變風量空調(diào)系統(tǒng)室溫大滯后智能預測控制方法.pdf

1、變風量（Variable Air Volume，VAV）空調(diào)系統(tǒng)是一種節(jié)能、舒適、調(diào)控便捷的空調(diào)系統(tǒng)，研究變風量空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能調(diào)控理論和方法，開發(fā)關鍵技術，對提高變風量空調(diào)系統(tǒng)的運行管理水平、促進我國建筑節(jié)能工作具有重要的理論和現(xiàn)實意義。在變風量空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，建筑物的熱惰性、室內(nèi)熱質(zhì)擴散過程、空調(diào)系統(tǒng)中不同距離的熱能輸配過程等造成了室溫響應不僅滯后于空調(diào)系統(tǒng)送風量、送風溫濕度和表冷器閥門開度等諸多調(diào)節(jié)量的變化，而且表現(xiàn)出對于不同

2、的調(diào)節(jié)量，其產(chǎn)生的室溫響應時間也不同，進而導致了各末端控制周期上的差別，直接影響了空調(diào)機組乃至整個變風量系統(tǒng)的控制周期、控制策略、控制邏輯和控制算法的設置?？梢姡琕AV空調(diào)系統(tǒng)室溫大滯后問題是解決該類空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能控制中的關鍵基礎性問題之一。同時，VAV空調(diào)系統(tǒng)各個變風量末端的控制也直接影響空調(diào)機組及整個系統(tǒng)的節(jié)能運行控制，室溫控制回路與送風靜壓控制回路存在著直接耦合問題，這是在解決好室溫滯后及末端控制問題之后VAV系統(tǒng)節(jié)能預測控制又

3、一個不可回避的關鍵問題。從控制論的角度講，變風量空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)過程是一個典型的多變量、強耦合、大滯后和大慣性的非線性控制過程，難以建立其精確的數(shù)學模型，從而導致以精確數(shù)學模型為基礎的經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制方法在解決VAV空調(diào)系統(tǒng)控制問題時遇到很大的困難，而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等智能控制方法卻在公共建筑節(jié)能領域取得了較大的成功。為此，本文將以變風量空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運行控制為應用背景，將研究分析VAV系統(tǒng)室溫大滯后特性為基礎，

4、通過引入神經(jīng)網(wǎng)絡在線學習技術，以解決變風量空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)過程中室溫大滯后智能預測控制問題為目標，進而實現(xiàn)變風量末端、空調(diào)機組及整個變風量系統(tǒng)的智能預測控制，具體研究工作如下。
　　首先，基于能量守恒原理，考慮室溫變化所引起的除熱（或補熱）權系數(shù)，本文建立了變風量空調(diào)房間室溫變化動態(tài)響應數(shù)學模型，分析了引起室溫滯后響應的影響因素;進一步試驗研究了在變風量空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)過程中室溫變化對各類調(diào)節(jié)量的動態(tài)響應特性;在試驗的基礎上，建立

5、了室溫對各類調(diào)節(jié)量的傳遞函數(shù)模型，依據(jù)換氣次數(shù)變量給出了室溫變化慣性時間系數(shù)與空調(diào)房間換氣次數(shù)之間的反比例關系式。根據(jù)VAV空調(diào)系統(tǒng)試驗平臺開環(huán)試驗結(jié)果得出，室溫對末端風閥開度的慣性時間系數(shù)為68～98/換氣次數(shù)變化量，室溫對送風機轉(zhuǎn)速的慣性時間系數(shù)為92～176/換氣次數(shù)變化量，且室溫對送風機轉(zhuǎn)速遠距離熱能輸送過程的慣性時間常數(shù)大于室溫對末端風閥開度近距離熱能輸送過程的慣性時間時間常數(shù)。
　　其次，針對變風量空調(diào)室溫對各類調(diào)節(jié)量

6、的純滯后響應特性難以經(jīng)典數(shù)學模型描述的問題，本文利用Elman網(wǎng)絡輸入層變量數(shù)易于確定、隱含層具有內(nèi)部反饋動態(tài)記錄歷史信息的能力，研究分析了滿足變風量空調(diào)系統(tǒng)室溫預測控制要求所需要的Elman網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，提出了Elman網(wǎng)絡模型參數(shù)在線優(yōu)化方法，仿真研究了室溫純滯后特性的Elman網(wǎng)絡預測效果，結(jié)果表明，將系統(tǒng)輸出的一階導數(shù)引入到網(wǎng)絡輸入層的Elman網(wǎng)絡多步預測模型，即可實現(xiàn)其室溫預測值與實際值的誤差在±1℃以內(nèi)，可以滿足室溫預測控制的

7、精度及誤差要求，為解決變風量末端控制和整個VAV系統(tǒng)的預測控制奠定了基礎。
　　第三，針對現(xiàn)有VAV空調(diào)自動控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)Elman網(wǎng)絡預測控制這一關鍵技術問題，根據(jù)變風量空調(diào)室溫預測控制的測控需求，設計了變風量空調(diào)控制系統(tǒng)分布式總線網(wǎng)絡架構(gòu)，完成了變風量空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)測控制硬件及軟件系統(tǒng)的開發(fā)，以滿足變風量空調(diào)室溫Elman網(wǎng)絡多步預測控制試驗研究及工程應用技術需求，
　　第四，為提高變風量末端室溫控制回路的運行性能，基于上

8、述變風量空調(diào)室溫純滯后Elman網(wǎng)絡多步預測模型，提出了變風量空調(diào)末端室溫預測控制方法;通過與傳統(tǒng)串級PI控制算法的對比試驗研究，驗證了提出的室溫Elman網(wǎng)絡多步預測控制方法的有效性，結(jié)果表明，通過合理地選取室溫控制回路的控制周期，提出的室溫預測控制方法無需依賴壓力無關型變風量末端風速傳感器計算末端實際送風量，不僅改進了變風量末端控制方法和控制裝置，而且比串級PI控制大幅度地降低了風閥開度變化總行程（冬季降低44％，夏季降低70％），

9、有利于延長閥門壽命;同時也大幅度降低了風閥開度變化次數(shù)（冬季降低65％，夏季降低42％），有利于提高末端室溫控制回路及整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　最后，為解決送風量調(diào)節(jié)中末端室溫控制回路與整個系統(tǒng)送風靜壓控制回路相互耦合的問題，降低其對變風量系統(tǒng)運行性能的影響，基于上述提出的變風量末端室溫Elman網(wǎng)絡多步預測控制方法，提出了基于末端預測閥位的變靜壓模糊控制方法;通過對比試驗研究，驗證了提出的模糊預測控制方法的有效性及能耗效率，結(jié)果表