CN112229023A - 基于有限状态机的空调系统控制策略数学描述方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于有限状态机的空调系统控制策略数学描述方法，该方法综合考虑了暖通空调系统运行控制的特点，系统地提出一种包括：定义系统状态，定义状态转移条件，定义状态对应输出动作，定义状态转换的映射关系四个步骤的建立空调系统控制策略的标准化数学描述方法。本发明依靠改进的数据结构与状态转换算法，给出了完整、系统、标准化的控制策略数学描述及建模表达的编写步骤，具备一定的可应用性和拓展性，填补了该领域中的技术方案空白，为暖通空调设备控制策略仿真和编写实现软件开发奠定了良好的数学模型基础。

Description

基于有限状态机的空调系统控制策略数学描述方法

技术领域

本发明属于暖通空调技术领域，特别是涉及中央空调设备及系统控制策略标准化数学描述方法，可为暖通空调系统控制策略编译软件及仿真软件开发提供一种数学模型基础。

背景技术

从本质上来说，控制策略是人们基于先验的专家知识通过预先制定的逻辑规则来保证机械设备按照既定的方式进行运行。从语言的角度来看，控制策略是一种人们通过预先制定的逻辑化语言，其包括规定机械设备运行参数的数值型语义及规定机械设备运行方法的逻辑型语义。为了实现机器层面的识别及读取，需要将这种逻辑化语言通过一定的方式进行数学化描述表达从而将其转化为数学语言，这个转化过程是在机器层面实现智能化分析及自动化处理的必然前提。

中央空调系统作为建筑机电系统中较为重要的部分，其能耗在整个建筑能耗中占据较大的比例，其中由于系统运行控制水平较低往往产生了不舒适的室内环境及不必要的能源浪费。因此，针对建筑中央空调系统运行控制优化的研究工作显得格外重要，这些研究工作迫切需求一种标准化、系统性的面向建筑空调系统控制策略的数学描述方法及建模方法，从而为实现建筑空调系统的运行控制计算机仿真及自动化分析计算奠定模型方法基础。

考虑到空调系统的控制策略往往侧重于上层全局性运行调度并不过分强调局部控制算法的作用，例如制定设备的启停时间及方式、确定设备主要运行参数及设定值等。此类策略往往具有形式不固定、变化多样的特点。另一方面，空调设备之间的控制具有较强的关联性，因此面向具体单个设备的控制策略描述方法无法适用于暖通空调系统，目前仍缺少针对此类设备控制方法的标准化描述及建模方法研究。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，在充分考虑空调系统的运行控制特点的基础上，提供一种基于有限状态机的空调系统控制策略数学描述方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于有限状态机的空调系统控制策略数学描述方法，具体包括以下步骤；

(1)定义所有的空调设备所存在的运行工作状态；通过归纳所要描述的控制策略中的不同设备的运行工况，构造多元集合S如下式，以定义状态集合S中每一个元素所对应的实际设备工作状态：

S＝(S₁,S₂,S₃......S_n)

(2)定义上述不同运行工作状态之间的转移条件；通过构造条件集合I，即不同运行工作状态之间转移的输入条件集合，通过实际检测到的变量取值与原始设定值比较，将比较结果用以描述设备运行工况发生变化的判断条件；

(3)定义待描述控制策略中设备在不同的工作状态下，对应设备的调节动作手段；此处构造P为动作集合，见下式：

其中集合P中的每一个向量

对应每个状态下的输出动作，用以描述控制策略中所定义的设备在相应的运行工况下所对应的调节动作，定义输出向量

如下式：

其中，V为阀门开度值，用下角标0和1之间数字表示阀门具体开度大小，其中0和1分别表示阀门全闭、全开；Dev为设备启停状态，分别用0或1来表示对应设备的启停；向量中的Freq为变频设备工作频率，用实际的数值表示当前变频器执行频率数值；

(4)在步骤(1)、(2)、(3)的基础上，定义状态集合S中不同状态之间的状态转移关系；引入F为描述状态转移规则的映射，即从源状态S_n在对应的判断条件下转换到下一个状态S_n+1的过程，该映射规则的定义域为：S_n×I即状态集合S与输入条件集合I的直积形式；值域为S_n+1×P，即输出状态集合S与输出动作集合P的直积形式；即：状态集合S＝(S₁,S2......S_n)，条件集合

动作集合

映射F：S_n×I→S_n+1×P。

进一步的，步骤(2)具体步骤如下：

(201)构造两个相关参数向量用以储存控制策略中的实际采样值与设定值这两类数值型数据，包括设备的启停时间及方式、设备主要运行参数温度、压差。如下：

其中，向量

中，t₁表示实际温度值、Δp₁表示实际压差、time表示当前实际时间，即向量

存储被控参数实际采样值；t_1-low-set、t_1-high-set分别表示温度设定值的上下限值；Δp_1-low-set、Δp_1-high-set分别表示压差设定值的上下限值；schdule_low、schdule_up分别表示时间作息区间的上下限值；即向量

存储控制策略中被控参数的设定区间，若设定值不为区间设置，则上下限取值相同；

基于上述设定值及实际采样值的比较即向量

和

之间的比较，确定设备运行工况变化的判断条件，构造输入集合

描述这些判断条件，其中

见下式：

t₁＞t_1-high-set

t_1-low-set＜t₁＜t_1-high-set

t₁＜t_1-low-set。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明考虑了暖通空调系统的实际特点和需求，创新性地提出面向空调系统控制策略标准化数学描述方法，并且依靠改进的数据结构与状态转换算法，给出了完整、系统、标准化的控制策略数学描述及建模表达的编写步骤，填补了该领域中的技术方案空白。本方法系统性地包括了定义系统状态、定义状态转移条件、定义状态对应输出动作、定义状态转换的映射关系四个步骤，逻辑清晰结构完整，解决了传统空调系统控制策略往往侧重于上层全局性运行调度而不过分强调局部控制算法的缺陷，形式标准统一，面面俱到。对于空调设备之间的控制具有较强的关联性，面向具体单个设备的控制策略描述方法无法适用于暖通空调系统的问题，本发明构造了不同运行工作状态之间的转移条件集合和不同状态之间的状态转移关系集合，形成了系统、标准化的空调系统控制策略数学描述方法。

2.本发明所提出的方法逻辑结构清晰，由规则的结构方式取代原来的只能通过诸多繁琐标志变量结合逻辑语言的方式进而描述控制策略。过去一般的控制策略由以各种设备的运行参数为主的数值部分和以各种设备之间相互关联的运行关系为主的逻辑部分组成，大量的设备参数和运行逻辑使得策略冗杂而缺乏条理。本发明在步骤1中将设备的运行工作状态构造为集合S，在步骤2中将不同运行工作状态之间的转移条件构造为集合I，使得本发明的模型结构更为简化且更加标准化，因此具有更好的扩展性。以本发明为基础，可以根据具体问题对本方法做出很多形式的具体变换，如步骤3中设备在不同工作状态下对应的调节动作手段，可以结合实际工程，包括但不限于阀门开度、设备启停等，作为动作集合中的子向量进行运算。本发明为相应暖通空调系统运行控制模块的软件开发奠定了模型与算法基础。

附图说明

图1是本发明的整体技术路线图。

图2是具体应用案例中暖通空调系统示意图。

图3是映射关系F的规则示意图。

图4是具体应用案例中运行控制策略的状态转移示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一种基于有限状态机的空调系统控制策略标准化数学描述方法，整体技术路线如图1所示。下面基于本发明方法对一个实际建筑暖通空调系统控制策略建立数学描述设计，分析其描述过程及数学模型实现原理：设计一个实际暖通机电系统如图2所示，其冬季能源来源包括太阳能热水集热器及地源热泵机组两种方式。针对此类多热源耦合系统，全面而准确的描述其控制策略对实际系统能耗结果分析研究的准确性具有重要意义。其中V_3～V₁₅表示3#阀门至15#阀门；3#表示3#水泵；4#表示4#水泵；P₃,P₄,P_9～P₁₂表示压力表；

此外给出该系统实际控制策略逻辑语言表达如下表所示：

对本实施例中上述控制策略建立数学描述模型，按照本发明中的步骤：

1.首先通过对该系统中不同设备每一种运行工况进行归纳定义，构造七元状态集合S如下式：

S＝(S₁,S₂,S₃,S₄,S₅,S₆,S₇)

其中，S₁表示太阳能高水温状态；S₂表示太阳能热水进热泵机组额定负荷工况；S₃表示太阳能低水温、热泵机组额定负荷运行工况；S₄表示太阳能热水进热泵机组满负荷运行工况；S₅表示太阳能热水进热泵机组低负荷运行工况；S₆表示太阳能低水温、热泵机组满负荷运行工况；S₇表示太阳能低水温、热泵机组低负荷运行工况。

2.在步骤1的基础上，定义输入条件集合I如下式：

I＝(I₁,I₂,I₃,I₄,I₅,I₆)

构造数值型向量

用来储存控制策略中的实际采样值与设定值。其中，对于太阳能水温设定值设定其区间范围因此分别定义其上下限温度设定t_{solar-low-set}，t_{solar-high-set}；通过向量

和

比较，分别定义输入集合I中每一元素的含义：

t_solar＞t_{solar-high-set}

t_{solar-low-set}＜t_solar＜t_{solar-high-set}

t_solar＜t_{solar-high-set}

t_h＜t_h-set

t_h＞t_h-set

t_h＝t_h-set

3.定义输出动作集合P如下式：

其中集合P中元素为向量

其中，V₃-V₁₅分别用1，0表示3#阀门-15#阀门的开闭状态；Dev-pu,Dev-ch分别以1，0表示4#水泵及热泵机组的启停状态；Freq用实际的数值表示4#水泵变频器执行频率数值。因此，该系统控制策略的动作集合

中每一项向量的取值如下表所示：

4.在步骤123的基础上，构造映射F。映射关系F的规则如图3所示。为了更清晰的表述本实例中映射F状态变化过程，附上该映射对应的状态转移图如图4所示。

F:S_n×I→S_n+1×P

通过上述步骤，按照本发明实现对具体案例中的暖通空调系统控制策略建立数学化语言描述，在本发明的基础上，对暖通空调系统运行控制仿真软件及控制策略开发软件的开发奠定了模型与算法基础。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于有限状态机的空调系统控制策略数学描述方法，其特征在于，具体包括以下步骤；

(1)定义所有的空调设备所存在的运行工作状态；通过归纳所要描述的控制策略中的不同设备的运行工况，构造多元集合S如下式，以定义状态集合S中每一个元素所对应的实际设备工作状态：

S＝(S₁,S₂,S₃......S_n)

(2)定义上述不同运行工作状态之间的转移条件；通过构造条件集合I，即不同运行工作状态之间转移的输入条件集合，通过实际检测到的变量取值与原始设定值比较，将比较结果用以描述设备运行工况发生变化的判断条件；

(3)定义待描述控制策略中设备在不同的工作状态下，对应设备的调节动作手段；此处构造P为动作集合，见下式：

其中集合P中的每一个向量

对应每个状态下的输出动作，用以描述控制策略中所定义的设备在相应的运行工况下所对应的调节动作，定义输出向量

如下式：

其中，V为阀门开度值，用下角标0和1之间数字表示阀门具体开度大小，其中0和1分别表示阀门全闭、全开；Dev为设备启停状态，分别用0或1来表示对应设备的启停；向量中的Freq为变频设备工作频率，用实际的数值表示当前变频器执行频率数值；

(4)在步骤(1)、(2)、(3)的基础上，定义状态集合S中不同状态之间的状态转移关系；引入F为描述状态转移规则的映射，即从源状态S_n在对应的判断条件下转换到下一个状态S_n+1的过程，该映射规则的定义域为：S_n×I即状态集合S与输入条件集合I的直积形式；值域为S_n+1×P，即输出状态集合S与输出动作集合P的直积形式；即：状态集合S＝(S₁,S₂......S_n)，条件集合

动作集合

映射F：S_n×I→S_n+1×P。

2.根据权利要求1所述基于有限状态机的空调系统控制策略数学描述方法，其特征在于，步骤(2)具体步骤如下：

(201)构造两个相关参数向量用以储存控制策略中的实际采样值与设定值这两类数值型数据，包括设备的启停时间及方式、设备主要运行参数温度、压差。如下：

其中，向量

中，t₁表示实际温度值、Δp₁表示实际压差、time表示当前实际时间，即向量

存储被控参数实际采样值；t_1-low-set、t_1-high-set分别表示温度设定值的上下限值；Δp_1-low-set、Δp_1-high-set分别表示压差设定值的上下限值；schdule_low、schdule_up分别表示时间作息区间的上下限值；即向量

存储控制策略中被控参数的设定区间，若设定值不为区间设置，则上下限取值相同；

基于上述设定值及实际采样值的比较即向量

和

之间的比较，确定设备运行工况变化的判断条件，构造输入集合

描述这些判断条件，其中

见下式：

t₁＞t_1-high-set

t_1-low-set＜t₁＜t_1-high-set

t₁＜t_1-low-set。

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