楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制方法及系统

本发明属于控制，尤其涉及楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、建筑在世界能源消耗中占很大比例，其中约40％-50％归因于供暖、通风和空调(hvac)系统。因此，在暖通空调设备中找到适当的控制策略以减少建筑部门的能源消耗是至关重要的。

3、目前，传统的控制方法大多只考虑空调系统的温度控制问题而忽略了系统的能耗、实时性和鲁棒性，这往往是由系统设计所决定的。因此需要考虑其他有效的控制方法。在众多针对能耗的优化控制策略中模型预测控制(mpc)得到了发展。

4、最小-最大mpc作为一种流行的技术，用于解决由于模型不确定性和外部干扰引起的控制问题。然而，最小-最大mpc导致了一个无限维优化问题，这对于任何实时应用都是难以处理的。

5、基于管的mpc(tmpc)作为解决模型不确定性和外部干扰的控制方法能够有效避免优化时的维数灾难问题，这在一定程度上减轻了计算负担。然而集中式的控制方法在面对大型建筑系统的控制时依旧无法保证控制的实时性和有效性。这是因为具有大量分区的建筑模型存在着高维的系统输入和输出，因此需要大量的集中计算工作。其次，当集中式控制器发生故障时，整个系统会失控，这无法保证控制的完整性。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制方法，在tmpc的基础上设计了分布式tmpc(dtmpc)以进一步减轻系统的计算复杂度并保证了系统的实时性和有效性。

2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

3、第一方面，公开了楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制方法，包括：

4、根据实际楼宇系统的先验信息得到各个子系统的标称控制序列；

5、设置跟踪目标函数，对标称控制序列进行跟踪，通过优化求解得到子系统的实际控制序列；

6、将得到的实际控制序列输入到子系统以实现在外部扰动和不确定因素下楼宇内暖通空调系统的温度控制。

7、作为进一步的技术方案，根据实际楼宇系统的先验信息得到各个子系统的标称控制序列的步骤为：

8、考虑系统的传热过程、输入输出功率将楼宇内暖通空调系统等效为一个线性电路模型；

9、求解该电路模型可获得状态空间方程；

10、将室内环境的热舒适性问题和送风机的功率限制作优化问题的限制条件；

11、使用交替方向相乘方法求解状态空间方程及限制条件，得到各个子系统的标称控制序列。

12、作为进一步的技术方案，各个子系统的标称控制序列作为分布式模型预测控制器的输入，分布式模型预测控制器生成一组子系统的实际控制序列。

13、作为进一步的技术方案，考虑系统的传热过程、输入输出功率将楼宇内暖通空调系统等效为一个线性电路模型时，电压可等效为温度，热通量可等效为电流，热阻等效为电阻。

14、作为进一步的技术方案，求解该电路模型可获得状态空间方程时，对该电路模型离散化得到状态空间方程。

15、作为进一步的技术方案，还包括：表示实际楼宇系统送风机、冷凝管以及havc系统在采样时间的功耗；

16、基于功耗得到其经济优化问题的表示；

17、针对经济优化问题的表示使用交替方向相乘方法求解。

18、作为进一步的技术方案，针对经济优化问题的表示使用交替方向相乘方法求解，包括：

19、将基于功耗得到其经济优化问题的表示进行重新表达；

20、定义增广拉格朗日函数以消除耦合等式约束；

21、更新拉格朗日乘子；

22、利用更新后的拉格朗日乘子进行新一轮的优化求解，得到标称控制序列。

23、第二方面，公开了楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制系统，包括：

24、标称控制序列获取模块，被配置为：根据实际楼宇系统的先验信息得到各个子系统的标称控制序列；

25、实际控制序列获取模块，被配置为：设置跟踪目标函数，对标称控制序列进行跟踪，通过优化求解得到子系统的实际控制序列；

26、温度控制模块，被配置为：将得到的实际控制序列输入到子系统以实现在外部扰动和不确定因素下楼宇内暖通空调系统的温度控制。

27、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

28、本发明技术方案提供了分布式管状mpc方法，一方面使用基于管的mpc方法避免维数灾难问题并降低模型不确定性和外部干扰对系统的影响，另一方面使用交叉向量相乘(admm)方法提高了系统的计算效率，使用分布式控制方法降低系统的输入输出维数以进一步减轻系统的计算负担，这保证了控制的实时性和有效性。

29、本发明技术方案所提出的dtmpc方法使用非线性建筑热负荷模型(1)-(3)作为限制条件参与优化计算，该模型允许系统准确地捕捉建筑物的动态特征，并通过数值求解获得系统状态的有效预测。在解决empc优化问题时使用了admm方法。该方法消除了优化约束，降低了计算维数，有效提高了empc的计算效率。

30、本发明技术方案所使用的分布式mpc方法把集中式计算分解成许多小的部分并分配给各个子系统进行处理，这将有效降低系统的计算量，在面对大型建筑系统时分布式mpc能够提高系统的运行效率。

31、考虑到建筑物热负荷模型的不确定性和外部扰动因素，本发明技术方案使用empc和dmpc组成基于管的分布式mpc，使实际系统的状态保持在以标称轨迹为中心的管状空间内，有效降低外部干扰和不确定性因素对系统的影响。

32、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制方法，其特征是，包括：

2.如权利要求1所述的楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制方法，其特征是，根据实际楼宇系统的先验信息得到各个子系统的标称控制序列的步骤为：

3.如权利要求1所述的楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制方法，其特征是，各个子系统的标称控制序列作为分布式模型预测控制器的输入，分布式模型预测控制器生成一组子系统的实际控制序列。

4.如权利要求1所述的楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制方法，其特征是，考虑系统的传热过程、输入输出功率将楼宇内暖通空调系统等效为一个线性电路模型时，电压可等效为温度，热通量可等效为电流，热阻等效为电阻。

5.如权利要求1所述的楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制方法，其特征是，求解该电路模型可获得状态空间方程时，对该电路模型离散化得到状态空间方程。

6.如权利要求1所述的楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制方法，其特征是，还包括：表示实际楼宇系统送风机、冷凝管以及havc系统在采样时间的功耗；

7.如权利要求1所述的楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制方法，其特征是，针对经济优化问题的表示使用交替方向相乘方法求解，包括：

8.楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制系统，其特征是，包括：

9.一种计算机装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。

技术总结
本发明提出了楼宇内暖通空调系统的分布式能耗优化控制方法及系统，包括：根据实际楼宇系统的先验信息得到各个子系统的标称控制序列；设置跟踪目标函数，对标称控制序列进行跟踪，通过优化求解得到子系统的实际控制序列；将得到的实际控制序列输入到子系统以实现在外部扰动和不确定因素下楼宇内暖通空调系统的温度控制。

技术研发人员：王新立,张原硕,尹晓红,贾磊,王雷
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14