拓扑进行通信连接。

3.根据权利要求1所述的无中心自组织的变风量末端优化控制方法，其特征在于，所述满足触发的条件，包括：

由所述智能控制器根据设定温度与实际温度计算得到的相应风阀需求送风量发生变化和/或所述智能控制器达到预设的控制周期和/或系统的能耗需要进行优化。

4.根据权利要求1-3任一项所述的无中心自组织的变风量末端优化控制方法，其特征在于，所述通过多次所述信息交互，所述变风量送风系统达到预定的收敛条件，包括：

所有接收到传递信息的智能控制器，在接收到传递信息的瞬间开始计时，并判断；

在预定收敛周期内如果后续没有收到其它相邻控制器的传递信息，则判定达到预定的收敛条件；

在预定收敛周期内如果后续收到了其它相邻控制器的传递信号，则重新计时。

5.根据权利要求4所述的无中心自组织的变风量末端优化控制方法，其特征在于，还包括：若系统中没有发起调节任务的末端智能控制器，则保持风阀运行状态不变。

6.一种无中心自组织的变风量末端优化控制系统，其特征在于，包括：

构造模块，用于在变风量送风系统中的每个末端设置一个智能控制器，并将所述智能控制器互联以形成无中心自组织网络；

触发模块，用于当满足触发条件时，由任一所述智能控制器发起调节任务；

信息交互模块，用于在任一所述智能控制器发起调节任务后，所述智能控制器与相邻的智能控制器进行信息交互,所述信息交互模块还用于：所述智能控制器参考相应风阀当前实际工作点，以风阀开度最大并满足本地风量需求为调节目标，计算得到新的阀门开度和优化计算状态；所述智能控制器将阀门阻抗与优化计算状态写入传递信息，发送给其相邻的智能控制器；根据接收到的邻近阀门阻抗和优化计算状态，参考本地风量需求及压力平衡约束方程，运算得到新的阀门开度；根据新的阀门开度，计算得到压力平衡方程满足度；

控制模块，用于通过多次所述信息交互，所述变风量送风系统达到预定的收敛条件，确定每台风阀优化后的运行状态。

7.根据权利要求6所述的无中心自组织的变风量末端优化控制系统，其特征在于，所述触发模块的触发条件包括：

由所述智能控制器根据设定温度与实际温度计算得到的相应风阀需求送风量发生变化和/或所述智能控制器达到预设的控制周期和/或系统的能耗需要进行优化。

8.根据权利要求6-7任一项所述的无中心自组织的变风量末端优化控制系统，其特征在于，所述控制模块还用于：

所有接收到传递信息的智能控制器，在接收到传递信息的瞬间开始计时，并判断；

在预定收敛周期内如果后续没有收到其它相邻控制器的传递信息，则判定达到预定的收敛条件；

在预定收敛周期内如果后续收到了其它相邻控制器的传递信号，则重新计时。

Images