CN111649457B - 一种动态预测性机器学习型空调节能控制方法 - Google Patents
一种动态预测性机器学习型空调节能控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种动态预测性机器学习型空调节能控制方法,通过获取环境参数、用户习惯和节假日规律等多特征变量,通过双种群粒子群训练集优化支持向量机中央空调负荷预测模型,提高了预测精确度和参数寻优性能;以空调系统运行能耗最小化为目标,构建全局参数寻优模型。本发明的有益效果是:既满足了中央空调系统综合能耗最优化,又能实现动态预测性智能化管理和稳定性运行。
Description
技术领域
本发明涉及中央空调系统控制领域,尤其涉及一种动态预测性机器学习型空调节能控制方法。
背景技术
随着全球气候变暖的趋势,我国城镇化和工业化加速发展的进程,目前建筑能耗占我国社会总能耗的30%以上,中央空调系统能耗占建筑能耗的60%以上,建筑中央空调系统节能已经成为国民经济节能领域中的重点和热点问题。
据统计,我国公共建筑节能达标率不足10%;中央空调的运行调节主要集中在冷冻水泵的定温差(一般设定为5℃)变流量(变频)调节上,且依赖于技术操作人员的经验,节能调节策略单一、局限性较为明显。这些调节模式一般只关注冷冻水泵自身的运行状态,而忽略了冷却水泵、制冷机组、冷却塔等系统主要能耗设备所构成的系统综合能耗最优化问题。
另外,自动化控制理论及技术作为节能控制技术手段,在中央空调系统控制中越来越重要,传统的自动化控制理论中的PID(比例、积分、微分)控制算法适用于单变量线性系统,不太适应多变量、非线性、大滞后和时变性的中央空调系统;反馈式控制方式应用于中央空调系统的节能控制运行稳定性较差,节能效果和稳定性有待进一步提高。当空调系统负荷发生变化时,若仅采用压差控制,则不能够准确表述系统负荷的变化,从而可能导致控制系统失效;若仅采用温差控制,则当负荷发生较大变化时,控制系统往往会滞后一段时间后对空调水系统进行调节,从而影响了控制的及时性和快速性。目前,中央空调节能控制领域流行的恒压差和恒温差控制模式属于“跟随控制”,一般只适用于无时滞的被控对象或过程,用在负荷动态性波动的中央空调系统中难以取得较好的稳定节能控制效果。
鉴于上述情况,亟待一种既能满足中央空调系统综合能耗最优化,又能实现动态预测性智能化管理和稳定性运行为目的的中央空调节能控制方法。
发明内容
针对上述问题,本发明提出一种动态预测性机器学习型空调节能控制方法,旨在满足中央空调系统综合能耗最优化的同时,又能实现动态预测性智能化管理和稳定性运行。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:
一种动态预测性机器学习型空调节能控制方法,包括以下步骤:
S1,采集逐时环境参数:包括干球温度、相对湿度以及水平面太阳总辐射;记录建筑逐时使用参数:包括入住率、小时标签以及日期标签;记录中央空调系统逐时运行参数:包括空调负荷、制冷机组的蒸发温度、冷凝温度、电流以及电压,冷冻水泵的供回水温度、流量、电流以及电压,冷却水泵的供回水温度、流量、电流以及电压,冷却塔风量、电流、电压、小时标签以及日期标签;
S2,定义历史Ti时刻干球温度、Ti时刻相对湿度、Ti时刻水平面太阳总辐射、Ti时刻入住率、(Ti-1)时刻入住率、(Ti-24)时刻入住率、(Ti-1)时刻空调负荷以及(Ti-24)时刻空调负荷为样本空间记录特征矩阵定义Ti时刻空调负荷为输出变量组成样本空间记录向量对样本空间记录特征矩阵进行归一化处理;
S3,根据归一化处理后的样本空间记录特征矩阵建立双种群粒子群训练集通过双种群粒子群训练集优化支持向量机中央空调负荷预测模型,双种群粒子群采用具有局部寻优和全局寻优的双种群粒子群优化算法,以及采用双种群协同进化策略和反正切调整策略动态调整加速因子,用于提高算法的寻优性能,计算得到支持向量机中央空调负荷预测模型的最佳性能参数组合粒子;
S4,定义当前Tm时刻干球温度、Tm时刻相对湿度、Tm时刻水平面太阳总辐射、Tm时刻入住率、(Tm-1)时刻入住率、(Tm-24)时刻入住率、(Tm-1)时刻空调负荷以及(Tm-24)时刻空调负荷为输入向量利用最佳性能参数组合粒子优化后的支持向量机中央空调负荷预测模型预测输出变量
S5,以中央空调系统Tm时刻能耗Es为最优化目标,以Tm时刻干球温度、Tm时刻相对湿度以及Tm时刻空调负荷作为求解条件,求解得到空调系统实时能耗最小值min(Es)以及对应的全局优化系统运行工况参数组合,根据全局优化系统运行工况参数组合调节中央空调系统运行参数。
本发明的有益效果为:本发明基于大数据挖掘环境参数、用户习惯和节假日规律等多特征变量,通过双种群粒子群训练集优化支持向量机中央空调负荷预测模型,提高了预测精确度和参数寻优性能;以空调系统运行能耗最小化为目标,构建全局参数寻优模型,实现系统多参数快速寻优,保证系统运行的稳定性;利用机器学习智能算法,预测当前Tm时刻空调系统逐时负荷,消除了常规“跟随控制”系统中出现的负荷变化反馈时滞和水温变化惯性,实现了控制的及时性和快速性,满足了中央空调系统综合能耗最优化,又能实现动态预测性智能化管理和稳定性运行。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种动态预测性机器学习型空调节能控制方法的流程图;
图2为本发明实施例提供的双种群粒子群训练集优化支持向量机中央空调负荷预测模型参数优化流程图;
图3为本发明实施例提供的中央空调系统运行工况全局参数寻优流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确,下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
如图1所示,本实施例提出了一种动态预测性机器学习型空调节能控制方法,包括以下步骤S1-S5:
S1,采集逐时环境参数:包括干球温度、相对湿度以及水平面太阳总辐射;记录建筑逐时使用参数:包括入住率、小时标签以及日期标签;记录中央空调系统逐时运行参数:包括空调负荷、制冷机组的蒸发温度、冷凝温度、电流以及电压,冷冻水泵的供回水温度、流量、电流以及电压,冷却水泵的供回水温度、流量、电流以及电压,冷却塔风量、电流、电压、小时标签以及日期标签;S1所所获取的参数来自楼宇自动化系统,楼宇自动化系统(BAS)是集成了物联网技术,控制技术、网络技术等技术的系统,大量的中央空调运行及环境数据,如:温度、湿度、流量、功率等,都被记录在数据库中,如建筑逐时使用参数和中央空调系统逐时运行参数,能够从其客观存在的参数当中提炼出用户习惯和节假日规律。但是这些数据很少有效的被用在空调负荷分析、数据挖掘、优化控制当中。通过大量数据对空调系统进行分析、建模、优化,能更好地实现负荷动态预测性智能化管理和能耗最优化运行,同时降低对技术操作人员的节能控制经验依赖和劳动强度。
S2的步骤如图2所示,定义历史Ti时刻干球温度、Ti时刻相对湿度、Ti时刻水平面太阳总辐射、Ti时刻入住率、(Ti-1)时刻入住率、(Ti-24)时刻入住率、(Ti-1)时刻空调负荷以及(Ti-24)时刻空调负荷为样本空间记录特征矩阵定义Ti时刻空调负荷为输出变量组成样本空间记录向量对样本空间记录特征矩阵进行归一化处理;
更进一步的,S2中的样本空间记录特征矩阵进行归一化处理的具体方式为:对各维度特征变量分别进行线性变换,令各维度特征值被映射到[0,1]之间,转换函数如下:
式中,为归一化后样本空间记录特征矩阵第i条样本空间记录的第n个特征变量值;为样本空间记录特征矩阵第i条样本空间记录的第n个特征变量特征值;max(Xn)为样本空间记录特征矩阵第n个特征变量的最大值;min(Xn)为样本空间记录特征矩阵第n个特征变量的最小值。
S3,根据归一化处理后的样本空间记录特征矩阵建立双种群粒子群训练集通过双种群粒子群训练集优化支持向量机中央空调负荷预测模型,双种群粒子群采用具有局部寻优和全局寻优的双种群粒子群优化算法,以及采用双种群协同进化策略和反正切调整策略动态调整加速因子,用于提高算法的寻优性能,计算得到支持向量机中央空调负荷预测模型的最佳性能参数组合粒子;
更进一步的,S3的支持向量机中央空调负荷预测模型的最佳性能参数组合粒子具体计算方法如下:
S31,初始化性能参数组合粒子(C,σ,ε),其中,C为惩罚参数,σ为核函数参数,ε为损失函数参数;初始化惯性权重ω、加速因子、种群数量以及最大迭代次数;
S33,根据双种群协同进化策略和反正切动态调整策略对位置和速度进行更新;
S34,再次使用支持向量机对归一化处理后的样本空间记录特征矩阵进行回归训练,得出每个粒子的适应度值,将每个粒子的当前位置及种群中所有粒子所经历的最好位置进行比较,若每个粒子的当前位置相对于经历的最好位置更优,则将其设置为当前最优位置值,否则保持原有最优位置值;
S35,返回S33,当当前最优位置值满足最大迭代次数或达到预设的误差范围,输出当前支持向量机的最佳性能参数组合粒子(C*,σ*,ε*)。
S33双种群协同进化策略和反正切动态调整策略对位置和速度进行更新的方法如下:
定义性能参数组合粒子由i个粒子组成,分为:负责局部寻优群体Q1和负责全局寻优群体Q2,
负责局部寻优群体Q1采用快速收敛进化方程:
Q1:vij(t+1)=ω×vij(t)+c1×rand()×[pij(t)-xij(t)]+c2×rand()×[pgj(t)-xij(t)](2)
式中:vij(t)为粒子在搜索空间的速度;ω为惯性权重,取0.3;c1和c2为加速因子;rand()为区间[0,1]中分布均匀的任意数;pij(t)为当前粒子本身飞行过的最优位置;pgj(t)为粒子所对应的整个种群的最优位置;xij(t)为粒子在搜索空间的位置;t,当前迭代次数;i,第i个粒子;j,第j个维度;
负责全局寻优群体Q2采用全局搜索进化方程:
式中:tmax为最大迭代次数;
利用反正切函数动态调整c1和c2的策略,更好平衡全局和局部搜索,分别为:
式中:c1s为c1初始值;c1e为c1终值;c2s为c2初始值;c2e为c2终值;e为调节系数,取0~10。S4,定义当前Tm时刻干球温度、Tm时刻相对湿度、Tm时刻水平面太阳总辐射、Tm时刻入住率、(Tm-1)时刻入住率、(Tm-24)时刻入住率、(Tm-1)时刻空调负荷以及(Tm-24)时刻空调负荷为输入向量利用最佳性能参数组合粒子优化后的支持向量机中央空调负荷预测模型预测输出变量中央空调系统Tm时刻能耗Es与为强相关非线性关系,Es的最小值的求解过程是:Es对求偏导,并令其值为0,代入边界条件求解得到最小值Es的参数组合;最后把组合代入原Es方程组,即可得到最小Es值。
S5的步骤如图3所示,,以中央空调系统Tm时刻能耗Es为最优化目标,以Tm时刻干球温度、Tm时刻相对湿度以及Tm时刻空调负荷作为求解条件,求解得到空调系统实时能耗最小值min(Es)以及对应的全局优化系统运行工况参数组合,根据全局优化系统运行工况参数组合调节中央空调系统运行参数,结合常规中央空调可编程控制器(PLC)实现系统能最优化运行,目的是为PLC可编程控制器提供“能耗最优化的系统运行策略”:控制冷水机组制实时冷量输出、循环水泵实时运转频率(控制流量)、冷却塔风机实时运转频率(控制风量)。
更进一步的,S5中的中央空调系统Tm时刻能耗Es的求解步骤如下:
S51,建立中央空调系统关键部件能量模型,中央空调系统关键部件能量模型的特征变量包括制冷机组、冷冻水泵、风机以及冷却塔换热;
S52,设定制冷机组的蒸发温度和冷凝温度、冷冻水泵的最大流量和最小流量、冷却水泵的最大流量和最小流量,以及冷却塔的最大风量和最小风量的边界条件和保护值;
S53,构造拉格朗日函数:
g(te,Gep,Gcp,Gta,λ,η)=f(te,Gep,Gcp,Gta)+λ(te,Gep,Gcp,Gta,λ,η) (5)
式中:g(te,Gep,Gcp,Gta,λ,η)为拉格朗日量;λ为拉格朗日乘子;η为松弛变量;
S54,对拉格朗日函数中的变量:te,Gep,Gcp,Gta,λ,η,分别求偏导数,并令偏导函数的结果为0,得到一个方程组;
S55,求解方程组得到Tm时刻空调系统实时能耗最小值min(Es),及其对应的全局优化系统运行工况参数组合(te,Gep,Gcp,Gta),其中,te为制冷机组蒸发温度,Gep为冷冻水泵流量,Gcp为冷却水泵流量,Gta为冷却塔风机风量。
本发明基于大数据挖掘环境参数、用户习惯和节假日规律等多特征变量,通过双种群粒子群训练集优化支持向量机中央空调负荷预测模型,提高了预测精确度和参数寻优性能;以空调系统运行能耗最小化为目标,构建全局参数寻优模型,实现系统多参数快速寻优,保证系统运行的稳定性;利用机器学习智能算法,预测当前Tm时刻空调系统逐时负荷,消除了常规“跟随控制”系统中出现的负荷变化反馈时滞和水温变化惯性,实现了控制的及时性和快速性,满足了中央空调系统综合能耗最优化,又能实现动态预测性智能化管理和稳定性运行。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点,其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种动态预测性机器学习型空调节能控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,采集逐时环境参数:包括干球温度、相对湿度以及水平面太阳总辐射;记录建筑逐时使用参数:包括入住率、小时标签以及日期标签;记录中央空调系统逐时运行参数:包括空调负荷、制冷机组的蒸发温度、冷凝温度、电流以及电压,冷冻水泵的供回水温度、流量、电流以及电压,冷却水泵的供回水温度、流量、电流以及电压,冷却塔风量、电流、电压、小时标签以及日期标签;
S2,定义历史Ti时刻干球温度、Ti时刻相对湿度、Ti时刻水平面太阳总辐射、Ti时刻入住率、(Ti-1)时刻入住率、(Ti-24)时刻入住率、(Ti-1)时刻空调负荷以及(Ti-24)时刻空调负荷为样本空间记录特征矩阵定义Ti时刻空调负荷为输出变量组成样本空间记录向量对所述样本空间记录特征矩阵进行归一化处理;
S3,根据所述归一化处理后的所述样本空间记录特征矩阵建立双种群粒子群训练集通过所述双种群粒子群训练集优化支持向量机中央空调负荷预测模型,所述双种群粒子群采用具有局部寻优和全局寻优的双种群粒子群优化算法,以及采用双种群协同进化策略和反正切调整策略动态调整加速因子,用于提高算法的寻优性能,计算得到所述支持向量机中央空调负荷预测模型的最佳性能参数组合粒子;
S4,定义当前Tm时刻干球温度、Tm时刻相对湿度、Tm时刻水平面太阳总辐射、Tm时刻入住率、(Tm-1)时刻入住率、(Tm-24)时刻入住率、(Tm-1)时刻空调负荷以及(Tm-24)时刻空调负荷为输入向量利用所述最佳性能参数组合粒子优化后的支持向量机中央空调负荷预测模型预测所述输出变量
S5,以中央空调系统Tm时刻能耗Es为最优化目标,以Tm时刻干球温度、Tm时刻相对湿度以及Tm时刻空调负荷作为求解条件,求解得到空调系统实时能耗最小值min(Es)以及对应的全局优化系统运行工况参数组合;
S3所述的支持向量机中央空调负荷预测模型的最佳性能参数组合粒子具体计算方法如下:
S31,初始化性能参数组合粒子(C,σ,ε),其中,C为惩罚参数,σ为核函数参数,ε为损失函数参数;初始化惯性权重ω、加速因子、种群数量以及最大迭代次数;
S33,根据所述双种群协同进化策略和反正切动态调整策略对位置和速度进行更新;
S34,再次使用支持向量机对所述归一化处理后的所述样本空间记录特征矩阵进行回归训练,得出每个粒子的适应度值,将每个粒子的当前位置及种群中所有粒子所经历的最好位置进行比较,若每个所述粒子的当前位置相对于所述经历的最好位置更优,则将其设置为当前最优位置值,否则保持原有最优位置值;
S35,返回S33,当所述当前最优位置值满足所述最大迭代次数或达到预设的误差范围,输出当前所述支持向量机的最佳性能参数组合粒子(C*,σ*,ε*);
S33所述双种群协同进化策略和反正切动态调整策略对位置和速度进行更新的方法如下:
定义性能参数组合粒子由i个粒子组成,分为:负责局部寻优群体Q1和负责全局寻优群体Q2,
所述负责局部寻优群体Q1采用快速收敛进化方程:Q1:vij(t+1)=ω×vij(t)+c1×rand()×[pij(t)-xij(t)]+c2×rand()×[pgj(t)-xij(t)] (2)
式中:vij(t)为粒子在搜索空间的速度;ω为惯性权重,取0.3;c1和c2为加速因子;rand()为区间[0,1]中分布均匀的任意数;pij(t)为当前粒子本身飞行过的最优位置;pgj(t)为粒子所对应的整个种群的最优位置;xij(t)为粒子在搜索空间的位置;t,当前迭代次数;i,第i个粒子;j,第i个维度;
所述负责全局寻优群体Q2采用全局搜索进化方程:
式中:tmax为最大迭代次数;
利用反正切函数动态调整c1和c2的策略,更好平衡全局和局部搜索,分别为:
式中:c1s为c1初始值;c1e为c1终值;c2s为c2初始值;c2e为c2终值;e为调节系数,取0~10。
4.根据权利要求3所述的动态预测性机器学习型空调节能控制方法,其特征在于,S5中所述的中央空调系统Tm时刻能耗Es的求解步骤如下:
S51,建立中央空调系统关键部件能量模型,所述中央空调系统关键部件能量模型的特征变量包括制冷机组、冷冻水泵、风机以及冷却塔换热;
S52,设定制冷机组的蒸发温度和冷凝温度、冷冻水泵的最大流量和最小流量、冷却水泵的最大流量和最小流量,以及冷却塔的最大风量和最小风量的边界条件和保护值;
S53,构造拉格朗日函数:
g(te,Gep,Gcp,Gta,λ,η)=f(te,Gep,Gcp,Gta)+λ(te,Gep,Gcp,Gta,λ,η) (5)
式中:g(te,Gep,Gcp,Gta,λ,η)为拉格朗日量;λ为拉格朗日乘子;η为松弛变量;
S54,对拉格朗日函数中的变量:te,Gep,Gcp,Gta,λ,η,分别求偏导数,并令偏导函数的结果为0,得到一个方程组;
S55,求解所述方程组得到Tm时刻空调系统实时能耗最小值min(Es),及其对应的全局优化系统运行工况参数组合(te,Gep,Gcp,Gta),其中,te为制冷机组蒸发温度,Gep为冷冻水泵流量,Gcp为冷却水泵流量,Gta为冷却塔风机风量。
5.根据权利要求1所述的动态预测性机器学习型空调节能控制方法,其特征在于,根据所述全局优化系统运行工况参数组合调节中央空调系统运行参数。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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