基于滑模变结构模型的建筑物节能复合分析方法及系统

摘要

本发明涉及建筑物节能领域，特别是涉及一种基于滑模变结构模型的建筑物节能复合分析方法及系统。所述方法具体包括1、被加热区域的简化数学模型；2、设计基于滑模变结构的温度分析系统；最后得到

说明书

技术领域

本发明涉及建筑物节能领域，特别是涉及一种基于滑模变结构模型的建筑物节能复合分析方法及系统。 

背景技术

随着人类社会各个方面的急速发展,全世界能源短缺日益加剧,节能问题已受到世界各国的普遍关注。建筑是用能大户,全世界仅有近30%的能源消耗在建筑物上,尤其在我国,建筑能耗已超过全国能源消总量的1/4,且呈递增趋势,因而建筑节能已成为近年来世界建筑发展的一个基本趋势。为建筑物供暖是能源消耗的一个很大方面，如何在此方面有效地节约能源是研究的一个重要课题。 

发明内容

本发明就是针对建筑物供暖系统，设计了一个基于滑模变结构模型的建筑物节能复合分析系统，合理支配建筑物热量供应，从而达到节能目的。 

本发明的技术方案如下： 

一种基于滑模变结构模型的建筑物节能复合分析方法，所述方法具体如下： 

1.1根据热力学第一定律和该定律与实际温度测量系统的一致性，能得到热力系统结构化和动态化时变规律,从而得到被加热区域的简化数学模型,如下式： 

${\tau }_1\frac{{\mathrm{dT}}_r}{\mathrm{dt}}+T_r={\tau }_1{R}_1\frac{{\mathrm{dQ}}_h}{\mathrm{dt}}+(R_1+R_2)Q_h+T_b---\left(1\right)$

式中,T_r为房间温度，T_b为建筑物墙体温度，Q_h为热量输入，τ₁=C_bR₂,C_b为房间结构热熔,R₁为内部线性热阻,R₂为外部线性热阻,R₁、R₂可根据建筑墙体材料来确定； 

1.2设计基于滑模变结构的温度分析系统： 

1）滑模面设计 

选择状态变量代表温度误差，即得到如下方程 

$\left(\begin{array}{c}{x}_1=e=T_r^{*}-T_r\\ x_2=\stackrel{·}{e}={\stackrel{·}{T}}_r^{*}-{\stackrel{·}{T}}_r\end{array}\right)---\left(2\right)$

定义切换函数S=cx₁+x₂，其中c>0； 

2）求取控制律 

为了保证滑模可达性，采用指数趋近律，如下式 

$\stackrel{·}{S}=-\mathrm{ϵsignS}-\mathrm{kS},ϵ>0,k>0---\left(3\right)$

其中sign是一个符号函数，定义如下 

$\mathrm{SignS}=\left(\begin{array}{cc}1& S>0\\ -1& S<0\end{array}\right)$

下面推导控制率： 

将S=cx₁+x₂带入上式（3），可得 

$\stackrel{·}{S}=-\mathrm{ϵsignS}-\mathrm{kce}-k\stackrel{·}{e}---\left(4\right)$

$=-\mathrm{ϵsignS}-k\stackrel{·}{e}-\mathrm{kc}{T}_r^{*}+\mathrm{kc}{T}_r$

由（1）式可得 

$T_r=R_1\frac{{\mathrm{dQ}}_h}{\mathrm{dt}}-{\tau }_1\frac{{\mathrm{dT}}_r}{\mathrm{dt}}+(R_1+R_2)Q_h+T_b---\left(5\right)$

将（5）式带入（4）式得 

$\stackrel{·}{S}=-\mathrm{ϵsignS}-k\stackrel{·}{e}-\mathrm{kc}{T}_r^{*}+\mathrm{kc}{\{R}_1\frac{{\mathrm{dQ}}_h}{\mathrm{dt}}-{\tau }_1\frac{{\mathrm{dT}}_r}{\mathrm{dt}}+(R_1+R_2)Q_h+T_b\}---\left(6\right)$

从而求出输出u的表达式 

$u=Q_h=\{\stackrel{·}{S}+\mathrm{ϵsignS}+k\stackrel{·}{e}+\mathrm{kc}{T}_r^{*}-\mathrm{kc}(R_1\frac{{\mathrm{dQ}}_h}{\mathrm{dt}}-{\tau }_1\frac{{\mathrm{dT}}_r}{\mathrm{dt}}+T_b)\}/(R_1+R_2)---\left(7\right)$

对其参数化可得 

$u=Q_h=A\stackrel{·}{S}+\mathrm{BsignS}+C\stackrel{·}{e}+D{T}_r^{*}+E\frac{{\mathrm{dQ}}_h}{\mathrm{dt}}+F\frac{d{T}_r}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{AT}}_b---\left(8\right)$

上述方法中，输入量是检测到的房间温度T_r、建筑物墙体温度T_b以及温度设定值输出量是供暖系统应该输出的热量，即热量输入值Q_h。 

基于上述方法的建筑物节能控制系统，所述系统包括：房间温度获取系统、建筑物墙体温度获取系统、温度设定系统、建筑物节能复合分析模块及供暖控制系统，其特征在于： 

所述房间温度获取系统、建筑物墙体温度获取系统、温度设定系统分别采集或设定的温度输入至建筑物节能复合分析模块，建筑物节能复合分析模块输出供暖系统应该输出的热量至供暖控制系统，供暖控制系统进行输出热量的控制。 

本发明的有益效果在于：本发明的方法只需输入房间温度T_r、建筑物墙体温度T_b以及温度设定值即可求导出供暖系统应该输出的热量，即热量输入值Q_h，合理支配建筑物热量供应，从而达到节能目的。 

附图说明

图1是本发明的系统框图。 

图2基于滑模变结构模型的建筑物节能复合分析系统框图。 

图3是普通系统的房间变化温度图。 

图4是基于滑模变结构模型的建筑物节能符合分析系统的房间变化温度图。 

具体实施方式

下面是我们对实际当中的一个系统进行简单对比介绍： 

为了验证我们设计的系统的可行性和优点，我们将普通的空调节能系统与我们设计的基于滑模变结构模型的建筑物节能符合分析系统进行对比。应用普通空调节能系统的建筑物房间中，我们检测到的房间温度以稳定值23.2℃，幅值大约1.3℃，周期大约50分钟，我们对实际室内房间温度的变化以幅值很小、周期很大的正弦波来模拟。而我们将测量墙体温度的多个传感器取平均值，测得墙体温度基本上以稳定值7.6℃，幅值0.8摄氏度，周期大约65分钟。当我们把基于滑模变结构模型分析算法加入到系统中，我们测得的房间温度稳定值23.3℃，幅值大约0.7℃，周期大约45分钟。而墙体温度稳定值大约是7.6℃，幅值大约0.5℃，周期大约58分钟。我们可以看到，温度变化的幅值明显减小，达到了我们的控制期望。周期相比减小的原因主要是因为温度波动的范围减小了，而这对我们控制期望没有任何的影响。 

下面对比一下房间温度变化： 

普通系统的房间变化温度图如图3所示；基于滑模变结构模型的建筑物节能符合分析系统的房间变化温度图如图4所示。可见，本发明系统可以合理支配建筑物热量供应，从而达到节能目的。