CN117515824A - 空调系统需求响应的可重构反馈控制方法及计算机设备 - Google Patents

空调系统需求响应的可重构反馈控制方法及计算机设备 Download PDF

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CN117515824A CN202311416561.5A CN202311416561A CN117515824A CN 117515824 A CN117515824 A CN 117515824A CN 202311416561 A CN202311416561 A CN 202311416561A CN 117515824 A CN117515824 A CN 117515824A
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戴明坤
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Abstract

本发明公开了空调系统需求响应的可重构反馈控制方法及计算机设备。在正常运行工况时，通过获取各个建筑空间的送风温度测量值与送风温度设定值，根据送风温度测量值控制反馈控制器对阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的送风温度维持在送风温度设定值。当空调系统关闭部分冷水机组进入需求响应工况时，通过获取各个建筑空间的室内温度测量值与室内温度平均值，以根据室内温度测量值与室内温度平均值控制反馈控制器对阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的回风温度维持一致，能够在正常运行工况与需求响应工况之间自适应切换，实现各个建筑空间的冷量的合理分配，使得各个建筑空间的温度上升幅度一致，提高了舒适性。

Description

空调系统需求响应的可重构反馈控制方法及计算机设备
技术领域
本发明涉及空调系统控制技术领域，尤其涉及的是一种空调系统需求响应的可重构反馈控制方法、计算机设备及计算机可读存储介质。
背景技术
目前大中型商业及办公建筑的空调系统可以通过关闭部分运行的冷水机组来实现快速需求响应，从而实现在需求侧对电力使用进行快速和实时调整，以响应电网需求或供应条件的变化。
现有的大中型商业及办公建筑空调自动化控制系统多通过在现场部署数字控制器(如DDC控制器,PLC控制器等)等实现反馈控制。中央空调系统的反馈控制器中，PID(比例-积分-微分)算法是一种常用的控制策略，用于调节系统的运行，以确保室内环境的舒适度和能源效率。这些反馈控制器通过传感器不断地测量空调系统的状态，比如温度、湿度、流量等，并根据测量结果来调节系统的输入，以保持系统在所需的状态或指定的目标值附近。其中，对于空气处理机组(AHU)阀门的控制就是通过PID控制来维持送风温度。反馈控制器根据送风温度与设定温度之间的偏差来调整阀门的开度。
然而，当关闭部分运行的冷水机组来提供快速需求响应时，由于空调系统的冷量供应不足，送风温度急剧上升，此时在传统的PID控制下各个AHU的阀门将会全部开到最大来竞争空调冷却水的分配量。此时由于各个建筑空间对应AHU所在的冷却水环路的阻力不同，有限冷量的分配将出现紊乱的现象，导致各个建筑空间的温度上升幅度不一致，扩大了各个建筑空间的温度舒适性差异。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种空调系统需求响应的可重构反馈控制方法、计算机设备及计算机可读存储介质，以解决现有空调系统在关闭部分运行的冷水机组来提供快速需求响应时，有限冷量的分配出现紊乱的现象，导致各个建筑空间的温度上升幅度不一致，扩大了各个建筑空间的温度舒适性差异的问题。
本发明的技术方案如下：
一种空调系统需求响应的可重构反馈控制方法，应用于空调系统，所述空调系统包括冷水机组、阀门与反馈控制器；其中，所述冷水机组用于提供冷冻水；所述阀门与建筑空间的空气处理机组一一对应设置，用于给建筑空间提供冷量；所述反馈控制器用于控制所述阀门的开度；方法包括：
获取各个建筑空间的送风温度测量值与送风温度设定值；
根据所述送风温度测量值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的送风温度维持在所述送风温度设定值；
当空调系统关闭部分冷水机组进入需求响应工况时，获取各个建筑空间的室内温度测量值与室内温度平均值；
根据所述室内温度测量值与室内温度平均值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的回风温度维持一致。
本发明的进一步设置，还包括：
当空调系统结束需求响应工况时，根据所述送风温度测量值与所述送风温度设定值将各个建筑空间的送风温度维持在所述送风温度设定值。
本发明的进一步设置，所述室内温度平均值为所述室内温度测量值的平均值。
本发明的进一步设置，在空调系统进入需求工况响应时，所述反馈控制器的输入项为所述室内温度测量值与所述室内温度平均值；其中，
所述室内温度测量值为：
yi(t)＝Tempi(t)；
所述室内温度平均值为：
其中，yi(t)表示建筑空间i对应反馈控制器的输入被控变量；ysp(t)表示建筑空间i对应反馈控制器的输入控制设定点；Tempi表示建筑空间i的回风温度；n表示建筑空间的总数量。
本发明的进一步设置，所述当空调系统关闭部分冷水机组进入需求响应工况时，获取各个建筑空间的室内温度测量值与室内温度平均值的步骤包括：
当检测到电网侧反馈的需求响应控制信号时，将空调系统的控制模式切由正常运行工况模式换至需求响应工况模式。
本发明的进一步设置，所述根据所述送风温度测量值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的送风温度维持在所述送风温度设定值的步骤包括：
当所述送风温度测量值高于所述送风温度设定值时，控制所述阀门的开度增加；当所述送风温度测量值低于所述送风温度设定值时，控制所述阀门的开度减小；
当所述送风温度测量值持续高于送风温度设定值时，控制所述阀门的开度增加。
本发明的进一步设置，所述空调系统还包括：第一温度传感器与第二温度传感器；
所述第一温度传感器设置在各个建筑空间内，用于检测所述送风温度测量值；
所述第二温度传感器设置在各个建筑空间内，用于检测所述室内温度测量值。
本发明的进一步设置，所述空调系统还包括：二次泵，所述二次泵连接在所述冷水机组的输出端与所述阀门之间，用于调节空调系统二次侧的冷冻水流量。
一种计算机设备，包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时用于实现如上述所述空调系统需求响应的可重构反馈控制方法中的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时用于实现如上述所述空调系统需求响应的可重构反馈控制方法中的步骤。
本发明所提供的空调系统需求响应的可重构反馈控制方法、计算机设备及计算机可读存储介质。在正常运行工况时，通过获取各个建筑空间的送风温度测量值与送风温度设定值，根据所述送风温度测量值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的送风温度维持在所述送风温度设定值。当空调系统关闭部分冷水机组进入需求响应工况时，通过获取各个建筑空间的室内温度测量值与室内温度平均值，以根据所述室内温度测量值与室内温度平均值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的回风温度维持一致，能够在正常运行工况与需求响应工况之间自适应切换，实现各个建筑空间的冷量的合理分配，使得各个建筑空间的温度上升幅度一致，提高了各个建筑空间的温度舒适性。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例中空调系统的原理框图。
图2是本发明中空调系统需求响应的可重构反馈控制方法的流程示意图。
图3是本发明中空调系统需求响应的可重构反馈控制方法中正常运行工况与需求响应工况的模式切换示意图。
图4是传统控制方法中在需求响应时建筑空间的温度变化图。
图5是本发明空调系统需求响应的可重构反馈控制方法中建筑空间的温度变化图。
具体实施方式
本发明提供一种空调系统需求响应的可重构反馈控制方法、计算机设备及计算机可读存储介质，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。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。
在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请同时参阅图1至图5，本发明提供了一种空调系统需求响应的可重构反馈控制方法的较佳实施例。
本发明提供了一种空调系统需求响应的可重构反馈控制方法，应用于大中型商业及办公建筑的空调系统，如图1所示，所述空调系统包括冷水机组、阀门与反馈控制器。其中，所述冷水机组用于提供空调冷冻水，所述阀门为空气处理机组(AHU)的阀门，阀门与各建筑空间的AHU一一对应设置，并与所述冷水机组连接，用于控制所在回路的冷冻水流量，所述反馈控制器与所述阀门连接，用于控制所述阀门的开度，通过控制所述阀门的开度从而可以控制建筑空间的温度。
如图2所示，空调系统需求响应的可重构反馈控制方法包括步骤：
S100、获取各个建筑空间的送风温度测量值与送风温度设定值；
具体地，如图1所示，其中虚线表示正常工况，空调系统还包括第一温度传感器T1，所述第一温度传感器T1的数量与建筑空间的数量相对应，并设置在各个建筑空间内，以对所述送风温度测量值进行检测，并将检测到的送风温度测量值反馈给反馈控制器。
S200、根据所述送风温度测量值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的送风温度维持在所述送风温度设定值；
具体地，所述反馈控制器采用PID算法来调节空调系统的运行，以保持空调系统在所需的状态或者指定的目标值附近。
其中，基本的PID算法如下式所示：
其中，u(t)是控制信号，e(t)是误差信号。反馈控制器根据误差信号e(t)和比例增益K、积分时间Ti和微分时间Td连续计算这个控制信号，并将其应用于过程中以达到期望的设定点。误差信号e(t)的计算方法如下式所示：
e(t)＝ysp(t)-yi(t)
其中，yi是受控变量，ysp是受控变量的设定值。PID控制定律由比例、微分、积分三个分量组成，比例项提供了误差和控制输出之间的直接关系。积分项对误差进行积分，有助于消除稳态误差。
在正常运行工况下，所述阀门的控制通过调节阀门的位置来维持特定的送风温度设定值。在正常运行工况中，受控变量是送风温度，反馈控制器根据送风温度与送风设定温度之间的偏差出处控制信号来调整阀门的开度，在每个时刻阀门的开度通常由反馈控制器的比例控制项(P项)和积分控制项(I项)决定。反馈控制器的两个输入项分别为送风温度测量值和送风温度设定值，控制目标为维持送风温度设定值。
反馈控制器的比例控制根据送风温度与设定温度之间的偏差来调整阀门的开度。当送风温度高于设定温度时，比例控制会增加阀门的开度，使供水量增加，从而降低送风温度。反之，当送风温度低于设定温度时，比例控制会减小阀门的开度，减少供水量，以提高送风温度。积分控制主要用于消除系统稳态误差。在送风温度控制中，如存在偏差无法完全通过比例控制消除的情况，积分控制会根据偏差的积累来调整阀门的开度，即当送风温度持续高于设定温度时，积分项会增大阀门的开度，以提高供水量，直到送风温度接近设定温度为止。
S300、当空调系统关闭部分冷水机组进入需求响应工况时，获取各个建筑空间的室内温度测量值与室内温度平均值；
具体地，当空调系统需要关闭部分运行的冷水机组来提供快速需求响应时，则控制空调系统进入需求响应工况(图1中实线表示需求响应工况)，此时将空调系统的控制模式切换为需求响应控制模式，将反馈控制器的输入项调整为室内温度测量值与室内温度平均值，如图3所示。
其中，所述空调系统还包括第二温度传感器T2，所述第二温度传感器T2的数量与建筑空间的数量对应，所述第二温度传感器可以对建筑空间的室内温度进行检测，并将室内温度检测值反馈给反馈控制器，其中，所述室内温度平均值为所述室内温度测量值的平均值。
S400、根据所述室内温度测量值与室内温度平均值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的回风温度维持一致。
具体地，在空调系统进入需求工况响应时，所述反馈控制器的输入项为所述室内温度测量值与所述室内温度平均值；其中，
所述室内温度测量值为：
yi(t)＝Tempi(t)；
所述室内温度平均值为：
其中，yi(t)表示建筑空间i对应反馈控制器的输入被控变量；ysp(t)表示建筑空间i对应反馈控制器的输入控制设定点；Tempi表示建筑空间i的回风温度；n表示建筑空间的总数量。
在快速需求响应工况中，所述反馈控制器采用P ID算法对建筑空间的室内环境舒适度和能源效率进行调节。与正常运行工况不同的是，在快速需求响应时，将反馈控制器的两个输入项调整为室内温度测量值与室内温度平均值，通过将室内温度测量值与室内温度平均值代入至P ID算法中的误差信号e(t)的公式中，再将误差信号e(t)代入至P ID算法公式进行连续计算，从而可以控制将各个建筑空间的回风温度维持一致。
在上述技术方案中，在正常运行工况时，反馈控制器通过获取各个建筑空间的送风温度测量值与送风温度设定值，根据所述送风温度测量值输出控制信号对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的送风温度维持在所述送风温度设定值。当空调系统关闭部分冷水机组进入需求响应工况时，反馈控制器通过获取各个建筑空间的室内温度测量值与室内温度平均值，以根据所述室内温度测量值与室内温度平均值对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的回风温度维持一致，能够在正常运行工况与需求响应工况之间自适应切换，实现各个建筑空间的冷量的合理分配，使得各个建筑空间的温度上升幅度一致，提高了各个建筑空间的温度舒适性，实现了在需求侧对电力使用进行快速和实时调整，能够响应电网需求或供应条件的变化，进而优化了空调系统参与快速需求响应的控制效果。如图4与图5所示，图4是传统控制方法中在需求响应时建筑空间的温度变化图，图5是本发明空调系统需求响应的可重构反馈控制方法中建筑空间的温度变化图，由图4与图5可知，快速响应从14:00-16:00之间，传统控制方法中6个建筑空间(Zone1、Zone2、Zone3、Zone4、Zone5、Zone6)的温度上升不一致，而本发明采用的空调系统需求响应的可重构反馈控制方法则可以实现控制各个6个建筑空间室温上升的一致性。
在一些实施例中，空调系统需求响应的可重构反馈控制方法还包括步骤：
S500、当空调系统结束需求响应工况时，根据所述送风温度测量值与所述送风温度设定值将各个建筑空间的送风温度维持在所述送风温度设定值。
具体地，当需求响应工况结束时，反馈控制器的控制逻辑会切换至正常运行工况，即可以根据送风温度测量值对建筑空间的温度进行调节，达到空调系统由正常运行工况到需求响应工况再到正常运行工况的智能切换目的。
在一些实施例中，所述当空调系统关闭部分冷水机组进入需求响应工况时，获取各个建筑空间的室内温度测量值与室内温度平均值的步骤包括子步骤：
S310、当检测到电网侧反馈的需求响应控制信号时，将空调系统的控制模式切由正常运行工况模式换至需求响应工况模式。
具体地，空调系统运行状态进入快速需求响应工况时，为了减少建筑用电量，会关闭部分冷水机组，以增强电网的可靠性，此时电网侧会反馈一个需求响应控制信号至空调系统，以控制反馈控制器从正常运行工况切换至需求响应工况。
在一些实施例中，所述空调系统还包括：二次泵，所述二次泵连接在所述冷水机组的输出端与所述阀门之间，用于调节空调系统二次侧的冷冻水流量。
具体地，在所述冷水机组与阀门之间连接有二次泵，所述二次泵可以实现二次侧冷冻水环路的变流量控制。
在一些实施例中，本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时用于实现以下步骤：
S100、获取各个建筑空间的送风温度测量值与送风温度设定值；
S200、根据所述送风温度测量值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的送风温度维持在所述送风温度设定值；
S300、当空调系统关闭部分冷水机组进入需求响应工况时，获取各个建筑空间的室内温度测量值与室内温度平均值；
S400、根据所述室内温度测量值与室内温度平均值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的回风温度维持一致。
在一些实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时用于实现以下步骤：
S100、获取各个建筑空间的送风温度测量值与送风温度设定值；
S200、根据所述送风温度测量值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的送风温度维持在所述送风温度设定值；
S300、当空调系统关闭部分冷水机组进入需求响应工况时，获取各个建筑空间的室内温度测量值与室内温度平均值；
S400、根据所述室内温度测量值与室内温度平均值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的回风温度维持一致。
综上所述，本发明所提供的一种空调系统需求响应的可重构反馈控制方法、计算机设备及计算机可读存储介质，具有以下有益效果：
通过空调系统现有的反馈控制器实现正常工况与快速需求响应工况的智能切换，且在快速需求响应工况时，可以使各个建筑空间的回风温度维持一致，实现各个建筑空间的冷量的合理分配，使得各个建筑空间的温度上升幅度一致，提高了各个建筑空间的温度舒适性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种空调系统需求响应的可重构反馈控制方法，应用于空调系统，所述空调系统包括冷水机组、阀门与反馈控制器；其中，所述冷水机组用于提供冷冻水；所述阀门与建筑空间的空气处理机组一一对应设置，用于为建筑空间提供冷量；所述反馈控制器用于控制所述阀门的开度；其特征在于，方法包括：
获取各个建筑空间的送风温度测量值与送风温度设定值；
根据所述送风温度测量值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的送风温度维持在所述送风温度设定值；
当空调系统关闭部分冷水机组进入需求响应工况时，获取各个建筑空间的室内温度测量值与室内温度平均值；
根据所述室内温度测量值与室内温度平均值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的回风温度维持一致。
2.根据权利要求1所述的空调系统需求响应的可重构反馈控制方法，其特征在于，还包括：
当空调系统结束需求响应工况时，根据所述送风温度测量值与所述送风温度设定值将各个建筑空间的送风温度维持在所述送风温度设定值。
3.根据权利要求1所述的空调系统需求响应的可重构反馈控制方法，其特征在于，所述室内温度平均值为所述室内温度测量值的平均值。
4.根据权利要求3所述的空调系统需求响应的可重构反馈控制方法，其特征在于，在空调系统进入需求工况响应时，所述反馈控制器的输入项为所述室内温度测量值与所述室内温度平均值；其中，
所述室内温度测量值为：
yi(t)＝Tempi(t)；
所述室内温度平均值为：
其中，yi(t)表示建筑空间i对应反馈控制器的输入被控变量；ysp(t)表示建筑空间i对应反馈控制器的输入控制设定点；Tempi表示建筑空间i的回风温度；n表示建筑空间的总数量。
5.根据权利要求1所述的空调系统需求响应的可重构反馈控制方法，其特征在于，所述当空调系统关闭部分冷水机组进入需求响应工况时，获取各个建筑空间的室内温度测量值与室内温度平均值的步骤包括：
当检测到电网侧反馈的需求响应控制信号时，将空调系统的控制模式切由正常运行工况模式换至需求响应工况模式。
6.根据权利要求1所述的空调系统需求响应的可重构反馈控制方法，其特征在于，所述根据所述送风温度测量值控制所述反馈控制器对所述阀门的开度进行调节，以使各个建筑空间的送风温度维持在所述送风温度设定值的步骤包括：
当所述送风温度测量值高于所述送风温度设定值时，控制所述阀门的开度增加；当所述送风温度测量值低于所述送风温度设定值时，控制所述阀门的开度减小；
当所述送风温度测量值持续高于送风温度设定值时，控制所述阀门的开度增加。
7.根据权利要求1所述的空调系统需求响应的可重构反馈控制方法，其特征在于，所述空调系统还包括：第一温度传感器与第二温度传感器；
所述第一温度传感器设置在各个建筑空间内，用于检测所述送风温度测量值；
所述第二温度传感器设置在各个建筑空间内，用于检测所述室内温度测量值。
8.根据权利要求1所述的空调系统需求响应的可重构反馈控制方法，其特征在于，所述空调系统还包括：二次泵，所述二次泵连接在所述冷水机组的输出端与所述阀门之间，用于调节空调系统二次侧的冷冻水流量。
9.一种计算机设备，包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时用于实现权利要求1-8任一项所述空调系统需求响应的可重构反馈控制方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时用于实现如权利要求1-8任一项所述空调系统需求响应的可重构反馈控制方法中的步骤。
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