变风量空调系统室温大滞后智能预测控制方法

摘要

变风量（Variable Air Volume，VAV）空调系统是一种节能、舒适、调控便捷的空调系统，研究变风量空调系统节能调控理论和方法，开发关键技术，对提高变风量空调系统的运行管理水平、促进我国建筑节能工作具有重要的理论和现实意义。在变风量空调系统动态调节过程中，建筑物的热惰性、室内热质扩散过程、空调系统中不同距离的热能输配过程等造成了室温响应不仅滞后于空调系统送风量、送风温湿度和表冷器阀门开度等诸多调节量的变化，而且表现出对于不同的调节量，其产生的室温响应时间也不同，进而导致了各末端控制周期上的差别，直接影响了空调机组乃至整个变风量系统的控制周期、控制策略、控制逻辑和控制算法的设置。可见，VAV空调系统室温大滞后问题是解决该类空调系统高效节能控制中的关键基础性问题之一。同时，VAV空调系统各个变风量末端的控制也直接影响空调机组及整个系统的节能运行控制，室温控制回路与送风静压控制回路存在着直接耦合问题，这是在解决好室温滞后及末端控制问题之后VAV系统节能预测控制又一个不可回避的关键问题。从控制论的角度讲，变风量空调系统动态调节过程是一个典型的多变量、强耦合、大滞后和大惯性的非线性控制过程，难以建立其精确的数学模型，从而导致以精确数学模型为基础的经典控制和现代控制方法在解决VAV空调系统控制问题时遇到很大的困难，而随着物联网技术的发展如模糊控制、神经网络等智能控制方法却在公共建筑节能领域取得了较大的成功。为此，本文将以变风量空调系统节能运行控制为应用背景，将研究分析VAV系统室温大滞后特性为基础，通过引入神经网络在线学习技术，以解决变风量空调系统动态调节过程中室温大滞后智能预测控制问题为目标，进而实现变风量末端、空调机组及整个变风量系统的智能预测控制，具体研究工作如下。
　　首先，基于能量守恒原理，考虑室温变化所引起的除热（或补热）权系数，本文建立了变风量空调房间室温变化动态响应数学模型，分析了引起室温滞后响应的影响因素;进一步试验研究了在变风量空调系统动态调节过程中室温变化对各类调节量的动态响应特性;在试验的基础上，建立了室温对各类调节量的传递函数模型，依据换气次数变量给出了室温变化惯性时间系数与空调房间换气次数之间的反比例关系式。根据VAV空调系统试验平台开环试验结果得出，室温对末端风阀开度的惯性时间系数为68～98/换气次数变化量，室温对送风机转速的惯性时间系数为92～176/换气次数变化量，且室温对送风机转速远距离热能输送过程的惯性时间常数大于室温对末端风阀开度近距离热能输送过程的惯性时间时间常数。
　　其次，针对变风量空调室温对各类调节量的纯滞后响应特性难以经典数学模型描述的问题，本文利用Elman网络输入层变量数易于确定、隐含层具有内部反馈动态记录历史信息的能力，研究分析了满足变风量空调系统室温预测控制要求所需要的Elman网络结构，提出了Elman网络模型参数在线优化方法，仿真研究了室温纯滞后特性的Elman网络预测效果，结果表明，将系统输出的一阶导数引入到网络输入层的Elman网络多步预测模型，即可实现其室温预测值与实际值的误差在±1℃以内，可以满足室温预测控制的精度及误差要求，为解决变风量末端控制和整个VAV系统的预测控制奠定了基础。
　　第三，针对现有VAV空调自动控制系统难以实现Elman网络预测控制这一关键技术问题，根据变风量空调室温预测控制的测控需求，设计了变风量空调控制系统分布式总线网络架构，完成了变风量空调系统监测控制硬件及软件系统的开发，以满足变风量空调室温Elman网络多步预测控制试验研究及工程应用技术需求，
　　第四，为提高变风量末端室温控制回路的运行性能，基于上述变风量空调室温纯滞后Elman网络多步预测模型，提出了变风量空调末端室温预测控制方法;通过与传统串级PI控制算法的对比试验研究，验证了提出的室温Elman网络多步预测控制方法的有效性，结果表明，通过合理地选取室温控制回路的控制周期，提出的室温预测控制方法无需依赖压力无关型变风量末端风速传感器计算末端实际送风量，不仅改进了变风量末端控制方法和控制装置，而且比串级PI控制大幅度地降低了风阀开度变化总行程（冬季降低44％，夏季降低70％），有利于延长阀门寿命;同时也大幅度降低了风阀开度变化次数（冬季降低65％，夏季降低42％），有利于提高末端室温控制回路及整个系统的稳定性。
　　最后，为解决送风量调节中末端室温控制回路与整个系统送风静压控制回路相互耦合的问题，降低其对变风量系统运行性能的影响，基于上述提出的变风量末端室温Elman网络多步预测控制方法，提出了基于末端预测阀位的变静压模糊控制方法;通过对比试验研究，验证了提出的模糊预测控制方法的有效性及能耗效率，结果表明，以末端室温对送风量的纯滞后响应时间为室温预测控制回路的控制周期，通过合理地选择模糊基本论域提出的变静压模糊控制方法，提高了变风量系统室温控制回路和送风机控制回路的稳定性，在夏季和冬季分别降低了10％和30％的送风机能耗。

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