CN114265306A - 海洋平台通风系统在线风平衡控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海洋平台通风系统在线风平衡控制方法和控制系统。该方法通过设置每个舱室出风口的目标出风量，采集每个舱室出风口的实时出风量，计算每个出风口实际出风量与目标出风量的比值r_x；并将各比值调节至一致r^*；再根据r^*调节总风机转速，进而使各出风口风量达到平衡。针对海洋平台通风系统多出风口控制的要求，将多智能体一致性协同控制应用到海洋平台通风系统的风平衡问题中。发明不需要专门的通风系统维护或调试时间，可在线调节，在通风系统正常运行时使用该发明进行风平衡，在实际应用中减小了对通风系统使用方造成的影响。

Description

海洋平台通风系统在线风平衡控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及智能控制技术领域，具体涉及一种海洋平台通风系统在线风平衡控制方法及控制系统。

背景技术

通风系统是海洋平台的重要基础性工程，用于平衡舱室冷热负荷，提高室内空气质量，控制室内舱压、有毒气体浓度等。因此，通风系统的运行关系到人员的正常生活和平台设备的正常工作。

海洋平台通风系统具有特殊性。平台舱室种类繁多，舱室通风个性化要求高，具体的说，各个舱室都有不同的通风要求，例如厨房、中央轮机室等舱室在设备工作与关闭时其通风量需求更是差距显著。因此，海洋平台通风系统需要根据室内负荷及调控参数的变化，动态调节每个出风口送入室内的风量，以满足室内人员舒适要求与设备工作环境要求。

风平衡，即根据各个舱室的通风需求，协调控制各出风口出风量，以实现所有舱室风量的供需平衡，是实现通风系统功能中的重要一环。目前，通风系统的风平衡主要采用传统的流量等比分配法。这种方法本质上是一种经验试错法，需要反复尝试才能实现系统所有出风末端(下文所述的出风末端均指出风口)的风量平衡，并且往往精度较低。因此，传统的风量平衡费时费力，成本高，且依赖于技术人员的经验以及系统的复杂性。针对传统风平衡方法存在的缺点，有些文献提出了渐进流法、风机基压法等，用以提高风平衡的效率。然而，现有方法存在一个共同的问题，即这些方法都是“离线”调节方法，只能在通风系统调试或维护期间使用，造成极大的不便。另外，渐进流法和风机基压法都要求从所有风阀全部打开/关闭的状态开始调节，这种状态下可能会导致极端风量值，带来通风安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题之一，提供一种适用于多舱室通风控制、可动态调节各舱室风平衡的控制方法及控制系统。

为解决以上问题，本发明提供如下技术方案：

一种海洋平台通风系统在线风平衡控制方法，所述通风系统包括总风机，经管路连通至平台各舱室，每个舱室均设置有出风口、风阀及风阀控制器，所述风阀控制器用于控制风阀开度以控制每个出风口出风量；所述方法包括如下步骤：

S1：设置每个舱室出风口的目标出风量，采集每个舱室出风口的实时出风量，计算每个出风口实际出风量与目标出风量的比值r_x；其中，i为出风口的数量，x∈(1，i)；

S2：判断各舱室出风口处实际出风量与目标出风量的比值r_i是否相等，若不相等，则调节各个舱室内风阀的开度，使各个出风口实际出风量与目标出风量的比值均达到同一比值r^*，随后执行步骤S3，并将此时通风系统总风量记为q_phase1；若相等，则直接执行步骤S3，并将此时通风系统总风量记为q_phase1；

S3：判断此时的通风系统总风量

是否满足

若不满足，则调节总风机转速，直至

随后执行步骤S4；若满足，则直接执行步骤S4；

S4：判断各舱室出风口处实际出风量是否已达到目标出风量，若未达到，则转至步骤S1；若已达到，则结束风平衡过程；

本发明一些实施例中，步骤S2中，调节各个舱室出风口实际出风量与目标出风量的比值均达到同一比值r^*的方法包括：

S21：将每个风阀控制器视为一个智能体，针对多风阀控制器系统，按如下控制协议调节各风阀角度：

θ_i(k+1)-θ_i(k)＝-κ_isign(E_k)|E_k|^α；

其中：

k为采样时刻；θ_i(k)、θ_i(k+1)为采样时刻k、k+1时风阀i的挡板角度；T_s为采样间隔，其具体数值根据通风系统现场系统响应时间来确定；J_ii为雅可比矩阵J的元素，其各元素可通过测量通风系统q-θ特性曲线得到，或通过直接调参κ_i，规避J_ii；q_i(k)、q_j(k)为采样时刻k时风阀i、j的实际出风量；

是风阀i、j的目标出风量；a_ij表示智能体i与通风系统中智能体j之间的通讯关系，当二者之间可以通讯时，a_ij为1，不可通讯时为0；α是有限时间分数阶系数，取值范围为(0，1)，本方法中取5/7；

S22：定义一致性指标DoC：

当DoC＜5％时，认为各个出风口实际出风量与目标出风量的比值均达到同一比值。

本发明一些实施例中，风阀智能体之间采用全连接拓扑，a_ij构造的矩阵A为：

本发明一些实施例中，步骤S3中，按如下控制协议调节风机电压：

其中：U(k)、U(k+1)为离散时刻k、k+1时的风机电压；ε_tol(k)、ε_tol(i)为离散时刻k、i时的通风系统总风量的相对误差；q_tol(k)、q_tol(i)为离散时刻k、i时通风系统实际总风量；

为通风系统目标总风量；K_p为比例控制系统，K_I为积分控制系数；

其中，

即

为第一阶段结束时总风量q_phase1的1/rw。

本发明一些实施例中，步骤S3中，认为当通风系统总风量误差ε_tol满足|ε_tol|<5％时，风机转速调节到位。

本发明一些实施例中，步骤S4中，认为当通风系统出风末端误差ε满足ε＜10％时，各出风口均已达到目标风量；其中，

q_i为第i个出风口实际出风量，

为第i个出风口目标出风量。

本发明一些实施例中，进一步提供一种海洋平台通风系统在线风平衡控制系统，包括：

传感器单元：包括若干个传感器，设置在每个出风口处，用于采集出风口实时出风量；

上位机，包括：

数据采集单元：与传感器单元，用于获取其采集的出风口实际出风量数据；

风机控制单元：与总风机通信，用于根据总风机出风量目标值生成总风机的出风量控制值；

风阀控制单元：用于根据出风口出风量目标值及出风口实时出风量，生成风阀开度控制值；

所述上位机被配置为，按如下控制策略控制总风机出风控制量及风阀开度控制值：

调节风阀开度，以调节各出风口实际出风量与目标出风量的比值r_i，直至各个出风口实际出风量与目标出风量的比值均达到同一比值r^*；

调节总风机转速，使通风系统总风量

满足

本发明提供的系统有益效果在于：

1、本发明提出的风平衡控制地方法不需要对通风系统的初始风阀角度或风量做出要求，可使各出风末端风量渐进收敛到目标风量，调节过程不会引起风量的剧烈变化。发明不需要专门的通风系统维护或调试时间，可在线调节，在通风系统正常运行时使用该发明进行风平衡，在实际应用中减小了对通风系统使用方造成的影响。

2、针对海洋平台通风系统多出风口控制的要求，将多智能体一致性协同控制应用到海洋平台通风系统的风平衡问题中。考虑了通风系统中各末端风量调节之间的耦合关系，将各风阀都视为一个智能体，通过协同控制最终实现整个通风系统的风平衡，可提高控制效率，降低试错率。

3、在一致性协同控制算法的基础上，引入了有限时间控制，使通风系统能够在有限时间内收敛，快速实现各末端目标流量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明通风系统控制方法流程示意图。

图2为多智能体系统通信拓扑图。

图3为各出风口风量比与一致性程度变化曲线图。

图4为各出风口处风量变化曲线图。

图5为各风阀角度变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

本发明第一实施方式提供一种海洋平台通风系统在线风平衡控制方法，用于海洋平台多舱室通风系统的平衡控制。

首先，介绍通风系统的结构。通风系统包括总风机，经管路连通至平台各舱室，每个舱室均设置有出风口、风阀及风阀控制器，其中，风阀开度决定其出风口的出风量。实际应用过程中，每个舱室会有一个目标出风量，以使舱室达到期望的控制温度。风阀控制器用于独立控制每个风阀开度，以控制每个出风口出风量达到目标出风量。

通风系统平衡控制方法的整体流程参考图1，可以分为两个阶段。

第一阶段中基于有限时间一致性协同控制的多智能体系统如何将各出风末端实际风量和目标风量比值调节至相同的值，是本发明的关键步骤。

具体的说，第一阶段，各风阀控制器以出风口实际风量与目标风量的比值r作为协同控制任务的一致性目标。并基于自身与邻居的信息(通信拓扑图中与该智能体存在通信连接的智能体称为邻居，其关系在公式中体现为邻接矩阵各元素数值，1代表通讯，0代表不通讯)，按照有限时间一致性协议进行风量控制，最终使各末端收敛至同一风量比例值，这里定义为r^*。

具体执行步骤如下。

S1：设置每个舱室出风口的目标出风量，采集每个舱室出风口的实时出风量，计算每个出风口实际出风量与目标出风量的比值r_x；其中，i为出风口的数量，x∈(1,i)。

具体的说，每个舱室出风口的目标出风量根据控制需求设定，实时出风量通过传感器采集。

S2：判断各出风口处实际出风量与目标出风量的比值r_i是否相等，若不相等，则调节各个风阀的开度，使各个出风口实际出风量与目标出风量的比值均达到同一比值r^*，随后执行步骤S3，并将此时通风系统总风量记为q_phase1；若相等，则直接执行步骤S3，并将此时通风系统总风量记为q_phase1。

由于初始状态的随机性，各出风口的实际出风量和目标出风量的比值可能是不相同的。步骤S2的目标即调节各舱室出风口实际出风量和目标出风量的比值均达到一个相同的值，以实现控制的一致性，即：

各出风末端存在

的关系。

本发明一些实施例中，通过如下的方法实现以上调节目的。

考虑到一致性协同控制能够实现各个智能体某种状态的一致性，本方法将各个风阀视作以一个智能体，将风量比值作为智能体的状态，利用一致性控制协议，实现各智能体状态(风量比值)的一致。该控制协议的原理是，多智能体系统通过事先指定的通信拓扑图进行通讯，且每个智能体(风阀)利用自己和邻居的信息，按照控制协议对风阀进行调节，从而使得所有智能体的状态(风量比值)逐渐趋于一致。

调节各个出风口实际出风量与目标出风量的比值均达到同一比值r^*的方法包括：

S21：将每个风阀控制器视为一个智能体，针对多风阀控制器系统，按如下控制协议调节各风阀角度：

θ_i(k+1)-θ_i(k)＝-κ_isign(E_k)|E_k|^α； (1)

其中：

k为采样时刻；θ_i(k)、θ_i(k+1)为采样时刻k、k+1时风阀i的挡板角度；T_s为采样间隔，其具体数值根据通风系统现场系统响应时间来确定；J_ii为雅可比矩阵J的元素，其各元素可通过测量通风系统q-θ特性曲线得到，为方便起见，或通过直接调参κ_i，规避J_ii；q_i(k)、q_j(k)为采样时刻k时风阀i、j的实际出风量；

是风阀i、j的目标出风量；a_ij表示智能体i与通风系统中智能体j之间的通讯关系，当二者之间可以通讯时，a_ij为1，不可通讯时为0。α是有限时间分数阶系数，取值范围为(0，1)。

S22：定义一致性指标DoC：

其中，q_i为风阀智能体i的实际风量；

为风阀智能体i的目标风量。

判断DoC的大小，DoC越小，说明智能体状态x的一致性程度越高。当DoC满足收敛条件时，认为各个出风口实际出风量与目标出风量的比值均达到同一比值。本实施例中，按照工程误差标准，当DoC＜0.02时，收敛即完成并结束第一阶段，并将此时通风系统总风量记为q_phase1。

本发明一些实施例中，风阀智能体之间采用全连接拓扑，结构如图2，a_ij构造的矩阵A为：

第二阶段，通过改变风机转速，将通风系统总风量变为原来的1/r^*倍，此时，各个出风末端的风量将大致调整为第一阶段结束时风量值的1/r^*倍，因此达到预设的目标风量。

具体执行步骤如下。

S3：判断此时的通风系统总风量

是否满足

若不满足，则调节总风机转速，直至

随后执行步骤S4；若满足，则直接执行步骤S4；

本发明一些实施例中，步骤S3中，按如下控制协议调节风机电压：

其中：U(k)、U(k+1)为离散时刻k、k+1时的风机电压；ε_tol(k)、ε_tol(i)为离散时刻k、i时的风机总风量的相对误差；q_tol(k)、q_tol(i)为离散时刻k、i时通风系统实际总风量；

为通风系统目标总风量；K_p为比例控制系统，K_I为积分控制系数；

其中：

即

为第一阶段结束时总风量q_phase1的1/r^*；

本发明一些实施例中，认为当通风系统总风量误差ε_tol满足|ε_tol|<5％时，风机转速调节到位。

S4：判断各出风口处风量是否已达到目标风量，若未达到，则转至步骤S1；若已达到，结束风平衡过程。

本发明一些实施例中，认为当通风系统出风末端误差ε满足ε＜10％时，各出风末端均已达到目标风量。

本发明一些实施例中，进一步提供一种海洋平台通风系统在线风平衡控制系统，包括：

传感器单元：包括若干个传感器，设置在每个出风口处，用于采集出风口实时出风量；

上位机，包括：

数据采集单元：与传感器单元，用于获取其采集的出风口出风量数据；

风机控制单元：与总风机通信，用于根据总风机出风量目标值生成总风机的出风量控制值；

风阀控制单元：用于根据出风口出风量目标值及出风口实时出风量，生成风阀开度控制值；

所述上位机被配置为，按如下控制策略控制总风机出风控制量及风阀开度控制值：

调节风阀开度，以调节各出风口实际出风量与目标出风量的比值r_i，直至各出风口实际出风量与目标出风量的比值均达到同一比值r^*；

调节总风机转速，使通风系统总风量

满足

具体的说，上位机根据各舱室需求计算出通风系统各舱室出风末端的目标风量，并传递给舱室的风阀控制器；通风系统数据采集器用于采集当前通风系统各舱室出风末端的实时风量与风阀角度；风阀控制器基于当前的风阀角度、出风末端的实时风量与目标风量，自动计算每个采样时刻各个风阀的调节量。风阀执行器按照风阀控制器的信息来改变风阀角度。风阀通过改变挡板的角度，改变风阀的压损，进而调节各出风末端的风量；风机控制器通过控制风机电压改变风机转速，从而改变通风系统总风量。上述各部分相互合作，实现了通风系统从任意初始状态开始逐渐达到目标风量的在线风平衡。

该方法和系统为一种基于有限时间一致性协同控制的在线风平衡方法和控制系统，可以在线、快速地实现海洋平台通风系统各个出风末端的目标风量。能够从任意给定的初始状态开始调节，并且能够渐进收敛到目标风量。控制过程无需停机初始到风阀全部打开/关闭的状态。实时性强，控制效果好。

实验验证。

图3、图4和图5所示的为采用本发明的风平衡控制方法，将任意初始状态的通风系统调节至各出风口风量均为100m³/h的风平衡过程。该通风系统具有5处出风口。

第一阶段初，即通风系统的初始状态，T1-T5，5处出风口风量各不相同，而随着采样控制的不断进行，到第一阶段结束时，各处的风量与风量比r^*均收敛到一致，Doc也降至0附近。

到第二阶段，在保持各出风口处风阀角度不变的情况下，按比例变化通风系统风量后，各出风口处的风量也都在工业误差10％的标准下，达到了目标风量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海洋平台通风系统在线风平衡控制方法，其特征在于，所述通风系统包括总风机，经管路连通至平台各舱室，每个舱室均设置有出风口、风阀及风阀控制器，所述风阀控制器用于控制风阀开度以控制每个出风口出风量；所述方法包括如下步骤：

S1：设置每个舱室出风口的目标出风量，采集每个舱室出风口的实时出风量，计算每个出风口实际出风量与目标出风量的比值r_x；其中，i为出风口的数量，x∈(1，i)；

S2：判断各出风口实际出风量与目标出风量的比值r_i是否相等，若不相等，则调节各个舱室风阀的开度，使各个出风口实际出风量与目标出风量的比值均达到同一比值r^*，随后执行步骤S3，并将此时通风系统总风量记为q_phase1；若相等，则直接执行步骤S3，并将此时通风系统总风量记为q_phase1；

S3：判断此时的通风系统总风量

是否满足

若不满足，则调节总风机转速，直至

随后执行步骤S4；若满足，则直接执行步骤S4；

S4：判断各舱室出风口处实际出风量是否已达到目标出风量，若未达到，则转至步骤S1；若已达到，则结束风平衡过程。

2.如权利要求1所述的海洋平台通风系统在线风平衡控制方法，其特征在于，步骤S2中，调节各个舱室出风口实际出风量与目标出风量的比值均达到同一比值r^*的方法包括：

S21：将每个风阀控制器视为一个智能体，针对多风阀控制器系统，按如下控制协议调节各风阀角度：

θ_i(k+1)-θ_i(k)＝-κ_isign(E_k)|E_k|^α；

其中：

k为采样时刻；θ_i(k)、θ_i(k+1)为采样时刻k、k+1时风阀i的挡板角度；T_s为采样间隔，其具体数值根据通风系统现场系统响应时间来确定；J_ii为雅可比矩阵J的元素，其各元素可通过测量通风系统q-θ特性曲线得到，或通过直接调参κ_i，规避J_ii；q_i(k)、q_j(k)为采样时刻k时风阀i、j的实际出风量；

是风阀i、j的目标出风量；a_ij表示智能体i与通风系统中智能体j之间的通讯关系，当二者之间可以通讯时，a_ij为1，不可通讯时为0；α是有限时间分数阶系数，取值范围为(0，1)，本方法中取5/7；

S22：定义一致性指标DoC：

当DoC＜5％时，认为各个出风口实际出风量与目标出风量的比值均达到同一比值。

3.如权利要求2所述的海洋平台通风系统在线风平衡控制方法，其特征在于，风阀智能体之间采用全连接拓扑，a_ij构造的矩阵A为：

4.如权利要求1所述的海洋平台通风系统在线风平衡控制方法，其特征在于，步骤S3中，按如下控制协议调节风机电压：

其中：U(k)、U(k+1)为离散时刻k、k+1时的风机电压；ε_tol(k)、ε_tol(i)为离散时刻k、i时的通风系统总风量的相对误差；q_tol(k)、q_tol(i)为离散时刻k、i时通风系统实际总风量；

为通风系统目标总风量；K_p为比例控制系统，K_I为积分控制系数；

其中，

即

为第一阶段结束时总风量q_phase1的1/r^*。

5.如权利要求1所述的海洋平台通风系统在线风平衡控制方法，其特征在于，步骤S3中，认为当通风系统总风量误差ε_tol满足|ε_tol|<5％时，风机转速调节到位。

6.如权利要求1所述的海洋平台通风系统在线风平衡控制方法，其特征在于，步骤S4中，认为当通风系统出风末端误差ε满足ε＜10％时，各舱室出风口均已达到目标风量；其中，

q_i为第i个出风口实际出风量，

为第i个出风口目标出风量。

7.一种海洋平台通风系统在线风平衡控制系统，其特征在于，包括：

传感器单元：包括若干个传感器，设置在每个出风口处，用于采集出风口实时出风量；

上位机，包括：

数据采集单元：与传感器单元，用于获取其采集的出风口实际出风量数据；

风机控制单元：与总风机通信，用于根据总风机出风量目标值生成总风机的出风量控制值；

风阀控制单元：用于根据出风口出风量目标值及出风口实时出风量，生成风阀开度控制值；

所述上位机被配置为，按如下控制策略控制总风机出风控制量及风阀开度控制值：

调节风阀开度，以调节各出风口实际出风量与目标出风量的比值r_i，直至各个出风口实际出风量与目标出风量的比值均达到同一比值r^*；

调节总风机转速，使通风系统总风量

满足

Images