CN113028613B - 基于快速admm的变风量系统分布式优化控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于快速ADMM的变风量系统分布式优化控制方法,解决了传统变风量空调系统分布式优化控制方法收敛速度慢、通信量需求高的问题。该方法使用快速交替方向乘子法将变风量空调系统优化控制任务总优化问题分解为若干个子问题,通过为变风量空调系统中的空调箱和与其连接的各变风量末端设置对应的智能体实现对子问题的并行求解,智能体之间交互信息进行迭代计算,最终得到最优的控制策略。该方法引入迭代加速技术,并将系统优化目标构建为一类共享问题进行求解,一方面提高了算法的收敛速度,另一方面降低了单次迭代计算中的通信量需求,具有较高的控制效率。
Description
技术领域
本发明涉及建筑节能和智能建筑控制技术领域,特别是涉及一种基于快速 ADMM的变风量系统分布式优化控制方法。
背景技术
在多数大型公共建筑中,通常使用变风量系统(Variable air volume,VAV) 来动态地改变各个末端的送风量,以满足末端个性化负荷变化的需求。VAV系统能耗在建筑总能耗占有相当大的比重。对VAV系统进行优化控制,在满足各末端负荷需求的前提下降低系统运行能耗,对实现建筑节能具有十分重要的意义。
目前,VAV系统优化控制方法可以分为集中式控制和分布式控制。分布式控制方法具有高灵活性、高扩展性和高控制效率等特点,近年来已成为VAV系统优化控制领域研究的热点。现有的分布式控制方法往往采用交替方向乘子法等分布式优化算法对优化目标进行分解,通过局部计算、信息交互和迭代计算实现问题的求解。这类算法的收敛速度低,往往需要数十次甚至上百次才能实现收敛,难以满足实际运行中实时控制的需求。同时,这类算法在单次迭代计算中所需的通信量较大,会增大信息传输的压力。在此背景下,研究如何提高VAV系统分布式优化算法的收敛速度并降低其单次迭代计算通信量,使其能够更加适用于实际运行的实时控制、实时传输需求具有重大的意义。
发明内容
本发明旨在克服现有变风量空调系统分布式优化控制技术的不足,提出一种基于快速ADMM(交替方向乘子法)的变风量系统分布式优化控制方法。该方法使用快速交替方向乘子法将变风量空调系统总的优化控制任务分解为若干个子问题的求解和对偶变量的更新,通过为变风量空调系统中的空调箱和与其连接的各变风量末端设置对应的智能体实现上述功能。该方法通过“共享问题”的思想对每个子问题和对偶变量进行求解和更新,减少了单次迭代计算的通信量需求。该方法使用迭代加速技术,加快对偶变量和优化变量的寻优速度,减少算法的迭代次数。本发明所提出的基于快速ADMM的变风量系统分布式优化控制方法从时间和空间两个角度对分布式算法性能进行了提升,单次迭代计算时间短,算法收敛速度快,通信量要求低,具有较强的实时控制能力。
本发明采用以下技术方案:
一种基于快速ADMM的变风量系统分布式优化控制方法,其步骤如下:
S1:对于变风量空调系统中的空调箱和每个并联的变风量末端,分别设置一个对应的智能体;
S2:设置初始参数,具体步骤如S2-1~S2-4:
S2-2:设置优化控制间隔T;
S2-3:设置单次控制方案寻优的最大迭代次数Kmax;
α1=1,j=1
S3:发布变风量空调系统优化控制任务,设置总优化目标如下:
其中,N为变风量末端的数量,ω为权重因子;P(·)为空调箱的功率,由空调箱送风量QAHU确定;Ci(·)为第i个房间的舒适度,由对应的第i个变风量末端送风量Qi确定;s.t.式注明了该优化问题的约束条件;
S4:使用交叉方向乘子法将变风量空调系统优化控制任务总优化问题分解为若干个子问题,通过空调箱智能体和变风量末端智能体对子问题进行求解,通过智能体之间的信息交互进行迭代计算,实现分布式优化控制;
S5:当优化变风量空调系统优化控制任务发布的时间间隔达到T时,重复S2-S4步骤。
进一步的,所述S4的具体实现步骤为:
S4-2:设置迭代次数k=0;
S4-5:判断空调箱智能体判断算法的收敛条件是否满足;如满足,本次分布式优化控制任务结束;如不满足,则计算变风量末端送风量的平均值根据下式更新对偶变量λk+1及其加速值λ′k+1,并将上述值发送回所有变风量末端智能体;之后,设置迭代次数k数值增加1,转至S4-3;
进一步的,初始参数设置为上一次优化控制任务中分布式优化算法计算得到的对应参数迭代终值。
进一步的,优化控制间隔T根据传感器数据采样间隔确定。
进一步的,空调箱智能体判断收敛的条件为下述三式同时满足或迭代次数k 达到最大迭代次数Kmax。
其中,σ1,σ2,σ3为阈值。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
(1)本发明所提出的基于快速交替方向乘子法的分布式优化控制方法引入“共享问题”的求解思想,空调箱智能体只需传递变风量末端送风量的均值,无需传递各个变风量末端送风量的值,减少了智能体之间的通信量,降低了算法所需的内存。
(2)本发明提出的基于快速交替方向乘子法的分布式优化控制方法引入迭代加速技术,在传统的交替方向乘子法单次迭代计算后加入了对优化变量和对偶变量加速项的计算,增强了算法的寻优能力,明显提升算法收敛速率,减少迭代次数。
(3)本发明所提出的基于快速交替方向乘子法的分布式优化控制方法具有较好的灵活性和可扩展性。一方面,智能体通过通信实现连接,即插即用,避免了繁复的现场调试配置环节。另一方面,在建筑改建和扩建时只需要有针对性地对特定智能体内的控制逻辑进行重新编辑,而无需对整个控制软件进行重新编制升级。
附图说明
图1为本发明实施例中的变风量空调系统示意图;
图2为本发明实施例中智能体间的通信过程;
图3为本发明实施例中快速交叉方向乘子法的计算流程图;
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐释和说明。
在本发明的一个较佳实施例中,提供了一种基于快速ADMM(交替方向乘子法)的变风量空调系统分布式优化控制方法,包括以下步骤:
S1:对于变风量空调系统中的空调箱和每个并联的变风量末端,分别设置一个对应的智能体。如图1所示,在本实施例中,对于变风量空调系统中的1台空调箱和5台并联的变风量末端,分别设置一个对应的智能体,即分别设置1个空调箱智能体和5个变风量末端智能体。
本实施例中的智能体之间的通信过程如图2所示,本实施例中快速交叉方向乘子法的计算流程如图3所示,下面对该方法具体实现过程进行展开描述。
S2:设置初始参数,具体步骤如S2-1~S2-4:
S2-1:设置初始的空调箱送风量平均值及其加速值初始的变风量末端送风量平均值及其加速值初始的对偶变量λ0及其加速值λ′0。在本实施例中,这些初始参数可以设置为上一次优化控制任务中分布式优化算法计算得到的对应参数迭代终值。
S2-2:设置优化控制间隔T;优化控制间隔T可以根据传感器数据采样间隔确定。
S2-3:设置单次控制方案寻优的最大迭代次数Kmax;
α1=1,j=1
S3:发布变风量空调系统优化控制任务,设置总优化目标如下:
其中,N为变风量末端的数量,ω为权重因子;P(·)为空调箱的功率,由空调箱送风量QAHU确定;Ci(·)为第i个房间的舒适度,由对应的第i个变风量末端送风量Qi确定;s.t.式注明了该优化问题的约束条件。
S4:使用交叉方向乘子法将变风量空调系统优化控制任务总优化问题分解为若干个子问题,通过空调箱智能体和变风量末端智能体对子问题进行求解,通过智能体之间的信息交互进行迭代计算,实现分布式优化控制。
在本实施例中,S4的具体实现步骤为:
S4-2:设置迭代次数k=0;
S4-5:判断空调箱智能体判断算法的收敛条件是否满足;如满足,本次分布式优化控制任务结束;如不满足,则计算变风量末端送风量的平均值根据下式更新对偶变量λk+1及其加速值λ′k+1,并将上述值发送回所有变风量末端智能体;之后,设置迭代次数k数值增加1,转至S4-3;
另外,本实施例中空调箱智能体判断收敛的条件为下述三式同时满足或迭代次数k达到最大迭代次数Kmax。
其中,σ1,σ2,σ3为阈值。
S5:当优化变风量空调系统优化控制任务发布的时间间隔达到T时,重复 S2-S4步骤。
在上述实施例中,采用分布式计算的方法求解变风量空调系统最小化总能耗和最大化末端舒适度的多目标优化问题,以得到每个时刻下空调箱和与其对应的各个变风量末端的最优送风量,实现变风量空调系统综合总能耗最小、各末端舒适度最大的最优化运行。每个空调箱和变风量末端都分别对应一个智能体,能够根据自身条件的设置参与分布式计算,求解优化问题,实现分布式优化控制。
在上述实施例中,通过引入迭代加速技术,相比于传统的分布式算法,提升了算法的收敛速率,有效地减少了迭代次数,增加了该控制方法的实时控制能力。同时,该控制方法采用“共享问题”的求解思想,每轮迭代的过程中空调箱智能体只需要传递变风量末端送风量的均值,减少了每轮迭代中智能体之间所需的通信量,降低了通信成本,增加了控制方法的可靠性。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案,然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于快速ADMM的变风量系统分布式优化控制方法,其特征在于,步骤如下:
S1:对于变风量空调系统中的空调箱和每个并联的变风量末端,分别设置一个对应的智能体;
S2:设置初始参数,具体步骤如S2-1~S2-4:
S2-2:设置优化控制间隔T;
S2-3:设置单次控制方案寻优的最大迭代次数Kmax;
α1=1,j=1
S3:发布变风量空调系统优化控制任务,设置总优化目标如下:
其中,N为变风量末端的数量,ω为权重因子;P(·)为空调箱的功率,由空调箱送风量QAHU确定;Ci(·)为第i个房间的舒适度,由对应的第i个变风量末端送风量Qi确定;s.t.式注明了该优化问题的约束条件;
S4:使用交叉方向乘子法将变风量空调系统优化控制任务总优化问题分解为若干个子问题,通过空调箱智能体和变风量末端智能体对子问题进行求解,通过智能体之间的信息交互进行迭代计算,实现分布式优化控制;
S5:当优化变风量空调系统优化控制任务发布的时间间隔达到T时,重复S2-S4步骤。
2.如权利要求1所述的基于快速ADMM的变风量系统分布式优化控制方法,其特征在于:所述S4的具体实现步骤为:
S4-2:设置迭代次数k=0;
S4-5:判断空调箱智能体判断算法的收敛条件是否满足;如满足,本次分布式优化控制任务结束;如不满足,则计算变风量末端送风量的平均值根据下式更新对偶变量λk+1及其加速值λ′k+1,并将上述值发送回所有变风量末端智能体;之后,设置迭代次数k数值增加1,转至S4-3;
3.如权利要求1所述的基于快速ADMM的变风量系统分布式优化控制方法,其特征在于:初始参数设置为上一次优化控制任务中分布式优化算法计算得到的对应参数迭代终值。
4.如权利要求1所述的基于快速ADMM的变风量系统分布式优化控制方法,其特征在于:优化控制间隔T根据传感器数据采样间隔确定。
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