CN112052997B - 一种变风量空调系统事件触发预测控制方法 - Google Patents
一种变风量空调系统事件触发预测控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种变风量空调系统事件触发预测控制方法,包括以下步骤:1)基于状态空间构建变风量空调系统模型;2)构建变风量空调系统模型的预测算法,再通过变风量空调系统模型与该预测算法共同构成闭环控制,然后根据预测算法进行预测;3)计算最大输出斜率和最大输入斜率,将最大输出斜率和最大输入斜率与设定值相比较,并根据比较结果判断是否对预测算法在线进行更新,当需要对预测算法进行更新时,则对预测算法进行在线更新,当不需要对预测算法进行更新时,则采用上一时刻的预测算法,该系统能够满足空调系统的节能目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种触发预测控制方法,具体涉及一种变风量空调系统事件触发预测控制方法。
背景技术
新时代,随着物联网,云计算,大数据,移动互联网,人工智能,IPv6等新技术的广泛使用,人们不仅要求建筑环境是智能的,而且是节能,环保,生态和健康的。智能建筑是信息时代的必然产物,随着科学技术的发展,建筑智能的水平正在逐步提高。随着智能建筑行业的飞速发展,自动化建筑系统将逐步建立起更加科学,经济,合理的控制管理体系,不仅提高了建筑的功能水平,而且还达到了节约建筑的目的。
变风量(VAV)空调系统的节能率、灵活性要远优于其他类型中央空调系统,已渐渐成为中央空调设计者的主流研究方向。变风量空调系统的各个输入输出之间具有很强的耦合性,多个回路之间会相互产生影响,整个系统有着较差可靠性,导致各控制器件处于不断调节中甚至不能正常地运行。不仅增加了无效能耗,还增加执行器磨损导致其使用寿命下降,加大了使用成本与管理难度。模型预测控制是解决多变量耦合系统的有效方法之一,由此采用模型预测控制的方法。
智能建筑中的节能是智能建筑的目标,通过节能管理降低运营和建筑物管理成本是高效节能以及智能建筑的高盈利能力的具体体现。通常,建筑物的节能内容和目标包括建筑设计,空调系统,照明和设备。对于智能建筑节能,不只是使用传统建筑中的节能方法,更重要的是,用高科技手段从而实现更精确的调节和控制。当人们在享受着空调技术给生产和生活带来方便和舒适的同时,也在思考如何减少空调系统所需消耗的能量。目前,建筑物都开始装备中央空调系统,在改善人们生活、工作环境的同时也消耗了巨大的能源。我国民用建筑中,暖通空调系统能耗占建筑总能耗50%左右。随着人们工作生活水平的不断提高,建筑物的能耗也越来越大。一般办公楼的能耗分布为,空调占整个办公楼能耗的50%,其中冷热源使用能量40%,输送系统占60%。因此,智能建筑的节能首先考虑的是空调系统的节能。从节电和提高用户舒适度的角度来看,智能空调的研究程度非常重要。
综上,亟需对变风量空调系统预测控制进行算法设计,以达到节能目的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供了一种变风量空调系统事件触发预测控制方法,该系统能够满足空调系统的节能目的。
为达到上述目的,本发明所述的变风量空调系统事件触发预测控制方法包括以下步骤:
1)基于状态空间构建变风量空调系统模型;
2)构建变风量空调系统模型的预测算法,再通过变风量空调系统模型与该预测算法共同构成闭环控制,然后根据预测算法进行预测;
3)计算最大输出斜率和最大输入斜率,将最大输出斜率和最大输入斜率与设定值相比较,并根据比较结果判断是否对预测算法在线进行更新,当需要对预测算法进行更新时,则对预测算法进行在线更新,当不需要对预测算法进行更新时,则采用上一时刻的预测算法。
变风量空调系统模型的预测算法具体为:
变风量空调系统模型为:
y(s)=G(s)u(s);
其中,y(s)为模型的输出,u(s)为模型的输入,G(s)为模型的传递函数;
系统状态空间为:
Δx(k+1)=AΔx(k)+BuΔu(k)+BdΔd(k)
yc(k)=CcΔx(k)+yc(k-1)
则预测控制优化问题为:
Δx(k+i+1)=AΔx(k+i|k)+BuΔu(k+i|k)+BdΔd(k+i)
Δx(k|k)=Δx(k)
yc(k+i|k)=CcΔx(k+i|k)+yc(k+i|k)
yc(k|k)=yc(k),i=0,1,…,p
其中,(k+i|k)表示当前k时刻对k+i时刻的预测值,umin(k)为系统控制量的最小值,umax(k)为系统控制量的最大值,Δumin(k)为系统控制增量的最小值,Δumax(k)为系统控制增量的最大值,ymin(k)系统输出的最小值,ymax(k)为系统输出的最大值;
将通过求解优化问题所获得的将控制量u(k)=u(k-1)+Δu(k)作用于系统;
在下一个采样时刻,利用新的测量值更新QP问题,然后求解QP函数。
步骤3)中最大输出斜率的数学表达式为:
最大输入斜率的数学表达式为:
最大输出斜率变化率的数学表达式为:
最大输入斜率变化率的数学表达式为:
本发明具有以下有益效果:
本发明所述的变风量空调系统事件触发预测控制方法在具体操作时,在变风量控制系统和预测控制器构成的闭环控制中加入事件触发机制,在每个采样时刻通过最新得到的测量值刷新优化问题并求解刷新后的优化问题,使其并不是在每个采样时刻都进行优化问题的求解,从而有效降低预测控制在线求解优化问题的次数,大幅度地降低能耗,在实际应用中,能够有效地降低空调系统的能耗,设计简单,易于操作。
附图说明
图1为基于最大输出斜率/变化率的闭环控制系统流程图;
图2为基于最大输入斜率/变化率的闭环控制系统流程图;
图3为空调系统闭环示意图;
图4为触发机制示意图;
图5为触发示意图;
图6为输出性能对比图;
图7为基于最大输出斜率的触发效果图;
图8为基于最大输出斜率变化率的触发效果图;
图9为输入特性对比图;
图10为基于最大输入斜率的触发效果图;
图11为基于最大输入斜率变化率的触发效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
参考图1及图2,本发明所述的变风量空调系统事件触发预测控制方法包括以下步骤:
1)基于状态空间构建变风量空调系统模型;
2)构建变风量空调系统模型的预测算法,再通过变风量空调系统模型与该预测算法共同构成闭环控制,然后根据预测算法进行预测;
3)计算最大输出斜率和最大输入斜率,将最大输出斜率和最大输入斜率与设定值相比较,并根据比较结果判断是否对预测算法在线进行更新,当需要对预测算法进行更新时,则对预测算法进行在线更新,当不需要对预测算法进行更新时,则采用上一时刻的预测算法。
变风量空调系统模型的预测算法具体为:
变风量空调系统模型为:
y(s)=G(s)u(s);
其中,y(s)为模型的输出,u(s)为模型的输入,G(s)为模型的传递函数;
系统状态空间为:
Δx(k+1)=AΔx(k)+BuΔu(k)+BdΔd(k)
yc(k)=CcΔx(k)+yc(k-1)
则预测控制优化问题为:
Δx(k+i+1)=AΔx(k+i|k)+BuΔu(k+i|k)+BdΔd(k+i)
Δx(k|k)=Δx(k)
yc(k+i|k)=CcΔx(k+i|k)+yc(k+i|k)
yc(k|k)=yc(k),i=0,1,…,p
其中,(k+i|k)表示当前k时刻对k+i时刻的预测值,umin(k)为系统控制量的最小值,umax(k)为系统控制量的最大值,Δumin(k)为系统控制增量的最小值,Δumax(k)为系统控制增量的最大值,ymin(k)系统输出的最小值,ymax(k)为系统输出的最大值;
将通过求解优化问题所获得的将控制量u(k)=u(k-1)+Δu(k)作用于系统;
在下一个采样时刻,利用新的测量值更新QP问题,然后求解QP函数。
步骤3)中最大输出斜率的数学表达式为:
最大输入斜率的数学表达式为:
最大输出斜率变化率的数学表达式为:
最大输入斜率变化率的数学表达式为:
通过计算最大输出斜率/最大输入斜率以及最大输出斜率变化率/最大输入斜率变化率,将其与设定值相比较,判断控制器是否在线进行求解优化问题,不仅可以减少预测控制器求解优化问题的次数,而且可以在满足空调系统性能的前提下,大大降低能源的消耗。
实施例一
变风量空调数学建模
根据系统的机理和输入输出变量之间的阶跃确定系统的内部模型及系统的约束,以确定系统的控制模型,考虑到系统的动力学特征和执行器的动力学行为,建立初步模型为:
变风量空调系统参考轨迹
预测控制的目就是让系统的输出变量沿着一条事先规定的曲线逐渐到达设定的值,在变风量空调系统中选取了一个2×2的模型,输出为:供风温度及静压点静压;输入为:房间送风量及新风量。对于变风量空调系统来说,夏季风口的供风温度一般为14~16℃,而静压工作点的静压为585Pa左右,根据上述选定参考轨迹为:
yref=[15 585]
变风量空调系统二次型性能指标的加权矩阵
输出与参考轨迹误差的处罚是由W加权矩阵设置的,W越大,则表示可以使输出的值与其参考值的误差越小。在实际应用中,空调系统的静压点静压比送风温度的控制要求要低,因此可以将加权矩阵设置为:
加权矩阵Q设置了MPC控制器控制效果的处罚,Q越大,则可以使输出与参考轨迹与输出误差变的越缓慢。考虑到W与Q的大小有着相对应的意义,同时变风量空调系统的能耗主要来自冷冻水流量和风机转速,所以对他们的使用应该加大处罚,则加权矩阵设置为:
加权矩阵R设置了输入与参考轨迹误差的处罚,R越大,可以使输入与其参考值的误差越小,则加权矩阵R为:
变风量空调系统的预测步长与控制步长
采样周期TS、控制时域m及预测时域p能够保证在每个采样间隔内有充足的时间来求解最优化问题,在本次设计中取Ts=10s,n=15,控制时域m=3,预测时域m=15。
在变风量空调系统中,当输出y的变化值不大时,则意味着系统趋于稳定,相对应的u的变化也不大,这时就可以不用重新求解QP函数。当y的变化量一旦大于给定的值时,则说明原求解的值已经不满足要求了,必须重新求解,以达到节能的目的。
分别采用基于最大输出/输入斜率以及基于最大输出/输入斜率变化率的触发机制。
基于最大输出斜率的数学表达式为:
基于最大输入斜率的数学表达式为:
基于最大输出斜率变化率的数学表达式为:
基于最大输入斜率变化率的数学表达式为:
如图6所示实线表示基于最大输出斜率的触发方式,虚线表示基于最大输出斜率变化率触发方式,点画线是不加触发条件即每个采样时刻都在线求解QP问题。
图7及图8为触发效果图,显然在加入事件触发机制后,预测控制器求解优化问题的次数大幅减少。图7表示的是采用基于最大输出斜率的触发方式,其原先触发次数为150次,再加入事件触发机制后触发次数减少到了15次,降低了90%。图8表示的是基于最大输出斜率的触发方式,其原先触发次数为150次,再加入时间触发机制后触发次数减少到了69次,降低了54%。
如图9所示实线表示基于最大输入斜率的触发方式,虚线表示基于最大输入斜率变化率触发方式,点画线是不加触发条件即每个采样时刻都在线求解QP问题。
图10表示的是基于最大输入斜率变化率的触发方式,其原先触发次数为150次,再加入时间触发机制后触发次数减少到了14,降低了91%。图11表示的是基于最大输入斜率变化率的触发方式,其原先触发次数为150次,再加入时间触发机制后触发次数减少到了87,降低了42%。在实际生活中,空调系统的耗能大幅下降,实现节能减排的目的。
从上述仿真结果图中显然可以看出,再加入事件触发机制后,明显减少了预测控制器求解优化问题的次数,并且变风量空调系统依旧可以达到性能要求。对比以上两种触发方式。在实际应用中,这两种触发方式对多变量空调系统而言,可以达到节能环保效果。
Claims (1)
1.一种变风量空调系统事件触发预测控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)基于状态空间构建变风量空调系统模型;
2)构建变风量空调系统模型的预测算法,再通过变风量空调系统模型与该预测算法共同构成闭环控制,然后根据预测算法进行预测;
3)计算最大输出斜率和最大输入斜率,将最大输出斜率和最大输入斜率与设定值相比较,并根据比较结果判断是否对预测算法在线进行更新,当需要对预测算法进行更新时,则对预测算法进行在线更新,当不需要对预测算法进行更新时,则采用上一时刻的预测算法;
变风量空调系统模型的预测算法具体为:
变风量空调系统模型为:
y(s)=G(s)u(s);
其中,y(s)为模型的输出,u(s)为模型的输入,G(s)为模型的传递函数;
系统状态空间为:
Δx(k+1)=AΔx(k)+BuΔu(k)+BdΔd(k)
yc(k)=CcΔx(k)+yc(k-1)
则预测控制优化问题为:
Δx(k+i+1)=AΔx(k+i|k)+B6Δu(k+i|k)+BdΔd(k+i)
Δx(k|k)=Δx(k)
yc(k+i|k)=CcΔx(k+i|k)+yc(k+i|k)
yc(k|k)=yc(k),i=0,1,…,p
其中,(k+i|k)表示当前k时刻对k+i时刻的预测值,umin(k)为系统控制量的最小值,umax(k)为系统控制量的最大值,Δumin(k)为系统控制增量的最小值,Δumax(k)为系统控制增量的最大值,ymin(k)系统输出的最小值,ymax(k)为系统输出的最大值;
将通过求解优化问题所获得的将控制量u(k)=u(k-1)+Δu(k)作用于系统;
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